SYNTETYCZNE PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW BADAŃ

Projekt RPOP.01.03.01-16-003/10-00 Nowoczesna eksploatacja, diagnostyka, monitoring i serwis łożysk tocznych w napędach elektrycznych laboratorium Instytutu Układów Elektromechanicznych i Elektroniki Przemysłowej Politechniki Opolskiej w Opolu RAPORT WEWNĘTRZNY Z REALIZACJI PROJEKTU SYNTETYCZNE PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW BADAŃ Kierownik Projektu i autor raportu: dr. hab. inż. Sławomir Szymaniec prof. Politechniki Opolskiej Opole, grudzień 2011 rok 1

1. DIAGNOSTYKA ŁOŻYSK TOCZNYCH W NAPĘDACH ELEKTRYCZNYCH Z wieloletnich obserwacji przyczyn awarii silników elektrycznych w przemyśle i energetyce krajowej prowadzonych przez autora, wynika że, najczęstszymi przyczynami awarii i nieplanowanych postojów silników w napędach są: uszkodzenia łożysk tocznych silników. We wszystkich silnikach elektrycznych ułożyskowanie jest jednym z najważniejszych elementów. Udział łożysk w ogólnym koszcie silników elektrycznych jest najczęściej mały lub bardzo mały, jednak ze względu na funkcję jaką spełniają oraz ze względu na statystyki uszkodzeń, diagnostyka ich stanu technicznego ma zasadnicze znaczenie w praktyce eksploatacyjnej. 2. UWAGI OGÓLNE W węzłach łożyskowych silników elektrycznych, łożyska toczne stosowane są tam gdzie jest to tylko możliwe ze względów technicznych. Ograniczenia w ich stosowaniu wynikają głównie z maksymalnych obciążeń oraz granicznych prędkości obrotowych. W eksploatowanych w przemyśle i energetyce silnikach zdecydowanie dominują łożyska toczne. W silnikach 8 12 biegunowych występują one do mocy rzędu 4,5 MW, w silnikach 4 biegunowych do mocy rzędu 2,4 3 MW. Dla silników o większych mocach konstruktorzy stosują łożyska ślizgowe. W silnikach 2 biegunowych łożyska ślizgowe można spotkać już od mocy 500 kw. Czynione są starania aby łożyska toczne stosować w silnikach o coraz większych mocach. Autor w oparciu o swoje doświadczenia z eksploatacji silników z łożyskami tocznymi i ślizgowymi stwierdza, że uszkodzenia silników spowodowane uszkodzeniami łożysk ślizgowych zdarzają się rzadko lub bardzo rzadko. Zupełnie inaczej przedstawia się to dla silników z łożyskami tocznymi. Uszkadzanie łożysk ślizgowych prawie zawsze przebiega powoli, natomiast uszkadzanie łożysk tocznych bardzo często przebiega gwałtownie. Wirniki silników elektrycznych mają najczęściej jedno z następujących ułożyskowań: Na dwóch łożyskach kulkowych. Na jednym łożysku kulkowym i jednym walcowym. Na dwóch łożyskach walcowych. Na jednym łożysku baryłkowym i jednym walcowym. Na dwóch łożyskach baryłkowych. Na dwóch walcowych i jednym kulkowym. Małe silniki mogą mieć po obu stronach łożyska kulkowe. W silnikach WN (wysokiego napięcia) występuje układ łożysk, który dla właściwego podparcia i ustalenia położenia wału wymaga łożyska ustalającego i łożyska swobodnego. Łożysko ustalające zapewnia promieniowe podparcie i osiowe ustalenie wirnika w obu kierunkach. Jako łożyska ustalające muszą być stosowane łożyska przenoszące obciążenia zarówno promieniowe jak i osiowe. Są to najczęściej łożyska kulkowe zwykłe, łożyska baryłkowe, pary jednorzędowych łożysk kulkowych skośnych, niekiedy pary łożysk skośnych. Łożysko swobodne zapewnia tylko promieniowe podparcie wału i musi umożliwić przesuw poosiowy. Przemieszczenie osiowe może mieć miejsce w samym łożysku (np. w łożysku walcowym) lub pomiędzy pierścieniem łożyska i jego osadzeniem. Takie rozwiązanie umożliwia dostosowanie się do ruchów termicznych wirnika (wydłużenie i kurczenie się). Ze względu na występowanie znacznych różnic temperatur pomiędzy stojanem, a wirnikiem oraz ze względu na znaczne prędkości obrotowe stosuje się w większości silników łożyska z luzem promieniowym większym od normalnego (C 3). Unika się w ten sposób niebezpieczeństwa zatarcia łożysk wskutek zaniku luzu. W silnikach wyprodukowanych przez jednego z czołowych krajowych producentów silników firmę EMIT SA w Żychlinie (obecnie Cantoni) stosuje się najczęściej następujące rozwiązania węzłów łożyskowych: w silnikach 2 biegunowych o wielkości mechanicznej do 400 (500 kw) oraz we wszystkich silnikach 4 12 biegunowych o wielkości mechanicznej do 560 (2000 kw) węzły łożyskowe są wykonane na łożyskach tocznych mając od strony napędowej łożysko kulkowe, lub łożysko walcowe i kulkowe, natomiast od strony przeciwnapędowej łożysko kulkowe lub kulkowe skośne, albo walcowe. W silnikach 2 biegunowych o wielkości mechanicznej powyżej 400 (powyżej 560 kw) wspomniany wyżej producent stosuje łożyska ślizgowe. 2

3. ŁOŻYSKA TOCZNE W SILNIKACH INDUKCYJNYCH KLATKOWYCH Łożyska toczne należą do tych nielicznych elementów maszyn, których konstruktor na ogół nie konstruuje. Są one powszechnym i masowym produktem wyspecjalizowanych zakładów rys. 3.1. Rys. 3.1. Części składowe łożyska tocznego Podział łożysk tocznych Łożyska toczne można podzielić następująco rys. 3.2: a) Łożyska poprzeczne. b) Łożyska wzdłużne. c) Łożyska skośne. Podział łożysk tocznych ze względu na kształt elementu tocznego rys. 3.3: 1. Kulkowe. 2. Wałeczkowe. a). Walcowe. b). Igiełkowe. c). Stożkowe. d). Baryłkowe. a) b) c) Rys. 3.2. Rodzaje łożysk ze względu na wartość nominalnego kąta działania łożyska: a) łożysko poprzeczne, b) łożysko wzdłużne, c) łożysko skośne a) b) c) d) Rys. 3.3. Rodzaje elementów tocznych, a) walec, b) igiełka, c) stożek, d) baryłka Podział łożysk tocznych ze względu na możliwość wychyleń kątowych pierścienia wewnętrznego względem pierścienia zewnętrznego rys. 3.4: a). Zwykłe. b). Wahliwe. c). Samonastawne. 3

a b) c) Rys. 3.4. Rodzaje łożysk ze względu na możliwość wychyleń kątowych pierścienia wewnętrznego względem pierścienia zewnętrznego, a). zwykłe, b) wahliwe, c) samonastawne Podział łożysk tocznych ze względu na możliwość odłączenia elementów łożyska: 1. Nierozłączne. 2. Rozłączne. Łożyska kulkowe w wykonaniu specjalnym Elementy toczne łożysk kulkowych są w stanie przenosić zarówno obciążenia promieniowe, jak i osiowe. Dużą zaletą łożysk kulkowych jest możliwość pracy przy wysokich prędkościach obrotowych. Łożyska kulkowe posiadają ściśle określone wymiary, które są zazwyczaj znormalizowane, a ich dane parametryczne są dostępne w katalogach firmowych, firm zajmujących się ich produkcją. W zależności od zastosowania, łożyska kulkowe mogą być dostarczone w różnych wykonaniach, najczęściej spotykane wykonania to: łożyska kulkowe zwykłe z luzami powiększonymi lub pomniejszonymi, jak również w wykonaniach specjalnych o podwyższonej dokładności, ponadto przystosowanych do pracy przy dużych prędkościach obrotowych przez zastosowanie specjalnych koszy. Wymienić należy również wykonania zamknięte: 2Z (zastosowanie blaszek ochronnych po obu stronach), 2RS (zastosowanie uszczelek gumowych po obu stronach łożyska) oraz wykonanie z rowkiem znajdującym się na pierścieniu zewnętrznym (oznaczenie N), mającym za zadanie ustalenie łożyska w tarczy łożyskowej lub w oprawie za pomocą metalowego pierścienia (oznaczenie R). Łożyska kulkowe w wykonaniu 2Z lub 2RS dostarczane są zazwyczaj przez producenta napełnione odpowiednim smarem, wystarczającym w większości przypadków na cały okres eksploatacji łożyska, zmniejszając w ten sposób do minimum problemy związane z jego obsługą i dosmarowywaniem w czasie eksploatacji. Temperatura pracy takich łożysk mieści się w granicach od -30 C do +100 C. Łożyska ceramiczne i całoceramiczne Łożyska ceramiczne to takie łożyska, w których bieżnie i kulki są ceramiczne, a koszyk wykonany jest z tworzywa sztucznego. Łożyska całoceramiczne rys. 3.5 mają również elementy wykonane z ceramiki, ale nie mają koszyka. Materiałami najczęściej wykorzystywanymi do produkcji łożysk ceramicznych są dwutlenek cyrkonu, azotek krzemu i węglik krzemu. Materiały te charakteryzują się bardo dobrymi właściwościami fizycznymi, które pozwalają na zastosowanie w wyjątkowo trudnych warunkach pracy, gdzie zastosowanie standardowych łożysk stalowych w znaczący sposób zmniejszyłoby trwałość węzłów łożyskowych. Łożyska te stosuje się w silnikach zasilanych z falowników aby zapobiec uszkodzeniom łożysk przez prądy łożyskowe. Najważniejsze właściwości łożysk ceramicznych: Odporność na korozję tworzywa ceramiczne charakteryzują się bardzo dobrą odpornością chemiczną nawet w wysokich temperaturach, mogą na przykład pracować zanurzone w kwasie lub pracować w jego oparach. Wysoką lub niską temperaturę łożyska ceramiczne mogą pracować w zakresie temperatur od -50 do +350 stopni Celsjusza. Ograniczeniem maksymalnej temperatury jest materiał z jakiego wykonany jest koszyk łożyska (PA, PTFE lub PEEK). Łożyska całoceramiczne mogą pracować w znacznie wyższych temperaturach w zakresie od -50 o C do + 1350 o C. Brak koszyka daje możliwość pracy w najtrudniejszych warunkach. Niemagnetyczność tworzywa ceramiczne wykorzystywane do produkcji łożysk nie są magnetyczne i mogą bez zakłóceń pracować w polu magnetycznym. 4

Trwałość dwutlenek cyrkonu, azotek krzemu oraz węglik krzemu są tworzywami o bardzo wysokiej twardości i bardzo dobrej odporności na ścieranie. Samosmarowność łożyska ceramiczne nie wymagają smarowania nawet podczas najtrudniejszych warunków pracy tj. wysoka temperatura, korozyjne środowisko czy próżnia. Izolacyjność dwutlenek cyrkonu i azotek krzemu są izolatorami. Rys. 3.5. Łożyska całoceramiczne o rozmiarze 6204 obustronnie zamknięte Łożyska hybrydowe Łożyska kulkowe hybrydowe rys. 3.6 należą do grupy łożysk tocznych o specjalnym wykonaniu konstrukcyjnym, przeznaczonym do zastosowania w silnikach bądź maszynach narażonych na wpływ czynników zewnętrznych i wewnętrznych przyczyniających się do szybszej ich degradacji. W porównaniu ze standardowymi łożyskami stalowymi, łożyska hybrydowe posiadają obie bieżnie wykonane z wysokogatunkowej stali nierdzewnej lub stali chromowej, natomiast elementy toczne wykonane są z ceramiki specjalnej. Głównym materiałem stosowanym do produkcji elementów tocznych jest azotek krzemu, rzadziej stosowany jest dwutlenek cyrkonu. Materiały te podobnie jak w przypadku łożysk całoceramicznych charakteryzują się bardzo dobrą odpornością na wpływ czynników chemicznych, jak również posiadają właściwości elektroizolacyjne. Oprócz doskonałych właściwości w zakresie izolacji elektrycznej łożyska hybrydowe cechuje wyższy zakres prędkości roboczych oraz większa trwałość w porównaniu z łożyskami wykonanymi wyłącznie ze stali w większości zastosowań. Najważniejsze właściwości łożysk hybrydowych: Wydłużona żywotność wytrzymują do 5 razy dłużej od stalowych łożysk. Mała masa elementów tocznych azotek krzemu jest trzykrotnie lżejszy od stali. Bardzo niskie opory toczenia nawet o 70% mniejsze opory toczenia. Ceramiczne elementy toczne nie korodują, nie są magnetyczne, są bardzo twarde i odporne na ścieranie. Maksymalna prędkość obrotowa do 400.000 obr./min. Izolacyjność elementy toczne izolują bieżnie względem siebie (nie dotyczy to łożysk z osłonami typu 2Z). Rys. 3.6. Łożyska hybrydowe rozmiarze 6204 obustronnie zabudowane pierścieniem gumowym Łożyska INSOCOAT Jest to grupa łożysk tocznych produkowanych przez firmę SKF rys. 3.7. W ich budowie zastosowano powlekanie pierścieni wewnętrznych i zewnętrznych związkiem tlenku glinu o grubości 100 μm, która jest odporna na napięcia prądu stałego do 1000 V. Poprzez powlekanie metodą napylania plazmowego uzyskuje się niezwykle spójne powłoki o jednolitej grubości, które następnie poddaje się dalszej obróbce celem uodpornienia ich na wilgoć. Łożyska INSOCOAT SKF są wytrzymałe i należy je obsługiwać w taki sam sposób jak normalne łożyska nieizolowane. Łożyska te stanowią bardzo oszczędne rozwiązanie w porównaniu z innymi metodami izolacji stosowanymi do ochrony łożysk przed prądami łożyskowymi. 5

