Diagnozowanie uszkodzeń łożysk
Wady łożysk to mikroskopijne lub makroskopijne wady — pęknięcia, złuszczenia lub wżery — na powierzchniach roboczych łożysk tocznych. Ponieważ łożyska toczne są fundamentalnym elementem większości maszyn wirujących i częstym miejscem awarii, wczesne wykrywanie tych wad jest jednym z zadań o najwyższej wartości w analiza drgań. Uszkodzenie powoduje powtarzające się, periodyczne uderzenie za każdym razem, gdy element toczny przetoczy się przez nie, a właśnie ta periodyczność sprawia, że usterka jest widoczna w widmo na długo przed tym, zanim łożysko się przegrzeje lub stanie się słyszalne.
1. Charakter wad łożysk
Typowe łożysko toczne składa się z czterech części: pierścienia zewnętrznego, pierścienia wewnętrznego, zestawu kulek lub rolek oraz koszyka utrzymującego elementy w równomiernych odstępach. Uszkodzenie to wada na którejkolwiek z tych powierzchni. Gdy element toczny przetoczy się przez nią, kontakt generuje małe, ostre uderzenie o wysokiej częstotliwości — “kliknięcie.” Pojedyncze kliknięcie niesie bardzo mało energii, ale uderzenia powtarzają się przy każdym przejeździe, tworząc silnie periodyczny sygnał. Analiza drgań wyjątkowo dobrze wykrywa tego rodzaju powtarzające się uderzenia, dlatego pogarszające się łożysko można wykryć z wielomiesięcznym wyprzedzeniem, a nie dopiero w chwili zatarcia.
2. Cztery podstawowe częstotliwości błędów
Podstawą diagnostyki łożysk jest fakt, że dla danej geometrii łożyska i prędkości wału uderzenia występują z bardzo specyficznymi, przewidywalnymi częstotliwościami. Te częstotliwości uszkodzeń łożysk are:
- BPFO (Częstotliwość podania piłki, zewnętrzna linia toru): częstotliwość, z jaką elementy toczne mijają pojedynczy punkt na nieruchomym pierścieniu zewnętrznym. Jest to najczęściej obserwowana częstotliwość defektu łożyska.
- BPFI (Częstotliwość podań piłki, tor wewnętrzny): częstotliwość, z jaką elementy mijają punkt na pierścieniu wewnętrznym. Ponieważ pierścień wewnętrzny obraca się razem z wałem, BPFI jest wyższe niż BPFO.
- BSF (Częstotliwość obrotu piłki): częstotliwość, z jaką element toczny obraca się wokół własnej osi. Defekt BSF często przejawia energię przy dwukrotności tej częstotliwości, ponieważ wada uderza w oba pierścienie podczas każdego obrotu elementu.
- FTF (Podstawowa częstotliwość pociągu): częstotliwość obrotowa koszyka, czyli “układu.” Jest to bardzo niska częstotliwość, zazwyczaj mniejsza niż 0,5X prędkość biegu.
Wartości te zależą od geometrii łożyska — średnicy podziałowej, średnicy elementu tocznego, kąta styku oraz liczby elementów — a także od prędkości wału. Oprogramowanie do analizy drgań zazwyczaj zawiera obszerną bazę danych łożysk i oblicza je automatycznie; można je również wyznaczyć bezpośrednio za pomocą kalkulator częstotliwości występowania uszkodzeń łożysk gdy znany jest numer katalogowy lub wymiary łożyska.
3. Jak wady łożysk pojawiają się w widmie
Rozwijające się uszkodzenie pozostawia charakterystyczny wzorzec w Widmo FFT:
- Piki wysokoczęstotliwościowe: sama częstotliwość defektu (na przykład BPFO) pojawia się jako wyraźny szczyt w górnej części zakresu częstotliwości, z dala od niskoharmonicznych pików obrotowych.
- Harmonia: ostry, impulsowy charakter uderzeń zazwyczaj generuje kilka harmonicznych — dokładnych wielokrotności — częstotliwości defektu, a długi ciąg takich harmonicznych wskazuje na dobrze rozwinięte uszkodzenie.
- Wstęgi boczne: jest to krytyczny wskaźnik diagnostyczny. Szczyt częstotliwości defektu jest zazwyczaj otoczony bocznym pasmem w odstępach równych 1X prędkości obrotowej. Szczyt BPFO z bocznym pasmem 1X jest klasyczną sygnaturą uszkodzenia pierścienia zewnętrznego, natomiast defekt pierścienia wewnętrznego (BPFI) niemal zawsze niesie boczne pasmo 1X, ponieważ obracająca się wada wchodzi i wychodzi ze strefy obciążenia łożyska raz na obrót, modulując siłę uderzenia.
We wczesnych stadiach piki te są małe i łatwo zatapiane w poziomie szumu widma, dlatego zazwyczaj stosuje się wyspecjalizowaną technikę wykrywania.
4. Analiza obwiedni we wczesnym wykrywaniu
Analiza obwiedni, zwana również demodulacją, jest najpotężniejszą metodą wykrywania wczesnych uszkodzeń łożysk. Jest to technika przetwarzania sygnału, która za pomocą filtracji pasmowo-przepustowej eliminuje niskoczęstotliwościowe, wysokoenergetyczne drgania pochodzące z takich źródeł jak brak równowagi oraz niewspółosiowość, a następnie skupia się wyłącznie na wysokoczęstotliwościowych, niskoenergetycznych uderzeniach generowanych przez uszkodzenie. Powtarzające się uderzenia wzbudzają częstotliwości własne konstrukcji, a przetwarzanie obwiedni wyodrębnia częstotliwość powtarzania tego wzbudzenia.
Wynikający z tego widmo obwiedni jest wyjątkowo “czyste,” wyraźnie ukazując częstotliwości defektów łożysk i ich harmoniczne na tle niskiego tła. Umożliwia to wykrycie na wiele miesięcy — a niekiedy lat — przed tym, zanim łożysko by się w innym przypadku uszkodziło, zapewniając czas wyprzedzenia, który pozwala na planową wymianę zamiast awaryjnego przestoju.
5. Potwierdzanie diagnozy w terenie
Wiarygodna diagnoza łożyska opiera się na dopasowaniu zmierzonych pików do obliczonych częstotliwości uszkodzeń oraz potwierdzeniu oczekiwanego wzorca wstęg bocznych, najlepiej popartego widmem obwiedni i wyraźnym trendem rosnącym w kolejnych pomiarach. Przenośny, dwukanałowy przyrząd, taki jak Balans-1a umożliwia inżynierowi zarejestrowanie widma bezpośrednio na maszynie, w jej własnych łożyskach, przy prędkości roboczej — dzięki temu podejrzany defekt łożyska można sprawdzić na miejscu i odnieść do przewidywanych częstotliwości. Warto również wykluczyć podobnie wyglądające zjawiska: strukturalne rozluźnienie oraz uszkodzenia elementów tocznych mogą podnosić energię szerokopasmową, jednak tylko prawdziwy defekt łożyska układa się zgodnie z rodzinami częstotliwości BPFO, BPFI, BSF lub FTF.
