Diagnostika porúch ozubených kolies pomocou vibračnej analýzy
Chyby prevodovky ide o rôzne druhy opotrebenia a poškodenia – opotrebenie zubov, praskliny, excentricita, nesúosovosť –, ktoré sa vyskytujú v súkolesiach používaných na prenos výkonu v priemyselných strojoch. Západanie zubov ozubených kolies je svojou povahou hlučný a vibrujúci proces, takže funkčné ozubené kolesá vytvárajú veľmi jasný a stabilný vibračný signatúr; akákoľvek odchýlka od tohto signatúru je jasným indikátorom poruchy. Pretože analýza vibrácií dokáže tieto odchýlky odhaliť už v počiatočnom štádiu, čím zachytí poruchy prevodovky dávno predtým, než prerastú do katastrofálnej poruchy prevodovky.
1. Vibračný podpis ozubených kolies
Každá sústava ozubených kolies má vo frekvenčnej oblasti charakteristický odtlačok, v ktorom prevláda frekvencia záberu zubov a ktorý je obklopený aktivitou súvisiacou s otáčaním jednotlivých hriadeľov’. Referenčné meranie funkčnej prevodovky je preto jedným z najcennejších podkladov, ktoré môže program spoľahlivosti obsahovať: poruchy sa diagnostikujú nie na základe absolútnych čísel, ale podľa toho, ako sa dnešné spektrum a časový priebeh sa líšia od tohto overeného podpisu. Úlohou diagnostiky prevodoviek je predovšetkým správne interpretovať tento rozdiel, a práve preto zohrávajú prevodovky takú dôležitú úlohu pri bežnej monitorovanie stavu.
2. Frekvencia záberu ozubeného kolesa (GMF)
Najdôležitejšou frekvenciou pri analýze prevodovky je Frekvencia záberu ozubených kolies (GMF) — rýchlosť, akou sa zuby dvoch vzájomne zapadajúcich ozubených kolies vzájomne zarezávajú.
GMF = Počet zubov na ozubenom kolese × Rýchlosť otáčania daného ozubeného kolesa
V prevodovke v dobrom technickom stave Spektrum FFT vykazuje jasný vrchol pri GMF, zvyčajne s niekoľkými malými harmonické (2×GMF, 3×GMF). Amplitúda vrcholu GMF odráža zaťaženie ozubených kolies, takže samotný vysoký vrchol GMF nemusí nutne znamenať poruchu – môže to jednoducho znamenať, že prevodovka pracuje na plný výkon. Skutočné diagnostické informácie sa nachádzajú vo frekvenciách v okolí vrchol GMF, nie samotný vrchol. Keďže GMF závisí nielen od počtu zubov, ale aj od otáčok, je ľahké ho pri ručnom meraní nesprávne identifikovať; a Kalkulátor frekvencie záberu ozubených kolies vypočíta GMF a jeho postranné pásma pre danú sadu prevodoviek za niekoľko sekúnd.
3. Využitie postranných pásiem na diagnostiku porúch
Bočné pásma sú najúčinnejším nástrojom na diagnostiku konkrétnych porúch prevodovky. Ide o malé špičky, ktoré sa objavujú po oboch stranách GMF a jeho harmonických, vznikajúce vtedy, keď porucha ovplyvňuje proces záberu ozubených kolies. Kľúčovým náznakom je ich rozstupy: rozdiel medzi bočným pásmom a vrcholom GMF sa rovná rýchlosti otáčania hriadeľa, na ktorom je namontované poškodené ozubené koleso, čo vám okamžite napovie ktoré hriadeľ na kontrolu.
- Opotrebované alebo excentrické ozubené koleso: opotrebované, excentrické alebo poškodené ozubené koleso moduluje GMF pri svojej vlastnej rýchlosti otáčania, čím vytvára postranné pásma s rozstupom rýchlosť behu (1×) hriadeľa tohto prevodového kolesa’. Ak sa bočné pásma zhodujú s otáčkami vstupného hriadeľa, porucha je na vstupnom prevodovom kolese.
- Všeobecné opotrebenie zubov: opotrebovanie výstroja zvyčajne zvyšuje amplitúdu GMF a jej harmonických, čo sprevádzajú 1× postranné pásma z príslušného prevodového stupňa.
