Géprezgés-spektrumelemzés – hibák felfedezése (4) (gördülő-csapágyak rezgésdiagnosztikája)

Géprezgések spektrumelemzése – gördülőcsapágy-hibák

Golyós és hengergörgős csapágyak hibái

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

Egy csapágy sérülésekor rezgések keletkeznek, amelyeknek frekvenciája attól függ, hogy melyik csapágy-alkotóelemen következett be a meghibásodás. Ezek a hibafrekvenciák – gyakran csapágyfrekvenciának, illetve csapágy-hibafrekvenciának is nevezett frekvenciák – könnyen kiszámíthatók, ha a csapágy bizonyos alapvető geometriai méretei ismertek.

A hibafrekvenciák kiszámításához a következő adatokat kell tudni
D = a görgők középpontja gördülőpályának (futáspálya) átmérője
d = a görgők átmérője
Q = az érintési szög (az erőátvitel iránya a belső gyűrűről a külső gyűrűre)
Z = a görgők száma
N = a tengely fordulatszáma (fordulat/perc egységekben)

Csapágyrajz (forrás: PIM)

Ábra: a csapágy geometriai adatai [forrás: PIM]

A következő csapágyhibafrekvenciák (alapsávú csapágyfrekvenciák) léteznek:
FTF = kosárfrekvencia (Fundamental Train Frequency)
BPFO = külső gyűrű frekvencia (Ball Pass Frequency – Outer race)
BPFI = belső gyűrű frekvencia (Ball Pass Frequency – Inner race)
BSF = görgő frekvencia (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 ugyanazon pontján hat. A hibafrekvenciák kiszámítását attól függően kell elvégezni, hogy a csapágy belső vagy külső gyűrűje forog-e. A következőkben mindkét esetre írunk fel egyenleteket, és az ezek által kapott mennyiség minden esetben Hz-ben értendő.

Csapágyhiba-frekvenciák kiszámítását szolgáló egyenletek forgó belső gyűrű esetén:

csapágy-hibafrekvenciák forgó belső gyűrű esetén

Csapágyhiba-frekvenciák kiszámítását szolgáló egyenletek forgó külső gyűrű esetén:

csapágy-hibafrekvenciák forgó külső gyűrű esetén

Az érintési szög Θ gyakorlati szerepe

Az egyes gépekben fellépő axiális erőhatások miatt nem a csapágy-specifikációban megadott érintési szögben történik az erőátvitel. Az érintési pont minimálisan eltolódik oldalra, és így a tényleges érintési szög (ill. erőátviteli szög) megváltozik. Ez a fenti egyenletek szerint a várható hibafrekvenciákra is kihatással van.

A gyakorlatban leginkább nagy axiális terhelés esetén fordul elő, hogy az axiális erők megnövelik az érintési szöget, és ez befolyásolja a hibafrekvenciák alakulását. Bár ez a hatás igen kicsi (legfeljebb 2 százalékos eltérést idéz elő), de mindenképpen azt eredményezi, hogy a kalkulált hibafrekvenciák nem fedik “hajszál pontosan” a valóságban mért frekvenciákat.

A legtöbb hagyományos esetben (a belső gyűrű forog, a külső gyűrű áll) a csapágyhibákra jellemző rezgésfrekvenciák +/-20 százalékos bizonytalansággal becsülhetők meg a következő egyenletek alapján:

kosárfrekvencia: FTF = 0,4 * N / 60
külső gyűrű frekvencia: BPFO = 0,4 * N / 60 * Z
belső gyűrű frekvencia: BPFI = 0,6 * N / 60 * Z
görgő frekvencia: BSP = 0,23 * N / 60 * Z (Z < 10)
= 0,18 * N / 60 * Z (Z ≥ 10)

Számítási példa

Legyen egy tengely fordulatszáma 2940 fordulat/perc (ez 49 Hz-nek felel meg), és tételezzük fel, hogy a csapágy külső gyűrűje áll, a belső gyűrűje pedig forog.

A csapágy további adatai:
Csapágygolyók száma Z = 8
A golyók átmérője d = 6.75 mm
A futáspálya átmérője D = 28.5 mm
Az érintési szög Q = 0 fok

csapágyhiba-egyenletek

A következő ábra a fenti csapágy hibafrekvenciáinak spektrumbeli megjelenését mutatja egyszerűsített (sematikus) formában. A csapágyproblémák megjelenése a frekvenciaspektrumban annak függvényében változik, hogy enyhe – kezdődő – hibajelenségről vagy kialakult – súlyos – hibáról van-e szó. Ennek megfelelően további elméleti szempontokat kell a kiértékelésnél figyelembe venni.

