W artykule dokonano oceny moĪliwoĞci zastosowania analizy drgaĔ łoĪysk do diagnostyki ich stanu w aspekcie efektywnoĞci zarządzania całym procesem eksploat-acji. Do analizy drgaĔ przyjĊto nastĊpujące parametry: prĊdkoĞü drgaĔ, przyspieszenie drgaĔ oraz obwiedniĊ przyspieszenia drgaĔ.
Słowa kluczowe: diagnostyka, zarzdzanie, drgania Wprowadzenie
Właciwe zarzdzanie eksploatacj obiektów technicznych jest determinowane czynnikami ludzkimi oraz technicznymi. Czynniki ludzkie to m.in.: właciwe obsługiwanie i uytkowanie obiektów technicznych, natomiast czynniki techniczne to np.: wymuszenia zewntrzne, diagnostyka stanu technicznego. W pracy zostanie dokonana analiza moliwoci zastosowania drga łoysk cen-trali klimatyzacyjnych do diagnostki ich stanu technicznego. Co porednio bdzie wpływało na efektywno zarzdzania całym procesem eksploatacji.
Diagnostyka jako element zarzdzania eksploatacj maszyn i urzdze w przedsibiorstwie pełni nastpujce podstawowe funkcje [5, 6]:
¾ prognostyczn – pozwalajc okrela z duym prawdopodobiestwem zuycie i stan badanego obiektu w najbliszej przyszłoci,
¾ prewencyjn – umoliwiajc planowanie i działania, które maj zapobiega procesom zuywania i awarii maszyn,
¾ korekcyjn – pozwalajc na dokonanie zmian konstrukcyjnych i technologicznych podczas wytwarzania maszyn, a take zmian warunków eksploatacji, które wpłyn na popraw funkcjonalnoci i niezawodnoci.
1. Diagnostyka stanu łoysk
Diagnozowanie stanu łoysk jest uznanym standardem w diagnostyce stanu obiektów technicz-nych, a prowadzi si j na podstawie analizy parametrów generowanego sygnału wibroakustycz-nego. Analiza jest moliwa dziki propagacji sił wystpujcych w wle łoyskowym oraz ich struk-tury czstotliwociowej bezporednio na obudow łoyska. Te same siły maj bezporedni wpływ na proces degradacji właciwoci funkcjonalnych łoyska. Skutki tego procesu bd si objawia w róny sposób, w tym w postaci wystpowania specyficznych czstotliwoci, zalenych od miejsca uszkodzenia. Dodatkowo, struktura czstotliwociowa sygnału wibroakustycznego generowanego przez uszkodzone łoysko bdzie zalee od przyczyn wystpowania uszkodzenia, fazy jego roz-woju a szczególnie wielkoci sygnałów pochodzcych od innych wzłów kinematycznych, obciaenia, jakoci obsługi i oddziaływania otoczenia [6].
Ogólnie mona powiedzi, e poziom drga uszkodzonych łoysk ronie w miar postpowania procesów degradacji wraz z równoczesn, a nawet wczeniejsz zmian struktury widma sygnału
¾ temperatura, ¾ emisja akustyczna, ¾ drgania.
Na temperatur wpływaj nastpujce czynniki [7]: ¾ obcienia działajce na łoysko,
¾ rodzaj i sposób smarowania, ¾ rodzaj i sposób zabudowy. Emisja akustyczna jest wynikiem [7]:
¾ nieprawidłowego smarowania, ¾ uszkodze,
¾ pojawienia si rónego typu zanieczyszcze.
Łoyska w pełni sprawne pracuj z cichym, czystym i jednostajnym szumem. Wszelkie inne dwiki, np.: gwizdanie, zgrzytanie, wiadcz o nieprawidłowociach w pracy wzła łoyskowego. Najbardziej powszechnym i uwaanym za najlepszy wskanik prawidłowej pracy łoysk jest pomiar drga. Ogólnie drgania to zjawisko, podczas którego niektóre wielkoci fizyczne maj cha-rakterystyczne funkcje czasu, które na przemian malej i rosn w kolejnych przedziałach czasu. W ujciu mechanicznym jest to zmiana w czasie wartoci wielkoci charakteryzujcej ruch lub po-łoenie układu mechanicznego, w trakcie której staje si ona na przemian wiksza i mniejsza od pewnej wartoci redniej lub odniesienia [5, 6].
