Διάγνωση ελαττωμάτων ρουλεμάν
Ελαττώματα ρουλεμάν είναι μικροσκοπικά ή μακροσκοπικά ελαττώματα — ρωγμές, αποσπάσματα ή κοιλώματα — στις επιφάνειες εργασίας ενός ρουλεμάν. Επειδή τα ρουλεμάν είναι θεμελιώδη για τα περισσότερα περιστρεφόμενα μηχανήματα και αποτελούν συχνό σημείο αστοχίας, η έγκαιρη ανίχνευση αυτών των ελαττωμάτων αποτελεί μία από τις πιο σημαντικές εργασίες στον ανάλυση κραδασμών. Ένα ελάττωμα προκαλεί επαναλαμβανόμενη, περιοδική πρόσκρουση κάθε φορά που ένα στοιχείο κύλισης περνά από πάνω του, και αυτή ακριβώς η περιοδικότητα είναι που καθιστά το ελάττωμα ορατό στο φάσμα πολύ πριν το ρουλεμάν υπερθερμανθεί ή αρχίσει να ακούγεται.
1. Η Φύση των Ελαττωμάτων των Ρουλεμάν
Ένα τυπικό ρουλεμάν αποτελείται από τέσσερα μέρη: έναν εξωτερικό δακτύλιο, έναν εσωτερικό δακτύλιο, ένα σύνολο σφαιριδίων ή κυλίνδρων και έναν κλωβό που διατηρεί τα στοιχεία σε ομοιόμορφη απόσταση μεταξύ τους. Ένα ελάττωμα είναι μια ατέλεια σε οποιαδήποτε από αυτές τις επιφάνειες. Καθώς ένα στοιχείο κύλισης περνάει από πάνω της, η επαφή δημιουργεί μια μικρή, απότομη πρόσκρουση υψηλής συχνότητας — ένα «κλικ». Ένα μεμονωμένο κλικ μεταφέρει πολύ λίγη ενέργεια, αλλά οι κρούσεις επαναλαμβάνονται σε κάθε πέρασμα, δημιουργώντας ένα έντονα περιοδικό σήμα. Η ανάλυση κραδασμών είναι εξαιρετικά αποτελεσματική στην ανίχνευση αυτού του είδους επαναλαμβανόμενων κρούσεων, γι' αυτό και ένα ρουλεμάν που φθείρεται μπορεί να εντοπιστεί μήνες νωρίτερα και όχι τη στιγμή που θα μπλοκάρει.
2. Οι τέσσερις βασικές συχνότητες σφάλματος
Ο βασικός κανόνας της διάγνωσης των ρουλεμάν είναι ότι, για μια δεδομένη γεωμετρία ρουλεμάν και ταχύτητα άξονα, οι κρούσεις συμβαίνουν με πολύ συγκεκριμένους και προβλέψιμους ρυθμούς. Αυτά συχνότητες σφάλματος ρουλεμάν are:
- BPFO (Συχνότητα πάσας με την μπάλα, Εξωτερικός γύρος): ο ρυθμός με τον οποίο τα κυλινδρικά στοιχεία διέρχονται από ένα συγκεκριμένο σημείο του ακίνητου εξωτερικού δακτυλίου. Πρόκειται για το πιο συχνά παρατηρούμενο ελάττωμα στα ρουλεμάν.
- BPFI (Συχνότητα πάσας με την μπάλα, εσωτερικός γύρος): ο ρυθμός με τον οποίο τα στοιχεία περνούν από ένα σημείο στον εσωτερικό δακτύλιο. Επειδή ο εσωτερικός δακτύλιος περιστρέφεται μαζί με τον άξονα, ο ρυθμός BPFI είναι υψηλότερος από τον ρυθμό BPFO.
- BSF (Συχνότητα περιστροφής της μπάλας): η συχνότητα με την οποία ένα κυλινδρικό στοιχείο περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του. Ένα ελάττωμα BSF συχνά εκπέμπει ενέργεια με διπλάσια συχνότητα, επειδή το ελάττωμα έρχεται σε επαφή και με τους δύο δακτυλίους σε κάθε περιστροφή του στοιχείου.
- FTF (Βασική συχνότητα τρένου): η συχνότητα περιστροφής του κλωβού, ή «τρένου». Πρόκειται για πολύ χαμηλή συχνότητα, συνήθως μικρότερη από το 0,5X της ταχύτητα λειτουργίας.
Οι τιμές αυτές εξαρτώνται από τη γεωμετρία του ρουλεμάν — τη διάμετρο βήματος, τη διάμετρο των σφαιριδίων, τη γωνία επαφής και τον αριθμό των σφαιριδίων — καθώς και από την ταχύτητα του άξονα. Τα προγράμματα ανάλυσης κραδασμών διαθέτουν συνήθως μια εκτενή βάση δεδομένων ρουλεμάν και τις υπολογίζουν αυτόματα, ενώ μπορούν επίσης να υπολογιστούν απευθείας με ένα υπολογιστής συχνότητας ελαττωμάτων ρουλεμάν όταν είναι γνωστός ο κωδικός του ρουλεμάν ή οι διαστάσεις του.