Rys. 3.7. Łożyska INSOCOAT produkcji firmy SKF Łożyska INSOCOAT z powlekanym pierścieniem zewnętrznym zapewniają izolację elektryczną na zewnętrznych powierzchniach pierścienia zewnętrznego i należą do najpowszechniejszych łożysk INSOCOAT. Łożyska INSOCOAT z powlekanym pierścieniem wewnętrznym zapewniają izolację elektryczną na zewnętrznych powierzchniach pierścienia wewnętrznego, zapewniają lepszą ochronę przed erozją elektryczną wskutek zwiększonej impedancji dzięki mniejszej powierzchni pokrywanej powłoką ochronną. Warstwa INSOCOAT zapewnia skuteczną ochronę przed prądem zmiennym i stałym. Minimalna rezystancja wynosi 50 MΩ przy przepływie prądu stałego wywołanym napięciem 1000 V. Próby przeprowadzone przez SKF wykazały, że przebicie elektryczne warstwy izolacyjnej następuje w przypadku oddziaływania napięcia stałego większego od 3000 V. Podczas montażu z łożyskami INSOCOAT należy się obchodzić w taki sam sposób, jak z łożyskami standardowymi. Ważne jest zastosowanie właściwego smarowania, aby móc w pełni wykorzystać ich trwałość. 4. USZKODZENIA ŁOŻYSK TOCZNYCH I ICH PRZYCZYNY W łożyskach tocznych występują dwa naturalne procesy zużycia: Zużycie zmęczeniowe. Ścierne zużycie powierzchni roboczych. Ścieranie się powierzchni łożysk narasta w miarę upływu czasu ich eksploatacji. Przetaczanie się części tocznych powoduje zmiany jakościowe w materiale. Zmęczenie powierzchni, których zewnętrznym objawem jest wykruszanie się fragmentów łożyska, występuje w końcowym okresie trwałości łożyska. Zjawisko to przebiega lawinowo i prowadzi do tak zwanej śmierci technicznej łożyska. Wystąpienie zmęczeniowego zużycia powierzchni zostało przyjęte za podstawę kryterium obliczania trwałości łożysk L 10. Obok trwałości nominalnej L 10 w literaturze spotykamy pojęcie trwałości eksploatacyjnej łożysk tocznych oraz trwałości dokumentacyjnej łożysk tocznych. Trwałość eksploatacyjna jest rzeczywistą trwałością osiągniętą przez dane łożysko, zanim stanie się ono niezdolne do użytku. Trwałość dokumentacyjna łożyska tocznego jest trwałością określoną przez konstruktora maszyny i opiera się na hipotetycznych danych odnośnie, obciążenia i prędkości przyjętych przez konstruktora dla konkretnego przypadku. Bardzo ważnym zagadnieniem jest statystyka uszkadzania się łożysk tocznych. Zagadnienie to jest przedmiotem intensywnych badań czołowych producentów łożysk tocznych. SKF. W publikacjach z lat 1999 2004 podaje wyniki swoich badań w tym zakresie. Przedstawiono je poglądowo na rys.4.1. Analizując informacje zawarte na rys.4.1, podane w oparciu o dostępne wyniki badań, sformułować należy wniosek, że przedwczesnych jest aż 66% uszkodzeń łożysk tocznych (36%+16%+14%). Tylko 34% uszkodzeń wynika z naturalnego procesu zużycia. Analizując dalej wyniki badań należy stwierdzić, że prowadząc właściwą eksploatację i diagnostykę maszyn, można zapobiec aż 66% uszkodzeniom łożysk tocznych. Kolejny ważny wniosek to stwierdzenie, że aż 50% przedwczesnych uszkodzeń łożysk tocznych jest spowodowane złym smarowaniem i zanieczyszczeniem smaru, 16% uszkodzeń to zły montaż. Aktualnych, krajowych statystyk w zakresie przyczyn uszkodzeń łożysk tocznych w silnikach elektrycznych autor nie spotkał. Z obserwacji i badań autora wynika, że w kraju zużycie łożysk tocznych jest zbyt duże w stosunku do zainstalowanych maszyn. Producenci silników indukcyjnych klatkowych WN, maszyn elektrycznych będących podstawą napędów przemysłowych, trwałość dokumentacyjną 6

łożysk tocznych oceniają na 50000 60000 godzin. W silnikach niskich napięć, trwałość dokumentacyjna jest szacowana na 20000 30000 godzin. W praktyce eksploatacyjnej, ta trwałość czyli trwałość eksploatacyjna jest mniejsza. Przeciętnie czas życia łożysk tocznych w silnikach WN w warunkach krajowych jest mniejszy około 20000 45000 godzin, zdarza się, że mniej niż 20000 godzin. Dla silników niskich napięć ta relacja jest podobna. Rys.4.1. Statystyka uszkodzeń łożysk tocznych wg SKF Systematyzując podawane w literaturze rodzaje uszkodzeń łożysk tocznych w silnikach, i konfrontując to z praktyką przemysłową, poniżej przedstawiono najtrafniejsze zdaniem autora ich wyszczególnienie: Łuszczenie (złuszczenie). Pęknięcia i wykruszenia. Zatarcia. Wgniecenia i nienormalne zużycie. Zakleszczanie. Uszkodzenia w wyniku przepływu prądu elektrycznego. Korozja. W literaturze można spotkać również inny podział rodzajów zużycia łożysk tocznych np. wprowadzony przez Normę Międzynarodową ISO 15243. Rolling bearings Damage and failures Terms, characteristics and causes. Stosowny podział uszkodzeń przedstawia rys.4.2. W ocenie autora na niezawodną pracę łożysk tocznych w napędach elektrycznych składa się szereg czynników, które poniżej wymieniono: Dobry projekt węzła łożyskowego. Dobra jakość łożysk. Właściwy montaż łożysk, prawidłowe osiowanie napędu. Zapewnienie właściwych warunków i środowiska pracy. Prawidłowa eksploatacja i obsługa w tym właściwe smarowanie. Prawidłowa diagnostyka. Właściwy demontaż uszkodzonego łożyska, inspekcja uszkodzonego łożyska, określenie przyczyn uszkodzenia łożyska. Wszystkie te elementy składają się na całościową koncepcję eksploatacji i obsługi łożysk tocznych w napędach elektrycznych. Łącząc je w jedną całość tworzymy cykl życia łożyska tocznego. Przedstawiono to w sposób uproszczony na rys. 4.3. Doświadczenia i badania autora 7

wskazują, że przyczyną nadmiernego zużycia łożysk tocznych w silnikach w warunkach krajowych jest przede wszystkim: zły montaż łożysk oraz złe smarowanie, połączone z podawaniem do komory łożyskowej zanieczyszczonego smaru. Bardzo często wymiany łożysk tocznych dokonuje się bez legalizacji tarcz łożyskowych. Nowe łożyska montuje się w tarcze które mają nadmierny luz. Zamiast zastosować nowe tarcze łożyskowe, przeprowadza się najczęściej nieudaną regenerację tarcz przez ich tulejowanie lub montuje się łożyska używając specjalistycznych klejów, napunktowując powierzchnię tarcz lub nawet samego wału rys.4.4a. Silnik taki po krótkim czasie ma łożyska do kolejnej wymiany. Radykalnym i pozytywnym w skutkach rozwiązaniem jest wymiana tarcz łożyskowych na nowe. Rys. 4.2. Podział uszkodzeń łożysk tocznych według normy ISO 15243 Rys. 4.3. Cykl życia łożysk tocznych Uszkodzenie łożyska powoduje najczęściej zatarcie czopa łożyskowego na wale silnika rys. 4.4b towarzyszy temu wytarcie i zużycie powierzchni osadczej łożyska w gnieździe łożyskowym w tarczy silnika. W silnikach pionowych, uszkodzeniu ulega najczęściej górne łożysko promieniowe i pod nim następuje zatarcie czopa łożyskowego. Najczęściej dochodzi do uszkodzenia łożyska po stronie napędowej. Może temu towarzyszyć pęknięcie wału w strefie czopa łożyskowego rys.4.5a lub nawet urwanie końcówki wału. W ostatnim etapie awarii ma miejsce działanie momentów bezwładności urządzenia napędzanego, następuje wtedy nagłe zahamowanie wirnika w wyniku jego tarcia o rdzeń stojana, powodując zatarcie blach stojana i wirnika - rys. 4.5b i c. 8

Uszkodzone czopy łożyskowe naprawia się w zakładach remontowych najczęściej poprzez napawanie i obróbkę skrawaniem. Nie jest to metoda pewna, szczególnie wtedy gdy naprawiamy czop łożyskowy od strony napędowej silnika. Praktyka wskazuje, że w krótkim czasie może nastąpić kolejna awaria w tym urwanie końcówki wału. a) b) Rys.4.4.Wał silnika, a) wał napunktowany, b) zatarcie czopa łożyskowego, wytarcie i zużycie powierzchni osadczej łożyska w gnieździe łożyskowym a) b) c) Rys.4.5. Uszkodzenia silnika a) pęknięcie czopa łożyskowego, b) zatarcie blach stojana, c) zatarcie blach wirnika Uszkodzeniu łożyska towarzyszy wzrost temperatury węzła łożyskowego ponad wartość dopuszczalną dla normalnej pracy. Temperatura łożysk tocznych nie powinna przekraczać temperatury otoczenia więcej niż o 60 o C. W przeciętnych warunkach eksploatacyjnych temperatura pracy łożysk nie przekracza 50 60 o C. W trudniejszych warunkach eksploatacyjnych temperatura pracy łożysk jest wyższa, nie powinna jednak przekraczać 125 o C. Przy wzroście temperatury w węźle łożyskowym następuje wytopienie smaru łożyskowego. Rozrzedzony smar wycieka ze strefy łożyskowej, co w krótkim czasie doprowadzi do zatarcia łożyska. W następstwie często występuje zniszczenie koszyczka. Skutkuje to nierównomiernym rozłożeniem elementów tocznych łożyska co doprowadza do intensywnego wycierania elementów tocznych. Intensywnie wzrasta temperatura, jest to ostatnia faza awarii łożyska. Ten stan nie powinien mieć miejsca. Wcześniej powinny zadziałać systemy zabezpieczające silnik, monitorujące temperaturę i drgania. Analizując przyczyny uszkadzania się łożysk jako jedną z przyczyn należy wymienić wystąpienie poślizgu między elementami tocznymi łożyska i pierścieniami łożyska. Przypadek taki ma miejsce, gdy łożysko jest zbyt mało obciążone w stosunku do obciążeń nominalnych dla danego typu łożyska. Elementy toczne łożyska nie toczą się wówczas tylko ślizgają. Towarzyszy 9

temu wycieranie się elementów tocznych i bieżni w łożyskach. W następstwie w krótkim czasie może wystąpić trwałe uszkodzenie łożyska, połączone z jego zatarciem. Problem ten występuje szczególnie w silnikach pionowych, w których w górnym węźle łożyskowym jest stosowane łożysko promieniowe (najczęściej wałeczkowe) oraz łożysko osiowe kulkowe. W tym rozwiązaniu łożysko osiowe jest obciążone siłami ciężkości wirnika i sprzęgła, a łożysko promieniowe jest obciążone jedynie siłami od nierównomiernego naciągu magnetycznego, którego wartość zależy w głównym stopniu od równomierności szczeliny powietrznej między wirnikiem i stojanem. Przypadek taki ma również miejsce gdy podczas wymiany łożysk uszkodzonych w miejsce starego łożyska użyjemy nowego, nawet najnowszego, najnowocześniejszego (renomowanej firmy) o znacznie większej nośności. To nowe łożysko jest trwale niedociążone i na skutek ciągłego ślizgania ulega w krótkim czasie uszkodzeniu ku zdziwieniu a nawet irytacji użytkownika. Odbieganie trwałości obliczeniowej łożysk tocznych w silnikach od trwałości faktycznej obok przyczyn już wymienionych, może być spowodowane również: większym niż przewidywano obciążeniem, nieskutecznym uszczelnieniem, zbyt ciasnym pasowaniem, zbyt dużą aktywnością wibroakustyczną maszyny napędzanej przez silnik (niewywaga, niecentryczność) oraz niefachową obsługą napędów. Bardzo charakterystycznym jest błąd polegający na prowadzeniu prac spawalniczych w pobliżu węzła łożyskowego z masą usytuowaną daleko od miejsca spawania. Może to spowodować zamknięcie obwodu w trakcie spawania przez łożysko, a tym samym przepływ przez nie prądu (łuk elektryczny) i poważne uszkodzenie łożyska ślady mikrospawania na bieżniach i elementach tocznych. Na rys. 7.3.6. przedstawiono przykładowe uszkodzenia łożysk tocznych w silnikach elektrycznych w napędach przemysłowych. a) b) c) d) Rys. 4.6. Uszkodzenia łożysk tocznych w silnikach, przykłady: a) pęknięcia i wykruszenia, b) nienormalne zużycie, c) zatarcia, d) zakleszczanie 5. ZAKŁADANIE I ZDEJMOWANIE ŁOŻYSK TOCZNYCH, SERWIS ŁOŻYSK Według statystyk światowych aż 16% łożysk tocznych rys. 4.1 ulega przedwczesnemu uszkodzeniu na skutek złego montażu. Mówiąc dokładniej, łożyska te są uszkadzane już w czasie zamontowania w maszynę. Według autora, w kraju ta statystyka jest gorsza od statystyk światowych. Powodem tego są między innymi; zapaść w technicznym szkolnictwie zawodowym (organizacyjna) i brak ogólnie dostępnych, prostych i przekonywujących publikacji technicznych na ten temat. Skutek tego jest między innymi taki, że młody mechanik czy elektryk, jak sam mówi (np. w warsztacie remontowym, elektrotechnicznym, mechanicznym) nabija nowe łożysko a nie montuje, czy zakłada rys. 5.1. W ocenie autora, młody fachowiec jest szczery. Do montażu nowego łożyska tocznego, niedoświadczony pracownik albo pracownik świadomie o złej woli, prawie zawsze używa młotka i ewentualnie przypadkowego pierścienia z jakiegoś zużytego łożyska. On to nowe, bardzo dobre łożysko po prostu niefachowo wbija na wał silnika rys. 5.1. Bardzo często uderza młotkiem bezpośrednio w pierścienie, koszyk lub elementy toczne. Siłę potrzebną do montażu przenosi z jednego pierścienia łożyska na drugi poprzez elementy toczne. Na rys. 5.1 przedstawiono w formie uproszczonej przykład niewłaściwego montażu na wał małego 10