- Prasknutý alebo zlomený zub: Jeden prasknutý alebo zlomený zub vytvára silný špičkový signál pri 1× prevádzkovej rýchlosti daného ozubeného kolesa, často s mnohými harmonickými zložkami, a navyše s bočnými pásmami okolo GMF, ktoré sú rozložené v intervaloch zodpovedajúcich rýchlosti daného ozubeného kolesa’. V tomto prípade je obzvlášť cenný časový priebeh signálu – ukazuje totiž zreteľný, periodický náraz zakaždým, keď sa poškodený zub pokúsi zapojiť do ozubenia.
- Nesúosovosť prevodoviek: nesprávne zarovnanie Nesúosovosť ozubených kolies často vyvoláva vysokú harmonickú zložku 2×GMF, ktorá je niekedy vyššia ako primárny vrchol GMF, a opäť ju sprevádzajú postranné pásma súvisiace s prevádzkovou rýchlosťou.
Ďalším dôležitým efektom, o ktorom stojí za to vedieť, je frekvencia loveckých zubov, veľmi nízka frekvencia, s akou sa konkrétny pár zubov opäť zapája; poruchy, pri ktorých je na každom ozubenom kolese jeden poškodený zub, môžu tento jav vyvolať.
4. Špecializované analytické techniky
Vzhľadom na to, že vibrácie ozubených kolies sú veľmi komplexné, štandardná spektrálna analýza sa často dopĺňa technikami, ktoré izolujú signál ozubených kolies:
- Analýza časovo-priebehovej krivky: je nevyhnutné na potvrdenie zlomených alebo prasknutých zubov, ktoré sa prejavujú ostrými, opakujúcimi sa nárazmi synchronizovanými s otáčaním ozubeného kolesa’, a nie so záberom zubov.
- Analýza kepstra: transformácia, ktorá zlučuje celé skupiny rovnomerne rozložených postranných pásiem do jedného prehľadného celku, čím zviditeľňuje vzory postranných pásiem, ktoré by inak zostali skryté v preplnenej FFT.
- Analýza obálky: demoduluje vysokofrekvenčný nosný signál, čím odhalí nízkofrekvenčnú frekvenciu nárazov v lokalizovanej zubnej defekte, čím dopĺňa obraz z bočných pásiem.
5. Fázy zlyhania ozubeného kolesa
Analýza vibrácií umožňuje sledovať vývoj poruchy ozubeného kolesa v štyroch rozpoznateľných fázach, čím poskytuje údržbárskym tímom dostatočný čas na naplánovanie zásahu:
- 1. štádium (počiatočné): okolo GMF sa objavujú malé bočné pásma. Celková úroveň vibrácií sa nemusí vôbec zmeniť.
- 2. stupeň (stredne závažný): amplitúdy postranných pásiem narastajú a začínajú sa objavovať harmonické kmity GMF s vlastnými postrannými pásmami.
- 3. stupeň (závažný): GMF a jeho harmonické obsahujú mnoho širokých postranných pásiem, frekvencia problémového ozubeného kolesa (1×) sa začína zvyšovať a šumová hladina spektra stúpa.
- 4. štádium (katastrofické): GMF môže zmiznúť a nahradiť ho hlučný signál náhodných vibrácií, ak sú zuby vážne poškodené alebo zničené.
6. Uplatnenie v praxi
Diagnostika prevodoviek začína terénnym meraním pri prevádzkovej rýchlosti a zaťažení. Prenosný dvojkanálový prístroj, ako je napríklad Balanset-1A zaznamenáva FFT spektrum a surový časový priebeh signálu pri každom ložisku, čo umožňuje technikovi lokalizovať GMF, odčítať vzdialenosť medzi postrannými pásmami a tak priradiť poruchu ku konkrétnej hriadeli, a sledovať priebeh signálu s cieľom zachytiť charakteristický periodický náraz spôsobený zlomeným zubom – a to všetko bez nutnosti otvárať prevodovku. Ak prevodovka zároveň poháňa alebo podopiera rotor, ten istý prístroj overuje, či zvyškové ložisko a vibrácie spôsobené nevyváženosťou zostávajú v medziach noriem, ako je napríklad ISO 20816, takže potvrdená porucha prevodovky nie je zakrytá inými zdrojmi. Ak sa porucha prevodovky zistí v 1. alebo 2. štádiu, stáva sa z nej plánovaná oprava namiesto neplánovanej poruchy.
