W poprzednich artykułach dotyczących łożysk tocznych i ich diagnozowania za pomocą metod wibroakustycznych przedstawiono wpływ cech konstrukcyjnych oraz uszkodzeń elementów łożysk tocznych na sygnały wibroakustyczne generowane przez badany obiekt („UR”, nr 2/2016). Z wykorzystaniem różnych analiz sygnałów wibroakustycznych znajomość częstotliwości charakterystycznych, które mogą się pojawić w sygnałach na skutek różnych uszkodzeń łożyska, umożliwia wykrycie i określenie rodzaju uszkodzenia występującego w łożysku.

Skuteczność diagnostyki maszyn prowadzonej metodami wibroakustycznymi w dużym stopniu zależy od poprawnego doboru lokalizacji punktów pomiarowych, a także od zastosowanych algorytmów przetwarzania sygnałów i ich wrażliwości na zachodzące na skutek uszkodzeń zmiany w analizowanych sygnałach. Dotychczas przedstawiono próby oceny stanu technicznego łożysk tocznych zamontowanych w przekładni zębatej oraz krążnikach przenośnika taśmowego („UR”, nr 3/2016). W niniejszym artykule zaprezentowane zostaną wyniki analiz sygnałów pozyskanych z łożysk zamontowanych w pojeździe samochodowym, jak również z krążników przenośnika taśmowego, jednakże po dłuższym, niż to zaprezentowano wcześniej, czasie ich eksploatacji.

Do określania stanu technicznego łożysk tocznych z wykorzystaniem sygnałów wibroakustycznych zarejestrowanych na badanym obiekcie można wykorzystać różne metody przetwarzania sygnałów. Do najprostszych z nich zaliczyć można przede wszystkim proste miary amplitudowe, m.in.:

• wartość skuteczną xRMS:

• odchylenie standardowe σ2:

• wartość międzyszczytową xP-P:

• wariancję υ:


Do oceny stanu technicznego wykorzystywane są również dyskryminanty bezwymiarowe:

• współczynnik szczytu C:


• współczynnik kształtu K:

• współczynnik luzu L:

• współczynnik impulsowości I:

W przedstawionych poniżej badaniach wykorzystano również inne metody analiz, w tym także metody jednoczesnej analizy sygnałów w dziedzinach czasu i częstotliwości.

Przykład diagnozowania łożysk tocznych w pojazdach samochodowych

Diagnozowanie łożysk tocznych w pojazdach samochodowych jest utrudnione ze względu na różne spotykane ich rozwiązania, często specjalnie opracowane do konkretnego pojazdu [9].

Znajomość rozwiązania konstrukcyjnego pozwala jednak na wyznaczenie (za pomocą wzorów przedstawionych m.in. w [3, 4, 6, 10]) charakterystycznych częstotliwości i na tej podstawie określenie stanu technicznego badanego łożyska. Taki sposób określania stanu technicznego może również znaleźć zastosowanie w odniesieniu do łożysk w maszynach roboczych czy innych obiektach technicznych.

Diagnozowanie łożysk w pojeździe powinno być prowadzone w sposób umożliwiający odizolowanie węzła łożyskowego od innych źródeł drgań. W ten sposób można uniknąć wpływu działania innych układów na rejestrowany sygnał i ułatwić prowadzenie diagnostyki. Należy jednak pamiętać, że dobre rezultaty można uzyskać, analizując sygnały zarejestrowane, gdy węzeł łożyskowy jest obciążony, w przeciwnym razie uszkodzenia mogą wywoływać zbyt małe zaburzenia i nie zostać przez to wykryte. Analizę sygnałów może znacznie ułatwić również rejestrowanie łącznie z sygnałem drganiowym sygnału odniesienia, który pozwoli dokładnie określić względną częstotliwość obrotu między bieżnią wewnętrzną i zewnętrzną, a przez to wyznaczyć częstotliwości powtarzania wymuszeń wywołanych uszkodzeniem.
Przykładowe wyniki analiz sygnałów drganiowych łożysk zamontowanych w pojeździe, wykazujących zużycie eksploatacyjne, pozyskanych z użyciem przetworników przyspieszeń PCB M353B15 oraz M353B16 i zarejestrowanych za pomocą karty akwizycji danych EC VibDAQ 8+ z częstotliwością próbkowania 128 kHz, zostały pokazane na rys. 1. Ukazano na nim procentowy przyrost wartości wybranych miar wyznaczonych z sygnału pozyskanego na obiekcie wykazującym zużycie do wartości wybranych miar wyznaczonych z sygnału zmierzonego na obiekcie z zamontowanym nowym łożyskiem. Dokładny opis badań przedstawiono w pracy [9].