łożyska tocznego. Rys. 5.2 pokazuje właściwy sposób montażu tego łożyska. Jeszcze korzystniejszym byłby montaż łożyska przy wcześniejszym jego podgrzaniu z wykorzystaniem stosownych urządzeń. W swojej praktyce przemysłowej autor wielokrotnie miał do czynienia z sytuacją gdy maszyny po remoncie miały uszkodzone łożyska pomimo tego, że w trakcie remontu wymieniano w nich łożyska eksploatacyjnie zużyte na nowe. Te nowe łożyska uszkadzano w czasie zakładania. Na rys. 5.3. przedstawiono wyniki pomiarów diagnostycznych wykonanych przez autora metodą zmodyfikowanej detekcji obwiedni dla przykładowego silnika o mocy 800 kw po wymianie łożyska w trakcie remontu silnika. Wymieniono uszkodzone łożysko SKF 6326 na nowe. Zrobiono to źle, uszkodzono w czasie wymiany nowe łożysko, uszkodzono bieżnię zewnętrzną BPFO. W widmie detekcji obwiedni rys. 5.3. wyraźnie występuje składowa BPFO=77,6 Hz, świadcząca o uszkodzeniu bieżni zewnętrznej. Rys. 5.1. Przykład niewłaściwego montażu małego łożyska tocznego Rys. 5.2. Przykład właściwego montażu małego łożyska tocznego 11

320 Pomiar : 43.43 [m/s 2 ] RMS m/sˆ2 10 19.20Hz 1.22 m/sˆ2 24.80Hz 2.23 m/sˆ2 49.60Hz 1.91 m/sˆ2 77.60Hz 2.42 m/sˆ2 BPFO Defekt bieżni zewnętrznej 0.32 0.8 40 80 120 160 200 Hz Rys.5.3. Uszkodzenie nowego łożyska tocznego SKF 6326 w czasie wymiany łożyska zużytego na nowe w przykładowym silniku o mocy 800 kw, widmo detekcji obwiedni przyspieszenia drgań Na rys. 5.4. i 5.5. przedstawiono przykłady uszkodzeń łożysk tocznych które powstały podczas ich niewłaściwego zakładania w maszynach elektrycznych. Są to przykłady uszkodzeń powstałych na skutek uderzania młotkiem w łożysko. Podobnie jak nabijanie nowych łożysk, autora bulwersuje nagminne stosowanie do podgrzewania: łożysk, wałów, sprzęgieł, płomieni palnika używanego w pracach spawalniczych. Grzeje się do skutku, otwartym ogniem, bez kontroli temperatury, często deformując grzany element, powodując często nieodwracalne zmiany. Palnik stał się również podstawowym narzędziem do demontażu maszyn i urządzeń oraz łożysk. Uszkodzone łożyska demontuje się przecinając je Rys. 5.4. Uszkodzenie łożyska tocznego podczas montażu na skutek uderzania młotkiem Rys. 5.5. Uszkodzenie pierścienia zewnętrznego łożyska tocznego podczas montażu na skutek uderzania młotkiem pierścień pękł palnikiem, zaciera się tym samym ślady współpracy poszczególnych elementów łożyska, uniemożliwiając określenie właściwej przyczyny przedwczesnego uszkadzania się łożysk. Naraża 12

się również w trakcie cięcia palnikiem na poważne uszkodzenie wał na którym było osadzone łożysko. Prawie punktowe grzanie wału może spowodować zmiany strukturalne materiału, a w następstwie zmiany wymiarów i twardości. Może to doprowadzić do poważnych awarii maszyn, np. do pęknięcia wału maszyny. Autor był świadkiem skutków awarii. Wymienione wyżej nieprawidłowości prowadzą do poważnych strat materiałowych i finansowych. Braki edukacyjne, złe nawyki, niedostatki w wyposażeniu technicznym ekip remontowych, zainspirowały autora do zwrócenia uwagi krajowej społeczności technicznej na powyższe fakty. Czołowe zachodnie koncerny zajmujące się produkcją łożysk tocznych w swych specjalistycznych wydawnictwach podają technologię prawidłowej eksploatacji, obsługi i diagnostyki łożysk, w tym technologię ich montażu i demontażu. Dla zilustrowania tych zasad, autor pokazuje na rys. 5.6. jako przykładowe wytyczne firmy SKF. Na rysunku zestawiono w zależności od rodzaju osadzenia łożyska (osadzenie walcowe, osadzenie stożkowe, tuleja wciągana, tuleja wciskana) cztery różne metody montażu łożysk, przy użyciu: 1. Narzędzi mechanicznych. 2. Narzędzi hydraulicznych. 3. Urządzeń do wtłaczania oleju pod ciśnieniem. 4. Urządzeń do podgrzewania. Jeżeli łożyska są względnie małe, akceptowane są właściwe narzędzia mechaniczne takie jak młotki, pierścienie udarowe i specjalne tuleje montażowe rys. 5.7. Wskazane jest stosowanie pras hydraulicznych lub mechanicznych i tulei montażowych. W przypadku dużych łożysk zalecana jest przy montażu metoda hydrauliczna wtłaczanie oleju pod ciśnieniem rys. 5.6 i 5.8, lub montaż na gorąco przy zastosowaniu płyt grzejnych rys. 5.6 i 5.9, komór grzejnych, pierścieni grzejnych rys. 5.6 i 5.10 lub nagrzewnic indukcyjnych rys. 5.6. i 5.11. Metoda hydraliczna i nakrętki hydraliczne mogą być stosowane do montażu i demontażu łożysk wszystkich wielkości. Im większe łożysko tym więcej przemawia za metodą hydraliczną. Jest to najprostszy (niestety stosunkowo drogi) sposób montażu i demontażu łożysk na osadzeniu stożkowym. W metodzie tej olej jest wtłaczany pod wysokim ciśnieniem między pierścień wewnętrzny łożyska i wał. Oddziela to powierzchnie współpracujące i powoduje że łożysko pływa na filmie olejowym. Eliminacja tarcia powoduje, że nie dochodzi do zużycia ciernego łożyska i wału. Nowe dobre łożyska montuje się bardzo często w tarcze które mają nadmierny luz. Zamiast zastosować nowe tarcze łożyskowe, przeprowadza się najczęściej nieudaną regenerację tarcz przez ich tulejowanie lub montuje się łożyska używając specjalistycznych klejów lub zapunktowując powierzchnię tarcz. Silnik taki po krótkim czasie ma łożyska do kolejnej wymiany. Radykalnym i pozytywnym w skutkach rozwiązaniem jest wymiana tarcz łożyskowych na nowe. Autor w oparciu o swoje wieoletnie doświadczenie przemysłowe preferuje w montażu łożysk osadzanie na drodze skurczowej jako mające pierwszeństwo przed wszystkimi innymi metodami. W zależności od tego czy pasowanie jest uzyskiwane między łożyskiem a wałem, czy między łożyskiem a oprawą, łożysko lub oprawa powinny być podgrzane przed montażem. Aby osadzić łożysko z wciskiem na wale silnika należy je podgrzać do temperatury około 80 do 90 C ponad temperaturę wału. Montaż łożysk poprzez chłodzenie wału jest mniej korzystny, istnieje duże ryzyko wystąpienia kondensacji powodującej korozję. Do podgrzewania łożysk (również innych elementów) można zastosować płyty grzejne rys. 5.9a, pierścień grzejny - rys. 5.9b. Szczególnie godne polecenia zdaniem autora jest stosowanie nagrzewnic indukcyjnych. Na rys. 5.6 i 5.10 przedstawiono przemysłowe nagrzewnice indukcyjne, sterowane mikroprocesorowo, z zabezpieczeniem temperaturowym standardowe łożysko ze względu na możliwą utratę swych parametrów nie powinno być podgrzewane powyżej 110 120 C. Po zakończeniu procesu grzania, łożysko jest automatycznie rozmagnesowane i gotowe do zamontowania. 13

Rys. 5.6. Rodzaje osadzeń łożysk tocznych i techniki ich montażu 14

Rys. 5.7. Zestaw specjalistycznych narzędzi używanych do montażu małych łożysk tocznych Rys. 5.8. Metoda hydrauliczna Rys.5.9. Profesjonalne urządzenia do podgrzewania, a) płyta grzejna, b) pierścień grzejny 15

Rys. 5.10. Nagrzewnice indukcyjne Obserwacje i doświadczenia autora upoważniają do wniosku, że bardzo często wymiany łożysk tocznych dokonuje się bez wcześniejszego sprawdzenia miejsc osadzenia łożysk. Miejsca osadzenia łożysk powinny być sprawdzone pod względem dokładności wymiarów i kształtu. Muszą być zachowane zalecane pasowania oraz dokładności wymiarowe łożyska i elementów z nim współpracujących. Średnice powierzchni osadzeń na wale i w tarczy (oprawie) powinny być sprawdzone mikrometrem lub średnicówką. Czopy stożkowe zaleca się sprawdzać pierścieniami kontrolnymi, sprawdzianami stożkowymi lub specjalnymi liniałami. Należy przestrzegać stosownych zasad metrologicznych legalizacji tarcz łożyskowych. Autor w oparciu o swoje doświadczenie stwierdza z przykrością. że w kraju bardzo często nie przestrzega się tych zasad. Stosowne procedury i to bardzo rozbudowane istnieją li tylko na papierze z racji posiadania przez dany zakład na przykład certyfikatu ISO 9000. Natomiast monterzy w tym zakładzie mają stare, zużyte narzędzia pomiarowe. Podstawowym wyposażeniem jest zużyta suwmiarka, mająca wielorakie zastosowanie. Autor stwierdza że jest to nagminne. Wystarczy uczestniczyć osobiście w operacji montażu nowych łożysk w maszynach i dokonać oględzin narzędzi i przyrządów którymi posługują się monterzy i serwisanci. Kolejnym sprawdzianem może być przejrzenie jeżeli są, protokołów z tych czynności. Autor zadaje następujące pytania. Czy istnieje i jaki jest protokół z legalizacji np. czopa wału przed montażem łożyska w ważnej maszynie? W ilu płaszczyznach wykonano pomiar np. średnicówką, czy wyniki pomiarów były zarejestrowane w komputerze? Czy w czasie pomiarów temperatura mierzonego elementu była taka sama jak przyrządu mierniczego itd.? Z doświadczeń autora wynika, że działania typu regeneracja tarcz łożyskowych w celu obniżenia poziomu drgań napędów, przez tulejowanie, klejenie, zapunktowywanie tarcz lub wałów nie przynosi spodziewanych rezultatów w dłuższym okresie czasu. Może to przynieść poprawę w krótkim okresie czasu, jest to poprawa doraźna. Montaż łożysk powinien być przeprowadzony zgodnie z wytycznymi producentów łożysk. Po wymianie łożysk w silniku, przed jego eksploatacją autor uważa za konieczne sprawdzenie luzu promieniowego i osiowego oraz porównanie zmierzonych luzów z wytycznymi z katalogów. Odbieganie trwałości obliczeniowej łożysk tocznych w silnikach od trwałości faktycznej obok przyczyn wymienionych wyżej, może być spowodowane również: większym niż przewidywano obciążeniem, nieskutecznym uszczelnieniem, zbyt ciasnym pasowaniem, zbyt dużą aktywnością wibroakustyczną maszyny napędzanej przez silnik (niewywaga, niecentryczność) oraz niefachową obsługą napędów. Każda z wymienionych wyżej przyczyn uszkadzania się łożyska tocznego wywołuje określony, charakterystyczny ślad pracy i uszkodzenia. Uszkodzone łożysko należy umiejętnie zdemontować, tak aby nie zafałszować przyczyn uszkodzenia łożyska, a następnie poddać je wnikliwym oględzinom. Porównanie geometrii śladów zużycia na poszczególnych elementach łożyska, ocena symetrii wytarcia na bieżni zewnętrznej i wewnętrznej, ocena stopnia odkształceń elementów łożyska, daje podstawy do wnioskowania o przyczynach uszkodzeń. Jest to niezmiernie ważny element diagnostyki silników, który w kraju nie cieszy się zbytnim uznaniem. Według autora pracy, niesłusznie jest niedoceniany. Rzadko jest prawidłowo wykorzystany. W czasie demontażu zużytych łożysk z silników, używa się bardzo często technik które nieodwracalnie niszczą ślady pracy i uszkodzenia łożyska. Uszkodzone łożyska demontuje się przecinając je palnikiem. Zakłada się nowe łożyska w silniku nie dochodząc do przyczyn 16

