Bogusław ŁAZARZ, G rzegorz W O JN A R, Zbigniew STANIK
WYKRYWANIE ZUŻYCIA I USZKODZENIA ŁOŻYSK KÓŁ JEZDNYCH POJAZDU SAMOCHODOWEGO
Streszczenie. W pracy przedstaw iono m etodę wykryw ania zużycia oraz lokalnego uszkodzenia bieżni zew nętrznej łożysk nie napędzanych kół jezdnych pojazdu samochodowego. A nalizom poddaw ano uzyskane na podstaw ie eksperym entów czynnych sygnały przyspieszeń drgań w zdłużnych czopa łożyskowego.
DETECTION OF FAILURE AND W EAR OF BEARINGS CARRIAGEABLE WHEELS OF VEHICLE
S u m m ary. The paper presents the application o f spectrum analysis and envelope in diagnostics o f bearings failure and wear. Tw o types local faults o f bearing w ere exam ined faults o f outer race and w ear o f surface. Axial vibrations have been recorded on bearing pivot at a different speed o f carriageable wheels.
1. W STĘP
Podczas eksploatacji pojazdu sam ochodow ego je g o elementy ulegają zużyciu. Do bardziej istotnych ze w zględów bezpieczeństw a należą w ęzły łożyskow e kół jezdnych pojazdu. Jednak pom im o dynam icznego, szczególnie w ostatnich latach, rozwoju metod rejestracji i przetwarzania sygnałów drganiow ych, w chwili obecnej stacje kontroli pojazdów nie są w yposażone w urządzenie służące do diagnozow ania stanu technicznego łożysk kół jezdnych pojazdów sam ochodowych. Dlatego w ramach niniejszej pracy podjęto próbę zastosow ania metod analizy sygnałów drganiow ych do diagnozow ania uszkodzeń tych elem entów pojazdu samochodowego.
2. W YBÓR PRO CESU JA K O ŹR Ó D ŁA IN FO RM A CJI O STANIE D Y NA M ICZN Y M
W różnych procesach zachodzących w m aszynie lub jej otoczeniu, takich ja k drgania, zm iany ciśnienia akustycznego, m om entu napędow ego i innych, znajdują się inform acje o stanie dynam icznym interesującego nas elem entu obiektu. Jest rzeczą oczyw istą, że każdy z tych procesów niesie rów nież inform acje zbędne z punktu w idzenia celu diagnozowania.
Istotną rzeczą staje się, zatem w łaściw e odtw orzenie modelu inform acyjnego danego procesu, na podstawie którego będzie m ożna podjąć decyzję o przyjęciu procesu ja k o sygnału diagnostycznego. W pracy [1] przedstaw iono tok postępow ania w odtw arzaniu m odelu
224 B. Łazarz, G. Wojnar, Z. Stanik
inform acyjnego m aszyny z niespraw nością typu mechanicznego. Model ten, przedstawiony na rys. 1 m ożna rów nież przyjąć w przypadku badania węzłów łożyskow ych kół jezdnych pojazdu samochodowego.
Niesprawność albo uszkodzenie podlegające ocenie
Rys. 1. Schem at tw orzenia sygnałów drganiowego i akustycznego związanych z niespraw nością m echaniczną m aszyny [1]
Fig. 1. Diagram o f creating o f vibration and acoustics signal connected with m echanical defectiveness o f m achine [1]
Sygnał drganiow y pochodzący od uszkodzenia mechanicznego podlegającego ocenie może być zakłócony jedynie przez ruch bliskich par kinem atycznych oraz przez sygnały innych uszkodzeń w tym obszarze (rys. 1). N atom iast sygnał akustyczny dodatkowo może być zakłócony przez efekty akustyczne: pochodzące od innych niesprawności w maszynie oraz zw iązane z w łasnościam i otoczenia pomiarowego. Jeżeli sytuacja pom iarowa będzie zgodna z przedstaw ioną na rysunku 1, to sygnał drganiowy będzie zaw ierał mniej informacji zbędnych z punktu w idzenia celu diagnozy. Jeśli zatem oceniany stan m aszyny oznaczymy przez w , a sygnał drganiow y i akustyczny odpowiednio przez s j i Sh, to w tym przypadku można napisać z dużym praw dopodobieństw em nierówność:
dsd > dsh
(
1)
8 w d w
co oznacza, że w rażliw ość sygnału drganiow ego na zm iany stanu będzie w iększa od wrażliwości sygnału akustycznego [1].
