1

W 7. DIAGNOZOWANIE ŁO

ś

YSK TOCZNYCH

Dlaczego diagnozowanie ło

ż

ysk tocznych jest tak istotne ?

• Ło

ż

yska toczne s

ą

powszechnie u

ż

ywanym elementem.

Znajduj

ą

si

ę

w ok. 80 % urz

ą

dze

ń

mechanicznych

eksploatowanych przez człowieka

• Stosowane s

ą

w celu minimalizacji tarcia pomi

ę

dzy

poruszaj

ą

cymi si

ę

wzgl

ę

dem siebie elementami maszyn.

Tarcie potoczyste jest od 100 do 1000 razy mniejsze od
tarcia

ś

lizgowego (posuwistego)

mniejsze zu

ż

ycie par kinematycznych

oszcz

ę

dno

ść

energii

RODZAJE ŁO

ś

YSK TOCZNYCH

KLASYFIKACJA:

z uwagi na kształt elementu
tocznego

• kulkowe
• wałeczkowe

(walcowe, sto

ż

kowe,

baryłkowe igiełkowe)

z uwagi na kierunek przenoszenia
obci

ąż

enia

• poprzeczne
• wzdłu

ż

ne

• sko

ś

ne

BUDOWA
Ka

ż

de ło

ż

ysko toczne składa si

ę

z:

• dwóch pier

ś

cieni wraz z bie

ż

niami ,

• kilku (kilkunastu) elementów

tocznych (o ró

ż

nych kształtach)

• koszyka utrzymuj

ą

cego

odpowiednie dystans pomi

ę

dzy

elementami tocznymi

Program Leonardo da Vinci „ Signal processing for acoustic and vibration

diagnosis of rotating machines” (Module B)

PRZYCZYNY USZKODZE

Ń

ŁO

ś

YSK TOCZNYCH

NIEWSPÓŁOSIOWO

ŚĆ

WAŁÓW

szczególn

ą

uwag

ę

nale

ż

y zwróci

ć

na poprawny monta

ż

sprz

ę

gieł, wypoziomowanie

wałów.

DEFEKTY POWSTAJ

Ą

CE PRZED LUB W TRAKCIE MONTA

ś

U:

- niewła

ś

ciwe przechowywanie (korozja),

- niewła

ś

ciwy monta

ż

(przyczyna 25- 40 % przedwczesnych uszkodze

ń

)

- złe osadzenie, niedostateczne oczyszczenie oprawy,
- nieodpowiednie przyrz

ą

dy do monta

ż

u, nierównomierne przykr

ę

cenie kołnierza itd.

AGRESYWNE

Ś

RODOWISKO PRACY

- drgania zewn

ę

trzne np.: momenty

ż

yroskopowe,

- fałszywe odciski Brinella -

lokalne zu

ż

ycie na skutek drga

ń

zewn

ę

trznych gdy ło

ż

ysko pozostaje w spoczynku,

- zabrudzenia smaru.

ZANIECZYSZCZENIA

- mało skuteczne uszczelnienia np. działanie wody, osady, kamie

ń

kotłowy itp..

ZŁE SMAROWANIE

- nieodpowiedni smar,
- niesprawno

ść

systemu smarowania

PRZYCZYNY USZKODZE

Ń

ŁO

ś

YSK TOCZNYCH

PRZEKROCZENIE GRANICZNEJ PR

Ę

DKO

Ś

CI

obrotowej ło

ż

yska.

PRZEKROCZENIE NO

Ś

NO

Ś

CI

statycznej lub dynamicznej powodowane przez:

- przeci

ąż

enie

- zbyt ciasne pasowanie
- zjawiska termiczne

DRGANIA MASZYNY

- niewywa

ż

enie, nieosiowo

ść

wałów itp..

ELEKTROEROZJA

- przepływ pr

ą

du elektrycznego –(wystarczy ró

ż

nica potencjałów 0.5 V i pr

ą

d 0.01 A )

(exproof I< 2 mA).