przedwczesnego zużycia wcześniej zdemontowanych łożysk. Takie podejście do problemu autor uważa za podstawowy błąd. Założenie nowych łożysk powinno być poprzedzone wnikliwą analizą przyczyn uszkodzenia poprzednich łożysk. Demontaż łożysk tocznych Technologia demontażu łożyska tocznego jest niezmiernie ważnym elementem obsługi łożysk tocznych. Przede wszystkim nie należy demontować łożyska bez ważnego powodu. Technologię demontażu ustala się w oparciu o dokumentację węzła łożyskowego uwzględniając rodzaj osadzenia łożyska (osadzenie walcowe, osadzenie stożkowe, na tuleji wciąganej, na tuleji wciskanej) oraz własne wyposażenie techniczne i możliwości oraz fachowość ekipy sewisowej. Stosuje się cztery metody demontażu przy użyciu: Narzędzi mechanicznych, Narzędzi hydraulicznych, Urządzeń do podgrzewania, Urządzeń do wtłaczania oleju pod ciśnieniem. Optymalna metoda demontażu wynika z wielkości łożyska. Łożyska małe mogą być demontowane przy pomocy narzędzi mechanicznych typu ściągacze rys.5.15. Łożyska średniej a) b) c) Rys. 5.15. Różne typy ściągaczy do łożysk a) i c) mechaniczne, b) mechaniczne i hydrauliczne wielkości o ciasnym pasowaniu na wale bardzo często przy demontażu wymagają znacznych sił. Dla takich przypadków zalecane jest stosowanie ściągaczy hydralicznych rys. 5.15b. Samośrodkujący ściągacz hydrauliczny może być stosowany gdy siła potrzebna do demontażu nie przekracza 500 kn. Do demontażu łożysk większych zalecana jest metoda hydraliczna. Demontaż łożysk walcowych powinien być poprzedzony nagrzewaniem ich pierścieni wewnętrznych po uprzednim zdjęciu pierścienia zewnętrznego i wałeczków. Nagrzewanie wykonujemy za pomocą aluminiowego pierścienia grzejnego lub nagrzewnicy indukcyjnej Szczegóły demontażu podają noty aplikacyjne producentów łożysk. Inspekcja łożyska po jego demontażu Po demontażu łożysko powinno być poddane dokładnej inspekcji aby ustalić przyczyny zużycia. W tym celu najpierw poddajemy je wstępnemu oczyszczeniu, nie eliminując nalotów typu działanie łuku, smugi sadzy, odbarwienia. Ta uwaga dotyczy również wału, czopa wału. Na rys. 5.16 przykładowo pokazano pierścień wewnętrzny łożyska uszkodzonego na skutek nadmiernych drgań w napędzie. Ale gdyby tym charakterystycznym prążkom towarzyszyły osmolenia od sadzy, Rys. 5.16. Pierścień wewntrzny łożyska uszkodzonego na skutek nadmiernych drgań w napędzie 17

odbarwienia od łuku to uszkodzenia wynikałyby z przepływu prądów łożyskowych. Po właściwym oczyszczeniu łożyska należy zwrócić uwagę na ślady wgnieceń, pęknięcia, smużenia, odpryski, odbarwienia, wszystkie ślady współpracy elementów łożyska w czasie ruchu obrotowego. Ślady współpracy elementów łożyska są czymś naturalnym. W pracującym, obciążonym łożysku, bieżnia wewnętrzna i zewnętrzna z upływem czasu matowieją. Jest to element świadczący o pracy łożyska. Matowe powierzchnie tworzą ślady współpracy o charakterystycznym wyglądzie. Bardzo uważne zanalizowanie śladów współpracy daje podstawę do stwierdzenia jaki jest charakter pracy łożyska, jakie jest obciążenie, jakie niedomagania występują w napędzie. Na rys. 5.17 5.23 przedstawiono przykładowe ślady współpracy elementów łożysk dla różnych przypadków obciążenia i dla różnych niedomagań w napędzie. Rys.5.17. Łożysko kulkowe, obciążenie złożone, promieniowe i osiowe, charakter śladów na bieżni wewnętrznej i zewnętrznej Rys. 5.18. Łożysko kulkowe, obciążenie i osiowe, charakter śladów na bieżni wewnętrznej i zewnętrznej Rys. 5.19. Łożysko kulkowe, niosiowość w napędzie, charakter śladów na bieżni wewnętrznej i zewnętrznej 18

Rys. 5.20. Łożysko kulkowe, zowalizowany otwór w oprawie, charakter śladów na bieżni wewnętrznej i zewnętrznej Rys. 5.21. Łożysko kulkowe, ciasne pasowanie, charakter śladów na bieżni wewnętrznej i zewnętrzne Rys. 5.22. Łożysko kulkowe, mimośrodowe obciążenie promieniowe, charakter śladów na bieżni wewnętrznej i zewnętrzne 19

Rys. 5.23. Łożysko kulkowe, niewyważenie, charakter śladów na bieżni wewnętrznej i zewnętrzne Uszkodzenia wynikające z prac spawalniczych Bardzo charakterystycznym jest błąd polegający na prowadzeniu prac spawalniczych w pobliżu węzła łożyskowego z masą usytuowaną daleko od miejsca spawania. Może to spowodować zamknięcie obwodu w trakcie spawania przez łożysko, a tym samym przepływ przez nie prądu (łuk elektryczny) i poważne uszkodzenie łożyska ślady mikrospawania na bieżniach i elementach tocznych. Przykład jak nie należy postępować przedstawiono na rys. 5.24. W jednym z - Rys. 5.24. Przykład niewłaściwego usytuowania masy w czasie spawania na silniku zakładów na silniku należało poprawić spaw elementu mocującego kable czujników. Spawanie sprowadzało się do wykonania małego spawu tzw. chewtnięcia. Spawaczowi nie chciało się przytransportować spawarki z magazynku do silnika. Przytransportował spawarkę do słupa konstrukcyjnego w pobliżu miejsca stałego parkowania spawarki i tzw. masę w kształcie imadełka przykręcił do słupa a nie w pobliżu miejsca spawu. W konsekwencji obwód prądowy musiał się zamknąć przez węzeł łożyskowy silnika niechybnie go uszkadzając. Z upływem czasu kratery i ślady mikrospawania zostaną w łożysku częściowo zawalcowane, ale łożysko niepotrzebnie zostało uszkodzone. W ocenie autora przestrzeganie tych jakże oczywistych zasad eksploatacji i diagnostyki łożysk tocznych przez służby techniczne w krajowych zakładach przemysłowych i w zakładach usługowych przyczyniłoby się do wyraźnego obniżenia awaryjności elektrycznych napędów przemysłowych spowodowanych przez łożyska toczne i wyraźnie zmniejszyłoby zużycie łożysk tocznych w kraju. 6. DIAGNOSTYKA ŁOŻYSK TOCZNYCH Współcześnie produkowane łożyska toczne, w czasie ich wytwarzania poddawane są wielokrotnym pomiarom kontrolnym. Diagnostyka na etapie produkcji łożysk tocznych do minimum ogranicza ewentualne błędy wykonania. Kolejnym etapem w życiu łożyska jest transport do producenta silnika, użytkownika i montaż w maszynie silniku. Na tym etapie życia łożyska 20

może dojść do ewentualnego uszkodzenia, pogorszenia jego jakości. Diagnostyka kontrolna łożysk tocznych oparta jest głównie na pomiarach drgań generowanych przez łożysko. Wielkość drgań łożyska jest jego cechą charakterystyczną i podstawową ze względu na związek drgań z innymi wielkościami opisującymi jakość łożyska. W ocenie własnej autora można wyodrębnić następujące najważniejsze metody diagnozowania łożysk tocznych w silnikach elektrycznych w czasie ich eksploatacji: 1. Wykorzystanie ustaleń normowych PN i ISO. 2. Wykorzystanie amplitudowych dyskryminant bezwymiarowych procesów wibroakustycznych. 3. Metodę SPM (Shock Pulse Method). 4. Wykorzystanie wytycznych SKF. 5. Metodę SPA (Shock Profile Area). 6. Metodę energii impulsowej SE (Spike Energy) firmy IRD. 7. Metodę firmy Schenck BCU (Bearing Condition Unit). 8. Metodę analizy częstotliwościowej w tym CPB (Constany Percentage Bandwidth). 9. Metodę Głównego Instytutu Górnictwa w Katowicach. 10. Metodę SEE (Spectral Emitted Energy) firmy SKF. 11. Metodę HFD (High Frequency Detecion). 12. Metodę REBAM (Roling Element Bearing Active Monitor) firmy Bentley Nevada Cor.. 12. Metodę emisji akustycznej. 13. Metodę detekcji obwiedni. 14. Zespół metod wykorzystujących analizę falkową i sieci neuronowe. 14. Metodę wykorzystania sygnału prądowego. 15. Zespół metod oceny stanu smarowania. Zdecydowana większość metod diagnozowania stanu łożysk tocznych wykorzystuje do oceny sygnał drgań mechanicznych, który generują pracujące łożyska. Sygnał drganiowy zawiera informacje o istotnych zjawiskach fizycznych, które zachodzą w łożysku. W dalszej części raportu przedstawiono pokrótce metody diagnostyczne najczęściej stosowane w praktyce przemysłowej w opinii autora. 6.1. Wykorzystanie amplitudowych dyskryminant bezwymiarowych procesów wibroakustycznych Do podstawowych dyskryminant stosowanych w diagnostyce wibroakustycznej maszyn należą współczynniki. WRMS Kształtu k, (6.1.1) W AVER WPEAK Szczytu C, (6.1.2) W RMS WPEAK Impulsowości T i (6.1.3) WAVER gdzie: W RMS - wartość skuteczna prędkości bądź przyspieszenia drgań, W PEAK - wartość szczytowa prędkości bądź przyspieszenia drgań, W AVER - wartość średnia prędkości bądź przyspieszenia drgań. Próby wykorzystania tych dyskryminant jak również wartości skutecznych i szczytowych sygnałów drganiowych do diagnostyki były i są przedmiotem badań. Jak dotychczas największą przydatność w diagnostyce łożysk tocznych ma współczynnik szczytu przyspieszenia drgań, obliczony dla sygnału drganiowego odfiltrowanego filtrem górnoprzepustowym o częstotliwości granicznej (dolnej) 1kHz. Na rys. 6.1.1 pokazano, zmiany wartości szczytowej i skutecznej przyspieszenia drgań dla przykładowego eksploatowanego łożyska tocznego. Jak widać (rys. 6.1.1), wartość szczytowa przez swój wzrost znacznie prędzej reaguje na pojawienie się usterki w łożysku tocznym niż wartość skuteczna. Wartość skuteczna wzrasta znacznie później. Wynika z tego wprost diagnostyczna użyteczność współczynnika szczytu przyspieszenia drgań do diagnostyki łożysk tocznych. Literatura fachowa nie podaje uniwersalnych wartości współczynnika szczytu jako granicy dobrego stanu technicznego łożyska tocznego. Firmy produkujące aparaturę diagnostyczną proponują przyrządy, które mierzą współczynnik szczytu 21

sygnału drganiowego. Można zmierzyć wartość skuteczną i szczytową sygnału drganiowego, w tym po odfiltrowaniu filtrem górnoprzepustowym (f gran.dolne=1 khz) oraz można zmierzyć współczynnik szczytu zarówno prędkości drgań jak i przyspieszenia. Są to przyrządy bardzo przydatne do wstępnej diagnostyki eksploatacyjnej łożysk tocznych w maszynach. Przyspieszenie Wartość szczytowa Stosunek 3:1 Bez wad Stosunek 3:1 Wartość RMS Stosunek Max. 10-15:1 Miejscowe uszkodzenia Zniszczone do dopuszczalnej granicy Poszerzające się uszkodzenia Czas eksploatacji łożyska Rys. 6.1.1. Zmiany wartości szczytowej, skutecznej i współczynnika szczytu przyspieszenia drgań w czasie eksploatacji przykładowego łożyska tocznego 6.2. Metoda SPM (Shock Pulse Method) Metoda powstała w Szwecji. Twórcami metody są specjaliści zajmujący się produkcją i kontrolą techniczną łożysk tocznych, związani początkowo z firmą SKF. Bazuje ona na impulsach udarach generowanych przez łożyska toczne na skutek ich uszkodzenia. Metoda SPM wykrywa i analizuje rozwój mechanicznej fali udarowej wywołanej przez zderzenie dwóch mas. W łożysku tocznym między elementami tocznymi i bieżniami powinien znajdować się smar. Złe wykonanie łożyska tocznego, wadliwe jego zamontowanie, nieodpowiednia eksploatacja maszyny, długotrwała eksploatacja łożyska, prowadzą do wystąpienia punktowych uszkodzeń łożyska i do przerwania warstwy smarnej w tych punktach. Kontakt elementów łożyska w tych miejscach może być traktowany jako mikroudar mikrouderzenie dwóch mas - rys. 6.2.1. W momencie udaru w masach powstaje i rozwija się fala zgęszczeniowa (udarowa). Występują bardzo duże przyspieszenia cząstek mas biorących udział w zderzeniach. Fala zgęszczeniowa (udarowa) rozchodzi się ultradźwiękowo po łożysku. Generowana fala zależy od stanu powierzchni łożyska i jego prędkości obwodowej. Dla metody SPM drgania mechaniczne łożyska efekt drugiej fazy zderzenia mas jest czymś niepożądanym, jest szumem, który należy odseparować. Rys. 6.2.1. Idea metody SPM Tak więc metoda SPM bazuje na wykryciu i zmierzeniu czoła powstałej fali zgęszczeniowej impulsu udarowego. 22