Drgania klasyfikuje si według rónych kryteriów, np. ze wzgldu na [5, 6]: ¾ rodzaj układu – elektryczne, mechaniczne, elektromechaniczne; ¾ funkcj, która je opisuje – okresowe, nieokresowe, liniowe, nieliniowe;
¾ działanie sił zewntrznych na układ – nieautonomiczne (wymuszone), autonomiczne (swobodne).
Podstawow przyczyn drga elementów maszyn, w tym łoysk, mog by nastpujce czyn-niki [7, 8, 9]:
¾ niewywaenie, ¾ obcienie,
¾ nieprawidłowe smarowanie, ¾ zła współpraca podzespołów, ¾ brak współosiowoci, ¾ luzy.
Aby przeprowadzi prawidłow diagnostyk łoysk, naley zmierzy trzy podstawowe para-metry, takie jak [7]:
¾ przypieszenie drga lub obwiedni przyspieszenia – te parametry okrelaj drgania o duych czstotliwociach (10÷30 kHz), na podstawie tych drga mona okreli zmiany, które zachodzc w drganiach o duej czstotliwoci,
¾ prdko drga – ten parametr okrela drgania niskich czstotliowci (10÷1000 Hz), na podstawie tych drga mona okreli ogólny stan obiektu, niewywaenie, brak współosiowoci, lune zamocowanie i osadzenie,
¾ sygnały akustyczne o małej amplitudzie i duej czstotliwoci, dziki którym mona oceni jako smarowania – wystpowanie styku metal-metal.
2. Drgania w diagnostyce łoysk – badania dowiadczalne
Analiza moliwoci zastosowania drga łoysk do diagnostki ich stanu technicznego, została przeprowadzona dla piciu centrali klimatyzacyjnych. Właciwa ocena stanu technicznego na pod-stawie generowanych drga, niewtpliwie wpłynie na moliwo efektywniejszego zarzdzania procesem eksploatacji.
Badania przeprowadzono za pomoc analizatora widma drga – mikrologiem marki SKF o oznaczeniu CMXA 70. Wyniki pomiarów opracowano w programie komputerowym SKF@pti-tude Analyst for SKF Microlog. Podczas bada były mierzone nastpujce parametry okrelajce stan łoysk:
¾ prdko drga (mm/s), ¾ przyspieszenie drga (g),
¾ obwiedni przyspieszenia drga (gE).
Pomiarów dokonano podczas normalnych warunków pracy centrali klimatyzacyjnych, gdy ło-yska osigneły optymaln (zalecan przez producenta) temperatur i przy nominalnej prdkoci obrotowej. Punktami pomiarowymi było łoyskowanie silnika i wentylatora (rys. 1).
Rysunek 1. Schemat miejsc pomiaru drgaĔ (punkty 1, 2, 3 i 4) ródło: opracowanie własne.
Pomiary wykonano na obudowach łoysk w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach, tj. w płaszczynie prostopadłej do osi wału w kierunku poziomym i pionowym oraz wzdłu osi wału na wysokoci osi, moliwie jak najbliej wału. Celem uzyskania szczegółowej informacji o stopniu zaawansowania uszkodzenia, ewentualnie o przyczynach, przeprowadzono analiz czstotliwo-ciow drga (FFT – tzw. szybka transformata Fouriera). Metoda ta ma na celu rozkładanie całkowitego sygnału drganiowego na składowe o rónych czstotliwociach. Analizujc układ cz-stotliwoci harmonicznych charakterystycznych dla okrelonych uszkodze, warto amplitudy oraz
2 1
W tabeli 1 przedstawiono zbiorcze zestawienie wartoci pomiarów: prdkoci drga, przyspie-szenia drga i obwiedni przyspieprzyspie-szenia drga.