WADY MATERIAŁOWE I WYKONAWCZE ŁO

ś

YSKA

BŁ

Ę

DY KONSTRUKCYJNE I WYKONAWCZE W

Ę

ZŁA ŁO

ś

YSKOWEGO

- zła geometria obudowy
- nieprostok

ą

tny przekrój,

- nadmierny luz (po

ś

lizgi),

- niewspółosiowo

ść

.

PROCESY TOWARZYSZ

Ą

CE ZU

ś

YCIU ŁO

ś

YSK TOCZNYCH

czas eksploatacji ło

ż

yska / zu

ż

ycie ło

ż

yska

fa

z

a

s

z

u

m

o

w

a

fa

z

a

d

rg

a

n

io

w

a

fa

z

a

t

e

rm

ic

z

n

a

Pojawienie si

ę

emisji akustycznej (pasmo 100 kHz – 1MHz)

Wzrost drga

ń

w pa

ś

mie pocz

ą

tkowo wysokich

nast

ę

pnie

ś

rednich cz

ę

stotliwo

ś

ci (cz

ę

stotliwo

ść

obni

ż

a si

ę

wraz z post

ę

puj

ą

cym zu

ż

yciem ło

ż

yska

i rozmiarami uszkodze

ń

)

Wzrost poziomu emitowanego hałasu

(w pa

ś

mie d

ź

wi

ę

ków słyszalnych)

Pojawienie si

ę

sygnałów w pa

ś

mie ultrad

ź

wi

ę

kowym

20 kHz - 100 kHz

Zanieczyszczenia smaru (oleju)

Wzrost oporów

ruchu

Wzrost

temperatury

fa

z

y

d

e

g

ra

d

a

c

ji

t

e

c

h

n

ic

z

n

e

j

ł

o

ż

y

s

k

a

Pierwsze

uszkodzenia w

skali mikro

Pojawienie się mikro-
pittingu i pierwszych

uszkodzeń bieżni

i/lub elementów

tocznych

AWARIA

Nowe

ł

ożysko

Pojawienie się

uszkodzeń w skali

makro np. ubytki

materia

ł

u w bieżni

Dobrze widoczne

produkty zużycia bieżni,

elementów tocznych,

koszyka w oleju lub

smarze

Chwilowe zacieranie

się elementów tocznych

wywo

ł

ane obecnością

zanieczyszczeń

produktów zużycia

Zatarcie się

ł

ożyska, praca bez smarowania,

pęknięcie kosza i rozsypanie się elementów

tocznych, bespośredni kontakt bieżni

EMISJA AKUSTYCZNA EA

–sygnały

wysokocz

ę

stotliwo

ś

ciowe („trzaski

materiałowe”) towarzysz

ą

ce m.in.

p

ę

kni

ę

ciom materiału, wewn

ę

trznemu

tarciu mi

ę

dzycz

ą

steczkowemu, ruchom

dyslokacji.

Najcz

ęś

ciej stosowane pasmo:

100 (50) kHz - 1 MHz

(zale

ż

nie od o

ś

rodka i charakteru

zjawisk).

Stosowane metody analizy sygnału EA:

zliczanie impulsów,
analiza cz

ę

stotliwo

ś

ci ich wyst

ę

powania,

ś

rednia energia zdarze

ń

impulsowych.

Stosowana do oceny stanu ło

ż

ysk

szczególnie odpowiedzialnych.

Pomiar emisji akustycznej

SPOSOBY ANALIZOWANIA

SYGNAŁU EMISJI

AKUSTYCZNEJ

a) pomiar amplitudy

b) zliczanie impulsów powy

ż

ej

progu detekcji

c) pomiar czasu trwania

impulsów

d) analiza cz

ę

stotliwo

ś

ci

wyst

ę

powania zdarze

ń

e) pomiar energii sygnału

[Cempel C, Tomaszewski F. Diagnostyka

Maszyn]

ZALETY

:

Bardzo wczesne wykrywanie uszkodze

ń

(detekcja pocz

ą

tku degradacji, wej

ś

cie w faz

ę

przyspieszonego zu

ż

ycia)

WADY

:

Brak zalece

ń

i norm zawieraj

ą

cych zasady warto

ś

ciowania i interpretacji wyników

2

Shock pulse measurement (SPM® Method)

(

http://www.spminstrument.se/

)

Wykorzystuje pomiar impulsów udarowych w
pa

ś

mie rezonansu przetwornika ok. 32 kHz.