Do pomiarów impulsów udarowych w metodzie SPM używa się czujników piezoelektrycznych strojonych mechanicznie i elektrycznie na częstotliwość rezonansową około 32 khz. Zgęszczeniowe czoło fali impuls udarowy, wywołanej przez zderzenie mas, wytwarza w przetworniku tłumione oscylacje na jego częstotliwości rezonansowej. Amplituda szczytowa tych oscylacji jest wprost proporcjonalna do prędkości zderzenia mas. Pomiar i analiza czoła oscylacji jest istotą metody SPM. Pozostała część oscylacji jest przez układ elektroniczny odfiltrowana. Powierzchnie łożysk tocznych zawsze posiadają pewien stopień nierówności. Jeżeli łożysko obraca się, to te nierówności powierzchni lub nawet wady, będą wywoływać udary mechaniczne między elementami tocznymi. Udary mechaniczne wywołują impulsy udarowe, tak że nawet łożysko dobrej jakości i dobrze zabudowane staje się generatorem impulsów udarowych. Stosując metodę SPM można śledzić degradację łożyska, poczynając od łożyska nowego, poprzez różne jego stadia, aż do stanu, w którym konieczna jest wymiana. Czułość metody SPM najlepiej obrazuje fakt, że impulsy udarowe generowane przez typowe łożysko wzrastają nawet 1000 - krotnie, przy wystąpieniu poważnego uszkodzenia łożyska. Stąd stosowanie w miernikach opartych o metodę SPM skali logarytmicznej decybelowej. Badania empiryczne wykazały, że nawet nowe, prawidłowo wykonane i zamontowane oraz właściwie smarowane łożysko generuje impulsy udarowe. Oszacowanie liczby tych impulsów to wartość wyrażona przez db i wartość inicjująca łożyska, wartość początkowa, można ją nazwać poziomem drgań łożyska wynikającym z prędkości obrotowej łożyska i jego wymiarów, jest to równocześnie poziom tła. Prowadząc pomiar przy wykorzystaniu metody SPM mierzy się wielkość db N wyrażoną wzorem: db N db db, (6.2.1) sv i gdzie: db N - normowany poziom przyspieszenia drgań łożyska, wielkość określająca jakość łożyska tzw. decybele znormalizowane, db sv - wielkość bezpośrednio mierzona, charakteryzuje natężenie impulsów udarowych generowanych przez łożysko, db i - poziom tła. Pomiary stanu technicznego danego łożyska powinny być prowadzone w tych samych warunkach. Dla oceny stanu technicznego łożysk tocznych twórcy metody SPM wprowadzili klasyfikację rys. 6.2.2. Przy wzroście normowanego poziomu przyspieszenia drgań db N powyżej 35 db należy zaplanować wymianę łożyska. O jakości łożyska w metodzie SPM wnioskuje się również na podstawie pomiaru różnicy między maksymalnym i minimalnym poziomem drgań db N rys. 6.2.3. Po dodatkowym uwzględnieniu bezwzględnych wartości tła i impulsów udarowych wzory (6.2.1) i (6.2.2), możliwa jest ocena smarowania łożyska oszacowanie grubości filmu olejowego. Jest to szczególna zaleta metody SPM. dbn 50 40 30 20 10 Ryzyko zniszczenia łożyska (awarii db db db. (6.2.2) N Widzialne uszkodzenia w łożysku Początek rozwoju uszkodzenia w Brak uszkodzeń w łożysku Rys. 6.2.2. Ocena łożysk tocznych w metodzie SPM skala ocen łożyska N max N min Bardzo kłopotliwe w metodzie SPM, z punktu widzenia praktycznego w warunkach krajowych, jest przygotowanie punktu pomiarowego. Punkt pomiarowy musi być bardzo starannie wybrany i przygotowany według ściśle określonej technologii. Punkt pomiarowy powinien być 23

przygotowany przez producenta silników. Postępowanie inne niż nakazuje wspomniana technologia prowadzi do fałszywych pomiarów i błędnej informacji o stanie łożyska. dbn 50 a) dbn 50 b) dbn ok. 50 40 40 30 dbn < 20 30 dbn 20 20 10 dbn 10 czas Rys. 6.2.3. Ocena łożysk tocznych w metodzie SPM przykład czas Okno emisji Sektor obciążenia Kierunek obciążenia Rys. 6.2.3.. Łożysko toczne okno emisji [342] Sposób obciążenia łożyska tocznego oraz ultradźwiękowy charakter impulsów udarowych towarzyszących jego pracy wyznaczają strefę promieniowania impulsów jest to obszar fragmentu kuli. Impulsy są przy tym silnie tłumione przez złącza materiałowe (styk dwóch powierzchni) na drodze sygnału, jak również przez ostre profile (narożniki, krawędzie). Najsilniejsze impulsy udarowe są emitowane z regionu obciążonego złącza tocznego w łożysku. Dla obciążenia promieniowego (silniki poziome) region obciążony pokrywa 45 o od kierunku obciążenia rys. 6.2.3. Dla obciążenia osiowego, region obciążenia pokrywa 360 o. Rozchodzenie się impulsów udarowych do obudowy łożyska jest ograniczone również przez szerokość łożyska. Ograniczenie to, jak wynika z badań eksperymentalnych, sprowadza się do emisji w kącie 60 o od prostej wyznaczającej kierunek obciążenia rys. 6.2.3. Skutkuje to ograniczonym polem bezpośredniej emisji impulsów udarowych okno emisji łożyska (rys. 6.2.3). Wewnątrz okna emisji musi być zlokalizowany punkt pomiarowy. Tylko część impulsów udarowych wyemitowana przez wspomniane wyżej okno emisji dotrze do powierzchni obudowy łożyska, znaczna część ulegnie rozproszeniu i odbiciu. Dane firmy SPM otrzymane eksperymentalnie dopuszczają, w linii prostej toru sygnału impulsów udarowych, odległość max 75 mm (odległość mierzona od powierzchni zewnętrznej łożyska do punktu pomiaru). Punkt pomiarowy powinien być zlokalizowany tak, aby można było poprowadzić z niego wyimaginowaną linię prostą do najbardziej obciążonego regionu łożyska przez okno emisji. Linia ta powinna przechodzić przez lity i nieprzerwany materiał obudowy łożyska. Droga sygnału między łożyskiem a punktem przyłożenia czujnika winna być możliwie najprostsza i najkrótsza. Droga ta może zawierać tylko jedno sprzężenie mechaniczne, to między łożyskiem a jego obudową. Jeżeli do prawidłowo wybranych z punktu widzenia metrologicznego punktów pomiarowych nie ma dostępu, wówczas stosować należy adaptery, są to specjalnie przygotowane kołki 24

pomiarowe wykonane w zastrzeżonej technologii (wymiary, rodzaj materiału, obróbka cieplna), które przy prawidłowym ich użyciu, są właściwie przedłużeniem łożyska na zewnątrz. Innym środkiem dostępu do łożyska jest zastosowanie przetworników zainstalowanych na stałe w łożysku. W wielu silnikach produkowanych przez czołowe firmy zachodnie adaptery lub przetworniki, do pomiarów metodą SPM, są zainstalowane fabrycznie zarówno od strony napędowej jak i przeciwnapędowej. 6.3.Wykorzystanie wytycznych SKF Mierząc systematycznie wartości szczytowe i skuteczne przyspieszenia drgań możemy określić trend zmian tych wartości, który jest podstawową informacją diagnostyczną. Firma SKF podaje bezwględne wartości szczytowe przyspieszenia drgań klasyfikując na tej podstawie stan łożysk i tak: Przyspieszenie, wartości szczytowe 0 1,95 m/s 2 stan dobry. przyspieszenie, wartości szczytowe > 1.95 m/s 2 19.6 m/s 2 stan zadawalający. przyspieszenie, wartości szczytowe > 19.6 m/s 2 49.0 m/s 2 stan dopuszczalny. przyspieszenie, wartości szczytowe >49,0 m/s 2 stan niedopuszczalny. Autor przestrzega przed bezkrytycznym przyjmowaniem poziomów granicznych podawanych przez różne firmy i instytucje Z doświadczeń wynika, że podatność węzłów łożyskowych w maszynach może się zmieniać w bardzo szerokim zakresie. W praktyce oznacza to że poziomy przyspieszenia drgań i prędkości drgań pochodzące od tego samego wymuszenia w tym uszkodzenia, będą dla różnych maszyn różne w szerokim zakresie. O wiele ważniejszy dla oceny stanu łożysk od poziomów bezwzględnych jest trend zmian w czasie. wartości szczytowych i skutecznych przyspieszenia drgań. Jeżeli systematycznie wykonujemy pomiary drgań maszyny, gwałtowny wzrost tych wartości połączony z wystąpieniem w detekcji obwiedni dominant wskazujących na uszkodzenie łożyska daje podstawę do negatywnej oceny jego stanu technicznego. Wartości szczytowe przyspieszenia znacznie wcześniej reagują na zmianę stanu technicznego łożyska niż wartości skuteczne przyspieszenia. Diagnozę stanu łożysk trudniej postawić, gdy pomiarów drgań nie wykonujemy systematycznie. Według autora należy się wówczas kierować kryteriami podanymi np. przez firmę SKF a dotyczącymi wartości bezwzględnych przyspieszenia w połączeniu ze stwierdzeniem czy występuje modulacja niskoczęstotliwościowa sygnału drganiowego przyspieszenia częstotliwościami pochodzącymi od defektu łożyska. Jeżeli łożysko toczne jest poważnie uszkodzone to modulacje stwierdzamy na wszystkich dominantach sygnału drganiowego w szczególności w obszarach rezonansowych. Zjawisko to występuje w zasadzie we wszystkich kierunkach pomiarowych w węźle łożyskowym najintensywniej dla kierunku promieniowego. 7. BADANIA WŁASNE Z OBSZARU DIAGNOSTYKI Autor od wielu lat prowadzi badania nad przydatnością dostępnych metod diagnostycznych do oceny stanu łożysk tocznych w silnikach elektrycznych w przemyśle i energetyce, nad ich modyfikacjami i adaptacją do krajowych warunków przemysłowych. Są to badania eksperymentalne, które w pierwszej fazie były prowadzone na silnikach trójfazowych klatkowych małej mocy Sf80 4A 0,55kW, 1400obr/min. Silniki te mają 2 łożyska kulkowe 6204ZZP6E1. W pierwszym okresie badania prowadzono na populacji 30 silników z łożyskami w bardzo dobrym stanie, które następnie wymieniono na łożyska uszkodzone. Uszkodzenia były znane i typowe Jednocześnie rozszerzono populację badanych silników. Co 2 4 tygodnie, wykonywano badania diagnostyczne na silnikach WN potrzeb własnych w jednej z krajowych elektrowni, elektrociepłowni i ciepłowni na populacji 70 silników. Badania obejmowały okres 20000 60000 godzin pracy danego silnika od chwili zamontowania w nim nowych łożysk. Zakres tych badań poszerzono o pomiary temperaturowe oraz o analizę zmian w widmie prądu stojana. Nieregularnie, bez ściśle określonego harmonogramu w okresie przeszło 30 lat prowadzono badania diagnostyczne silników na populacji 540 silników, otrzymując przeszło 60000 pomiarów diagnostycznych (wszystkie są archiwizowane). Badania są prowadzone do chwili obecnej. Na 10 silnikach WN badania trwają nieprzerwanie od 25 lat. W tym czasie łożyska wymieniono kilka razy. Średni czas życia łożysk w tych silnikach to 30000 40000 godzin, zdarzało się, że mniej niż 30000 godzin. Tylko w jednym silniku WN badanym nieregularnie łożyska toczne pracują 25

