ÜZEMFENNTARTÁSI TEVÉKENYSÉGEK 3.09
Csapágyak üzem közbeni vizsgálata – a csavarhúzótól a REBAM1-ig2 Gergely Mihály okl. gépészmérnök, Acceleration Bt. Budapest Tóbis Zsolt doktorandusz, Miskolci Egyetem Gépelemek Tanszéke
Az ipar számos területén a tengelyek ágyazását biztosító gördülőcsapágyak üzem közbeni ellenőrzését a XX. század közepéig nem tartották fontosnak. Feltehetően egyszerű felépítésük és meghibásodásuk esetén, „gyors” cserélhetőségük tette e gépelemet a „csak egy csapágy” kategóriába. A mind nagyobb követelményeknek való megfeleltetés (élettartam, futáspontosság) azonban magával hozta az előállítási költségek növekedését és egyre inkább igényelte a „csak egy csapágy” kategória feloldását. A nagy csapágygyártók – SKF, FAG – sem ismerték fel e gépelem meghibásodásának hatását a gépre, s az ezzel kapcsolatban lévő egységek, rendszerek üzemére. Erre egy egyszerű példa, amikor egy villamos motor bármelyik csapágyánál a meghibásodás kezdeti szakaszának felismerése elmarad, az könnyen a villamos motor „életébe” kerül.
1. Csapágyhibák kezdeti diagnosztizálása A beépített gördülőcsapágy üzemi állapotáról sokáig csak a gépmester sejtett valamit, amikor is egy kb.300 mm-es fanyelű csavarhúzóval a kritikus pontra tapintva a füléhez illesztve a csavarhúzó nyelét, mondott véleményt a vizsgált gördülőcsapágy állapotáról. A gépmester azonban nem tudta, hogy e módszerrel az egész gép rezgését figyelte. Ezek a vizsgálatok és az első műszeres vizsgálatok is a gép alacsony frekvenciájú rezgéseinek megfigyelésén alapultak, amelyek az egész gép rezgésére, vibrációjára, de leginkább kiegyensúlyozatlanságára jellemzők. 1
REBAM (Rolling Element Bearing Activity Monitor) Az Országos Karbantartási és Munkabiztonsági Konferencián (OKAMBIK, Pécs, 2003. május 14–15–16.) elhangzott előadás szerkesztett változata 2
A kisfrekvenciát érzékelő vizsgálatok során a gördülőcsapágyak hibái csak nagyon előrehaladott állapotukban vehetők észre. E felismerés késztette a rezgésdiagnosztikai műszerek gyártásában is már jelentős hagyományokkal rendelkező BRÜEL&KJAER céget egy olyan műszer kifejlesztésére (frekvenciatartománya: 0,3 Hz…15 kHz), amely már lehetővé tette a csapágyhibák detektálását. A 2511 típusú rezgésmérő méréstartománya 10-4….103 mm s-2. Ezzel már a gördülőcsapágyak keltette rezgések széles sávú műszeres figyelése és a rezgésspektrumok elemzése vált lehetővé (a csapágyhibák korai felismerése!), így a beavatkozás már előre tervezhető volt. További jelentős előrelépés volt annak felismerése, hogy egy hibahely kialakulása a gördülőcsapágyban impulzusszerűen lökéshullámokat generál. Az elvnek megfelelően kifejlesztett méréstechnológia és mérőműszer a két egymással ütköző test sebességkülönbségét méri (pl. SPM 21 típusú rezgésmérő). A gördülőcsapágyakban a lökéshullámok a futópályák és a gördülőelemek közötti ütközés révén keletkeznek (radiális hézag), amelyek áthaladnak a csapágyon és a csapágyházon. A keletkezett lökéshullám csúcsértékét csak az ütközés sebessége határozza meg, s ezt az ütköző testek tömege és alakja nem befolyásolja. Azonos elven működött az SKF által kifejlesztett MEPA –10 csapágyvizsgáló műszer is.