Opracowano skale ocen jako

ś

ci ło

ż

ysk z

uwzgl

ę

dnieniem wielko

ś

ci ło

ż

yska i pr

ę

dko

ś

ci

obrotowej.

Ocena polega na porównaniu aktualnie
zmierzonego poziomu pr

ę

dko

ś

ci uderze

ń

z

poziomem ło

ż

yska bez defektów

Istotne jest przestrzeganie zasad lokalizacji i
mocowania przetwornika

Pomiar impulsów udarowych Metoda SPM

Ró

ż

nica pomi

ę

dzy SPM a pomiarem drga

ń

Przetwarzanie sygnału impulsu udarowego

ZALETY

: Szybki Pomiar łatwa obsługa. Wczesne wykrywanie

uszkodze

ń

. Opracowano warto

ś

ci kryterialne dla oceny

poszczególnych ło

ż

ysk

WADY:

Pomiar uzale

ż

niony od miejsca pomiaru i sposobu mocowania

przetwornika. Inne

ź

ródła (np. kawitacja, udary w innych

elementach ) mog

ą

zakłóca

ć

pomiar.

Wymagana jest znajomo

ść ś

rednicy otworu ło

ż

yska i pr

ę

dko

ś

ci obrotowej

W PRAKTYCE

Pomiar drga

ń

bezwzgl

ę

dnych

mierzone s

ą

głównie warto

ś

ci skuteczne:

- przyspiesze

ń

drga

ń

(preferowane)

- pr

ę

dko

ś

ci drga

ń

(rzadko)

Pomiar drga

ń

wzgl

ę

dnych

(stosowane

bardzo rzadko tylko dla du

ż

ych maszyn

wolnoobrotowych np. walcarek

)–

mierzone s

ą

amplitudy przemieszcze

ń

drga

ń

(umo

ż

liwia to

ś

ledzenie luzów i zu

ż

ycia ciernego ło

ż

ysk)

Stosowane pasma pomiarowe:

10 Hz – 15 kHz (dla przyspiesze

ń

),

zalecane pasmo powy

ż

ej 3.5 kHz

10 Hz – 1kHz (lepiej 10 kHz) (dla pr

ę

dko

ś

ci)

Warto

ś

ci graniczne drga

ń

Brak zalece

ń

normowych, przyjmowane s

ą

indywidualnie na podstawie własnych pomiarów
i do

ś

wiadcze

ń

.

Je

ś

li ich nie mamy to w ostateczno

ś

ci wst

ę

pnie dla

pomiarów pr

ę

dko

ś

ci drga

ń

mo

ż

emy je przyj

ąć

na

podstawie norm (np. VDI 2056 PN ISO 10816)

Pomiary drga

ń

ło

ż

ysk

ZALETY

:

Szybka ocena, tanie oprzyrz

ą

dowanie

WADY

:Ocena stanu ma charakter ogólny; niemo

ż

no

ść

identyfikacji defektów. Niejednoznaczno

ść

z uwagi na mo

ż

liwo

ść

wyst

ą

pienia zakłóce

ń

z innych

ź

ródeł i zjawisk.

