Diagnostiseren van tandwieldefecten met trillingsanalyse
Gear defects zijn slijtage- en schadesvormen — tandenslijtage, scheuren, excentriciteit, uitlijningsproblemen — die zich ontwikkelen in de tandwielsets die worden gebruikt voor vermogensoverdracht in industriële machines. Het in contact komen van tandwieltanden is inherent een luidruchtig en trillingsgevoelig proces, waardoor gezonde tandwielen een zeer duidelijke en stabiele trillingssignatuur produceren; elke afwijking van die signatuur is een sterke aanwijzing voor een probleem. Omdat trillingsanalyse deze afwijkingen in een zeer vroeg stadium kan detecteren, worden tandwielfouten onderschept ruim voordat ze uitgroeien tot een catastrofale storing van een tandwielkast.
1. De trillingssignatuur van tandwielen
Elke tandwielset heeft een karakteristieke vingerafdruk in het frequentiedomein, gedomineerd door de frequentie waarmee tanden ingrijpen en omgeven door activiteit die is gekoppeld aan de rotatie van elke as. Een basismeting van een gezonde tandwielkast is dan ook een van de waardevolste referenties die een betrouwbaarheidsprogramma kan bezitten: fouten worden niet gediagnosticeerd op basis van een absoluut getal, maar op basis van hoe het spectrum van vandaag en tijdgolfvorm afwijken van die bekende goede signatuur. De discipline van tandwieldiagnose is grotendeels de discipline van het correct interpreteren van dat verschil, en dat is waarom tandwielen zo prominent voorkomen in routinematige conditiebewaking.
2. Tandwielingrijpfrequentie (GMF)
De belangrijkste frequentie bij de analyse van versnellingsbakken is de Tandwielingrijpfrequentie (GMF) — de frequentie waarmee de tanden van twee in elkaar grijpende tandwielen met elkaar in contact komen.
GMF = Aantal tanden op een tandwiel × Rotatiesnelheid van dat tandwiel
In een gezonde tandwielkast vertoont het FFT-spectrum een duidelijke piek bij de GMF, doorgaans met een paar kleine harmonischen (2×GMF, 3×GMF). De amplitude van de GMF-piek weerspiegelt de belasting op de tandwielen; een hoge GMF-piek op zichzelf is dan ook niet noodzakelijk een fout — het kan simpelweg betekenen dat de tandwielkast zwaar belast wordt. De werkelijke diagnostische informatie bevindt zich in de frequenties around de GMF-piek, niet in de piek zelf. Omdat de GMF afhankelijk is van zowel het aantal tanden als de snelheid, is het eenvoudig om deze handmatig te verwarren; een Berekenaar voor de tandwielingrijpfrequentie bepaalt de GMF en zijn zijbanden voor een gegeven tandwielset binnen seconden.
3. Zijbanden gebruiken voor het diagnosticeren van fouten
Zijbanden zijn het krachtigste instrument voor het diagnosticeren van specifieke tandwielfouten. Het zijn kleine pieken die aan weerszijden van de GMF en zijn harmonischen verschijnen en worden veroorzaakt doordat een fout het ingrij pproces moduleert. De cruciale aanwijzing is hun spacing: de afstand tussen een zijband en de GMF-piek is gelijk aan de rotatiesnelheid van de as met het defecte tandwiel, waardoor u onmiddellijk weet die as om te inspecteren.
- Versleten of excentrisch tandwiel: a worn, eccentric of een defect tandwiel moduleert de GMF op zijn eigen rotatiesnelheid, waardoor zijbanden ontstaan die zijn verdeeld over de toerental (1×) van de as van dat tandwiel’s. Als de zijbanden overeenkomen met de snelheid van de ingangsas, bevindt de fout zich op het ingangstandwiel.
- Algemene tandwetslijtage: gear wear verhoogt doorgaans de amplitude van de GMF en zijn harmonischen, vergezeld van 1×-zijbanden van het bijbehorende tandwiel.