Spośród zastosowanych do analiz miar najbardziej wrażliwa na wystąpienie zużycia okazała się wariancja.

Przykład diagnozowania łożysk tocznych w krążniku przenośnika taśmowego

Krążniki są najliczniejszą grupą elementów wchodzących w konstrukcję przenośników taśmowych. Utrzymanie ich prawidłowego stanu technicznego stanowi gwarancję uzyskania poprawnych warunków pracy przenośnika – właściwego biegu taśmy, małych oporów jej przetaczania, trwałości taśmy czy wreszcie minimalnych oporów ruchu [1].

To z kolei ma wpływ na zapotrzebowanie na moc napędową przenośnika, a więc koszty jego eksploatacji. Diagnozowanie łożysk tocznych w krążniku przenośnika taśmowego zostało już przedstawione w artykułach [5, 7, 8].

Prowadzone w warunkach laboratoryjnych kolejne badania objęły grupę kilkudziesięciu krążników (rys. 2) eksploatowanych, podobnie jak poprzednio, w kopalni węgla kamiennego. Badania różnił czas eksploatacji krążników, których stan techniczny i przydatność do dalszej eksploatacji weryfikowano.

Wszystkie zaklasyfikowane do dalszych badań sztuki krążników poddano następującym testom sprawdzającym:

  • wygląd zewnętrzny i stan powierzchni,
  • wymiary zewnętrzne,
  • bicie promieniowe,
  • statyczne opory obracania,
  • dynamiczne opory obracania,
  • stan ułożyskowania.

Zarówno podczas wcześniejszych badań, jak i teraz, z uwagi na warunki pracy przenośnika, zwłaszcza hałas towarzyszący jego pracy, przyjęto założenie, że próba diagnozowania krążników odbywać się będzie wyłącznie w oparciu o analizę sygnałów drganiowych. W wielu przypadkach sygnał drganiowy jest uważany za znacznie bardziej użyteczny od sygnału akustycznego [2]. Podjęte założenie jest również konsekwencją braku możliwości pełnego odizolowania sygnału akustycznego generowanego przez krążnik, zwłaszcza przez jego łożyska, od innych źródeł hałasu w warunkach rzeczywistej pracy przenośnika.

W czasie badań krążniki montowane były na stanowisku laboratoryjnym umożliwiającym doprowadzenie napędu do osi, ich płaszcz był unieruchamiany za pomocą specjalnej obejmy. W odróżnieniu od warunków pracy w kopalni, podczas których w przenośniku oś pozostaje nieruchoma, a obraca się jego płaszcz, na stanowisku badawczym oś krążnika napędzana była bezpośrednio przez silnik elektryczny z prędkością obrotową około 650 obr./min.

W trakcie pomiarów dokonano jednoczesnego pomiaru:

  • przyspieszeń drgań liniowych płaszcza krążnika w miejscach położonych nad węzłami łożyskowymi (2 punkty w odległości około 50 mm od krawędzi krążnika);
  • przebiegów czasowych znacznika położenia kątowego osi krążnika.

Podobnie jak w przypadku diagnozowania łożyska tocznego pojazdu samochodowego, również w tym przypadku określono zmiany wartości miar dla łożysk wykazujących zużycie w odniesieniu do wartości miar określonych dla nowego łożyska.

