Ultradźwięki w diagnostyce i eksploatacji łożysk tocznych

Transkrypt

1 UTRZYMANIE RUCHU 1/2015 DIAGNOSTYKA fot. Thinkstock DR HAB. INŻ. MAREK FIDALI, Instytut Podstaw Konstrukcji Maszyn, Politechnika Śląska, Adapted Engineering Solutions Ultradźwięki w diagnostyce i eksploatacji łożysk tocznych Łożyska toczne są jednymi z najczęściej stosowanych podzespołów maszyn. Prawidłowe działanie łożysk tocznych to wypadkowa czynników konstrukcyjnych, montażowych i eksploatacyjnych. W przypadku niektórych obiektów technicznych niezawodność działania łożysk tocznych decyduje o bezawaryjności całego zespołu maszynowego oraz ciągłości procesu wytwarzania. Z tego powodu prawidłowa eksploatacja łożysk oraz ocena ich stanu technicznego powinny być jednym z istotnych zadań służb utrzymania ruchu. 56

2 DIAGNOSTYKA UTRZYMANIE RUCHU 1/2015 Stan łożysk tocznych można oceniać różnymi metodami począwszy od inspekcji organoleptycznych polegających głównie na odsłuchu symptomów akustycznych z zastosowaniem stetoskopów lub anderonmetrów poprzez pomiary temperatury, a skończywszy na pomiarze i ocenie szeroko rozumianych sygnałów wibroakustycznych. Diagnostyka wibroakustyczna stanowi jedną z podstawowych metod oceny stanu technicznego łożysk ze względu na budowę i działanie łożysk. Sprawne łożysko toczne jest swego rodzaju generatorem szumu losowego, którego udział w całkowitym sygnale drganiowym zmienia się wraz z degradacją stanu łożyska. W zależności od stosowanej metody diagnostycznej możliwe jest wykrycie symptomów uszkodzenia na różnych etapach jego rozwoju. Ogólnie degradacja stanu technicznego łożyska tocznego od chwili inicjacji uszkodzenia do wystąpienia awarii może przebiegać w co najmniej czterech fazach. Pierwsze symptomy uszkodzenia łożyska są widoczne tylko w zakresie wysokich częstotliwości mieszczących się w paśmie ultradźwiękowym, tzn khz. Wraz z rozwojem uszkodzenia kolejne symptomy wykrywane są w zakresie częstotliwości rezonansowych łożyska, które najczęściej znajdują się powyżej 2 khz. Dopiero kolejna, trzecia faza rozwoju uszkodzenia pozwala zidentyfikować w widmie składowe charakterystyczne wynikające z interakcji między uszkodzonymi bieżniami i obtaczającymi się elementami tocznymi obciążonego łożyska. W tej fazie uszkodzenie łożyska możemy wykryć za pomocą zmysłu słuchu, jeśli nie występuje zewnętrzny hałas maskujący symptomy akustyczne uszkodzenia. Ostatnia faza rozwoju uszkodzenia łożyska zbliżająca węzeł łożyskowy do nieuchronnej awarii objawia się nie tylko wyraźnie słyszalnym hałasem, ale również wysoką temperaturą. Faza ta często nazywana jest fazą termalną. Jak łatwo zauważyć, bardzo wczesne symptomy potencjalnego uszkodzenia łożyska mogą być wykryte z zastosowaniem metod ultradźwiękowych. W artykule przedstawiono podstawowe sposoby ultradźwiękowej diagnostyki łożysk tocznych oraz omówiono, w jaki sposób ultradźwięki mogą pomóc w prawidłowej eksploatacji łożysk, a głównie w kontroli smarowania. reklama Ultradźwięki Ultradźwięki są falami akustycznymi o częstotliwościach powyżej umownego zakresu słyszalności ucha ludzkiego wynoszącego Hz (20 khz). Umowną górną granicą pasma ultradźwiękowego jest częstotliwość 1 GHz, powyżej której zaczyna się zakres hiperdźwięków. Ultradźwięki generowane są podczas działania wielu obiektów technicznych. Intensywność emisji fal ultradźwiękowych zmienia się, jeśli w obiekcie pojawi się uszkodzenie. Uszkodzenia mogą mieć różny charakter i generować fale ultradźwiękowe w różnych pasmach częstotliwości. Typowe uszkodzenia i problemy eksploatacyjne występujące w instalacjach przemysłowych (np. wycieki z instalacji wysokociśnieniowych, zaworów, odwadniaczy), urządzeniach mechanicznych (uszkodzenia łożysk, przekładni zębatych, pomp) czy urządzeniach elektrycznych (np. wyładowania koronowe) dają wyraźne symptomy w zakresie khz. Powyżej 100 khz możemy mówić o tzw. emisji akustycznej powstającej podczas degradacji struktury mechanicznej wywołanej istnieniem zmiennych w czasie obciążeń, np. podczas powstawania mikropęknięć w zbiornikach wysokociśnieniowych na skutek wzrostu ciśnienia. Zakres ultra- 57