Tabela 1. Wyniki pomiarów prĊdkoĞci drgaĔ, przyspieszenia drgaĔ i obwiedni przyspieszenia drgaĔ
Oznaczenie centrali klima-tyzacyjnej Oznaczenie punktu po-miarowego Wartoci prdkoci drga (mm/s) Wartoci przyspie-sze drga (m/s2) (g) Wartoci obwiedni przyspiesze drga (gE) CK1 1 3,114 0,047 1,912 2 3,029 0,077 2,309 3 24,252 0,667 3,839 4 20,345 0,902 4,216 CK2 1 4,002 0,173 2,615 2 6,881 0,200 2,981 3 26,817 1,492 6,368 4 34,036 2,385 12,539 CK3 1 7,129 0,777 4,724 2 8,991 0,411 6,506 3 4,366 0,135 0,734 4 9,320 0,300 1,645 CK4 1 8,353 0,246 11,541 2 3,436 0,155 8,556 3 7,809 0,177 0,500 4 7,804 0,180 0,891 CK5 1 9,441 0,808 6,408 2 13,849 0,645 0,313 3 4,335 0,336 1,164 4 4,699 0,409 3,936
ródło: opracowanie własne.
Dla czyteniejszej interpretacji wyników, opracowano wykresy (rys. 2–4), na których graficznie przedstawiono poziomy kontrolowanych parametrów.
0 5 10 15 20 25 30 35 CK1 CK2 CK3 CK4 CK5 1 2 3 4
Rysunek 2. Poziom wartoĞci prĊdkoĞci drgaĔ łoĪysk silnika (pkt. 1 i 2) oraz wentylatora (pkt. 3 i 4) ródło: opracowanie własne.
Z uwagi na poziom prdkoci drga, naleałoby zwróci uwag na stan łoyska silnika centrali klimatyzacyjnej – CK5 oraz na stan łoysk wentylatora centrali CK1 i CK2. Dua warto prdkoci drga w tych punktach moe wiadczy o niewywaeniu, poluzowaniu lub niewspółosiowoci.
0 0,5 1 1,5 2 2,5 CK1 CK2 CK3 CK4 CK5 1 2 3 4
Rysunek 3. Poziom wartoĞci przyspieszeĔ drgaĔ łoĪysk silnika (pkt. 1 i 2) oraz wentylatora (pkt. 3 i 4)
ródło: opracowanie własne.
Najwysze poziomy przyspieszenia drga łoysk silnika wystpuj w centrali CK3 i CK5, jed-nak mieszcz si jeszcze w normie bezpieczestwa. W przypadku pomiarów przyspieszenia drga
v, mm/s
0 2 4 6 8 10 12 CK1 CK2 CK3 CK4 CK5 1 2 3 4
Rysunek 4. Poziom obwiedni przyspieszeĔ drgaĔ łoĪysk silnika (pkt. 1 i 2) oraz wentylatora (pkt. 3 i 4)
ródło: opracowanie własne.
Due wartoci obwiedni przyspiesze drga wystpuj w łoyskach silnika centrali CK4 i wen-tylatora CK2. Na podstawie tej analizy mona wnioskowa uszkodzenia tych łoysk w zakresie duych czstotliwoci drga.
Na podstawie przedstawionych wykresów mona stwierdzi, e kady pomiar kontrolowanych parametrów wskazał, e łoyska wentylatorów centrali klimatyzacyjnej CK2 s uszkodzone.
Kolejnym etapem badawczym była analiza widma FFT z uyciem programu komputerowego SKF@ptitude Analyst for SKF Microlog. Na rys. 5 przedstawiono przykładow analiz FFT dla łoysk wentylatora centrali CK2, które z pomiarów kontrolowanych parametrów okazały si naj-prawdopodobniej uszkodzone.
