Vaihdevikojen diagnosointi värähtelyanalyysin avulla
Gear defects teollisuuskoneiden voimansiirrossa käytettävissä hammaspyörästöissä esiintyy erilaisia kulumis- ja vauriomuotoja – hampaiden kulumista, halkeamia, epäkeskisyyttä ja virheasentoa. Hammaspyörien hampaiden yhteenmeneminen on luonnostaan meluisa ja tärisevä prosessi, joten kunnossa olevat hammaspyörät tuottavat hyvin selkeän ja vakaan värähtelykuvion; mikä tahansa poikkeama tästä kuviosta on vahva merkki ongelmista. Koska värähtelyanalyysi pystyy havaitsemaan nämä poikkeamat jo hyvin varhaisessa vaiheessa, joten se havaitsee vaihteistoviat kauan ennen kuin ne etenevät vaihteiston katastrofaaliseksi vikaantumiseksi.
1. Vaihteiden värähtelyominaisuudet
Jokaisella hammaspyörästöllä on taajuusalueella oma tunnusomainen sormenjälkensä, jota hallitsee hampaiden kosketustaajuus ja jota ympäröi kunkin akselin pyörimiseen liittyvä toiminta. Terveen vaihdelaatikon perustason mittaus onkin yksi luotettavuusohjelman arvokkaimmista vertailuarvoista: vikoja ei diagnosoida absoluuttisten lukujen perusteella, vaan sen perusteella, miten tämänhetkinen spektri ja aika-aaltomuoto poikkeavat siitä tunnetusta, moitteettomasta allekirjoituksesta. Hammaspyörien vianmääritys on suurelta osin kyse siitä, että tämä ero osataan tulkita oikein, minkä vuoksi hammaspyörät ovat niin keskeisessä asemassa rutiinitarkastuksissa kunnonvalvonta.
2. Vaihteiden kytkeytymistaajuus (GMF)
Vaihteistoanalyysin tärkein taajuus on Vaihteiden kytkentätaajuus (GMF) — nopeus, jolla kahden toisiinsa pureutuvan hammaspyörän hampaat tarttuvat toisiinsa.
GMF = Hammasten lukumäärä hammaspyörällä × Kyseisen hammaspyörän pyörimisnopeus
Terveessä vaihteistossa FFT-spektri näyttää selvän piikin GMF:llä, yleensä muutaman pienen yliaallot (2×GMF, 3×GMF). GMF-piikin amplitudi kuvaa vaihteiden kuormitusta, joten korkea GMF-piikki ei sinänsä välttämättä tarkoita vikaa – se voi yksinkertaisesti viitata siihen, että vaihteisto on kovassa rasituksessa. Todellinen vianmääritystieto löytyy taajuuksista noin GMF-huipun, ei itse huipun. Koska GMF riippuu sekä hampaiden lukumäärästä että nopeudesta, se on helppo tunnistaa väärin käsin; Hammaspyörien kytkentätaajuuden laskin laskee GMF:n ja sen sivukaistat tietylle hammaspyörästölle muutamassa sekunnissa.
3. Sivukaistojen käyttö vikojen diagnosoinnissa
Sivunauhat ovat tehokkain yksittäinen työkalu tiettyjen vaihdeongelmien diagnosoimiseen. Ne ovat pieniä piikkejä, jotka näkyvät GMF-signaalin ja sen harmonisten aaltojen molemmin puolin ja syntyvät, kun vika vaikuttaa hammaspyörien kytkeytyvyyteen. Ratkaiseva vihje on niiden spacing: sivukaistan ja GMF-huipun välinen ero vastaa viallisen hammaspyörän kantavan akselin pyörimisnopeutta, mikä paljastaa asian välittömästi mikä akseli tarkastettavaksi.
- Kulunut tai epäkeskinen hammaspyörä: a worn, eccentric tai viallinen vaihde muokkaa GMF:ää omalla pyörimisnopeudellaan, jolloin syntyy sivukaistoja, joiden väli on pyörimisnopeus (1×) kyseisen hammaspyörän akselille. Jos sivukaistoja vastaava taajuus vastaa syöttöakselin pyörimisnopeutta, vika on syöttöakselin hammaspyörässä.
- Yleinen hampaiden kuluminen: gear wear lisää tyypillisesti GMF:n ja sen harmonisten aaltojen amplitudia, ja samalla syntyy vastaavan vaihteen 1× sivukaistat.