3 UTRZYMANIE RUCHU 1/2015 DIAGNOSTYKA Prawidłowa eksploatacja łożysk oraz ocena ich stanu technicznego powinny być jednym z istotnych zadań służb utrzymania ruchu. Rys. 1. Przykład miernika ultradźwięków wraz z widocznym wyświetlaczem, na którym można odczytać wartość parametru opisującego intensywność generowanych fal ultradźwiękowych w węźle łożyskowym [6] Rys. 2. Przykładowy przebieg sygnału ultradźwiękowego w dziedzinie czasu [6] Rys. 3. Przykładowe widmo sygnału ultradźwiękowego dla sprawnego łożyska [1] Rys. 4. Przykładowe widmo sygnału ultradźwiękowego dla uszkodzonego łożyska [1] Rys. 5. Dostępny na polskim rynku miernik ultradźwiękowy SDT270 firmy SDT pozwalający diagnozować stan łożysk tocznych i nie tylko dźwiękowy wykorzystywany jest do celów bezdemontażowych i nieniszczących badań obiektów technicznych oraz struktur mechanicznych. Badania mogą być prowadzone w sposób pasywny i aktywny. Badania pasywne polegają na detekcji i pomiarze sygnałów w paśmie ultradźwiękowym. Aktywne metody badawcze są stosowane w defektoskopii ultradźwiękowej i wymagają wygenerowania fali ultradźwiękowej i jej detekcji po przejściu przez obszar, w którym mogą istnieć defekty strukturalne (pęknięcia, pęcherze itp.). Obie grupy metod mogą być stosowane w diagnostyce łożysk tocznych pod kątem wczesnego wykrywania ich uszkodzeń. Istotną cechą fal ultradźwiękowych jest ich bardzo kierunkowe rozchodzenie się. Jest to związane z małymi długościami fal. Kierunkowe własności ultradźwięków pozwalają na dobrą lokalizację i izolację miejsc z uszkodzeniami, co jest szczególnie ważne w środowisku przemysłowym, gdzie obecnych jest wiele źródeł sygnałów wibroakustycznych maskujących symptomy uszkodzenia w zakresie częstotliwości słyszalnych przez człowieka. Dobrym przykładem jest możliwość lokalizacji wszelkiego rodzaju wycieków gazów z instalacji wysokociśnieniowych. Innymi cechami ultradźwięków są również duże tłumienie i zdolności do odbić na granicach ośrodków, stąd w przypadku badań ultradźwiękowych w zakresie wyższych częstotliwości (powyżej 100 khz) stosowane są media sprzęgające (żele sprzęgające) o małej impedancji akustycznej. W diagnostyce ultradźwiękowej łożysk tocznych użyteczny zakres częstotliwości mieści się między khz. W tym paśmie można wykryć symptomy większości uszkodzeń łożysk i nieprawidłowości w ich smarowaniu. Ultradźwiękowa detekcja uszkodzeń Ultradźwiękowa diagnostyka łożysk tocznych stała się stosunkowo prosta z chwilą pojawienia się na rynku przenośnych i uniwersalnych mierników ultradźwięków działających w zakresie khz. Diagnostyka ultradźwiękowa może być stosowana zarówno do łożysk szybko-, jak i wolnoobrotowych. Szczególnie w przypadku tych ostatnich sprawdza się o wiele lepiej od klasycznych metod drganiowych. Metodyka pomiaru polega najczęściej na umiejscowieniu piezoelektrycznej sondy ultradźwiękowej jak najbliżej łożyska (najczęściej na jego oprawie), ustawieniu odpowiedniego pasma częstotliwości, a następnie dokonaniu pomiarów i ocenie stanu łożyska. Prawidłowo przeprowadzony pomiar pozwala odpowiedzieć na dwa podstawowe pytania: czy łożysko i/lub maszyna mają dobry stan techniczny, jeśli nie, to z jakim uszkodzeniem możemy mieć do czynienia. Niesprawnościami skutecznie wykrywanymi na podstawie ultradźwięków są początki uszkodzeń zmęczeniowych na bieżniach łożyska, deformacja powierzchni bieżni i elementów tocznych (ang. Brinelling) oraz typowa niesprawność eksploatacyjna związana z brakiem dostatecznego smarowania lub przesmarowaniem łożyska. Niesprawności łożyska tocznego można wykryć, stosując jakościowe i ilościowe metody analizy sygnałów ultradźwiękowych. Jakościowa analiza sygnałów Jakościowa analiza sygnałów ultradźwiękowych odbywa się w chwili pomiaru przez odpowiednio wyszkolonego operatora. Polega na odsłuchu, za pomocą słuchawek podłączanych do miernika, wcześniej przetworzonego sygnału ultradźwiękowego. Odsłuch ultradźwięków w zakresie słyszalnym jest możliwy dzięki zastosowaniu detektora heterodynowego wbudowanego w przyrząd pomiarowy. Odsłuch akustyczny sygnałów ultradźwiękowych pozwala doświadczonemu diagnoście na zasadzie porównawczej rozpoznać nieprawidłowo działające łożysko. Tego typu postępowanie wymaga wcześniejszego zapoznania się z dźwiękami prawidłowo działającego łożyska. W tym celu można rejestrować sygnały i gromadzić je w bazie danych w postaci np. plików dźwiękowych. Prawidłowo działające łożysko pozwala usłyszeć dźwięki o charakterze szumu o różnej intensywności (np. syczący). 58

4 DIAGNOSTYKA UTRZYMANIE RUCHU 1/2015 Z kolei w dźwięku uszkodzonego łożyska słychać będzie trzaski lub szorstkie dźwięki podobne do ocierania. W przypadkach uszkodzeń elementów tocznych mogą pojawić się dźwięki podobne do kliknięć, natomiast przy uszkodzeniach bieżni lub jednorodnym zużyciu zmęczeniowym elementu tocznego słyszalne będą głośne i jednolite szorstkie dźwięki zbliżone do ocierania. Intensywniejsze odgłosy szumowe świadczą zwykle o niedostatecznym smarowaniu łożyska. Ilościowa analiza sygnałów Ilościową analizę sygnałów ultradźwiękowych prowadzi się na dwa sposoby. Pierwszy z nich to analiza statyczna. W trakcie jej trwania z krótkiego przebiegu sygnału wyznacza się parametry liczbowe [4], którymi najczęściej są, wyrażane w dbμv, wartość skuteczna (RMS) i wartość szczytowa (PEAK) oraz bezwymiarowy współczynnik szczytu (CREST FACTOR) będący stosunkiem wartości szczytowej do wartości skutecznej sygnału. Parametry te wyznaczane są i zapisywane automatycznie przez przyrząd pomiarowy, a zadaniem operatora są ich prawidłowy odczyt i interpretacja. Kryteria oceny stanu łożysk powinny być tak naprawdę wypracowane samodzielnie przez diagnostę w trakcie systematycznie prowadzonych pomiarów. Przy nabywaniu doświadczenia można wspierać się również na kryteriach udostępnianych przez producentów przyrządów i instytucje badawcze. Przykładowo według badań prowadzonych przez NASA [8] krotny wzrost amplitudy sygnału dla częstotliwości w paśmie khz jest wczesnym symptomem wskazującym na pogorszenie stanu technicznego łożyska. Według jednego z producentów mierników ultradźwięków [2, 6] wzrost sygnału o 8 db w stosunku do wartości wyznaczonej dla łożyska sprawnego świadczy o bardzo wczesnym stadium uszkodzenia łożyska lub niedostatecznych warunkach jego smarowania. Przyrost o 12 db to początek uszkodzenia, a o 16 db zaawansowany stan uszkodzenia. Wzrost wartości parametru o db świadczy o bardzo zaawansowanym uszkodzeniu łożyska. Wartości parametrów mogą być rejestrowane w pamięci przyrządów i wykorzystywane do tworzenia trendów pozwalających śledzić postęp rozwoju uszkodzenia. Producenci przyrządów ułatwiają tworzenie trendów, dostarczając wraz z przyrządami odpowiednie oprogramowanie. Drugim sposobem ilościowej analizy sygnałów ultradźwiękowych jest ocena ich przebiegów czasowych i widm. Jest to podejście analityczne stosowane na etapie poszukiwania odpowiedzi na pytanie: z jakim uszkodzeniem mamy do czynienia. Przebiegi czasowe ultradźwięków w zależności od przyrządu mogą być zapisywane w jego pamięci. Długość pojedynczego rekordu może wynosić nawet 80 s. Przebiegi czasowe (rys. 2) pozwalają zarówno odczytać chwilowe wartości sygnału, jak również oszacować częstotliwości występowania impulsów związanych z określonym uszkodzeniem łożyska. Charakterystyczne wzorce przebiegów czasowych pozwalają doświadczonemu diagnoście zidentyfikować przyczynę uszkodzenia. Przebiegi czasowe mogą również służyć jako materiał do analizy porównawczej. Analiza przebiegów czasowych jest również bardzo przydatna przy wykrywaniu zjawisk nieokresowych zakłócających pracę łożyska. reklama 59