ponad 60000 godzin. W badaniach, autor dla celów porównawczych stosował prawie wszystkie metody diagnozowania łożysk tocznych wymienione wcześniej. Z badanej populacji ogólnej 610 silników, 86% stanowiły silniki produkcji krajowej, pozostała część to silniki produkcji zachodniej. Silniki zachodnie miały fabrycznie zdecydowanie lepiej przygotowane punkty do pomiarów drgań. W silnikach krajowych w wielu wypadkach punkty pomiarowe należało specjalnie przygotowywać fazować powierzchnię, wyrównywać, szlifować, kleić elementy pośrednie. Przykład silnika krajowego WN do napędu młynów węgla w krajowych elektrowniach, elektrociepłowniach i ciepłowniach przedstawiono na rys. 7.1. Zwraca uwagę brak fabrycznego przygotowania silników do pomiarów drgań w węzłach łożyskowych. Właściwie to nie ma jak przytwierdzić czujnika drgań do powierzchni silnika kierując się wytycznymi norm i zasadami metrologicznymi. Punkty pomiarowe musiano specjalnie przygotować. W wielu wypadkach ze względu na krzywizny powierzchni silników, stosowano do mocowania czujników drgań akcelerometrów, specjalny układ sfazowanych magnesów dostosowanych do krzywizn. Dla większości silników pomiary diagnostyczne wykonywano tylko dla łożysk tocznych od strony napędowej. Strona przeciwnapędowa była niedostępna ze względu na budowę silnika osłony wentylatorów. W kilku przypadkach udało się właściciela silników namówić na zainstalowanie na stałe w węźle łożyskowym akcelerometrów co radykalnie poprawiło warunki diagnozowania. a) b) Rys. 7.1. Przykładowy silnik krajowy z napędu młynów węgla a) czujnik drgań - akcelerometr źle dobrany oraz źle zamontowany w węźle łożyskowym, b) czujnik drgań - akcelerometr prawidłowo dobrany i właściwie zamontowany w węźle łożyskowym Spośród wszystkich przebadanych metod diagnozowania łożysk tocznych w silnikach elektrycznych w warunkach przemysłu krajowego stwierdzono, że największą przydatność ma metoda detekcji obwiedni oraz metoda SPM. Metoda SPM wymaga najczęściej specjalnego przygotowania silnika przez jego producenta do pomiarów. Na populację 610 silników tylko 8 silników było specjalnie przygotowanych do diagnozowania stanu technicznego ich łożysk tocznych metodą SPM. Metodę SPM autor stosował również w silnikach, które nie były specjalnie przygotowane do pomiarów, ale budowa ich węzła łożyskowego (dysponowano dokumentacją) pozwalała na stosowanie tej metody. Wyniki badań - metody własne Metodę detekcji obwiedni w wyniku doświadczeń badawczych zmodyfikowano. Autor uważa, że metoda daje możliwości najtrafniejszego diagnozowania łożysk tocznych pod warunkiem jej modyfikacji. Autor proponuje następującą technologię pomiarów diagnostycznych: 1. Czujnik drgań akcelerometr, nie należy (rys. 7.2) umieszczać w punktach określonych przez stosowane normy tylko w oknie emisji łożyska to znaczy w strefie jak największego obciążenia łożyska, poza strefą odrzutnika smaru. a) b) V c) d) a) b) V H A H okno emisji Rys. 7.2. Usytuowanie akcelerometru przy stosowaniu zmodyfikowanej metody detekcji obwiedni, a) i b) szkic usytuowania, c) przykład pomiaru, d) obszar okna emisji 26

Należy mierzyć wartość chwilową przyspieszenia drgań w jak najszerszym zakresie częstotliwości, minimum 20 khz, korzystnie 40 khz, 60 khz i więcej. Narzuca to wybór akcelerometru o jak największej częstotliwości rezonansowej i wymaga bardzo starannego przygotowania powierzchni maszyny w punkcie pomiarowym. Korzystne, aczkolwiek bardzo trudne, jest przygotowanie powierzchni zgodnie z wymaganiami SKF rys. 7.3. Pomiary diagnostyczne prowadzi się umieszczając czujnik zawsze w tym samym punkcie. 2. Dla pierwszej oceny stanu technicznego łożyska tocznego należy wykonać analizę przyspieszenia drgań w funkcji czasu, stwierdzić czy występuje zjawisko modulacji amplitudowej i jakie są wartości szczytowe przyspieszenia rys. 7.4. Ten pomiar można wykonać specjalistycznym analizatorem drgań, oscyloskopem, lub komputerem z kartą pomiarową. Sygnał drganiowy z węzłów łożyskowych silników pracujących w warunkach ustalonych ma charakter sygnału losowego stacjonarnego ergodycznego z modulacją amplitudową. Uszkodzenie łożyska tocznego w silniku pogłębia tą modulację. Modulacja częstotliwościami generowanymi przez łożysko może być wykorzystana do diagnostyki. Rys. 7.3. Przygotowanie powierzchni punktu pomiarowego w przypadku możliwości wiercenia 3. W dalszej części pomiaru niezbędne jest dysponowanie analizatorem wibracji z wbudowanymi lub dołączanymi z zewnątrz zespołami filtrów pasmowo-przepustowych o częstotliwościach środkowych obejmujących cały zakres spodziewanych częstotliwości drgań własnych węzła łożyskowego np. od 0,8 khz 36 khz. Określenie częstotliwości drgań własnych węzłów łożyskowych powinno być przeprowadzone wcześniej. W warunkach przemysłowych można to wykonać podczas postoju silnika, mierząc drgania węzła łożyskowego w punkcie pomiaru drgań przy pobudzeniu do drgań węzła łożyskowego bardzo krótkim uderzeniem, najkorzystniej specjalistycznym młotkiem. Uderzenie krótkie w czasie zapewnia wzbudzenie do drgań w szerokim zakresie częstotliwości. Należy uderzyć młotkiem w obudowę łożyska (w tarczę łożyskową) po przeciwnej stronie usytuowania akcelerometru. a) b) m/sˆ Pomiar : 40.40 189.72 m/s 2 m/s 2 0 0.0045sec 11.64m/sˆ2 m/sˆ 750 0 0.0002sec 522.30m/sˆ2 Pomiar : 41.41 0.0080sec 13.05m/sˆ2-189.72 0.061 2.3804 5.4321 8.4839 11.536 14.587 TIME in sec x 10-3 -750 0.061 2.3804 5.4321 8.4839 11.536 14.587 TIME in sec x 10-3 Rys.7.4. Sygnał przyspieszenia drgań dla przykładowego silnika, łożysko toczne NU 326: a) łożysko w dobrym stanie technicznym, b) łożysko w złym stanie technicznym 4. Oszacowanie zakresu wzbudzenia do drgań węzła łożyskowego można przeprowadzić korzystając z prostej transformaty Fouriera. 5. Następnie należy wykonać filtrację sygnału przyspieszenia drgań filtrem pasmowoprzepustowym ustawionym na częstotliwość środkową, odpowiadającą częstotliwości drgań własnych bądź niewiele się od niej różniącą. Kolejnym krokiem jest prostowanie i tworzenie obwiedni. Obwiednię poddaje się analizie częstotliwościowej kolejno w zakresie do 200 i 500 Hz z ewentualnym wykonaniem lokalnego powiększenia (FFT ZOOM) dla wybranej częstotliwości. Wybór częstotliwości środkowej filtru pasmowo-przepustowego jest zagadnieniem bardzo ważnym. 27

6. Analiza częstotliwościowa powinna być poprzedzona obliczeniami częstotliwości charakterystycznych dla danego łożyska (rys. 7.5, wzory 7.1 7.4). Powinno się dysponować precyzyjnymi informacjami o badanym łożysku. Niezbędna jest informacja o nr ISO danego łożyska oraz producencie łożyska. Łożyska o takim samym nr ISO ale od różnych producentów będą miały różne częstotliwości charakterystyczne (ze względu na różnice w budowie). Zilustrowano to dla przykładu w tabeli 7.1. Parametry składowych widma wynikają z kinematyki układu łożyska, jego wymiarów, budowy oraz z istnienia defektów w łożysku. Wzory (7.1 7.4) pozwalają obliczyć charakterystyczne częstotliwości drgań przy wystąpieniu poszczególnych punktowych defektów w łożysku dla przypadku nieruchomego pierścienia zewnętrznego łożyska tocznego (przypadek najczęstszy). Obok uszkodzeń podstawowych w łożysku tocznym występują również inne defekty, o których jest mowa w literaturze Można je wykrywać stosując analizę częstotliwościową obwiedni sygnału drganiowego. W tabeli 7.1 przedstawiono, za częstotliwości diagnostyczne dla wymienionych uszkodzeń. Różnice pomiędzy częstotliwościami obliczonymi a otrzymanymi z pomiarów mogą być spowodowane: tzw. poślizgiem w łożysku, chwilowymi zmianami prędkości obrotowej, kątem 0 i faktem zwiększonej liczby elementów tocznych w łożysku (wersja wzmocniona łożyska) czego nie uwzględniono w obliczeniach. B - kąt styku, kąt działania łożyska, BD - średnica kulki (elementu tocznego), n k - ilość elementów tocznych, f r - częstotliwość odpowiadająca prędkości obrotowej silnika (wału), Hz. Średnica podziałowa PD Rys. 7.5. Łożysko toczne, wymiary Defekt koszyka, FTF (Fundamental Train Frequency) 1 BD f K fr 1 cos (7.1) 2 PD Defekt elementu tocznego, BDF (Ball Defect Frequency) 2 PD BD f ET fr 1 cos (7.2) BD PD Defekt bieżni zewnętrznej, BPFO (Ball Pass Frequency Outer) n k BD f BZ fr 1 cos 2 (7.3) PD Defekt bieżni wewnętrznej, BPFI (Ball Pass Frequency Inner) n k BD f BW fr 1 cos (7.4) 2 PD Oznaczenia podano na rys. 7.5. 7. Przy intensywnym przebiegu uszkodzenia, modulacja charakterystycznymi częstotliwościami łożyskowymi w widmie obwiedni będzie widoczna nie tylko przy odfiltrowaniu filtrem pasmowoprzepustowym o częstotliwości środkowej równej częstotliwości drgań własnych węzła łożyskowe lub niewiele się od niej różniąca, ale również po odfiltrowaniu filtrem pasmowo-przepustowym o częstotliwości środkowej dowolnej z obszaru widma przyspieszenia drgań węzła łożyskowego rys. 7.6. Rozprzestrzenianie się zjawiska modulacji na wszystkie pasma z zakresu obszaru widma przyspieszenia drgań badanego łożyska i stopniowe zwiększanie się współczynnika głębokości modulacji oraz współczynnika szczytu, świadczy o intensywnej degradacji łożyska. Przyspieszonej degradacji łożyska będzie towarzyszył wzrost jego temperatury. Łożysko stopniowo przechodzi w tak zwaną termiczna fazę uszkodzenia. 28

Tabela 7.1. Częstotliwości składowych widma obwiedni wibracji przy uszkodzeniach łożysk tocznych Lp. Rodzaj uszkodzenia, defektu Częstotliwość podstawowa 1. Zukosowanie pierścienia zewnętrznego 2f BZ 2. Ścieranie, zużywanie się pierścienia zewnętrznego, bieżni zewnętrznej f BZ 3. Wklęśnięcia, pęknięcia na pierścieniu zewnętrznym bieżni zewnętrznej kf BZ 4. Niejednorodny promieniowy naciąg f r 5. Ścieranie, zużywanie się wewnętrznego pierścienia bieżni wewnętrznej kf r 6. Wklęśnięcia, pęknięcia na pierścieniu wewnętrznym kf BW 7. Zużywanie się, ścieranie elementów tocznych kf k 8. Wklęśnięcia, łuszczenie się na elementach tocznych 2kf ET 9. Ślizganie się pierścienia kf r Kombinacje wymienionych wyżej 10. Defekt złożony z wymienionych w pkt 1 9 częstotliwości, modulacja 11. Defekt smarowania Wzrost składowych w.cz. Oznaczenia podobnie jak we wzorach 7.1 7.4, k=1,2,3..., w. cz. oznacza składowe wysokoczęstotliwościowe widma. 8. Pojawienie się w widmie obwiedni drgań częstotliwości charakterystycznej łożyska odpowiadającej uszkodzeniu koszyka powinno spowodować podjęcie przygotowań do wymiany łożyska w możliwie krótkim czasie. Stwierdzenie wystąpienia części metalicznych koszyka (np. mosiądzu) w smarze w odrzutniku (miejsce gromadzenia się zużytego smaru) powinno wyraźnie przyspieszyć termin wymiany łożyska. Obserwacja wizualna smaru jest bardzo dobrą i prostą metodą oceny jakości smaru. Autor korzysta z tej metody, wspomagając się przyrządami optycznymi w tym przenośnym ręcznym mikroskopem o regulowanym powiększeniu w zakresie x (60 200). Tabela 7.1. Częstotliwości charakterystyczne dla łożyska NU 326 od różnych producentów, prędkość obrotowa wału silnika n=1488 obr/min. RMS m/sˆ2 Rodzaj uszkodzenia Łożysko SKF Łożysko FAG Uszkodzenie koszyka, FTF 10,09 Hz 9,99 Hz Uszkodzenie elementu tocznego, BDF 64,58 Hz 61,78 Hz Uszkodzenie bieżni zewnętrznej, BDFO 131,39 Hz 140,05 Hz Uszkodzenie bieżni wewnętrznej, BDFI 191,06 Hz 207,15 Hz 3200 100 9.60Hz 9.28 m/sˆ2 24.80Hz 30.04 m/sˆ2 61.60Hz 14.59 m/sˆ2 81.60Hz 11.06 m/sˆ2 Pomiar : 35 Filtr 4kHz Filtr 6,3kHz a) b) [m/s 2 ] [m/s 2 ] FTF BDF 100.00Hz 9.53 m/sˆ2 106.40Hz 14.98 m/sˆ2 124.00Hz 15.81 m/sˆ2 131.20Hz 47.17 m/sˆ2 BPFO BPFI 193.60Hz 14.37 m/sˆ2 RMS m/sˆ2 320 10 10.40Hz 0.91 m/sˆ2 FTF 24.80Hz 3.00 m/sˆ2 61.60Hz 1.46 m/sˆ2 BDF 81.60Hz 1.11 m/sˆ2 Pomiar : 36 100.00Hz 0.95 m/sˆ2 106.40Hz 1.50 m/sˆ2 124.00Hz 1.58 m/sˆ2 131.20Hz 4.72 m/sˆ2 BPFO 193.60Hz 1.44 m/sˆ2 BPFI 3.2 0.8 40 80 120 160 200 Hz 0.32 0.8 40 80 120 160 200 Hz Rys. 7.6. Widmo obwiedni przyspieszenia drgań dla przykładowego silnika, łożysko NU 326 uszkodzone: a) filtr 4 khz, b) filtr 6,3kHz 9. Jakość wykonania wymiany łożyska zużytego na nowe w węźle łożyskowym można ocenić metodą detekcji obwiedni. Bezpośrednio po wymianie łożyska należy dokonać pomiaru i stwierdzić czy nie występują znamiona uszkodzenia np. bieżni zewnętrznej, wewnętrznej, bądź elementu tocznego (te uszkodzenia występują najczęściej, spowodowane jest to uderzeniem w łożysko przez osobę wykonującą wymianę). Na rys. 7.7 przedstawiono wyniki 29