Dlatego w niniejszej pracy do w ykryw ania zużycia oraz lokalnego uszkodzenia bieżni zewnętrznej łożyska tocznego w ykorzystano tylko sygnały przyspieszeń drgań wzdłużnych czopa łożyskow ego (rys. 2), które m ierzono piezoelektrycznym przetwornikiem przyspieszeń.
3. BADANIA D O ŚW IA D CZA LNE I A N A LIZA W YNIKÓW
Obiektem badań były stożkow e łożyska toczne tylnych nie napędzanych kół jezdnych samochodu osobowego Seat Ibiza - rok produkcji 1993. Przeprowadzono badania
stanowiskowe, podczas których sam ochód był uniesiony na podnośniku warsztatow ym . Do rozpędzania koła jezdnego w ykorzystano dow ażarkę dynam iczną (rys. 2), która um ożliw ia rozpędzenie koła jezdnego do prędkości obrotowej odpowiadającej prędkości sam ochodu m aksym alnie około 150 km/h.
Rys. 2. Sposób rozpędzania koła jezdnego w celu pom iaru drgań: 1 - dow ażarka dynam iczna, 2 - przetw ornik przyspieszeń drgań, 3 - urządzenie diagnostyczne
Fig. 2. Speeding up o f carriageable wheel in aim o f m easurem ent vibration: 1 — on the car wheel balancer, 2 - accelerom eter, 3 - diagnostics apparatus
M ierzono przyspieszenia drgań w zdłużnych czopa łożyskowego. Rejestrowano również synchronicznie sygnały odniesienia zgodne z obrotam i koła jezdnego. Sygnał drganiowy oraz sygnał z układu synchronizacji uśredniania próbkowano z częstotliw ością 25600 Hz i zapisyw ano na dysku tw ardym komputera. Koło jezdne, łożyska toczne, którego diagnozowano, było w yw ażone na standardowej w yważarce. N iew yw ażenie koła 10-15 g powodowało blisko 10-krotny w zrost pierwszej harmonicznej częstotliw ości obrotowej koła (fimia)- Zarejestrow any sygnał drganiow y analizowano w trzech przedziałach zaznaczonych na rys. 3 słupkam i, których szerokość odpow iada długości analizow anego sygnału. W niniejszym opracow aniu przedstaw iono wyniki jedynie dla przypadku, w którym początkowa częstotliw ość obrotow a koła ( / koiapocz) w ynosiła 22 Hz.
1500
|
1000£
C 500
°0 2 4 6 8 10 12 1 4 w
czas [s]
Rys. 3. Zmiany prędkości obrotowej i częstotliw ości obrotowej koła podczas je g o wybiegu - łożyska zużyte. 1 ~ f koiapocz 22 Hz, 1 ~ f koiapocz ~ 21,5 Hz, 1 ~ f koiapocz ~ 20 Hz Fig. 3. Change o f rotation velocity and rotation frequency o f wheel during his coasting
- worn out bearings 1 - f koiapocz = 22 Hz, 1 - f koiapocz = 21,5 Hz, 1- / koiapocz = 20 Hz
226 B. Łazarz, G. Wojnar, Z. Stanik
W eksperym encie czynnym sym ulowano uszkodzenie uszczelniacza łożyska, w wyniku którego do w ęzła łożyskow ego dostał się piasek oraz inne zanieczyszczenia.