Pomiary przyspieszeń drgań płaszcza krążnika przeprowadzono również dla jednego krążnika znajdującego się w stanie nowym. Pozostałe wykazywały zużycie eksploatacyjne wywołane ich kilkumiesięczną pracą w przenośniku. Pomiary przyspieszeń drgań wykonano z użyciem przetworników PCB M353B15 i M353B16 oraz karty akwizycji danych EC VibDAQ 8+. Częstotliwość próbkowania wynosiła 31,25 kHz, co pozwalało na zarejestrowanie całego zakresu częstotliwości mierzonych przez przetworniki. Pomiar prowadzony na jednym z krążników ukazuje rys. 3.

Poza kilkoma krążnikami poziom wartości skutecznej przyspieszeń drgań był porównywalny z krążnikiem nowym. Również uzyskane wartości wszystkich dyskryminant nie wykazały zróżnicowania w stopniu pozwalającym na określenie zmiany stanu technicznego. Z tego powodu uzyskane wyniki z użyciem tych miar nie zostały zaprezentowane w artykule.

Widma częstotliwościowe wyznaczone z użyciem analizy Fouriera dotyczą dwóch krążników, spośród których jeden znajdował się w stanie nowym, a drugi wykazywał największe zużycie spośród wszystkich przebadanych egzemplarzy. Zmiany wartości amplitud już w przebiegach czasowych przyspieszeń drgań pokazano na rys. 4.

W przypadku krążnika nowego najwięcej składowych częstotliwościowych występowało w zakresie częstotliwości poniżej 1 kHz. Widmo krążnika uszkodzonego miało zdecydowanie bardziej szerokopasmowy charakter.

Widma na rys. 5 przedstawiono w zakresie do 5 kHz z uwagi na fakt, że składowe o wyższych częstotliwościach wykazywały znacząco mniejsze amplitudy (o ponad rząd wielkości). Górna granica częstotliwości, możliwa do uzyskania podczas pomiarów z użyciem zastosowanych czujników, wynosiła 10 kHz.

Podsumowanie

W przedstawionych przykładach diagnozowanych obiektów technicznych pokazano, że możliwe jest określanie zmian stanu technicznego łożysk tocznych z użyciem metod wibroakustycznych, bez konieczności ich demontażu. W zależności od stopnia złożoności badanego obiektu konieczne mogą być inne podejście diagnostyczne oraz stosowanie różnych metod analiz zarejestrowanych sygnałów.

Istotne zmiany stanu technicznego mogą być bardzo dobrze widoczne już w wartościach prostych miar amplitudowych czy też różnych dyskryminant bezwymiarowych. Były one wystarczające w przypadku diagnozowanych łożysk w kołach jezdnych pojazdu samochodowego. W trudniejszych przypadkach (jak w przypadku weryfikowanych krążników przenośnika taśmowego) należy wykorzystać bardziej zaawansowane metody analiz, m.in. analizy czasowo-częstotliwościowe. Wyniki badań łożysk zamontowanych w pojeździe wyraźnie różnią się dla obu stanów technicznych. Proste miary wykazały w badanym przypadku znaczne zmiany wartości.

Zdecydowanie trudniej określić było z użyciem prostych miar stan techniczny łożysk tocznych w krążnikach przenośnika taśmowego. Mimo długiego okresu pracy w ciężkich warunkach eksploatacyjnych ich stan techniczny w dużej części nadal pozwalał na dalszą eksploatację. Takie wnioski wyciągnięto na podstawie różnych badań wstępnych, istotnych różnic nie wykazały również wyniki badań opierających się na pomiarach przyspieszeń drgań płaszcza krążników nad węzłami łożyskowymi. Dobry stan techniczny nie dotyczył wszystkich krążników, wyniki przedstawione w artykule pokazują różnicę poziomu drgań między najbardziej zużytym spośród wszystkich niezatartych krążników a krążnikiem nowym.