32 pomiarów drgań dla przykładowego silnika po wymianie łożyska. Wymieniono uszkodzone łożysko SKF 6326 na nowe. Zrobiono to źle, uszkodzono w czasie wymiany nowe łożysko, uszkodzono bieżnię zewnętrzną BPFO. Widmo detekcji obwiedni rys. 7.7b wyraźnie to pokazuje, BPFO=77,6 Hz. Nie widać tego w pomiarze prędkości drgań rys. 7.7a, wykonanym zgodnie ze wskazaniami norm. Wartość V RMS jest bardzo mała 1,27 mm/s, analiza widmowa nie wskazuje na anomalie łożyskowe. Pomiar : 42.42 320 Pomiar : 43.43 RMSmm/s a) [mm/s] 1 24.00Hz 0.38mm/s 48.00Hz 0.80mm/s 100.00Hz 0.18mm/s 284.00Hz 0.21mm/s 336.00Hz 0.09mm/s 388.00Hz 0.20mm/s TOTAL RMS 1.273E-03 m/s 580.00Hz 0.14mm/s 604.00Hz 0.10mm/s 708.00Hz 0.10mm/s 856.00Hz 0.18mm/s b) RMS m/sˆ2 10 [m/s 2 ] 19.20Hz 1.22 m/sˆ2 24.80Hz 2.23 m/sˆ2 49.60Hz 1.91 m/sˆ2 77.60Hz 2.42 m/sˆ2 BPFO Defekt bieżni zewnętrznej 0.032 4 200 400 600 800 1000 Hz 0.32 0.8 40 80 120 160 200 Hz Rys. 7.7. Uszkodzenie nowego łożyska tocznego SKF 6326 w czasie wymiany łożyska zużytego na nowe w przykładowym silniku o mocy 800 kw: a) widmo prędkości drgań, b) widmo detekcji obwiedni przyspieszenia drgań 10. Po wymianie łożyska zużytego na nowe, należy to nowe łożysko nasmarować. Powstaje pytanie czy w czasie czynności smarowniczych smar już dotarł do łożyska. Można to sprawdzić mierząc sygnał przyspieszenia drgań (rys. 7.8). Korzystnie, jeżeli można wartości chwilowe przyspieszenia drgań obserwować w funkcji czasu. Z doświadczeń autora wynika, że w momencie dotarcia smaru do łożyska, wartości szczytowe przyśpieszenia drgań spadają co najmniej 2-krotnie. W kolejno wykonanej detekcji nie obserwuje się w jej widmie składowych pochodzących od łożysk. Naturalny ubytek smaru i w konsekwencji w dłuższym czasie niedosmarowanie łożyska będzie skutkowało równomiernym wzrostem wartości szczytowych. W łożysku uszkodzonym, a na nowo nasmarowanym, po około 15-20 minutach od momentu nasmarowania wartości szczytowe przyspieszenia wyraźnie zmienią się, po chwilowym wyraźnym zmniejszeniu, wartości wzrosną i będzie widoczna modulacja amplitudowa sygnału. 30 [m/s 2 ] Pomiar : 39.39 a) b) [m/s 2 ] 30 Pomiar : 36.36 m/sˆ 0 m/sˆ 0-30 0.061 2.3804 5.4321 8.4839 11.536 14.587 TIME in sec x 10-3 -30 0.061 2.3804 5.4321 8.4839 11.536 14.587 TIME in sec x 10-3 Rys. 7.8. Wpływ smarowania łożyska tocznego na przyspieszenie drgań w przykładowym silniku: a) łożysko nienasmarowane, b) łożysko nasmarowane 11. Równolegle z oceną stanu technicznego łożysk tocznych w oparciu o metodę detekcji obwiedni wskazane jest prowadzenie pomiarów temperatury tych łożysk. Korzystniej, jeżeli jest możliwość pomiaru temperatury za pomocą czujnika znajdującego się w łożysku (np. Pt100). Temperatura łożysk tocznych nie powinna przekraczać temperatury otoczenia więcej niż o 60 o C. Powyżej tej temperatury dla większości łożysk obniża się twardość bieżni. Jednocześnie pogarszają się parametry smaru. Dla znacznej części smarów po przekroczeniu 70 o C pogarszają się właściwości uszczelniające. Dobrym rozwiązaniem jest korzystanie z zabezpieczeń termicznych, które ustawia się na poziomy ostrzegawcze. Pierwszy poziom to alert, drugi to alarm. Alert można ustawić na poziomie wyższym o 5 o C (10 o C) od temperatury roboczej łożysk przy maksymalnym obciążeniu i najwyższej temperaturze otoczenia. Alarm to odpowiednio 10 o C (15 o C) więcej. Wartości podane w nawiasach można ewentualnie stosować przy pełnym monitoringu i przy pracy w układzie automatycznego wyłączenia po przekroczeniu wartości alarmowych. 30

Autor wyraża pogląd, że nie można dopuścić do trwałej pracy silnika, gdy temperatura pracy łożysk wyraźnie wzrośnie przekroczy temperaturę alertu. Wyraźny wzrost temperatury łożyska, którego stan techniczny systematycznie pogarszał się, jeżeli nie jest spowodowany dosmarowaniem lub wzrostem obciążenia oznacza, że eksploatowane łożysko weszło w trzecią fazę uszkodzenia w tak zwaną fazę termiczną. Silnik należy w możliwie najkrótszym czasie zatrzymać, a łożyska wymienić. Dla zilustrowania procesu zużywania się łożysk tocznych w silnikach elektrycznych, przedstawiono poniżej przykładowe wyniki pomiarów dla łożyska NU 326 firmy FAG od strony napędowej w silniku o mocy 800 kw, 1485 obr/min. Pomiary diagnostyczne przykładowego silnika rozpoczęto przy pierwszym uruchomieniu po wymianie łożysk w silniku. Pomiary prowadzono systematyczne co 4 tygodnie, gdy stan silnika systematycznie zaczął się pogarszać, zwiększono częstotliwość pomiarów (co 2 a następnie co 1 tydzień). Pomiary wykonywano dla bardzo zbliżonych do siebie warunków pracy silnika, przy takim samym lub niewiele różniącym się obciążeniu. Wyniki pomiarów przedstawiono na rys. 7.9 i rys. 7.10. 40 16 35 30 25 LPEAK LBPFO CA 14 Współczynnik szczytu 12 10 db 20 8 15 10 CA 6 4 5 LPEA 0 0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 Rys.7.9. Przebieg w czasie zmian L PEAK, L BPFO i C A dla łożyska FAG NU 326 w silniku o mocy 800 kw (wykres po wygładzeniu) Mierzono przyśpieszenie drgań łożyska korzystając ze zmodyfikowanej metody detekcji obwiedni. Przedstawione na rys. 7.8 oraz w tabeli 7.2 wielkości są zdefiniowane przez autora następująco: L L L PEAK 20 At PEAK log, (7.5) A opeak At BPFO log, (7.6) A BPFO 20 obpfo At FTF log, (7.7) A FTF 20 oftf AtBDF LBDF 20log, (7.8) A L obdf At BDFI log, (7.9) A BDFI 20 obdfi APEAK CA, (7.10) A RMS czas, h gdzie: L PEAK poziom wartości szczytowej przyspieszenia drgań łożyska, L BPFO poziom składowej BPFO (uszkodzenie bieżni zewnętrznej (3)), w widmie obwiedni przyśpieszenia drgań, C A współczynnik szczytu przyspieszenia drgań, A tpeak wartość szczytowa przyspieszenia drgań dla chwili t, 31 LBPF 2

A opeak wartość szczytowa przyspieszenia drgań dla chwili t=0 (początek obserwacji), A tbpfo wartość skuteczna składowej w widmie detekcji obwiedni dla danej chwili t, związana z uszkodzeniem bieżni zewnętrznej BPFO (3), A obpfo wartość skuteczna składowej w widmie detekcji obwiedni dla danej chwili t=0, związana z uszkodzeniem bieżni zewnętrznej BPFO (3). Podobnie można zdefiniować A t i A o dla innych uszkodzeń, otrzymamy wtedy możliwość wyznaczania L FTF, L BDF, L BPFI, A PEAK wartość szczytowa przyspieszenia drgań, A RMS wartość skuteczna przyspieszenia drgań. Dla oceny stanu technicznego analizowano L PEAK, L BPFO, C A, V RMS (10 1000 Hz), V RMS (10 20000 Hz) oraz wszystkie pozostałe wielkości diagnostyczne wymienione wcześniej. Analiza wyników z detekcji obwiedni i interpretacja parametrów zaproponowanych przez autora pozwoliły podjąć decyzję o wymianie łożyska po upływie 40320 godzin pracy. 1000 Pomiar : 14.14 RMS m/sˆ2 31.62 FTF 10.40Hz 5.10 m/sˆ2 16.80Hz 4.03 m/sˆ2 20.00Hz 4.74 m/sˆ2 Filtr 24.80Hz 22.88 m/sˆ2 41.60Hz 4.43 m/sˆ2 50.40Hz 6.82 m/sˆ2 BDF 58.40Hz 3.77 m/sˆ2 62.40Hz 12.30 m/sˆ2 66.40Hz 4.99 m/sˆ2 75.20Hz 10.88 m/sˆ2 124.80Hz 17.67 m/sˆ2 134.40Hz 5.58 m/sˆ2 141.60Hz 39.07 m/sˆ2 144.80Hz 4.52 m/sˆ2 BPFO 158.40Hz 5.00 m/sˆ2 183.20Hz 11.50 m/sˆ2 187.20Hz 3.95 m/sˆ2 1 0.8 40 80 120 160 200 Hz Rys. 7.10. Widmo detekcji obwiedni łożyska FAG NU 326, silnik o mocy 800 kw Decyzja o zatrzymaniu silnika i wymianie łożyska NU326 okazała się trafna. Łożysko miało poważne uszkodzenia bieżni zewnętrznej (BPFO) oraz uszkodzenia elementów tocznych (BDF) i koszyka (FTF). Równolegle z pomiarami wykorzystującymi metodę detekcji obwiedni prowadzono pomiary wykorzystujące metodę SPM. Mierzono dźwięki uderzeniowe db Nmax, db Nmin i wyznaczano różnicę db N, a następnie analizowano trend zmian w czasie. Po upływie 40320 godzin pracy wg SPM łożysko nadawało się do wymiany. Bardzo często w praktyce występuje konieczność bieżącej doraźnej diagnostyki łożyska tocznego. Oto przykład diagnostyki doraźnej łożyska. Na rys. 7.11 13 przedstawiono przykładowo wyniki pomiarów diagnostycznych wykonane dla węzła łożyskowego od strony przeciwnapędowej dla silnika o mocy l250 kw, 6 kv, 1485 obr/ min W węźle łożyskowym znajdowało się łożysko kulkowe firmy STEYR o nr 6326. Wszystkie rysunki dotyczą tego samego węzła łożyskowego. Przed pomiarami diagnostycznymi wykonano obliczenia częstotliwości spodziewanych w widmie detekcji obwiedni sygnału przyspieszenia drgań dla poszczególnych rodzajów uszkodzeń łożyska - tabela 7.2: Tabela 7.2. Częstotliwości charakterystyczne dla łożyska STEYR o nr 6326, silnik o mocy l250kw, 6kV, 1485 obr/ min Rodzaj uszkodzenia Uszkodzenie koszyka, FTF Uszkodzenie elementu tocznego, BDF Uszkodzenie bieżni zewnętrznej, BDFO Uszkodzenie bieżni wewnętrznej, BDFI Łożysko STEYR 9,97 Hz 60,97 Hz 89,77 Hz 133,43 Hz Na rysunku 7.11 przedstawiono widma wartości skutecznej przyspieszenia drgań i detekcji obwiedni. Wyniki pomiarów świadczą o uszkodzeniu koszyka oraz bieżni zewnętrznej łożyska, stan łożyska badanego jest zły. W tym samym czasie pomiary prędkości drgań wykonane zgodnie z obowiązującymi normami ISO (rys 7.12) - wskazują, że stan maszyny jest bardzo dobry - wartości skuteczne prędkości poniżej 1,3mm/s. Na rys. 7.13 przedstawiono widma wartości skutecznej przyspieszenia drgań i detekcji obwiedni po 80 godzinach dalszej eksploatacji silnika. Widać jak bardzo zwiększyły się wartości przyspieszenia, detekcja obwiedni informuje o pogłębiającym się 32

uszkodzeniu bieżni zewnętrznej. Silnik na podstawie tych wyników zatrzymano, a łożysko wymieniono. Oględziny łożyska potwierdziły wcześniejszą diagnozę. Rys. 7.11. Widmo przyspieszenia drgań i detekcji obwiedni dla silnika l250kw. 6kV, 1485 obr/ min z uszkodzonym łożyskiem 6326 Rys. 7.12. Widmo prędkości drgań dla silnika l250kw, 6kV, 1485 obr/ min z uszkodzonym łożyskiem 6326, wyniki nie wskazują na uszkodzenie łożyska 33