Łożyska były uszkadzane poprzez dodanie do środka sm arnego piasku i proszku korundowego. Spowodow ały one przyspieszone zużycie bieżni oraz elem entów tocznych (rys. 4), które nie było m ożliw e do w ykrycia metodam i organoleptycznymi. Łożysko również nie wykazywało luzu. Ślady zużycia w idoczne było dopiero po jego demontażu.
Ślady zużycia
Rys. 4. Ślady zużycia elem entów tocznych łożyska Fig. 4. Traces o f w ear o f rolling elem ents
Na rysunku 5 przedstaw iono zm iany struktury częstotliwościowej fragmentu zarejestrowanego sygnału przyspieszeń drgań, gdy / pncz = 22 Hz. W w idm ie sygnału przyspieszeń drgań podczas pracy łożysk nowych występowała praktycznie tylko częstotliw ość obrotow a koła (/*„/„) i jej harm oniczne (rys. 5). Dodanie piasku i korundu do środka sm arnego spow odow ało w zrost wartości składowych am plitud częstotliwości składowych sygnału w zakresie w yższych częstotliwości powyżej 400 Hz (rys. 6a). W ym iana środka sm arnego na now y m iała na celu zasym ulowanie pracy łożysk tocznych zużytych eksploatacyjnie bez udziału ciał obcych, np. piasku. W widmie zarejestrowanego sygnału drganiowego w idoczny je s t w yraźny w zrost (w stosunku do łożysk now ych) wartości częstotliwości obrotow ych koła (fk„ia) i jej harmonicznych (rys. 6b). N a rysunku 7 porównano wartości am plitudy kolejnych harm onicznych częstotliwości obrotowej koła (fk„ia) w przypadku pracy łożysk nowych oraz zużytych w obecności piasku i w przypadku „czystego”
środka smarnego.
0.3
rT "
i
"oT 0.2
I 01
I ! ... ! ' " ' '
~ ---— i---i— ..- i ---
200 400 600 800
f [Hz]
1000 1200 1400
Rys. 5. Analiza częstotliw ościow a sygnału - łożyska nowe Fig. 5. Spectrum - new bearings
f [Hz]
Rys. 6. Analiza częstotliw ościow a sygnału: a) łożyska zużyte - w środku sm arnym w ystępował piasek i korund, b) łożyska zużyte - środek sm arny w ym ieniono na nowy - sym ulowano jed en z rodzajów zużycia eksploatacyjnego
Fig. 6. Spectrum a) w orn out bearings - in lubricant w as sand and corundum , b) worn out bearings - lubricant w as new
□ łożyska nowe
■ łożyska zużyte - ob ecność piasku
□ łożyska zużyte - po w ym ian ie sm aru
1 2 3 4 5
kolejne harm oniczne częst. obr. koła
Rys. 7. W artości am plitudy kolejnych harm onicznych częstotliwości obrotowej koła (/*„/„) w przypadku pracy łożysk nowych oraz zużytych
Fig. 7. A m plitude o f harm onie w heel rotation frequency (fkoh) - new bearings and w orn out bearings
Podczas eksploatacji łożysk tocznych najczęściej w stępuje zużycie zm ęczeniow e powierzchni roboczych bieżni łożyska, w wyniku którego pojaw iają się na nich jam ki pittingowe. W kolejnym etapie badań, w zorując się na eksploatacyjnym zm ęczeniow ym
228 B. Łazarz, G. Wojnar, Z. Stanik
Rys. 8. Lokalne uszkodzenia bieżni łożyska tocznego: a) eksploatacyjne, b) zastosow ane w badaniach dośw iadczalnych
Fig. 8. Local failure o f outer race: a) usual wear, b) applied in experimental investigations uszkodzeniu bieżni łożyska (rys. 8a), zasym ulowano lokalne uszkodzenie bieżni zewnętrznej mniejszego z dwóch łożysk zam ontow anych na czopie łożyskowym badanego koła jezdnego pojazdu (rys. 8b).
