Diagnostisering av girfeil med vibrasjonsanalyse
Gear defects er slitasje- og skadetyper – tannslitasje, sprekker, eksentrisitet, feilinnretting – som oppstår i tannhjulsett som brukes til kraftoverføring i industrimaskiner. Sammenkoblingen av tannhjulstennene er en prosess som i seg selv medfører støy og vibrasjoner, og derfor gir tannhjul i god stand et svært tydelig og stabilt vibrasjonsmønster; ethvert avvik fra dette mønsteret er et tydelig tegn på problemer. Fordi vibrasjonsanalyse kan oppdage disse avvikene på et svært tidlig stadium, og oppdager dermed feil i girene lenge før de utvikler seg til en katastrofal svikt i girkassen.
1. Vibrasjonssignaturen til gir
Hvert tannhjulsett har et karakteristisk «fingeravtrykk» i frekvensdomenet, som domineres av frekvensen tennene griper inn i hverandre med, og som er omgitt av aktivitet knyttet til hver aksels rotasjon. En grunnleggende måling av en velfungerende girkasse er derfor en av de mest verdifulle referansene et pålitelighetsprogram kan ha: feil diagnostiseres ikke ut fra et absolutt tall, men ut fra hvordan dagens spektrum og tidsbølgeform skiller seg fra den kjente, korrekte signaturen. Tannhjulsdiagnostikk handler i stor grad om å tolke denne forskjellen riktig, og det er grunnen til at tannhjul spiller en så sentral rolle i rutinemessig tilstandsovervåking.
2. Girnettfrekvens (GMF)
Den viktigste frekvensen i girkasseanalyse er Girnettfrekvens (GMF) — hastigheten som tennene på to tannhjul som går i inngrep, beveger seg med i forhold til hverandre.
GMF = Antall tenner på et gir × Rotasjonshastigheten til det giret
I en velfungerende girkasse er FFT-spektrum viser en tydelig topp ved GMF, vanligvis med noen få små harmoniske (2×GMF, 3×GMF). Amplituden til GMF-toppen gjenspeiler belastningen på tannhjulene, så en høy GMF-topp i seg selv er ikke nødvendigvis et tegn på feil – det kan ganske enkelt bety at girkassen jobber hardt. Den egentlige diagnostiske informasjonen ligger i frekvensene rundt GMF-toppen, ikke selve toppen. Siden GMF avhenger både av antall tenner og hastighet, er det lett å feiltolke den ved manuell måling; en Kalkulator for tannhjulens inngrepsfrekvens beregner GMF og sidebåndene for et gitt tannhjulsett på få sekunder.
3. Bruk av sidebånd til feilsøking
Sidebånd er det aller viktigste verktøyet for å diagnostisere spesifikke girproblemer. Det er små topper som dukker opp på hver side av GMF og dens harmoniske svingninger, og som oppstår når en feil påvirker inngrepsprosessen. Det avgjørende kjennetegnet er deres avstand: avstanden mellom et sidebånd og GMF-toppen tilsvarer rotasjonshastigheten til akselen som bærer det defekte tannhjulet, noe som umiddelbart gir deg som akselen som skal inspiseres.
- Slitt eller skjevt tannhjul: a worn, eccentric eller defekt utstyr modulerer GMF med sin egen rotasjonshastighet, noe som skaper sidebånd med en avstand på løpehastighet (1×) på inngangsakselen til det aktuelle tannhjulet. Hvis sidebåndene har samme hastighet som inngangsakselen, ligger feilen i inngangstannhjulet.
- Generell tannslitasje: slitasje på gir fører vanligvis til økt amplitude i GMF og dens harmoniske, ledsaget av 1× sidebånd fra det tilhørende gir.
- Sprukket eller knust tann: En enkelt sprukket eller ødelagt tann gir en kraftig topp ved 1× kjørehastigheten til det aktuelle tannhjulet, ofte med mange overtoner, samt sidebånd rundt GMF med avstand tilsvarende tannhjulets hastighet. Tidsbølgeformen er spesielt nyttig her – den viser et tydelig, periodisk støt hver gang den skadede tannen prøver å gripe inn.
- Feilinnretting av tannhjul: feiljustering Tannhjulene gir ofte opphav til en kraftig 2×GMF-harmonisk, som noen ganger er høyere enn den primære GMF-toppen, og som også her ledsages av sidebånd knyttet til kjørehastigheten.
En relatert effekt det er verdt å kjenne til, er frekvensen av jakttenner, den svært lave frekvensen som et bestemt tannpar går i inngrep igjen med; feil som involverer én defekt tann på hvert tannhjul kan utløse dette.
4. Spesialiserte analyseteknikker
Siden vibrasjonene fra tannhjulene er så komplekse, suppleres standard spektrumanalyse ofte med teknikker som isolerer tannhjulsignalet:
- Tids-bølgeformanalyse: avgjørende for å påvise knuste eller sprukne tenner, noe som viser seg som skarpe, gjentatte støt som følger tannhjulets rotasjon snarere enn tannhjuletes inngrep.
- Cepstrum-analyse: en transformasjon som komprimerer hele grupper av sidebånd med jevn avstand til enkeltstående, lettlesbare komponenter, slik at sidebåndsmønstrene blir synlige selv når de er skjult i en overfylt FFT.
- Konvoluttanalyse: demodulerer høyfrekvensbærebølgen for å avdekke lavfrekvenspulsfrekvensen til en lokal tannfeil, og utfyller dermed sidebåndsbildet.
5. Stadier av girsvikt
Vibrasjonsanalyse kan spore utviklingen av en girstørsel gjennom fire tydelige stadier, noe som gir vedlikeholdsteamene god tid til å planlegge tiltak:
- Fase 1 (tidlig): Det oppstår små sidebånd rundt GMF. Det samlede vibrasjonsnivået endres kanskje ikke i det hele tatt.
- Fase 2 (moderat): sidebåndsamplitudene øker, og harmoniske av GMF begynner å dukke opp med egne sidebånd.
- Fase 3 (alvorlig): GMF og dens harmoniske bølger inneholder mange store sidebånd, frekvensen til det problematiske utstyret begynner å stige, og støygulvet i spektrumet heves.
- Fase 4 (katastrofal): GMF-signalet kan forsvinne og erstattes av et støyende, tilfeldig vibrasjonsmønster når tennene er alvorlig skadet eller ødelagt.
6. Praktisk anvendelse i feltet
Diagnostisering av tannhjul begynner med en nøyaktig feltmåling ved driftshastighet og belastning. Et bærbart tokanalsinstrument som for eksempel Balanset-1A registrerer FFT-spektrumet og den rå tidsbølgeformen ved hvert lager, slik at en ingeniør kan lokalisere GMF, avlese sidebåndsavstanden for å spore feilen til en bestemt aksel og observere bølgeformen for å oppdage det karakteristiske periodiske støtet fra en ødelagt tann – alt uten å åpne girkassen. Der en girkasse også driver eller støtter en rotor, bekrefter det samme instrumentet at rest peiling og vibrasjoner forårsaket av ubalanser holder seg innenfor grensene i standarder som ISO 20816, slik at en påvist feil i tannhjulet ikke skjules av andre årsaker. Oppdages en feil i tannhjulet på trinn 1 eller 2, blir det en planlagt reparasjon i stedet for et uplanlagt driftsstans.