Na poziom drgań krążnika nowego ma wpływ rodzaj zastosowanego łożyska – zastosowanie osłony spowodowało wzrost obliczonych miar, a więc okazało się ono w tym sensie niekorzystne. Uzyskane wyniki pozwalają zauważyć wystąpienie zróżnicowanego zużycia łożysk tocznych w badanych krążnikach, co przekłada się na wzrost drgań ich płaszcza. Wyznaczone wartości miar statystycznych, często wybieranych do określania stanu technicznego różnych obiektów technicznych, w tym łożysk tocznych [8], nie wykazały dla pozostałych przypadków istotnego zróżnicowania w odniesieniu do wartości określonych dla krążnika nowego.

Piśmiennictwo
  1. Bartelmus W.: Diagnostyka maszyn górniczych. Górnictwo odkrywkowe. Katowice 1998.
  2. Cempel C.: Podstawy wibroakustycznej diagnostyki maszyn. Warszawa 1982.
  3. Krzemiński-Freda H.: Łożyska toczne. PWN, Warszawa 1985.
  4. McFadden P.D., Smith J.D.: Model for vibration produced by single point defect in a rolling element bearing. „Journal of Sound and Vibration”, 96 (1), 1984.
  5. Peruń G.: Attempt to evaluate the technical condition of the rollers of the belt conveyor by vibration measurements. „Vibroengineering Procedia”, 3/2014, s. 296-299.
  6. Peruń G.: Diagnozowanie łożysk tocznych z wykorzystaniem metod wibroakustycznych. Część I – modelowanie sztywności łożysk tocznych. „Utrzymanie Ruchu”, 1/2016.
  7. Peruń G.: Diagnozowanie łożysk tocznych z wykorzystaniem metod wibroakustycznych. Część II – przykłady diagnozowania łożysk tocznych. „Utrzymanie Ruchu”, 3/2016.
  8. Peruń G., Opasiak T.: Assessment of technical state of the belt conveyor rollers with use vibroacoustics methods – preliminary studies. „Diagnostyka”, 17 (1), 2016, s. 75-81.
  9. Peruń G., Stanik Z.: Evaluation of state rolling bearings mounted in vehicles with use of vibration signals. „Arch. Metall. Mater”, 3/2015, s. 1679-1683.
  10. SKF: SKF Katalog główny. 2007.

Rys. 1. Wartości miar amplitudowych wywołane zużyciem łożyska odniesione do wartości określonych dla łożyska nowego. Spośród przedstawionych miar najbardziej wrażliwa na wystąpienie zużycia okazała się wariancja

Rys. 2. Wybrane spośród wszystkich przeznaczonych do badań krążniki przenośnika taśmowego; fot. G. Peruń

Rys. 3. Jeden z badanych krążników z widocznymi przetwornikami zamontowanymi nad węzłami łożyskowymi w trakcie pomiaru przyspieszeń drgań;fot. G. Peruń

Rys. 4. Przebiegi napięciowe uzyskane dla krążnika wykazującego najgorszy stan techniczny z krążników zaklasyfikowanych do badań wibroakustycznych (kolor czerwony) oraz dla krążnika nowego (kolor niebieski)

Rys. 5. Widma częstotliwościowe uzyskane dla krążnika wykazującego najgorszy stan techniczny z krążników zaklasyfikowanych do badań wibroakustycznych (kolor czerwony) oraz dla krążnika nowego (kolor niebieski)
W związku z wejściem w dniu 25 maja 2018 roku nowych przepisów w zakresie ochrony danych osobowych (RODO), chcemy poinformować Cię o kilku ważnych kwestiach dotyczących bezpieczeństwa przetwarzania Twoich danych osobowych. Prosimy abyś zapoznał się z informacją na temat Administratora danych osobowych, celu i zakresu przetwarzania danych oraz poznał swoje uprawnienia. W tym celu przygotowaliśmy dla Ciebie szczegółową informację dotyczącą przetwarzania danych osobowych.
Wszelkie informacje znajdziesz tutaj.
Zachęcamy również do zapoznania się z naszą nową Polityką Prywatności.
W przypadku pytań zapraszamy do kontaktu z naszym Inspektorem Ochrony Danych Osobowych pod adresem iodo@elamed.pl

Zamknij