Hajtóműhibák diagnosztizálása rezgésanalízissel
Gear defects olyan kopási és károsodási módok — fogkopás, repedések, excentricitás, tengelybeállítási hiba —, amelyek az ipari gépekben a teljesítményátvitelhez használt fogaskerékpárokban alakulnak ki. A fogaskerékfogak kapcsolódása eredendően zajos és rezgésekkel teli folyamat, ezért az ép fogaskerekek nagyon tiszta és stabil rezgésszignatúrát hoznak létre; az ettől a szignatúrától való bármilyen eltérés a probléma erős jele. Mivel a rezgéselemzés ezeket az eltéréseket nagyon korai szakaszban képes felismerni, már jóval azelőtt észleli a fogaskerékhibákat, hogy azok a hajtómű katasztrofális meghibásodásává fokozódnának.
1. A fogaskerekek rezgési jellemzői
Minden fogaskerékpárnak jellegzetes ujjlenyomata van a frekvenciatartományban, amelyet a fogak kapcsolódásának üteme uralja, és amelyet az egyes tengelyek forgásához kötődő tevékenység vesz körül. Egy ép hajtómű alapmérése ezért az egyik legértékesebb referencia, amellyel egy megbízhatósági program rendelkezhet: a hibákat nem abszolút érték, hanem aszerint diagnosztizálják, hogy a mai spektrum és időhullámforma mennyiben tér el ettől az ismert, jó szignatúrától. A fogaskerék-diagnosztika tudománya nagyrészt e különbség helyes leolvasásának tudománya, ezért szerepelnek a fogaskerekek olyan kiemelten a rendszeres állapotfelügyelet.
2. Fogaskerék-kapcsolási frekvencia (GMF)
A sebességváltó elemzésében a legfontosabb frekvencia a Fogaskerék-kapcsolási frekvencia (GMF) — az az ütem, amellyel két egymással kapcsolódó fogaskerék fogai egymásba kapcsolódnak.
GMF = Fogak száma a fogaskeréken × A fogaskerék forgási sebessége
Egy ép hajtóműben a FFT spektrum egyértelmű csúcsot mutat a GMF-en, általában néhány kisebb felharmonikusok (2×GMF, 3×GMF) kíséretében. A GMF-csúcs amplitúdója a fogaskerekek terhelését tükrözi, így egy magas GMF-csúcs önmagában nem feltétlenül hiba — egyszerűen azt is jelentheti, hogy a hajtómű nagy terhelés alatt dolgozik. A valódi diagnosztikai információ azokban a frekvenciákban rejlik, around a GMF csúcsát, nem pedig magát a csúcsot. Mivel a GMF mind a fogszámtól, mind a fordulatszámtól függ, kézzel könnyű tévesen azonosítani; egy Fogaskerekek fogazási frekvenciájának számítója másodpercek alatt meghatározza egy adott fogaskerékpárhoz tartozó GMF-et és annak oldalsávjait.
3. Az oldalsávok felhasználása a hibák diagnosztizálására
Oldalsávok a legerősebb eszközt jelentik a konkrét fogaskerékhibák diagnosztizálásához. Ezek olyan kis csúcsok, amelyek a GMF és felharmonikusainak mindkét oldalán megjelennek, és akkor keletkeznek, amikor egy hiba modulálja a fogkapcsolódási folyamatot. A döntő nyom a távolságtartás: az oldalsáv és a GMF csúcs közötti távolság megegyezik a hibás fogaskereket hordozó tengely fordulatszámával, ami azonnal megmutatja Önnek amely tengely megtekintéséhez.
- Kopott vagy excentrikus fogaskerék: a worn, eccentric vagy hibás fogaskerék a saját fordulatszámán modulálja a GMF-et, és így olyan oldalsávokat hoz létre, amelyek távolsága megegyezik a futási sebesség (1×) annak a fogaskeréknek a tengelyével. Ha az oldalsávok megegyeznek a bemenő tengely fordulatszámával, akkor a hiba a bemenő fogaskeréken van.
- Általános fogkopás: fogaskerekek kopása jellemzően megnöveli a GMF és felharmonikusainak amplitúdóját, amit a megfelelő fogaskerékből származó 1× oldalsávok kísérnek.