2. Műszerfejlesztés és diagnosztika Az elektronikus jelfeldolgozás tökéletesedése jelentős lépés volt a műszeripar fejlődésében is. A nagy sebességű jelfeldolgozó, diagnosztizáló műszerek régi/új méréstechnológiai eljárások bevezetését tették lehetővé. Minthogy a csapágyak hibafrekvenciáinak nagy része – 10 Hz < fh < 1 kHz – a kis frekvenciatartományba esik, e korszerű műszerekkel és érzékelőkkel, valamint a hozzá tartozó elemzőprogramok segítségével jól beazonosíthatók. Méréstechnikailag és elemzés szempontjából megoldható egy villamos motor csapágyainak széles sávú vizsgálata (1–2. ábra). A spektrum szerint a vizsgált gördülőcsapágy megemelkedett zajszintjéből kiemelkedő nagyobb frekvenciás összetevőinek amplitúdója egyértelműen csapágyhibára utal. A csapágycsere utáni állapotot a 2. ábra mutatja.
6,00
1500 ford/min
5,00
terhelés: 100%
4,00
rezgéssebesség: 9,3315
3,00 2,00 1,00 0,00
0
2 000
4 000
6 000
8 000 10 000
frekvencia, Hz
1. ábra Ventilátormotor hibás csapágyának spektruma
0,350
1500 ford/min
0,300
terhelés: 100%
0,250 0,200
rezgéssebesség: 0,7813
0,150 0,100 0,050 0,000 0
2 000
4 000
6 000
8 000
10 000
frekvencia, Hz
2. ábra Ventilátormotor új csapágyának spektruma A fent bemutatott vizsgálati mód egy egyszerűnek mondott hajtás (ékszíjhajtás) esetében eredményesen megoldható, de egy többfokozatú fogaskerék-hajtómű esetében már nem lesz célravezető.
Egy új méréstechnikai eljárás bevezetésével, amelyet az SKF dolgozott ki, már lehetőség nyílik az összetettebb gépegységek alaposabb vizsgálatára. Az új eljárás – ENVELOPE – [3] – lényege, hogy a csapágyhibák által gerjesztett nagy amplitúdóbeli változásokat méri. A leggyakrabban használt burkológörbe módszer a gyorsulásjel kétszeres szűrésével érhető el. Ez az energia széles frekvenciasávban jelenik meg, amelyből a 10…30 kHz közötti tartomány kiemelésre kerül, s a csapágyban, a helyi hibákon történő átgördüléskor keletkező amplitúdóváltozások megfigyelhetők (hasonló elven működik a Spike-Energie mérési módszer is). A 3. ábrán bemutatott spektrumképet egy ötfokozatú fogaskerékhajtómű csapágyának környezetében vették fel. A hajtóművekre jellemző „hagyományos” mérési beállítással (rezgéssebesség, RMS) a fogkapcsolódási frekvenciák megtalálhatók, de a csapágyak hibafrekvenciái nem mutathatók ki. 0,12 0,100 0,096 0,084 0,072 0,06 0,048 0,036 0,024 0,012 0
0
120
240
360
480
600
frekvencia, Hz
3. ábra Hajtómű tengelykörnyezetének spektrumképe Az ENVELOPE – eljárás lényegét bemutató 4. ábrán a vizsgált ötfokozatú egyenes, homlokfogazású hajtómű ugyanezen csapágyának spektrumán a külső gyűrű kezdeti meghibásodása (4,8 Hz és harmonikusai) látható. E méréstechnológiai eljárás alkalmazásakor elegendő az érzékelők mágneses rögzítése, ugyanakkor a csapágyhibák detektálása mellett a célirányos szűrő megválasztásával fogaskerekek jellemző frekvenciái[2], fogazati hibák kimutatása is lehetséges. A 4. ábra szerinti spektrumképen a vizsgált csapágyon kívül a tengelyen lévő – z = 13 fogszámú – fo-
gaskerék kapcsolódási frekvenciája (11,4 Hz) alacsony intenzitású jelszinttel megtalálható, de a vizsgálat célja nem ez volt.