5 UTRZYMANIE RUCHU 1/2015 DIAGNOSTYKA ANDRZEJ SKRZYPKOWSKI, AS INSTRUMENT POLSKA Doświadczenie to podstawa Największą zaletą diagnostyki ultradźwiękowej jest jej bezkontaktowość, gdyż w wielu przypadkach nie jest konieczny montaż czujnika na obudowie łożyska. Ponadto można wykryć także inne szkodliwe zjawiska opisane w artykule, np. wycieki gazów lub sprężonego powietrza. Niestety, w przypadku łożysk metoda wymaga dużego doświadczenia operatora. Brak czytelnych progów nie pozwala na ocenę kondycji łożyska na podstawie pojedynczych pomiarów. Klient musi samodzielnie stworzyć sobie bazę nagrań sygnałów z pracujących urządzeń, najlepiej o znanej jakości pracy lub poprzez trend z wielu pomiarów. Taki sposób diagnostyki niewiele różni się od oceny pracy łożyska przy zastosowaniu odsłuchu z użyciem zwykłego stetoskopu elektronicznego. A jest to rozwiązanie wielokrotnie tańsze. Istnieją także inne metody diagnostyczne wykorzystujące sygnały drganiowe o wysokich częstotliwościach, jak SPM, AEE, pozwalające diagnozować zarówno jakość smarowania, jak i stan mechaniczny łożysk. Sprzęt wyposażony w te technologie (produkowany przez SPM Instrument, SKF, Prüftechnik) jest także tańszy, nawet połączony ze standardowymi pomiarami RMS drgań. Zarejestrowane przebiegi czasowe ultradźwięków poddane transoformacie Fouriera pozwalają pozyskać widma w dziedzinie częstotliwości. Na podstawie analizy składowych widm możliwe jest szybkie wykrycie przyczyny uszkodzenia łożyska, po wcześniejszym oszacowaniu charakterystycznych częstotliwości generowanych przez łożysko. Na rys. 3 przedstawiono przykładowe widma sygnału ultradźwiękowego dla sprawnego łożyska pompy hydraulicznej, natomiast to samo łożysko po wystąpieniu uszkodzenia może emitować sygnał ultradźwiękowy, w którego widmie dostrzegalne są charakterystyczne dla uszkodzenia składowe częstotliwościowe o znacznej amplitudzie wraz z występującymi wstęgami bocznymi świadczącymi o zjawisku modulacji amplitudowej (rys. 4). Przebiegi czasowe i widma sygnałów ultradźwiękowych mogą być poddane dalszemu przetwarzaniu w celu wyznaczenia np. obwiedni sygnału czasowego, cepstrum lub parametrów liczbowych, np. zmodyfikowanego współczynnika szczytu [3]. Dzięki takim zabiegom możliwa jest skuteczniejsza izolacja symptomów uszkodzenia z sygnału ultradźwiękowego. Ultradźwięki a smarowanie łożysk Jednym z klasycznych problemów eksploatacji łożysk tocznych, który w istotny sposób ma wpływ na czas życia łożyska tocznego, jest smarowanie. Niedostateczna ilość smaru powoduje pracę elementów łożyska w warunkach tarcia suchego, zwiększając ich zużycie i skracając trwałość łożyska. Jak wcześniej nadmieniono, dzięki pomiarom ultradźwiękowym możliwe jest wykrycie niepożądanego stanu niedostatecznego smarowania lub nadmiernej ilości smaru, również groźnej dla łożyska. W przypadku łożysk wymagających okresowego smarowania zapewnienie odpowiedniej ilości dobrej jakości środka smarnego jest ważnym zadaniem służb utrzymania ruchu. Bardzo pomocne w realizacji procesu smarowania może być również zastosowanie mierników ultradźwiękowych. W takich przypadkach można skorzystać z przystawek do smarownic pozwalających sprzęgnąć miernik ze smarownicą i zapewnić precyzyjne dawkowanie ilości smaru na podstawie