Diagnozowanie usterek przekładni za pomocą analizy drgań
Gear defects to tryby zużycia i uszkodzeń — starcie zębów, pęknięcia, mimośrodowość, niewyosiowanie — rozwijające się w przekładniach zębatych stosowanych do przenoszenia mocy w maszynach przemysłowych. Zazębienie zębów przekładni jest z natury głośnym i generującym drgania procesem, dlatego zdrowe przekładnie wytwarzają bardzo wyraźną i stabilną sygnaturę drganiową; każde odchylenie od tej sygnatury jest silnym wskaźnikiem problemów. Ponieważ analiza drgań może wykrywać te odchylenia na bardzo wczesnym etapie, wychwytuje uszkodzenia przekładni na długo przed tym, zanim przerodzą się w katastrofalną awarię skrzynki biegów.
1. Sygnatura wibracyjna kół zębatych
Każda przekładnia zębata ma charakterystyczny odcisk palca w dziedzinie częstotliwości, zdominowany przez częstość zazębień zębów i otoczony aktywnością związaną z obrotem każdego wału. Wzorcowy pomiar sprawnej przekładni jest więc jednym z najcenniejszych punktów odniesienia, jakie może posiadać program niezawodności: usterki diagnozuje się nie przez wartość bezwzględną, lecz przez to, jak dzisiejsze widmo i przebieg czasowy różnią się od tej wzorcowej sygnatury. Dziedzina diagnostyki przekładni to w dużej mierze dziedzina właściwej interpretacji tej różnicy, dlatego przekładnie odgrywają tak istotną rolę w rutynowej monitorowanie stanu.
2. Częstotliwość zazębienia przekładni (GMF)
Najważniejszą częstotliwością w analizie przekładni jest Częstotliwość zazębienia przekładni (GMF) — częstotliwość, z jaką zęby dwóch zazębiających się kół zębatych wchodzą ze sobą w kontakt.
GMF = Liczba zębów koła zębatego × Prędkość obrotowa tego koła zębatego
W sprawnej przekładni Widmo FFT wykazuje wyraźny pik przy GMF, zazwyczaj z kilkoma niewielkimi harmoniczne (2×GMF, 3×GMF). Amplituda piku GMF odzwierciedla obciążenie kół zębatych, dlatego wysoki pik GMF sam w sobie nie musi oznaczać usterki — może po prostu świadczyć o tym, że przekładnia jest mocno obciążona. Rzeczywiste informacje diagnostyczne zawarte są w częstotliwościach around piku GMF, a nie w samym piku. Ponieważ GMF zależy zarówno od liczby zębów, jak i od prędkości obrotowej, łatwo jest go ręcznie błędnie zidentyfikować; Kalkulator częstotliwości zazębienia kół zębatych w ciągu kilku sekund wyznacza GMF i jego składowe boczne dla danej pary kół zębatych.
3. Wykorzystanie składowych bocznych do diagnozowania usterek
Wstęgi boczne są jednym z najpotężniejszych narzędzi do diagnozowania konkretnych problemów z przekładnią. Są to niewielkie piki pojawiające się po obu stronach GMF i jego harmonicznych, powstające gdy uszkodzenie moduluje proces zazębienia. Kluczową wskazówką jest ich spacing: odstęp między składową boczną a pikiem GMF jest równy prędkości obrotowej wału niosącego wadliwe koło zębate, co natychmiast wskazuje który wał do sprawdzenia.
- Zużyte lub mimośrodowe koło zębate: a worn, eccentric lub wadliwe koło zębate moduluje GMF z własną prędkością obrotową, tworząc składowe boczne rozmieszczone z krokiem równym prędkość obrotowa (1×) wału tego koła zębatego. Jeśli składowe boczne odpowiadają prędkości wału wejściowego, usterka znajduje się na kole zębatym wejściowym.
- Ogólne zużycie zębów: gear wear zazwyczaj zwiększa amplitudę GMF i jego harmonicznych, któremu towarzyszą składowe boczne 1× od odpowiedniego koła zębatego.
