2009/05: Géphibák felismerése rezgésspektrumban: rezonancia-felderítés, csapágyak állapot-felmérése

GyártásTrend 2009/05, Műszaki diagnosztika rovat

 “Tűzoltás és nagyjavítás helyett”

A rezonanciaproblémák megoldhatók szerkezeti változtatásokkal (például a szerkezeti elemek sajátfrekvenciájának megváltoztatásával, a rezonanciafrekvencia elhangolásával vagy a rezonancia csillapításával), illetve a gerjesztőfrekvencia megváltoztatásával (a géphiba megszüntetésével, az üzemi fordulatszám vagy a terhelés módjának a megváltoztatásával). Ehhez viszont bizonyosságot kell szereznünk, hogy valóban rezonanciával állunk-e szemben, és tudnunk kell annak frekvenciáját.

Az ipari forgógépek szempontjából leszögezhetjük, hogy minden gépnek van egy vagy több rezonanciája, mivel ez a gépstruktúra tulajdonsága. Baj csupán akkor van, ha a rezonanciafrekvenciák valamelyike egybeesik a gép forgásfrekvenciájával, illetve annak többszöröseivel. A változtatható fordulatszámú gépek esetén éppen ebből adódik a gond: minél szélesebb az üzemszerű fordulatszám-tartomány, annál nagyobb valószínűséggel egy-egy rezonanciafrekvencián, illetve többszörösén is üzemelhet a berendezés.

Akkor kell mindenképpen a rezonanciaproblémával foglalkoznunk, ha kismértékű fordulatszám-változás esetén nagy rezgésamplitúdó-változások lépnek fel. (Tehát a gerjesztő frekvencia kis változására a rezgések nagysága drasztikusan változik.) Maga a rezonanciafrekvencia és a rezonanciacsillapítás felmérésére többféle módszer létezik. Ezek között van olyan, amelyet álló gép mellett kell elvégezni (ütésgerjesztés), és olyan is, amely kihasználja a forgógép felfutása, illetve leállása folyamán fellépő változó frekvenciájú gerjesztést (azaz a gép forgásából adódó rezgésekre alapoz). Fontos mindegyiknél, hogy mivel a rezonanciák hely- és irányfüggők, a gerjesztésre adott választ több irányban (például vízszintesen és függőlegesen) is érdemes megmérni. Ennek során igen lényeges – akár nagyságrendi – eltérések is előfordulhatnak.

Ütésteszt és korlátai

A legegyszerűbb rezonanciateszt az ütésteszt, amelyet álló gépen kell elvégezni. Ehhez egy egyszeri ütéssel gerjesztjük a gépszerkezetet, és rögzítjük az ütésre keletkező rezgések spektrumát. A rezonanciafrekvenciák a spektrumban található kiemelkedések (amplitúdóhegyek) formájában láthatóvá válnak. Az antirezonanciás tartományok viszont völgyekként jelennek meg. A hegyek és völgyek szélessége meghatározó a csillapítás szempontjából.

Hogy melyik frekvenciatartományt lehet ütéssel gerjeszteni, az ütésimpulzus (τ) időtartamától függ. Az 1/τ frekvenciatartományban az ütés által a szerkezetbe juttatott energia 90 százaléka rezgésgerjesztésként hat. Ennek alapján a puha (tompa) ütések (például gumikalapáccsal) csak néhány 100 Hz-ig képesek gerjeszteni, a rövid (kemény) ütések (például vaskalapáccsal) pedig akár több kHz-es frekvenciatartományban is rezgéseket gerjesztenek. Ez az összefüggés világossá teszi, hogy nagy szerkezetek és magasabb frekvenciatartományok esetén az ütésteszt már nem elég hatásos, illetve egyáltalán nem alkalmazható.

Rezonanciakeresés ütésteszttel (forrás: CSi)

 

Fel- és lefutási vizsgálatok

A következőkben részletezett módszerek kihasználják a forgógép felfutása, illetve leállása folyamán fellépő változó frekvenciájú „természetes” (a gép forgásából adódó) rezgésgerjesztést a rezonanciák felderítésére. E módszerek „szépséghibája”, hogy az így igénybevett gerjesztés szintén a fordulatszám függvénye lehet (például emlékezzünk csak a kiegyensúlyozatlanságra: a rezgést gerjesztő centrifugális erő a fordulatszám négyzetével arányosan nő).

Csúcsmegtartásos (peak-hold) spektrumfelvétel

Kihasználja a legtöbb műszerben meglévő képességet, miszerint a készülékek általában több spektrumot átlagolni képesek, méghozzá csúcsmegtartásos módon. (Mindegyik frekvencián megtartja a rajta található legnagyobb amplitúdóértéket.) A gép leállása, illetve felfutása alatt folyamatosan történik a spektrumok rögzítése és csúcsmegtartásos átlagolása. Ennek eredményeként egy „elmosódott” spektrumot kapunk, amelyből a rezonanciákra utaló amplitúdóhegyek kivehetők.