poziomu mierzonych na oprawie łożyskowej ultradźwięków. Takie podejście daje pewność, że łożysko pracuje w optymalnych warunkach smarowania. Dodatkowo przy każdorazowym smarowaniu możliwa jest ocena bieżącego stanu łożyska. Oprzyrządowanie diagnostyczne Na polskim rynku obecne są co najmniej dwie firmy oferujące mierniki ultradźwięków dedykowane m.in. dla potrzeb diagnostyki łożysk tocznych. Jednym z oferowanych przyrządów jest wielofunkcyjny miernik ultradźwięków SDT-270 firmy SDT (rys. 5). Urządzenie może współpracować z zewnętrznymi sondami ultradźwiękowymi do pomiarów kontaktowych (igłowa, z uchwytem magnetycznym, z gwintem) oraz bezkontaktowych (elastyczna sonda ultradźwięków, paraboliczna sonda ze wskaźnikiem laserowym, czasza EDS). Miernik wyposażony jest również w wewnętrzny bezkontaktowy czujnik ultrafot. Thinkstock 60

6 DIAGNOSTYKA UTRZYMANIE RUCHU 1/2015 dźwiękowy o małym zasięgu. Dzięki małym rozmiarom, dużej funkcjonalności oraz dużej liczbie dodatkowych opcji może to być ciekawa propozycja dla służb utrzymania ruchu planujących rozpoczęcie lub rozwój predykcyjnej strategii eksploatacji maszyn i urządzeń. Szczegółowa specyfikacja techniczna przyrządu oraz charakterystyka dodatkowego wyposażenia dostępne są na stronie producenta [5]. Podobne rozwiązania w zakresie diagnostyki ultradźwiękowej oferuje firma UE Systems Inc. W jej ofercie można znaleźć szeroką gamę przyrządów, w tym m.in. dedykowane do diagnostyki łożysk tocznych przenośne modele Ultraprobe 9000, Ultraprobe i Ultraprobe W ofercie możemy również znaleźć urządzenie o nazwie Grease Caddy dedykowane do wspomagania smarowania łożysk. Do wszystkich przyrządów dostępne jest oprogramowanie do zbierania i analizy danych pomiarowych oraz wymienne sondy do pomiarów kontaktowych i bezkontaktowych, a także dodatkowe akcesoria. Szczegółowe informacje wraz z opisem cech funkcjonalnych i parametrów technicznych urządzeń firmy UE Systems można znaleźć na stronie producenta [6]. reklama Podsumowanie Pomiar, analiza i ocena sygnałów ultradźwiękowych emitowanych podczas działania łożysk tocznych są niewątpliwie skutecznymi metodami diagnozowania ich stanu. Podobnie jak w przypadku innych metod diagnostycznych, pomiary ultradźwiękowe nie stanowią jedynego i słusznego sposobu oceny stanu łożysk. Z tego powodu w przypadkach dyskusyjnych, niepozwalających postawić jednoznacznej diagnozy poza badaniami ultradźwiękowymi, warto skorzystać z innych uzupełniających metod diagnostycznych, jak np. pomiaru drgań lub monitoringu temperaturowego. Decydując się na inwestycję w miernik ultradźwiękowy, warto pamiętać, że umożliwia on nie tylko diagnozowanie stanu łożysk tocznych oraz kontroli stanu ich nasmarowania. Z zastosowaniem miernika ultradźwięków można oceniać stan techniczny wszystkich maszyn, urządzeń i instalacji, w których w wyniku wystąpienia uszkodzenia można spodziewać się emisji fal ultradźwiękowych. Piśmiennictwo 1. Anderson B.: Practical Techniques for Utilizing Ultrasonic Technology To Complement Vibration Analysis. P/PM Technology, Vol. 14, Issue 1, February Goodman M.A.: Ultrasonic Tips On Monitoring Bearings For Proper Lubrication and Wear. UE Systems, Inc. 3. Kim Y.H., Tan A.C.C., Mathew J., Yang B.S.O.: Condition monitoring of low speed bearings: A comparative study of the ultrasound technique versus vibration measurements. WCEAM, Pazdur M.: Wykorzystanie ultradźwięków w diagnostyce łożysk. Pod Kontrolą, 4/ Strona internetowa firmy SDT, 6. Strona internetowa firmy UE Systems, 7. UE Systems, Inc., white papers. Ultrasonic Predictive Maintenance. How to locate mechanical problems. 8. U.S. Dep. Of Energy. Federal Energy Management Program. Operations & Maintenance Best Practices. A Guide to Achieving Operation Efficiency