Csapagyhibák elméleti spektruma (forrás: PIM)

Ábra: a csapágy hibafrekvenciáinak megjelenése a rezgésspektrumban [forrás: PIM]

A csapágy hibafrekvenciáinak előfordulása

A kosárfrekvencia csak nagyon ritkán lép fel dominánsan. A kosársérülések gyakran jelentkeznek a többi csapágyfrekvencia (görgő, illetve belső vagy külső gyűrű frekvenciája) körül fellépő kosár­frekvenciájú moduláció formájában. Ha a csapágy sérülésein való átgördülés folyamatosan változó terheléssel megy végbe, esetenként a fordulatszám csapágy-hibafrekvenciájú modulációi figyelhetők meg. Egy ép csapágy esetén az alapfrekvenciák a legtöbb esetben nincsenek jelen. A csapágy kezdődő sérülése a csapágy-hibafrekvenciák nagyfrekvenciás többszörösei formájában jelentkezik, majd a sérülés súlyosbodása folyamán a csapágy alapfrekvenciái egyre jobban felerősödnek.

A csapágysérülés esetén fellépő periodikus ütésgerjesztések mindig az ütésfrekvencia (esetünkben a csapágy alapfrekvenciái) többszöröseit is eredményezik. Ha viszont tisztán szinuszos gerjesztés van jelen (például kiegyensúlyozásból eredő erők esetén), akkor csupán a gerjesztőerő alapfrekvenciája jelenik meg a spektrumban. Ha például a csapágykomponensek feszülés következtében deformálódtak, szinuszos erőhatások várhatók a görgők legördülése során. Ez nem ritkán javítások után figyelhető meg a túl kis hézaggal szerelt feszítőhüvelyek, illetve erősen megterhelt, deformálódott csapágyülésű gépegységek (például szíjhajtás) esetében. Ilyenkor csak a csapágyhibák alapfrekvenciája jelenik meg a spektrumban.

Túl kis csapágyhézag esetén elsősorban a külső gyűrű hibafrekvenciája válik láthatóvá. A megterhelt csapágyalkatrész valójában a kosár, aminek a következő az oka: a túl kis hézag miatt bekövetkező csapágyfeszültséget a kosárnak kell állnia, mivel ennek kell a görgőket a legkisebb hézagú résen átpréselnie. Ezért végül is a kosárhiba alapfrekvenciájának kellene megjelennie, de ez a legtöbb esetben nem igaz, mivel a kosárnak mindegyik görgőt egyenként kell átpréselnie a szűk keresztmetszeten. Emiatt a kosárfrekvencia többszöröse lép fel, pontosabban a kosárfrekvencia és a görgők számának szorzata. Ez pedig nem más, mint a külső gyűrű hibafrekvenciája.

Összegzés megjegyzésekkel

Összefoglalva elmondhatjuk, hogy ha a csapágy-hibafrekvencia többszörösei elsősorban a magasabb frekvenciatartományban találhatók, akkor ennek oka többnyire az lehet, hogy kis, éles sérülések vannak a csapágy futófelületén. A szennyeződések is hasonló jelenséget produkálhatnak. Ilyenkor a csapágyhiba-alapfrekvenciák általában nem észlelhetők. Másrészt, ha a rezgésspektrumban jelen vannak a csapágyhiba alapfrekvenciájának alacsony-frekvenciás többszörösei (leginkább a 2-10-szeres frekvenciák), akkor ez általában nagy és mély csapágysérülésekkel magyarázható. Kis csapágyterhelés, illetve különösen rossz állapotú csapágyak esetén (amikor már igazi legördülés nincs is), a csapágyhibák leginkább rezonanciagerjesztések formájában jelennek meg.

További megjegyzések:
* A görgők hibái nagyon nehezen detektálhatók, mivel ezek az elemek nagyon kicsik. Emiatt meg­hibásodásuk esetén az általuk keltett rezgés (illetve annak energiatartalma) viszonylag kicsi, így csak akkor mérhető, ha valamilyen más – nagyobb – gépalkatrész (pl. a csapágybak) átveszi e rezgéseket.
* Az impulzusszerű nagyfrekvenciájú jelek, illetve a nagyfrekvenciájú energia előfordulása többnyire csapágyhibákra utal. De a nagyfrekvenciájú jelenséget okozhatja még például láncos hajtásoknál az esetleges lánczörgés, szivattyús szerkezeteknél pedig a közegben fellépő kavitáció is.
* A belső gyűrű és a görgő hibájára jellemző rezgésfrekvenciák radiál-terhelésű csapágyaknál fordulatszám-, illetve kosárhibára jellemző rezgésfrekvenciájú oldalsávokkal jelentkezhetnek. Ez a hibahely a terhelt zónába történő be- és kilépési mozgástól függ.

 

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.