MIARY SYGNAŁU DRGANIOWEGO

•

RMS - wartość skuteczna; zazwyczaj wzrasta

wraz z rozwojem uszkodzenia

•

Wariancja zazwyczaj jest wyższa w

uszkodzonych łożyskach

•

Współczynnik szczytu „K” wzrasta kiedy

uszkodzenie się pojawia, a następnie maleje w
trakcie dalszego rozwoju uszkodzenia

•

Kurtoza teoretyczne wynosi 3 dla łożysk

nieuszkodzonych dla łożysk z defektami przyjmuje
wyższe wartości

AMPLITUDA DRGAŃ:

•

będzie zazwyczaj większa w pobliżu miejsca

wystąpienia defektu (należy pamiętać o tym przy
wyborze miejsca odbioru sygnału lokalizacji
czujnika),

•

zależy od rozmiar uszkodzenia,

•

zależy od obciążenia , prędkości obrotowej i

konstrukcji obudowy,

•

w łożyskach promieniowych jest często

modulowana prze obciążenie.

Fazy degradacji ło

ż

ysk a poziomy drga

ń

powyżej

60

powyżej

300

katastrofalny;

wyłącz

natychmiast!

-

dominacja

zjawisk

termicznych

deformacje elementów
i znaczne ubytki
masowe;
wzrost oporów ruchu;
wzrost temperatury i
spadek wytrzymałości

Faza
termiczna

25 –60

40 – 300

groźny

wymiana w

przeciągu

2 dni

lawina

spadających

kamieni

obniżanie się

ś

redniej

częstotliwości

drgań

dominujące ubytki
masowe,
wzrost luzów
drgania czopa wału

Faza
drganiowa

4.5 – 10

10 – 25

1– 10

10 – 40

niewielkie

defekty

zaplanuj

wymianę w
przeciągu 3

tygodni

upadek

pojedynczych
kamieni na tle

szumu morza

szum pasmowy

pierwsze uszkodzenia

Faza
szumowa

0.25 – 4.5

0.1 – 1.0

brak

uszkodzeń

szum morza

szum

szerokopasmowy

brak uszkodzeń

Nowe łożysko

prędkości

drgań

[mm/s]

10-10kHz

przyspieszeń

drgań

[m/s

2

]

Zakres wartości RMS

stan

Efekt

obserwacji

stetoskopowej

Postać widma

sygnału

drganiowego

Przebieg degradacji

łożyska

Faza

degradacji

Pomiar kurtozy

ZALETY

:

Szybki i prosty pomiar

Nie jest wymagana znajomo

ść

wymiarów ło

ż

yska i warunków pracy

Mo

ż

liwe jest wykrywanie uszkodze

ń

we wczesnej fazie ich rozwoju

WADY

:

Konieczno

ść

indywidualnego doboru pasma pomiarowego dla danego w

ę

zła ło

ż

yskowego

•

Wielko

ść

bezwymiarowa definiowana jako:

( )

( )

2

0

2

0

4

1

1















=

∫

∫

T

T

dt

t

x

T

dt

t

x

T

K

Dla

ł

o

ż

ysk bez defektów K wynosi ok. 3

Wzrost kurtozy informuje o pogarszaniu si

ę

stanu

ł

o

ż

yska

Zale

ż

na jest od pasma cz

ę

stotliwo

ś

ci w którym dokonywany jest

pomiar (przyk

ł

adowo British Steel Corporation stosuje 5 pasm w

zakresie cz

ę

stotliwo

ś

ci pasmo 2.5 – 80 kHz)

Nie jest zale

ż

na od pr

ę

dko

ś

ci obrotowej i obci

ąż

enia

ł

o

ż

yska.

Analiza widmowa drga

ń

ło

ż

ysk

ZALETY

:

Szybki i prosty pomiar

Nie jest wymagana znajomo

ść

wymiarów ło

ż

yska i warunków pracy

Mo

ż

liwe jest wykrywanie uszkodze

ń

we wczesnej fazie ich rozwoju

WADY

:

Konieczno

ść

indywidualnego doboru pasma pomiarowego dla danego w

ę

zła ło

ż

yskowego

SKŁAD WIDMOWY SYGNAŁU DRGANIOWEGO ŁO

ś

YSKA

Ka

ż

dy uszkodzony element ło

ż

yska generuje impulsy, których cz

ę

stotliwo

ść

w wi

ę

kszo

ś

ci przypadków

jest proporcjonalna do pr

ę

dko

ś

ci obrotowej wału.

