אבחון פגמים בגלגלי שיניים באמצעות ניתוח רעידות
פגמים בגלגלי שיניים הם מצבי בלאי ונזק — בלאי שיניים, סדקים, אקסצנטריות, אי-יישור — המתפתחים במערכות גלגלי שיניים המשמשות להעברת כוח במכונות תעשייתיות. השתלבות שיני גלגלי השיניים היא תהליך רועש ורוטט מטבעו, ולכן גלגלי שיניים תקינים מייצרים חתימת רטט ברורה ויציבה מאוד; כל סטייה מחתימה זו היא אינדיקציה חזקה לבעיה. מכיוון ש ניתוח רעידות ניתוח רעידות יכול לזהות סטיות אלה בשלב מוקדם מאוד, ולכן הוא מאתר תקלות בגלגלי שיניים הרבה לפני שהן מתפתחות לכשל קטסטרופלי בתיבת ההילוכים.
1. חתימת הרטט של גלגלי שיניים
לכל מערכת גלגלי שיניים יש טביעת אצבע אופיינית בתחום התדרים, הנשלטת על ידי קצב השתלבות השיניים ומוקפת בפעילות הקשורה לסיבובו של כל ציר. לכן, מדידת בסיס של תיבת הילוכים תקינה היא אחת מנקודות הייחוס החשובות ביותר שתוכנית אמינות יכולה להחזיק: תקלות מאובחנות לא לפי מספר מוחלט, אלא לפי האופן שבו הספקטרום של היום ו- צורת גל זמן שונים מאותה חתימה ידועה כ"תקינה". תחום אבחון גלגלי השיניים מתמקד במידה רבה ביכולת לקרוא נכון את ההבדל הזה, ולכן גלגלי שיניים בולטים כל כך בבדיקות השגרתיות ניטור מצב.
2. תדר שילוב גלגלי השיניים (GMF)
התדר החשוב ביותר בניתוח תיבת הילוכים הוא תדר חיבור שיניים (GMF) — הקצב שבו שיני שני גלגלי שיניים המשתלבים זה בזה נכנסות למגע זו עם זו.
GMF = מספר שיניים על גלגל שיניים × מהירות סיבוב של גלגל השיניים
בתיבת הילוכים תקינה ה- ספקטרום FFT מציג שיא ברור ב-GMF, בדרך כלל עם כמה הרמוניות קטנות הרמוניות (2×GMF, 3×GMF). משרעת שיא ה-GMF משקפת את העומס המופעל על ההילוכים, ולכן שיא GMF גבוה כשלעצמו אינו בהכרח מעיד על תקלה — ייתכן שהוא פשוט מצביע על כך שתיבת ההילוכים פועלת במאמץ רב. המידע האבחוני האמיתי טמון בתדרים סביב שסביב שיא ה-GMF, ולא בשיא עצמו. מכיוון שה-GMF תלוי הן במספר השיניים והן במהירות, קל לזהותו בטעות באופן ידני; מנתח רעידות מחשבון תדר רשת גלגלי שיניים מזהה את ה-GMF ואת פסי הצד שלו עבור מערכת גלגלי שיניים נתונה תוך שניות ספורות.
3. שימוש בפסי צד לאיתור תקלות
פסים צדדיים מהווים את הכלי החזק ביותר לאבחון בעיות ספציפיות במערכת ההילוכים. מדובר בפסגות קטנות המופיעות משני צדי ה-GMF וההרמוניות שלו, הנוצרות כאשר תקלה משפיעה על תהליך ההשתלבות. הרמז המכריע הוא המרווח: המרווח בין פס צד לשיא ה-GMF שווה למהירות הסיבוב של הציר הנושא את גלגל השיניים הפגום, וכך אפשר לדעת מיד איזה אשר ציר יש לבדוק.
- גלגל שיניים שחוק או אקסצנטרי: בלוי, אקסצנטרי או גלגל שיניים פגום מאפנן את ה-GMF בתדר הסיבוב העצמי שלו, ויוצר פסי צד במרווחים של מהירות הריצה (1×) של ציר ההילוך הזה. אם רצועות הצד תואמות את מהירות ציר הכניסה, התקלה היא בהילוך הכניסה.
- שחיקה כללית של השיניים: בלאי של הילוכים בדרך כלל מגביר את משרעת ה-GMF וההרמוניות שלו, בליווי רצועות צד 1× מההילוך המתאים.