3. Πώς εμφανίζονται τα ελαττώματα των ρουλεμάν στο φάσμα
Ένα αναπτυσσόμενο ελάττωμα αφήνει ένα χαρακτηριστικό μοτίβο στο Φάσμα FFT:
- Κορυφές υψηλής συχνότητας: η ίδια η συχνότητα του σφάλματος (για παράδειγμα το BPFO) εμφανίζεται ως μια κορυφή αρκετά ψηλά στο φάσμα συχνοτήτων, μακριά από τις κορυφές περιστροφής χαμηλής τάξης.
- Αρμονικές: Ο απότομος και παρορμητικός χαρακτήρας των κραδασμών δημιουργεί συνήθως αρκετές αρμονικές — ακριβή πολλαπλάσια — της συχνότητας του ρήγματος, ενώ μια μακρά σειρά από αυτές υποδηλώνει ένα καλά ανεπτυγμένο ρήγμα.
- Πλευρικές ζώνες: Αυτός είναι ο κρίσιμος διαγνωστικός δείκτης. Η κορυφή της συχνότητας βλάβης πλαισιώνεται συνήθως από πλευρικές ζώνες που απέχουν 1X της ταχύτητας περιστροφής. Μια κορυφή BPFO με πλευρικές ζώνες 1X αποτελεί κλασικό χαρακτηριστικό βλάβης στον εξωτερικό δακτύλιο, ενώ μια βλάβη στον εσωτερικό δακτύλιο (BPFI) συνοδεύεται σχεδόν πάντα από πλευρικές ζώνες 1X, καθώς το περιστρεφόμενο ελάττωμα εισέρχεται και εξέρχεται από τη ζώνη φόρτισης του ρουλεμάν μία φορά ανά περιστροφή, διαμορφώνοντας έτσι την ένταση της πρόσκρουσης.
Στα αρχικά στάδια, αυτές οι κορυφές είναι μικρές και χάνουν εύκολα μέσα στο θόρυβο βάσης του φάσματος, γι’ αυτό και συνήθως χρησιμοποιείται μια εξειδικευμένη τεχνική ανίχνευσης.
4. Ανάλυση φακέλων για την έγκαιρη ανίχνευση
Ανάλυση περιβάλλουσας, γνωστή και ως αποδιαμόρφωση, αποτελεί την πιο αποτελεσματική μέθοδο για τον εντοπισμό βλαβών στους ρουλεμάν σε πρώιμο στάδιο. Πρόκειται για μια τεχνική επεξεργασίας σήματος που χρησιμοποιεί φίλτρα περασμάτων ζώνης για να απομονώσει τις δονήσεις χαμηλής συχνότητας και υψηλής ενέργειας που προέρχονται από πηγές όπως ανισορροπία και κακή ευθυγράμμιση, και στη συνέχεια εστιάζει αποκλειστικά στις κρούσεις υψηλής συχνότητας και χαμηλής ενέργειας που προκαλεί το ελάττωμα. Οι επαναλαμβανόμενες κρούσεις προκαλούν ταλαντώσεις στις φυσικές συχνότητες της κατασκευής, και η επεξεργασία περιβάλλουσας καμπύλης εξάγει τον ρυθμό επανάληψης αυτών των ταλαντώσεων.
Η προκύπτουσα φάσμα περιβλήματος είναι εξαιρετικά «καθαρό», παρουσιάζοντας με σαφήνεια τις συχνότητες βλαβών των ρουλεμάν και τις αρμονικές τους σε φόντο χαμηλού σήματος. Αυτό επιτρέπει την ανίχνευση μήνες — και μερικές φορές χρόνια — πριν το ρουλεμάν παρουσιάσει βλάβη, παρέχοντας τον απαραίτητο χρόνο για να γίνει προγραμματισμένη αντικατάσταση αντί για επείγουσα επισκευή λόγω βλάβης.
5. Επιβεβαίωση της διάγνωσης στο πεδίο
Μια αξιόπιστη εκτίμηση της κατεύθυνσης βασίζεται στην αντιστοίχιση των μετρημένων κορυφών με τις υπολογισμένες συχνότητες του ρήγματος και στην επιβεβαίωση του αναμενόμενου μοτίβου πλευρικών ζωνών, ιδανικά με τη στήριξη ενός φάσματος περιβάλλουσας καμπύλης και μιας σαφούς ανοδικής τάσης στις διαδοχικές μετρήσεις. Ένα φορητό όργανο δύο καναλιών όπως το Balanset-1A επιτρέπει σε έναν μηχανικό να καταγράψει το φάσμα του μηχανήματος στα ρουλεμάν του, σε ταχύτητα λειτουργίας, ώστε να μπορεί να ελεγχθεί επιτόπου ένα υποψιαζόμενο ελάττωμα ρουλεμάν σε σύγκριση με τις προβλεπόμενες συχνότητές του. Αξίζει επίσης να αποκλειστούν παρόμοιες πηγές: δομικές χαλαρότητα και τα ελαττώματα των κυλίνδρων μπορούν και τα δύο να προκαλέσουν ενέργεια ευρείας ζώνης, αλλά μόνο ένα πραγματικό ελάττωμα ρουλεμάν αντιστοιχεί στις κατηγορίες BPFO, BPFI, BSF ή FTF.