- Pęknięty lub złamany ząb: pojedynczy pęknięty lub złamany ząb generuje silny pik przy prędkości obrotowej 1× tego koła zębatego, często z wieloma harmonicznymi, a ponadto składowe boczne wokół GMF rozmieszczone z krokiem równym prędkości tego koła zębatego. Szczególnie cenny jest tu przebieg czasowy — pokazuje wyraźne, okresowe uderzenie za każdym razem, gdy uszkodzony ząb próbuje wejść w zazębienie.
- Niewspółosiowość przekładni: niewspółosiowość kół zębatych często powoduje wysoki harmoniczny 2×GMF, niekiedy wyższy od głównego piku GMF, któremu również towarzyszą składowe boczne z prędkości obrotowej.
Powiązanym zjawiskiem wartym poznania jest częstotliwość hunting-tooth, bardzo niska częstotliwość ponownego zazębienia konkretnej pary zębów; mogą ją wzbudzać usterki obejmujące jeden wadliwy ząb na każdym z kół zębatych.
4. Specjalistyczne techniki analizy
Ponieważ drgania przekładni są wyjątkowo bogate w informacje, standardowa analiza widmowa jest często uzupełniana technikami izolującymi sygnał z kół zębatych:
- Analiza przebiegu czasowego: niezbędna do potwierdzenia złamania lub pęknięcia zębów, które objawiają się jako ostre, powtarzające się uderzenia zsynchronizowane z obrotem koła zębatego, a nie z częstotliwością zazębienia.
- Analiza cepstrum: transformata, która kondensuje całe rodziny równomiernie rozmieszczonych pasm bocznych w pojedyncze, czytelne składowe, uwidaczniając wzorce pasm bocznych, gdy są ukryte w zatłoczonym widmie FFT.
- Analiza obwiedni: demoduluje wysokoczęstotliwościowy nośnik, odsłaniając niskofrequencyjną częstość uderzeń zlokalizowanego uszkodzenia zęba — uzupełniając obraz pasm bocznych.
5. Etapy awarii przekładni
Analiza drgań umożliwia śledzenie postępu uszkodzenia przekładni przez cztery rozpoznawalne etapy, dając zespołom utrzymania ruchu czas na zaplanowanie interwencji:
- Etap 1 (wczesny): wokół GMF pojawiają się niewielkie pasma boczne. Ogólny poziom drgań może nie zmienić się wcale.
- Etap 2 (umiarkowany): amplitudy pasm bocznych rosną, a harmoniczne GMF zaczynają pojawiać się z własnymi pasmami bocznymi.
- Etap 3 (poważny): GMF i jego harmoniczne niosą wiele dużych pasm bocznych, częstotliwość 1× uszkodzonego koła zębatego zaczyna rosnąć, a poziom szumu podstawowego widma unosi się.
- Etap 4 (katastrofalny): GMF może zniknąć, zastąpiony przez hałaśliwą, losową sygnaturę drgań, gdy zęby są poważnie uszkodzone lub zniszczone.
6. Zastosowanie w praktyce terenowej
Diagnozowanie przekładni rozpoczyna się od czystego pomiaru terenowego przy prędkości roboczej i obciążeniu. Przenośny dwukanałowy przyrząd, taki jak Balanset-1A rejestruje widmo FFT oraz przebieg czasowy surowego sygnału przy każdym łożysku, umożliwiając inżynierowi zlokalizowanie GMF, odczytanie rozstawu pasm bocznych w celu przypisania usterki do konkretnego wału oraz obserwację przebiegu pod kątem charakterystycznych, periodycznych uderzeń złamanego zęba — bez otwierania skrzynki przekładniowej. Gdy skrzynka przekładniowa napędza lub podpiera wirnik, ten sam przyrząd weryfikuje, czy resztkowe łożysko drgania związane z niewyważeniem pozostają w granicach określonych przez normy takie jak ISO 20816, tak aby potwierdzona usterka przekładni nie była maskowana przez niepowiązane źródła. Wykryta na etapie 1 lub 2 wada koła zębatego staje się planową naprawą, a nie nieplanowanym przestojem.