0,005 0,0045 0,004 0,0035 0,003 0,0025
0,0015 0,001
z = 13
0,002
0,0005 0,0
4. ábra Hajtómű tengelykörnyezetének spektrumképe (ENVELOPE) A 5. ábra egy szerelési–illesztési vizsgálat eredményét szemlélteti, ahol egy külső fogazatú fogaskerék-kapcsolatnál, a nem teljes fogszélességben való kapcsolódásukra utaló meghibásodás tapasztalható. E hiba a kapcsolódó kerekek tengelyeinek párhuzamossági eltéréséből adódhat (ez lehet szerelési hiba is!) A 6. ábrán egy csigaházas szivattyú lapátáthaladási spektruma látható, amelyet szintén ENVELOPE méréstechnológiával vettek fel. A mérés célja az áramló közeg okozta kavitációs rezgések kiszűrésével csak a lapátozás (z = 6) állapotának megítélése volt. Az 1980–as évek közepére sikerült (ismét) az SKF kutatóinak olyan eljárást kidolgozniuk, amely kimondottan a gördülőcsapágyak vizsgálatára alkalmas. E méréstechnológiai eljárás SEE (Spectral Emitted Energy) néven vált közismertté, s kizárólag a nagy frekvenciatartományba (250…350 kHz) eső csapágyjelek vizsgálatára alkalmas. E frekvenciatartományban nemcsak azok a lökéshullámok vannak jelen, amelyeket a sérült futófelületen átgördülő gördülőtest gerjeszt, hanem, azok is, amelyek a pillanatszerű fém–fém érintkezés következtében alakulnak ki. A kenőolaj viszkozitásának csökkenése, a felületi sérü-
lésekből leváló parányi szemcsék a súrlódást növelve, helyi túlhevülést idéznek elő. Ennek hatására e két érintkező pont összeheged, de amint a csapágy elfordul, ez az ideiglenes varrat el is szakad. Ez a jelenség pillanatszerűen, pontnyi felületen játszódik le. 0,0024 0,00216 0,00192 0,00168 0,00144 0,0012 0,00096 0,00072 0,00048 0,00024 0 0
4
2
6
8
10
frekvencia, Hz
5. ábra Homlokfogazatú kerékkapcsolat párhuzamossági hibája
n
0 0
n
fo
n
fo
140
280
420
638,3
499,4
527,2
27,8
0,01
471,8
305,2
0,015 0,005
666,1
n
fo
560
n
fo
693,7
fo
360,7
0,02
n
fo
166,5
fo (z = 6)
0,03 0,025
lapátáthaladás
fo (z = 6)
0,04 0,035
332
0,05 0,045
700
frekvencia, Hz
6. ábra Csigaházas szivattyú lapátfrekvenciája és harmonikusai Az eljárás ma még nem tartozik a „népszerű” vizsgálati módok közé, mert méréstechnikailag szigorú kötöttségei vannak. Ilyen például, hogy az érzékelőket oldható kötéssel kell rögzíteni. Ez általában nem biztosított.
3. Napjaink vizsgálati technológiája A vizsgálati technológiák további fejlődésében jelentős szerepet játszott a folyadékfilmes csapágyakban járó tengelyek vizsgálata. Igen fontos gépekről, géprészekről lévén szó – nagy fordulatszámú, siklócsapágy ágyazású turbinatengelyek, kompresszortengelyek – a gyakorlati tapasztalatok is igazolták, hogy a siklócsapágyak olajfilmjének erőhatásai bizonyos körülmények között a tengely öngerjesztett lengéseit idézhetik elő. Ha ez a jelenség – mint olajcsapkodásos járás – beindul, széles fordulatszám-tartományon belül hat. A legfőbb veszélyt az jelentheti, hogy ez az öngerjesztett rezgési frekvencia megegyezhet a rendszer egyik kritikus fordulatszámával és így a rezonanciában történő üzemelés tengelytöréshez is vezethet. Ezen öngerjesztett rezgések detektálására, a 7. ábra szerinti mérési elrendezéssel – a tengelycsap relatív elmozdulásának, rezgésének mérésére – örvényáramú érzékelőket fejlesztettek ki, amelyeket a csapágyházba építenek be [4]. Az eljárás Eddy Probe néven vált ismertté.
jelkimenet
hajtómű Eddy Probe eljárás
hajtómű
7. ábra Tengely relatív elmozdulásának mérési elve A fenti méréstechnológiai eljárás továbbfejlesztése és alkalmazása a gördülőcsapágy-vizsgálatokban újat eredményezett (Bently Rotor Dynamics kutatásai). Az előző pontok vizsgálati technológiái a gördülőcsapágyak üzem közbeni hibáinak kimutatási lehetőségeit, jelentősebb módszereit, foglalták össze, amelyeknél minden esetben az érzékelők elhelyezése a csapágyházon, a csapágy környezetében történik. Az új eljárás nemcsak az érzékelők típusában és elhelyezésében különbözik az eddigi eljárásoktól, hanem a vizsgálatok elvi megfontolásában is.