Rysunek 5. Analiza FFT łoĪysk wentylatora centrali klimatyzacyjnej CK2: 1, 2, 3 – charakterystyczne czĊstotliwoĞci
ródło: opracowanie własne. AE, gE
Analiza FFT przedstawiona na rys. 5, potwierdziła uszkodzenie wzła łoyskowego, wiadcz o tym charakterystyczne czstotliwoci („piki”), zaznaczone na rysunku w punktach 1, 2 i 3. Po czciowym demonta, okazało si, e nastpił pocztek uszkodzenia na piercieniu zewntrznym. Na podstawie dokonanych pomiarów, przeprowadzonej analizy czstotliwociowej drga (ana-liza FFT), wytypowano łoyska, w których istnieje zagroenie, bd łoysko jest ju uszkodzone oraz łoyska, które naley regularnie kontrolowa, np. poprzez pomiar temperatury. Zostało to przedstawione w tabeli 2, odcie mocno szary oznacza zagroenie lub uszkodzenie, rednio szary konieczn biec kontrol, natomiast odcie jasno szary oznacza łoyska, które nie wykazuj ad-nych oznak uszkodzenia.
Tabela 2. Zestawienie oszacowanego stanu technicznego wĊzłów łoĪyskowych Oznaczenie centrali
klimatyzacyjnej
Łoyska silnika Łoyska wentylatora
1 2 3 4 CK1 CK2 CK3 CK4 CK5
ródło: opracowanie własne.
3. Podsumowanie
Przeprowadzone badania potwierdziły du przydatno analizy drga do diagnostyki łoysk. Poprawnie prowadzona diagnostyka, wpływa na efektywno zarzdzania całym procesem eksplo-atacji obiektów technicznych. Pozwala usprawni prac całego przedsibiorstwa, umoliwia planowanie napraw i przewidywanie awarii.
Kada diagnostyka stanu technicznego łoysk, nawet najprostrza, działa na korzy wydłuenia pracy łoysk, maszyn i całych linii produkcyjnych.
Bibliografia
[1] Branowski B., Podstawy konstrukcji napĊdów maszyn, Wydawnictwo Politechniki Poznaskiej, Pozna 2007.
[2] Chen J., Paliwal K. K., Nakamura S., Cepstrum derived from differentiated power spectrum for robust speech recognition, Speech Communication, No 41/2003, pp. 469–484.
[3] Dwojak J., Rzepiela M., Diagnostyka i obsługa techniczna łoĪysk tocznych, Biuro Gamma, Warszawa 2003.
[4] Eriksson P., SPM Spectrum for bearing analysis, Proceedings of the 16th International
Congress COMADEM 2003, Växjö, Szwecja 2003, pp. 723–730.
[5] ółtowski B., Podstawy diagnostyki maszyn, Wydawnictwa Uczelniane ATR, Bydgoszcz 1996.
[6] ółtowski B., Cempel Cz. (redakcja), InĪynieria diagnostyki maszyn, Instytut Technologii Eksploatacji, Radom 2004.
[8] SKF, ródło: http://www.skf.com.pl/products/bearings-units-housings/ball-bearings/deep- groove-ball-bearings/single-row-deep-groove-ball-bearings/sealing-solutions/contact-seals/index.html, Dostp: [2016.04.15]. [9] SKF, ródło: http://www.skf.com.pl/products/bearings-units-housings/roller- bearings/principles/design-considerations/sealing-solutions/external-seals/non-contact-seals/index.html, Dostp: [2016.04.15].
ANALYSIS OF BEARING VIBRATIONS AS A TOOL FOR MANAGEMENT DIAGNOSTICS
Summary
The article assesses the possibility of using vibration analysis of bearings for the diagnosis of their condition in terms of the effectiveness of management of the entire process operation. For vibration analysis, the following parameters: vibration speed, vibration acceleration and envelope of vibration acceleration.
Keywords: diagnostics, management, vibrations
Maciej Matuszewski Małgorzata Słomion Damian Słomiski
Instytut Technik Wytwarzania Wydział Inynierii Mechanicznej
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy e-mail: matus@utp.edu.pl
