Diagnoza napak ležajev
Okvare ležajev so mikroskopske ali makroskopske napake – razpoke, odlomki ali vdolbine – na delovnih površinah valjčnega ležaja. Ker so valjčni ležaji ključni za večino vrtilnih strojev in pogosta točka okvare, je zgodnje odkrivanje teh napak ena najpomembnejših nalog v analiza vibracij. Napaka povzroča ponavljajoč se, periodičen udarec vsakič, ko se valjčni element prekotalj po njej, in prav ta periodičnost je tisto, kar napako naredi vidno v spekter še dolgo preden se ležaj pregreje ali postane slišen.
1. Narava napak ležajev
Tipično valjčno ležajno sestavljajo štirje deli: zunanji obroč, notranji obroč, niz kroglic ali valjčkov ter kletka, ki elemente ohranja v enakomernem razmiku. Napaka je poškodba na kateri koli od teh površin. Ko valjčni element preide čez njo, stik povzroči majhen, oster, visokofrekvenčen udarec – »klik«. Posamezen klik prenaša zelo malo energije, vendar se udarci ponavljajo ob vsakem prehodu, kar ustvarja močno periodični signal. Analiza vibracij je izjemno dobra pri zaznavanju tovrstnih ponavljajočih se udarcev, zato je mogoče poškodovano ležajno sklopko odkriti že mesece vnaprej in ne šele v trenutku, ko pride do zatikanja.
2. Štiri temeljne frekvence napak
Osnovno načelo diagnostike ležajev je, da pri dani geometriji ležaja in hitrosti gredi udarci nastopajo z zelo natančno določenimi, predvidljivimi frekvencami. Te frekvence napak ležajev so:
- BPFO (Frekvenca prehoda kotalnih elementov prek zunanjega obroča): frekvenca, s katero kotalni elementi prehajajo mimo posamezne točke na nepremičnem zunanjem obroču. To je najpogosteje opažena frekvenca okvare ležaja.
- BPFI (Frekvenca prehoda kotalnih elementov prek notranjega obroča): hitrost, s katero elementi prehajajo točko na notranjem obroču. Ker se notranji obroč vrti skupaj z gredjo, je vrednost BPFI višja od vrednosti BPFO.
- BSF (frekvenca vrtenja žoge): frekvenca, s katero se valjčni element vrti okoli lastne osi. Pri napaki BSF se energija pogosto pojavi z dvakratno frekvenco, saj napaka pri vsakem obratu elementa udari ob obe tekalni ploskvi.
- FTF (osnovna frekvenca vlaka): vrtilna frekvenca kletke ali »vlaka«. Gre za zelo nizko frekvenco, običajno manj kot 0,5-kratno obratovalna hitrost.
Te vrednosti so odvisne od geometrije ležaja – delovnega premera, premera valjčkov, kota stika in števila elementov – ter od hitrosti gredi. Programi za analizo vibracij običajno vsebujejo obsežno bazo podatkov o ležajih in te vrednosti izračunajo samodejno; izračunati pa jih je mogoče tudi neposredno z kalkulator frekvenc okvar ležajev če so znana številka izdelka ležaja ali njegove mere.
3. Kako se napake ležajev pojavljajo v spektru
Razvijajoča se napaka pusti značilen vzorec v Spekter FFT:
- Vrhovi visokih frekvenc: sama frekvenca motnje (na primer BPFO) se pojavi kot vrh daleč v zgornjem delu frekvenčnega območja, stran od vrhov nižjega reda, povezanih z vrtenjem.
- Harmoniki: Oster, impulziven značaj udarcev običajno povzroči nastanek več harmonikov – natančnih večkratnikov – frekvence preloma, njihova dolga vrsta pa kaže na dobro razvito poškodbo.
- Stranski pasovi: To je ključni diagnostični pokazatelj. Vrh frekvence napake običajno obdajata stranski pasovi, ki sta med seboj oddaljena za 1X delovno hitrost. Vrh BPFO s stranskima pasovoma 1X je klasičen znak napake na zunanjem obroču, medtem ko napaka na notranjem obroču (BPFI) skoraj vedno vključuje stranska pasova 1X, saj se vrteča napaka enkrat na obrat premika v območje obremenitve ležaja in iz njega, s čimer spreminja moč udarca.
V najzgodnejših fazah so ti vrhovi majhni in se zlahka izgubijo v šumu spektra, zato se običajno uporablja posebna tehnika zaznavanja.
4. Analiza ovojnic za zgodnje odkrivanje
Analiza ovojnice, imenovana tudi demodulacija, je najučinkovitejša metoda za odkrivanje okvar ležajev v zgodnji fazi. Gre za tehniko obdelave signalov, pri kateri pasovni filter izloči nizkofrekvenčne, visokoenergetske vibracije iz virov, kot so neuravnoteženost in . neporavnanost gredi, nato pa se osredotoči izključno na visokofrekvenčne udarce z nizko energijo, ki jih povzroča napaka. Ponavljajoči se udarci vzbujajo lastne frekvence konstrukcije, obdelava ovojnice pa izloči frekvenco ponavljanja tega vzbujanja.
Nastala spekter ovojnice je izjemno »čist«, saj na svetlem ozadju jasno prikazuje frekvence okvar ležajev in njihove harmonike. To omogoča odkrivanje okvar že mesece – včasih celo leta – preden bi ležaj sicer odpovedal, kar zagotavlja dovolj časa za načrtovano zamenjavo namesto nujnega popravila zaradi okvare.
5. Potrditev diagnoze na terenu
Zanesljiva ocena ležaja temelji na primerjavi izmerjenih vrhov z izračunanimi frekvencami napak ter potrditvi pričakovanega vzorca stranskih pasov, v idealnem primeru podprtega s spektrom ovojnice in jasnim naraščajočim trendom v zaporednih meritvah. Prenosni dvo-kanalni merilni instrument, kot je Balanset-1A omogoča inženirju, da zajame spektralni zapis stroja v njegovih ležajih pri delovni hitrosti, tako da je mogoče domnevno okvaro ležaja na kraju samem preveriti glede na predvidene frekvence. Prav tako je smiselno izključiti podobne motnje: strukturne ohlapnost tako strukturna ohlapnost kot okvare kotalnih elementov lahko povzročijo širokopasovno energijo, vendar se le prava napaka v ležaju ujema z družinami BPFO, BPFI, BSF ali FTF.