- Megrepedt vagy letört fog: egyetlen megrepedt vagy letört fog erős csúcsot hoz létre az adott fogaskerék 1× fordulatszámán, gyakran számos felharmonikussal, valamint a GMF körüli, az adott fogaskerék fordulatszámával megegyező távolságú oldalsávokkal. Az időbeli hullámforma itt különösen értékes — minden alkalommal egy jól elkülönülő, periodikus lökést mutat, amikor a sérült fog megpróbál kapcsolódni.
- Fogaskerék-elhajlás: eltérés a fogaskerekeké gyakran magas 2×GMF felharmonikust eredményez, amely néha magasabb az elsődleges GMF csúcsnál, és amit ugyancsak fordulatszámú oldalsávok kísérnek.
Egy kapcsolódó, érdemes ismerni való jelenség a vadászfog-frekvencia, azaz az a nagyon alacsony gyakoriság, amellyel egy adott fogpár újra kapcsolatba lép; az olyan hibák, amelyeknél mindkét fogaskeréken egy-egy rossz fog van, gerjeszthetik ezt.
4. Speciális analitikai módszerek
Mivel a fogaskerekek rezgése ennyire összetett, a szokásos spektrumelemzést gyakran olyan technikákkal egészítik ki, amelyek elkülönítik a fogaskerék jelét:
- Időhullám-analízis: elengedhetetlen a letört vagy megrepedt fogak megerősítéséhez, amelyek éles, ismétlődő lökésekként jelennek meg, amelyek a fogaskerék forgásához, nem pedig a fogkapcsolódáshoz vannak szinkronizálva.
- Cepstrum elemzés: egy olyan transzformáció, amely az egyenletesen elosztott oldalsávok egész családjait egyetlen, könnyen leolvasható komponensbe sűríti, így a zsúfolt FFT-ben elrejtett oldalsávmintázatok is láthatóvá válnak.
- Burkológörbe-elemzés: demodulálja a nagyfrekvenciás vivőjelet, hogy feltárja egy lokalizált fogazati hiba alacsony frekvenciás ütemét, kiegészítve a oldalsávos képet.
5. A sebességváltó meghibásodásának szakaszai
A rezgéselemzés egy fogaskerékhiba előrehaladását négy felismerhető szakaszon keresztül képes nyomon követni, így a karbantartási csapatoknak elegendő idejük marad a beavatkozás megtervezésére:
- 1. szakasz (korai): kis oldalsávok jelennek meg a GMF körül. Az általános rezgésszint egyáltalán nem feltétlenül változik.
- 2. szakasz (mérsékelt): az oldalsávok amplitúdói nőnek, és a GMF felharmonikusai is megjelennek, saját oldalsávokkal együtt.
- 3. szakasz (súlyos): a GMF és felharmonikusai számos nagy oldalsávot hordoznak, a hibás fogaskerék 1× frekvenciája emelkedni kezd, és a spektrum zajszintje megemelkedik.
- 4. szakasz (katasztrofális): a GMF eltűnhet, és zajos, véletlenszerű rezgéslenyomat váltja fel, mivel a fogak súlyosan sérültek vagy tönkrementek.
6. Gyakorlati alkalmazás a terepen
A fogaskerekek diagnosztizálása üzemi fordulatszámon és terhelés mellett végzett tiszta terepi méréssel kezdődik. Egy hordozható kétcsatornás műszer, mint például a Balanset-1A rögzíti az FFT-spektrumot és a nyers idő szerinti jelalakot minden csapágynál, lehetővé téve a mérnök számára, hogy megtalálja a GMF-et, leolvassa az oldalsávok távolságát a hiba egy adott tengelyhez kötéséhez, és figyelje a jelalakban a törött fog jellegzetes periodikus ütését — mindezt a hajtómű felnyitása nélkül. Ahol egy hajtómű egy rotort is meghajt vagy megtámaszt, ugyanaz a műszer ellenőrzi, hogy a maradék hordozó és a kiegyensúlyozatlansággal összefüggő rezgés olyan szabványok határértékein belül marad-e, mint az ISO 20816, így egy megerősített fogaskerékhibát nem álcáznak nem kapcsolódó források. Az 1. vagy 2. szakaszban észlelve egy fogaskerékhiba tervezett javítássá válik, nem pedig nem tervezett üzemzavarrá.