- Haljennut tai murtunut hammas: Yksittäinen haljennut tai murtunut hammas aiheuttaa voimakkaan piikin kyseisen hammaspyörän 1×-kierrosnopeudella, usein lukuisine yliaaltoineen, sekä GMF:n ympärillä olevia sivukaistoja, joiden välit vastaavat kyseisen hammaspyörän kierrosnopeutta. Aikakäyrä on tässä yhteydessä erityisen arvokas – se osoittaa selkeän, toistuvan iskun joka kerta, kun vaurioitunut hammas yrittää tarttua toiseen hampaaseen.
- Vaihteiston väärä kohdistus: epäkohdistus hammaspyörien väärä kohdistus tuottaa usein voimakkaan 2×GMF-harmonisen, joka on toisinaan jopa korkeampi kuin ensisijainen GMF-huippu, ja johon liittyy jälleen pyörimisnopeuden sivukaistoja.
Yksi aiheeseen liittyvä, huomionarvoinen vaikutus on metsästyshampaan taajuus, eli se, että tietyn hammasparin takaisinkytkentä tapahtuu erittäin harvoin; viat, joissa kummassakin hammaspyörässä on yksi viallinen hammas, voivat aiheuttaa tämän ilmiön.
4. Erikoistuneet analyysimenetelmät
Koska hammaspyörien tärinä on niin monimuotoista, tavanomaista spektrianalyysiä täydennetään usein menetelmillä, joilla hammaspyöräsignaali erotetaan muusta signaalista:
- Aika-aaltomuodon analyysi: tämä on välttämätöntä murtuneiden tai halkeamien vahvistamiseksi, jotka ilmenevät terävinä, toistuvina iskuina, jotka ovat synkronoituneet hammaspyörän pyörimiseen eivätkä hammaspyörien väliseen kosketukseen.
- Cepstrum-analyysi: muunnos, joka tiivistää kokonaisia, tasavälein sijoittuvia sivukaistaperheitä yksittäisiksi, helposti tulkittaviksi komponenteiksi, jolloin sivukaistakuvioista tulee näkyviä silloinkin, kun ne hukkuvat tiheään FFT-kuvaan.
- Verhokäyräanalyysi: demoduloi korkeataajuisen kantoaallon paljastaakseen paikallisen hampaan vaurion matalataajuisen iskutaajuuden, mikä täydentää sivukaistakuvaa.
5. Vaihteiden vikaantumisen vaiheet
Tärinäanalyysin avulla voidaan seurata hammaspyörävian etenemistä neljän tunnistettavan vaiheen kautta, mikä antaa huoltotiimeille riittävästi aikaa suunnitella korjaustoimenpiteet:
- Vaihe 1 (varhainen): GMF:n ympärille ilmestyy pieniä sivukaistoja. Värähtelyn kokonaistaso ei välttämättä muutu lainkaan.
- Vaihe 2 (kohtalainen): sivukaistojen amplitudit kasvavat, ja GMF:n harmoniset aallot alkavat näkyä omine sivukaistoineen.
- Vaihe 3 (vakava): GMF:ssä ja sen yliaalloissa on paljon suuria sivukaistoja, ongelmallisen vaihteen 1×-taajuus alkaa nousta ja spektrin kohinataso nousee.
- Vaihe 4 (katastrofaalinen): GMF-signaali saattaa kadota ja tilalle voi tulla meluisa, satunnainen värähtelykuvio, kun hampaat ovat pahasti vaurioituneet tai tuhoutuneet.
6. Käytännön soveltaminen kentällä
Hammaspyörien vianmääritys alkaa puhtaalla kenttämittauksella käyttönopeudella ja -kuormituksella. Kannettava kaksikanavainen mittauslaite, kuten Balanset-1A tallentaa FFT-spektrin ja raakasignaalin aikakäyrän jokaisesta laakeripaikasta, jolloin insinööri voi paikantaa GMF:n, lukea sivukaistojen välistä etäisyyttä vian paikantamiseksi tietylle akselille ja tarkkailla aikakäyrästä murtuneen hampaan paljastavaa jaksollista iskua – kaikki tämä ilman vaihdelaatikon avaamista. Jos vaihdelaatikko myös käyttää tai tukee roottoria, sama laite varmistaa, että jäännös laakeri ja epätasapainosta johtuva tärinä pysyy standardien, kuten ISO 20816:n, asettamissa rajoissa, joten vahvistettua vaihdevikaa eivät peitä muut, asiaan liittymättömät tekijät. Jos vaihdevika havaitaan vaiheessa 1 tai 2, siitä tulee suunniteltu korjaus eikä odottamaton vikaantuminen.