10
0,25
8
0,20
6
0,15
4
0,10
2
0,05
amlitúdó, µm
amplitúdó, µm
A vett jeleket (az érzékelők elhelyezése miatt) nem torzítják egyéb összetevők, amelyek a gépegység más elemeitől, vagy a gép alapozási minőségétől indulnak ki. A REBAM (Rolling Element Bearing Activity Monitor) [5] méréstechnológia elvének lényege, hogy a csapágyház–csapágy terhelési zónájában – e célra készített átmenő furatokba kell rögzíteni a REBAM örvényáramú szondákat, amelyek csúcsa a csapágy külső gyűrűjétől ∆l0 távolságra van. A terhelés alatt álló elemek haladásuk közben a külső gördülőpályán sugárirányú (az érzékelő irányában) ∆l1 rugalmas elmozdulást okoznak a hibahelyen. Az anyagleválásos meghibásodások esetében az anyag vagy a gördülőpályákról, vagy a gördülőelem felületéről távolodik el. Ez a meghibásodás a csapágyban egy meg nem engedett radiális hézagnövekedést, vagy -csökkenést okoz. A hézagcsökkenésből következően, ha Hr = 0 értékű, a gördülőelem megcsúszása áll elő. E változások együttesen is létrejöhetnek, de mindenképpen a külső gyűrű sugárirányú elmozdulását eredményezik (8. ábra).
0
0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
frekvencia, Hz 1,0
0,25
harmonikus
0,20
0,6
0,15
0,4
0,10
0,2
0,05
amlitúdó, µm
amplitúdó, µm
0,8
0
0 10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
frekvencia, Hz
8. ábra Külső gyűrű meghibásodási spektrumkép REBAM vizsgálati eljárással [5]
0,50 0,25 0 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 0,50
20 10 0 10 20 30 40 50 60 0,1 1
0,2
0,3
0,4
0,5
idő, s
0,6
0,7
0,8
0,9
amplitúdó, µm
A gördülőpályán indikált hiba és a hibahely az időtartományban felvett spektrumcsúcsok („+” vagy „–” irányban) és az érzékelők pontos helyzete alapján határozhatók meg (9. ábra).
0,50 0,25 0 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 0,50
20 10 0 10 20 30 40 50 60 0
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
idő, s
9. ábra Belső gyűrű meghibásodási időspektruma [5] A 10. ábrán egy gördülőelem meghibásodási spektruma látható. A spektrum zoomolt részén az fk[Hz] =(ik×n0)ν kosárfrekvencia harmonikusai törvényszerűek, hiszen a kosárszerkezet a gördülőelemekkel közvetlen kapcsolatban van: megvezetésre, távolságtartásra szolgál. A vizsgálat során kimutatták továbbá, hogy az amplitúdócsúcsok (sebesség Av ,és elmozdulás Al) értékeinek aránya a fordulatszám és a terhelésváltozások ellenére állandó, s ezzel e viszony ismeretében a hiba nagysága, súlyossága meghatározható.
4. Összefoglalás Az eddigiekből következően a gépipar e területén is ugrásszerű fejlődés történt, amelynek nagy vesztese a csavarhúzó lett. Számos vizsgálóműszert és eljárást fejlesztettek ki a gördülőcsapágyak hibáinak üzem közbeni, korai felismerhetőségére. E mérési eljárásokhoz, kezelésükhöz „nagy tudású” feldolgozói programok tartoznak (PRISM4 – PRO, ODYSSEY), amelyekről terjedelmük miatt e cikkben nem eshetett szó. A mérési eljárások közül is csak néhány szerepelt. Ezek megítélésünk szerint könnyen kezelhetők, s nem utolsó sorban, a csapágy meghibásodásának mechanizmusa hűen követhető. Így a megfelelő információ segítségével dönthetünk a szükséges beavatkozás mértékéről, idejéről.