- שן סדוקה או שבורה: שן אחת סדוקה או שבורה יוצרת שיא חזק בתדר הסיבוב 1× של אותו גלגל שיניים, לעיתים קרובות עם הרמוניות רבות, ובנוסף פסי צד סביב ה-GMF במרווחים השווים לתדר הסיבוב של אותו גלגל שיניים. צורת הגל בזמן חשובה במיוחד כאן — היא מציגה מכת רטט מחזורית ברורה בכל פעם שהשן הפגומה מנסה להשתלב.
- אי-יישור הילוכים: אי-יישור אי-יישור של גלגלי השיניים מייצר לעיתים קרובות הרמוניה גבוהה של 2×GMF, שלפעמים אף גבוהה יותר משיא ה-GMF הראשי, ושוב מלווה בפסי צד במרווחי תדר הסיבוב.
תופעה נלווית שכדאי להכיר היא ה- תדירות חזרת המפגש בין אותן שיניים, התדירות הנמוכה מאוד שבה זוג שיניים מסוים נכנס שוב למגע; תקלות הכוללות שן פגומה אחת בכל גלגל שיניים יכולות לעורר אותה.
4. טכניקות ניתוח ייעודיות
מכיוון שתנודות ההילוכים כה בולטות, ניתוח הספקטרום הסטנדרטי משולב לעתים קרובות בטכניקות המבודדות את אות ההילוכים:
- ניתוח צורות גל בזמן: חיוני לאיתור שיניים שבורות או סדוקות, המתבטאות במכות חדות וחוזרות המתוזמנות לפי סיבוב ההילוך ולא לפי המפגש בין השיניים.
- ניתוח צפסטרום: טרנספורמציה המרכזת משפחות שלמות של רצועות צד במרווחים שווים למרכיבים בודדים וקלים לקריאה, ובכך הופכת את דפוסי רצועות הצד לגלויים כאשר הם מוסתרים בתוך FFT צפוף.
- ניתוח מעטפה: מבצע דמודולציה של הנשא בתדר הגבוה כדי לחשוף את קצב המכות בתדר הנמוך של פגם מקומי בשן, ומשלים את תמונת פסי הצד.
5. שלבי כשל של גלגלי שיניים
ניתוח הרטט מאפשר לעקוב אחר התפתחות תקלה בהילוכים לאורך ארבעה שלבים ברורים, ובכך מעניק לצוותי התחזוקה זמן מספיק לתכנן את הטיפול:
- שלב 1 (מוקדם): סביב ה-GMF מופיעים תדרי לוואי קטנים. ייתכן שרמת הרטט הכוללת לא תשתנה כלל.
- שלב 2 (בינוני): משרעת הפסים הצדדיים הולכת וגדלה, והרמוניות של ה-GMF מתחילות להופיע עם פסים צדדיים משלהן.
- שלב 3 (חמור): ה-GMF וההרמוניות שלו נושאים פסי צד רבים וגדולים, תדר ה-1× של גלגל השיניים הבעייתי מתחיל לעלות, ורצפת הרעש של הספקטרום מתרוממת.
- שלב 4 (קטסטרופלי): ה-GMF עלול להיעלם, ולהיות מוחלף בדפוס רטט רועש ואקראי כאשר השיניים נפגעות קשות או נהרסות.
6. יישום בשטח
אבחון תקלות בהילוכים מתחיל במדידה נקייה בשטח, במהירות ובעומס תפעוליים. מכשיר נייד דו-ערוצי כגון ה- Balanset-1A המכשיר לוכד את ספקטרום ה-FFT ואת צורת הגל בזמן הגולמית בכל מיסב, ומאפשר למהנדס לאתר את ה-GMF, לקרוא את מרווחי פסי הצד כדי לשייך את התקלה לציר מסוים, ולבחון את צורת הגל כדי לזהות את מכת הרטט המחזורית האופיינית לשן שבורה — והכול בלי לפתוח את תיבת ההילוכים. כאשר תיבת ההילוכים גם מניעה או תומכת ברוטור, אותו מכשיר מאמת כי הרטט מֵסַב השיורי והרטט הנובע מחוסר איזון נשארים בתוך גבולות התקנים כגון ISO 20816, כך שתקלה מאובחנת בגלגלי שיניים אינה מוסתרת על ידי מקורות לא קשורים. כאשר היא מתגלה בשלב 1 או 2, תקלה בגלגלי שיניים הופכת לתיקון מתוכנן ולא להשבתה בלתי מתוכננת.