Rys. 7.13. Widmo przyspieszenia drgań i detekcji obwiedni dla silnika l250kw, 6kV, 1485 obr/ min z uszkodzonym łożyskiem 6326, wyniki kolejnego pomiaru po 80 godzinach pracy Na rys. 7.14 przedstawiono za typowy trend w czasie, rozwoju uszkodzenia łożyska prowadzący do zniszczenia, z zaznaczonymi pkt. możliwej oceny diagnostycznej umożliwiającej wykrycie uszkodzenia. Jak widać najczulsze są metody wysokoczęstotliwościowe SEE i HFD. Niestety są one drogie i kłopotliwe. Wymagają bardzo starannego przygotowania pkt. pomiarowego, odbiegającego od rozwiązań standardowych. Na rys. 7.15 porównano wysokoczęstotliwościowe metody diagnostyczne z detekcją obwiedni w dziedzinie częstotliwości. Typowy rozwój uszkodzenia (Prowadzący do zniszczenia) Czas na ostrzeżenie Zniszczenie łożyska DRGANIA Początek uszkodzenia Wykrycie przez SEE TM (HFD) Wykrywanie przez SKF Obwiednię przyspieszenia Wykrywanie przez Słuch i Dotyk Wykrywanie przez Pomiar Prędkości Drgań SKF Service Rys. 7.14. Typowy trend w czasie, rozwoju uszkodzenia łożyska prowadzący do zniszczenia, z zaznaczonymi pkt. możliwej oceny diagnostycznej umożliwiającej wykrycie uszkodzenia Powstaje pytanie dlaczego zabiegamy o jak najszybsze wykrycie początków uszkodzenia łożyska tocznego. Odpowiedź jest następująca. Szybki wykrycie początków uszkodzenia łożyska: Pozwala na wycofanie łożyska z eksploatacji wystarczająco wcześnie aby móc ustalić pierwotne przyczyny uszkodzenia. Pozwala na zaplanowanie wymiany i przeprowadzenie jej zgodnie z zasadami sztuki inżynierskiej. Pozwala na podjęcie proaktywnych działań w celu wyeliminowania pierwotnej przyczyny uszkadzania. CZAS 34

Pozwala na wyjęcie łożyska z maszyny na tyle wcześnie, że rozmiar uszkodzeń nie wyklucza regeneracji (dotyczy to zwłaszcza drogich, wielkogabarytowych łożysk). Rys. 7.15. Porównanie wysokoczęstotliwościowych metod diagnostycznych z detekcją obwiedni w dziedzinie częstotliwości W wyniku wieloletnich badań na dużej populacji silników, głównie produkcji krajowej, autor opracował kryterium oceny stanu technicznego łożysk tocznych w silnikach umożliwiające diagnostykę łożysk oraz szybkie wykrycie początków uszkodzenia łożyska tabela 7.3. Kryterium powstało w oparciu o zmodyfikowaną metodę detekcji obwiedni, wspomaganą inspekcją wizualna smaru. Metoda została sprawdzona w warunkach przemysłowych krajowych w tym w energetyce. Autor uważa ją za metodę podstawową do oceny stanu technicznego łożysk tocznych w silnikach elektrycznych. Obok metody SPM jest to najbardziej przydatna metoda. Aby w pełni wykorzystać możliwości metody SPM należy już u producenta silnika, ewentualnie w czasie jego remontu wyposażyć go w kołki lub adaptery. Metoda detekcji obwiedni takiego specjalistycznego przygotowania silnika nie wymaga. Wszystkie inne metody oceny stanu technicznego łożysk tocznych w silnikach elektrycznych w warunkach przemysłu krajowego autor uważa za uzupełniające. Pewnego komentarza wymaga pomiar wielkości L FTF, L BDF, L BPFO, L BPFI (7.6 7.9), w przypadku gdy nie było możliwości pomiaru składowych FTF, BDF, BPFO i BPFI (7.1 7.4) dla chwili czasowej t=0, czyli dla chwili początkowej obserwacji, która w intencji autora jest tożsama z chwilą pierwszego uruchomienia silnika, bądź z chwilą uruchomienia silnika tuż po wymianie łożyska. Dopuszcza się z konieczności możliwość stosowania kryterium w sytuacji gdy nie wykonano pomiaru dla t=0. Wtedy przyjmuje się, że A 0 z odpowiednim indeksem FTF, BDF, BPFO, BPFI jest równe średniej wartości składowych losowych w otoczeniu FTF, BDF, BPFO i BPFI. Pomiar A 0PEAK dla wyznaczenia L PEAK musi być wykonany dla t=0, w ostateczności można próbować przypisać jakąś wartość A PEAK dla t=0 z oszacowania trendu zmian wartości szczytowej przyspieszenia. Uszkodzenia łożysk tocznych są widoczne przede wszystkim w sygnale przyspieszenia drgań. W sygnale prędkości drgań uszkodzenia widać (FTF, BDF, BPFO, BPFI) gdy stan techniczny łożyska kwalifikuje je najczęściej już do wymiany. 35

Tabela 7.3 Kryterium oceny stanu technicznego łożysk tocznych Parametr, wielkość, Stan techniczny łożyska tocznego rodzaj pomiaru Zadowalający Dopuszczalny Niedopuszczalny L PEAK (7.5) Poziom wartości szczytowej przyśpieszenia drgań L BPFO, L BDF, L BPFI (7.6, 7.8, 7.9) Poziom składowych BPFO, BDF, BPFI, bieżnia zewnętrzna, element toczny, bieżnia wewnętrzna, którakolwiek L FTF (7.7) Poziom składowej FTF. Uszkodzenie koszyka C A (7.10) Współczynnik szczytu przyśpieszenia drgań Inspekcja wizualna smaru 0 20 db 20,01 30 db 0 20 db 20,01 30 db wzrost powyżej 30dB przy jednoczesnym pojawieniu się i, lub, oraz FTF, BDF, BPFO, BPFI wzrost powyżej 30dB przy jednoczesnym wyraźnym wzroście L PEAK 0 10 db 10,01 20 db wzrost powyżej 20dB w granicach do 3 nie ma wtrąceń metalicznych 3,01 10 wyjątkowo 15 bardzo małe wtrąciny metaliczne widoczne pod mikroskopem obserwujemy spadek wartości widoczne gołym okiem metaliczne wtrąciny, wyczuwalne wyraźnie w dotyku palcami 8. MONITORING ŁOŻYSK TOCZNYCH W PRZEMYŚLE W ocenie autora najintensywniej rozwijane są systemy monitoringu obejmujące swym zasięgiem jeden zespół maszynowy, jeden napęd. Obok wymienionych już pomiarów drgań całego napędu, pomiarów temperatur w ważnych punktach napędu w tym w węzłach łożyskowych, pomiarów prądu, systemy mają możliwość monitorowania stanu technicznego łożysk tocznych z wykorzystaniem pomiaru prędkości drgań, przyspieszenia drgań, metody SPM lub metody detekcji obwiedni. Na rys. 8.1 przedstawiono wynik pomiaru prędkości drgań i przyspieszenia drgań zarejestrowane przez system monitoringu drgań on-line dla przykładowego silnika. Drgania mierzono w tym samym czasie, w tym samym miejscu na tarczy łożyskowej dla przypadku wystąpienia uszkodzenia łożyska tocznego w silniku. Wniosek jaki się nasuwa jest następujący. W sygnale przyspieszenia drgań uszkodzenie łożyska widać znacznie wcześniej niż w sygnale prędkości drgań. 36

Rys. 8.1. Wynik pomiaru prędkości drgań i przyspieszenia drgań w tym samym czasie, w tym samym miejscu dla przypadku wystąpienia uszkodzenia łożyska tocznego w silniku Na rys. 8.2 przedstawiono wyniki pomiarów z najprostszego systemu monitoringu stanu łożysk tocznych silników. System mierzy on-line przyspieszenie drgań. Na rys. 8.1 pokazano wyniki dla przykładowego łożyska 6326. Jest to trend wartości szczytowych przyspieszenia drgań w okresie czasu jednego tygodnia. Z wartości 4,5*9,81m/s 2 =44,145 m/s 2, przyspieszenie drgań wzrosło do wartości 37,6*9,81m/s 2 =368,86 m/s 2. Silnik zatrzymano, łożysko zdemontowano i wymieniono na nowe. Okazało się że rozpadł się koszyk. Jest to bardzo charakterystyczne uszkodzenie łożyska. Od pierwszego symptomu uszkodzenia koszyka do całkowitego uszkodzenia upłynęło kilkadziesiąt godzin. Zdarza się że jest to kilka godzin. Rys. 8.2 Wyniki pomiarów przyspieszenia drgań w monitoringu łożyska 6326 w przykładowym silniku Na rys 8.3 przedstawiono wyniki monitoringu stanu łożyska baryłkowego 22244 w przykładowym silniku. Jest to trend składowej łożyskowej BPFI - uszkodzenie bieżni wewnętrznej, sygnał przyspieszenia drgań, detekcja obwiedni, BPFI=89,51 Hz, filtr Δf=0,03 Hz, monitoring firmy SKF, Multilog. W okresie 52000 godzin pracy łożyska, na rys. 8.3 pokazano trend BPFI za ostatnie 4300 godzin pracy. Jest to bardzo ciekawy wykres. Charakter zmian wartości składowej BPFI od 0,69 m/s 2 do 21,8 m/s 2 (wzrost o 30 db) można aproksymować 5 liniami prostymi (patrz rys. 8.3) i przewidzieć czas koniecznej wymiany łożyska (np. wykorzystując kryterium autora). Na charakterystyce nie ma obszaru typu wzrost wykładniczy. W ocenie autora taki liniowy charakter zmian wartości mierzonych ma miejsce bardzo często, znacznie częściej niż zmiany o charakterze wykładniczym. Jest to widoczne dopiero wtedy, gdy pomiary wykonuje się odpowiednio często właśnie w ostatniej fazie życia maszyn. 37

BPFI m/s 2 5 4 3 1 2 Rys. 8.3. Trend składowej w detekcji obwiedni przyspieszenia drgań dla defektu BPFI dla łożyska 22244 w przykładowym silniku Określenie granic stanów eksploatacyjnych maszyn, w ocenie autora, powinno być wykonane indywidualnie dla każdej maszyny. Przewidywanie przyszłej zmiany stanu maszyn na podstawie dostępnych symptomów diagnostycznych określane jako prognozowanie stanu, jest elementem tego procesu. Zagadnienie prognozowania stanu maszyn przedstawiono w literaturze. Zasadą prognozowania jest możliwość obliczenia następnych wartości elementu szeregu czasowego (symptomy diagnostyczne) na podstawie znajomości wartości elementów szeregu z przedziału czasu dostępnego, wykorzystując pewne formalne zależności lub zbiór tych zależności. Niezbędne jest dysponowanie modelem trendu symptomu. Teoretycznie model może być dowolnie skomplikowany. W przemysłowych systemach monitoringu silników w oparciu o pomiary drgań, uwzględniając realia pomiaru, walory aparatury, wyniki wcześniejszych badań eksperymentalnych, prawie w 100% (ocena autora) przyjmuje się, że procesy zużywania się maszyn przebiegają jednostajnie. Przyjmuje się, że trend symptomu jest prostą funkcją rosnącą monotonicznie np. liniowo (najczęściej) lub eksponencjalnie. Przykładem niech będzie najpopularniejszy obecnie w kraju system diagnozowania i monitoringu firmy SKF, wykorzystujący oprogramowanie PRISM, Machine Analyst, przy współudziale analizatorów typu Microlog oraz urządzeń Multilog (rys. 8.3). Na rys 8.4 przedstawiono wyniki monitoringu stanu łożyska baryłkowego 22244 w przykładowym silniku. Jest to trend składowej łożyskowej BPFO - uszkodzenie bieżni zewnętrznej. System wykrył uszkodzenie łożyska. Łożysko wymieniono na nowe. Rys. 8.4. Trend składowej w detekcji obwiedni przyspieszenia drgań dla defektu bieżni zewnętrznej dla łożyska 22244 w przykładowym silniku 9. PRĄDY ŁOŻYSKOWE W maszynach elektrycznych zwłaszcza średnich i dużych mocy, dochodzi w niektórych przypadkach do powstawania napięć wałowych o wartościach, które umożliwiają wystąpienie prądów łożyskowych. Prądy te występują szczególnie wtedy, gdy nie przestrzegany jest reżim technologiczny podczas produkcji maszyn oraz przygotowania ich do eksploatacji. Uszkodzenia łożysk tocznych spowodowane oddziaływaniem prądów łożyskowych są problemem z którym użytkownicy maszyn elektrycznych borykają się od wielu lat. W silnikach indukcyjnych dużej mocy przeznaczonych do rozruchów bezpośrednich, węzły łożyskowe są szczególnie narażone na uszkodzenia spowodowane przepływającymi prądami łożyskowymi. Źródłem prądów łożyskowych jest indukowana wzdłuż wału maszyny SEM zwana napięciem wałowym rys. 9.1. 38