- Gebarsten of gebroken tand: een enkele gebarsten of gebroken tand genereert een sterke piek bij de 1×-draaisnelheid van dat tandwiel, vaak met vele harmonischen, plus zijbanden rond de GMF op onderlinge afstanden gelijk aan de snelheid van dat tandwiel. Het tijddomein-golfpatroon is hier bijzonder waardevol — het toont een duidelijke, periodieke impuls telkens wanneer de beschadigde tand in ingreep probeert te komen.
- Verkeerde uitlijning van het tandwiel: verkeerde uitlijning van de tandwielen produceert vaak een hoge 2×GMF-harmonische, soms hoger dan de primaire GMF-piek, eveneens vergezeld van zijbanden op draaisnelheidsafstand.
Een verwant effect dat het vermelden waard is, is de hunting-tooth frequentie, de zeer lage frequentie waarmee een specifiek tandpaar opnieuw in ingreep komt; fouten waarbij één defecte tand op elk tandwiel betrokken is, kunnen deze frequentie exciteren.
4. Gespecialiseerde analysetechnieken
Omdat tandwieltrilling zo rijk is aan spectrumcomponenten, wordt standaard spectrumanalyse regelmatig aangevuld met technieken die het tandwielsignaal isoleren:
- Tijdsignaalanalyse: essentieel voor het bevestigen van gebroken of gebarsten tanden, die zichtbaar worden als scherpe, herhalende impulsen gesynchroniseerd met de rotatie van het tandwiel in plaats van met de ingreepfrequentie.
- Cepstrum-analyse: een transformatie die hele families van gelijkmatig gespreide zijbanden samenvoegt tot afzonderlijke, eenvoudig leesbare componenten, waardoor zijbandpatronen zichtbaar worden wanneer ze verborgen zijn in een drukbezet FFT-spectrum.
- Envelopanalyse: demoduleert de hoogfrequente draaggolf om de laagfrequente impulssnelheid van een gelokaliseerd tanddefect bloot te leggen, als aanvulling op het zijbandbeeld.
5. Fasen van tandwielfalen
Trillingsanalyse kan de progressie van een tandwielaandoening door vier herkenbare stadia volgen, waardoor onderhoudsteams de doorlooptijd hebben om een interventie te plannen:
- Fase 1 (vroeg): kleine zijbanden verschijnen rond de GMF. Het algehele trillingsniveau hoeft hierbij helemaal niet te veranderen.
- Fase 2 (matig): de amplitudes van de zijbanden groeien, en harmonischen van de GMF beginnen te verschijnen met eigen zijbanden.
- Fase 3 (ernstig): de GMF en zijn harmonischen vertonen vele grote zijbanden, de 1×-frequentie van het defecte tandwiel begint te stijgen, en de ruisvloer van het spectrum neemt toe.
- Fase 4 (catastrofaal): de GMF kan verdwijnen, vervangen door een ruisachtige, willekeurige trillingshandtekening naarmate de tanden ernstig zijn beschadigd of vernietigd.
6. Toepassing in de praktijk
Diagnose van tandwielen begint met een nauwkeurige veldmeting bij bedrijfssnelheid en -belasting. Een draagbaar tweekanaals instrument zoals de Balans-1a legt het FFT-spectrum en het ruwe tijddomein-golfpatroon vast bij elk lager, waardoor een ingenieur de GMF kan lokaliseren, de zijbandafstand kan aflezen om de storing te herleiden tot een specifieke as, en het golfpatroon kan monitoren op de kenmerkende periodieke impuls van een gebroken tand — allemaal zonder de tandwielkast te openen. Waar een tandwielkast ook een rotor aandrijft of ondersteunt, verifieert hetzelfde instrument dat resterende handelswijze en trillingen door onbalans binnen de grenzen van normen zoals ISO 20816 blijven, zodat een bevestigd tandwieldefect niet wordt gemaskeerd door niet-gerelateerde bronnen. Wanneer een tandwieldefect in stadium 1 of 2 wordt ontdekt, wordt het een geplande reparatie in plaats van een ongeplande storing.