jamki pittingowe lokalne uszkodzenie bieżni łożyska
Uszkodzenie przedstaw ione na rysunku 8b powodowało wzrost wartości częstotliw ości (fh:) związanej z przetaczaniem się elem entów tocznych przez uszkodzony fragm ent bieżni zew nętrznej. W rozw ażanym przypadku częstotliw ość ta wynosiła 122,2 Hz, a w yznaczono j ą na podstawie zależności przedstaw ionych w [4,5], N a rysunku 9 przedstaw iono w idm o obwiedni w przypadku pracy łożysk nowych. W w idm ie tym występuje praktycznie jedynie częstotliwość obrotow a koła (fk,,ia) i jej harm oniczne. N atom iast na rysunku 10 przedstaw iono widm o obwiedni w przypadku lokalnego uszkodzenia bieżni zewnętrznej m niejszego z łożysk tocznych. W idoczna je st częstotliw ość zw iązana z przetaczaniem się elem entów tocznych przez uszkodzony fragm ent bieżni łożyska (//,-) oraz jej harmoniczne.
f [Hz]
Rys. 9. Widmo o b w ied n i—łożyska nowe Fig. 9. Spectrum o f envelope - new bearings
0 200 400 600 600 1000 1200 1400
f[H z]
Rys. 10. W idmo obwiedni — lokalne uszkodzenie bieżni zew nętrznej łożyska m ałego Fig. 10. Spectrum o f envelope - local failure o f outer race o f sm aller bearings
4. WNIOSKI
N a podstaw ie przeprow adzonych badań i w ykonanych analiz m ożna sform ułow ać następujące wnioski:
• niewyważenie koła pow odow ało w zrost am plitudy pierwszej harm onicznej częstotliwości obrotowej koła,
• zużycie pow ierzchni roboczych elem entów tocznych łożysk kół jezdnych i obecność piasku w łożysku pow odow ał w zrost am plitud składowych częstotliw ości powyżej 400 Hz,
• zużycie pow ierzchni roboczych elem entów tocznych łożysk kół jezdnych, w przypadku sym ulow ania zużycia eksploatacyjnego (brak obecności ciał obcych) powodow ało znaczący w zrost wartości am plitud kolejnych harm onicznych częstotliwości obrotowej koła,
• lokalne uszkodzenie bieżni zew nętrznej łożyska tocznego pow odow ało w zrost wartości am plitudy składow ej o częstotliwości (/¡,2) związanej z przetaczaniem się elem entów tocznych przez uszkodzony fragm ent bieżni.
Przeprowadzone badania m ają charakter wstępny, a przedstawione wnioski powinny być zweryfikowane na większej liczbie pojazdów , o różnych rozwiązaniach w ęzłów łożyskow ych kół jezdnych.
L ite ra tu ra
1. Cempel Cz.: Podstaw y w ibroakustycznej diagnostyki maszyn. W NT, W arszawa 1982.
2. Dąbrowski Z., D ziurdź J., Pakowski R.: The impact o f varying in tim e m isalignm ent errors on dynam ic properties o f m achine, M ateriały VIII Polsko-Francuskiego Seminarium M echaniki, W arszaw a 2001.
3. Krzemiński - Freda H.: Ł ożyska toczne. PWN, W arszawa 1985.
4. Łazarz B., W ojnar G.: B ezkontaktow e pomiary laserowe drgań w diagnostyce wibroaustycznej. XI Sym pozjum N aukow e „Nowe technologie i materiały w metalurgii i inżynierii m ateriałow ej” , Katowice, 16.05.2003.
5. SKF.: Poradnik obsługi technicznej łożysk. SKF, 1994.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Zbigniew Dąbrowski