Csúcsmegtartásos spektrum (forrás: PIM)
Rezonanciakeresés vízeses-spektrummal (forrás: CSi)

Vízesésspektrum felvétele

Ez az eljárás nagy tudású (nagy tárolókapacitású és gyors spektrumanalízisre képes) kéziműszereket kíván, mivel a lefutás alatt vagy beállított időközönként, vagy a fordulatszám függvényében (az üzemi forgásfrekvencia valamelyik törtrészének elérésekor) rögzíteni kell egy rezgésspektrumot. E spektrumokat egymás mögött szokás megjeleníteni, így az úgynevezett vízesésspektrum ábrázoláshoz jutunk. A nagyon szemléletes ábrázolási formában az összes amplitúdókiemelkedés szemmel felismerhető.

A rezgésamplitúdó és a fázisszög fordulatszámfüggő felvétele

Alapja, hogy leállás vagy felfutás alatt folyamatosan rögzítésre kerül a forgásfrekvenciájú rezgésamplitúdó és a hozzá tartozó fázisszög. Ennek grafikus ábrázolásával nemcsak az amplitúdókiemelkedés, hanem a rezonanciafrekvencián bekövetkező fázisszög-megfordulás (tehát megközelítően 180°-os ugrás) is láthatóvá válik.

Rezonanciakeresés lefutásvizsgálattal (forrás: PIM)

Golyós és hengergörgős csapágyak hibái

A csapágyak sérülései különböző okokra vezethetők vissza: hibás szerelés, technológiai hibák a tengelyelemek szerelésénél, gőz hatása, túlterhelés, túl nagy fordulatszám, rossz vagy hiányzó kenés, anyag- és gyártási hibák. De alapvetően a csapágy üzemszerű terhelése önmagában is – a csapágy élettartamának függvényében – előbb utóbb anyagelfáradáshoz, aztán először kisebb, majd rohamosan egyre nagyobb sérülésekhez vezet.

Ha megsérül egy csapágy, rezgések keletkeznek, és ezek frekvenciája attól függ, melyik csapágyalkotó elemen következett be a meghibásodás. Ezek a hibafrekvenciák – gyakran csapágyfrekvenciáknak, illetve csapágy-hibafrekvenciáknak is nevezett frekvenciák – könnyen kiszámíthatók, ha a csapágy bizonyos alapvető geometriai méretei ismertek.csapágyrajz
A következő adatokat kell tudni a hibafrekvenciák kiszámításához:

  • D a görgők középpontja gördülőpályának (futáspálya) átmérője
  • d a görgők átmérője
  • Q az erőátviteli szög (az erőátvitel iránya a belső gyűrűről a külső gyűrűre)
  • Z a görgők száma
  • N a tengely fordulatszáma (fordulat/perc egységekben)

Következő folytatásunkban a csapágyhibákat, a hibafrekvenciák kiszámítását és rezgésspektrum felvételével történő vizsgálatát veszzük közelebbről szemügyre.

A következő csapágy-hibafrekvenciák (alapsávú csapágyfrekvenciák) léteznek:

  • FTF kosárfrekvencia (Fundamental Train Frequency)
  • BPFO külsőgyűrű-frekvencia (Ball Pass Frequency, Outer race)
  • BPFI belsőgyűrű-frekvencia (Ball Pass Frequency, Inner race)
  • BSF görgőfrekvencia (Ball Spin Frequency)

A leggyakoribb csapágyhiba a külső gyűrű sérülése, mivel a legtöbb esetben a külső gyűrű áll, és a terhelés (például a forgórész súlya) a görgőkön keresztül mindig a külső gyűrű egy ugyanazon pontján hat. A hibafrekvenciák kiszámítását attól függően kell elvégezni, hogy a csapágy belső vagy a külső gyűrűje forog.

Az egyes gépekben fellépő axiális erőhatások miatt nem a csapágyspecifikációban megadott érintési szögben történik meg az erőátvitel. Az érintési pont minimálisan eltolódik oldalra és így a tényleges érintési szög megváltozik. Ez kihatással van a számítással kapott várható hibafrekvenciákra. A gyakorlatban leginkább nagy axiális terhelés esetén fordul elő, ekkor az axiális erők megnövelik az érintési szöget, és ez befolyásolja a hibafrekvenciák alakulását. Ennek hatása meglehetősen kicsi, legfeljebb 2 százalék, de a kalkulált hibafrekvenciák már ekkor sem fedik pontosan a valóságban mért frekvenciákat.

A legtöbb szokásos esetben (belső gyűrű forog, külső gyűrű áll) a csapágyhibákra jellemző rezgésfrekvenciák ±20 százalék pontossággal becsülhetők meg a következő egyenletek alapján:csapagyhibák elméleti spektruma (forrás: PIM)

  • kosárfrekvencia: FTF = 0,4 × N / 60
  • külsőgyűrű-frekvencia: BPFO =  0,4 × N / 60 × Z
  • belsőgyűrű-frekvencia: BPFI = 0,6 × N / 60 × Z
  • görgőfrekvencia: BSP = 0,23 × N / 60 × Z (Z < 10), illetve 0,18 × N / 60 × Z (Z≥10)

 

Rahne Eric  (PIM Kft.)
pim-kft.hu
gepszakerto.hu

 

Kapcsolatfelvétel

A publikáció tartalmát szerzői jogok védik, ennek (akár csak részben történő) felhasználása, elektronikus vagy nyomtatott tovább-publikálása csak a forrás és a szerző nevének feltüntetése mellett, valamint a szerző előzetes írásos engedélyének megléte esetén megengedett. A szerzői jogok (Copyright) megsértése jogi következményekkel jár.