amplitúdó, µhüvelyk
7
0,175
6
0,150
5
0,125
4
0,100
3
0,075
2
0,050
1
0,025
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 100
amplitúdó, µhüvelyk
frekvencia, kcpm 0,12
0,0030
0,10
0,0025
0,08
0,0020
0,06
0,015
0,04
0,0010
0,02
0,005
0
0 0
11
12
13
14
15 16 frekvencia, kcpm
17
18
19
20
10. ábra Gördülőelem meghibásodási spektruma [5] IRODALOM: [1] Lipovszky Gy.; Sólyomvári K.; Varga L.: Gépek rezgésvizsgálata és a karbantartás. Budapest, 1981. Műszaki Könyvkiadó. [2] Gergely M.; Kováts A.; Szabó Z.: Tányérmozgató mechanizmusok megbízhatóságának értékelése. Géptervezők és Termékfejlesztők XVI. Országos Szemináriuma, Miskolc 2000. [3] Gergely M.: Csapágyállapot, csapágyalkalmasság gyakorlati diagnosztikája. DIAGNOSZTIKA ’2001, XI. Nemzetközi Diagnosztikai Konferencia és Szakkiállítás, Hajdúszoboszló, 2001. [4] SKF: Condition Monitoring Catalog. [5] Bently; Goldman; Yu: Rolling element bearing defect detection and diagnostics using REBAM® Probes, 2002.
AZ ÜZEMFENNTARTÁS TÉMAKÖRÉT ÉRINTŐ KÖZLEMÉNYEK EGYÉB KIADVÁNYAINKBAN Termékélettartam-ciklus bevezetése és irányítása. = BME OMIKK ♦ Vállalati szervezés, kontrolling, 2003. 6. sz. p. 51–61. Az ügyfélszolgálat átalakítása. = BME OMIKK ♦ Vállalati szervezés, kontrolling, 2003. 4. sz. p. 20–27. Elhasználódás és karbantartási stratégia összefüggése a környezeti kockázatokkal. = BME OMIKK ♦ Környezetvédelmi Füzetek, 2321. sz. (szakirodalmi tanulmány) 66 p. A berendezések, üzemegységek átépítés utáni használatát szabályozó német üzembiztonsági rendelet. = BME OMIKK ♦ Munkavédelem – ergonómia, 2003. 8. sz. p. 3– 6. Az infravörös termográfia alkalmazása az építőiparban. = BME OMIKK ♦ Minőségirányítás – műszaki ellenőrzés, 2003. 8. sz. p. 20–23. A mágneses térerő mérése roncsolásmentes hibavizsgálat céljából. = BME OMIKK ♦ Minőségirányítás – műszaki ellenőrzés, 2003. 8. sz. p. 23–27. A korszerű mechanikai anyagvizsgálat fejlesztési eredményei. = BME OMIKK ♦ Minőségirányítás – műszaki ellenőrzés, 2003. 8. sz. p. 30–35. Az üzemi mérések emberi tényezői és eszközei. = BME OMIKK ♦ Minőségirányítás – műszaki ellenőrzés, 2003. 8. sz. p. 45–49. A roncsolásmentes vizsgálatot végzők teljesítményképességének tanulmányozása. = BME OMIKK ♦ Minőségirányítás – műszaki ellenőrzés, 2003. 8. sz. p. 49–64. Ipari anyagok roncsolásmentes vizsgálata modulációs termográfiával. = BME OMIKK ♦ Minőségirányítás – műszaki ellenőrzés, 2003. 9. sz. p. 37–48. Weibull-eloszlás paramétereinek becslése normálistól eltérő körülmények között végzett megszakításos élettartam-vizsgálatokban. = BME OMIKK ♦ Minőségirányítás – műszaki ellenőrzés, 2003. 10. sz. 34–40. Vékony szelvények hegesztett varratainak radiográfiai vizsgálata. = BME OMIKK ♦ Minőségirányítás – műszaki ellenőrzés, 2003. 10. sz. p. 16–26. Az új német üzembiztonsági rendelet – a karbantartás új megközelítése. = BME OMIKK ♦ Munkavédelem – ergonómia, 2003. 11. sz. p. 15–18.