Cz

ę

stotliwo

ś

ci powtarzania impulsów s

ą

zale

ż

ne od:

geometrii ło

ż

yska

liczby elementów tocznych
miejsca uszkodzenia (bie

ż

nia wewn

ę

trzna, bie

ż

nia zewn

ę

trzna, element toczny, kosz)

Sygnały odbierane przez czujniki drga

ń

s

ą

w rzeczywisto

ś

ci drganiami strukturalnymi obudowy ło

ż

yska

pobudzanej przez (mikro/ makro) uderzenia wyst

ę

puj

ą

ce w ło

ż

ysku;

- drgania w pa

ś

mie do 3 kHz zawieraj

ą

składowe o cz

ę

stotliwo

ś

ciach charakterystycznych dla

defektów poszczególnych elementów (uderze

ń

) oraz składowe nadharmoniczne,

- drgania pa

ś

mie powy

ż

ej 10 kHz zwi

ą

zane s

ą

głównie z rezonansami układu,

- znacz

ą

ce impulsy w sygnale drganiowym w pa

ś

mie 1kHz - 3kHz cz

ę

sto s

ą

efektem złego

smarowania ło

ż

yska.

W rzeczywistych maszynach drgania niskocz

ę

stotliwo

ś

ciowe s

ą

„maskowane” przez drgania

pochodz

ą

ce z innych

ź

ródeł.

Drgania wysokocz

ę

stotliwo

ś

ciowe konstrukcji (ich cz

ę

stotliwo

ś

ci własne) wywoływane przez defekty

ło

ż

ysk s

ą

zazwyczaj bardziej widoczne ni

ż

drgania w niskim pa

ś

mie cz

ę

stotliwo

ś

ci.

Pasmo wysokocz

ę

stotliwo

ś

ciowe jest najbardziej przydatne i w du

ż

ej mierze stosowane w

diagnostyce i monitorowaniu. Sygnały zwi

ą

zane z uderzeniami s

ą

poddawane ekstrakcji poprzez

zastosowanie technik demodulacyjnych (analiza widmowa obwiedni sygnału). .

Analiza widmowa drga

ń

ło

ż

ysk - cd

gdzie:

fo - cz

ę

stotliwo

ść

obrotowa mi

ę

dzy pier

ś

cieniem wewn

ę

trznym a zewn

ę

trznym.

n - liczba elementów tocznych

f

n

f

d

D

pz

o

=

−











2

1

cos

α

f

n

f

d

D

pw

o

=

+











2

1

cos

α

f

D

d

f

d

D

t

o

=

−























1

2

cos

α

f

f

d

D

k

o

=

−











2

1

cos

α

bicie kosza

uszkodzenie elementu

tocznego

uszkodzenie pier

ś

cienia

wewn

ę

trznego

uszkodzenie pier

ś

cienia

zewn

ę

trznego

zależność

typ defektu

Cz

ę

stotliwo

ś

ci charakterystyczne defektów elementów ło

ż

ysk tocznych

3

Analiza widmowa drga

ń

ło

ż

ysk – cd.

ZALETY

:

-

Mo

ż

liwa separacja informacji diagnostycznych od zakłóce

ń

- Mo

ż

liwo

ść

identyfikacji i

ś

ledzenia rozwoju uszkodzonego elementu (w przypadku technik zaawansowanych)

WADY

:

- Wymagana znajomo

ść

konstrukcji ło

ż

yska i danych katalogowych (przydatny program np.Atlas firmy SKF).

- Niezb

ę

dny jest analizator widmowy lub dedykowane oprogramowanie analizuj

ą

ce

- Brak warto

ś

ci kryterialnych.

KLASYCZNA W

Ą

SKOPASMOWA ANALIZA WIDMOWA

mało

przydatna.

ZALECANA ANALIZA

szerokopasmowa

do kilkudziesi

ę

ciu kHz

.

Pozwala ona na ocen

ę

stanu na podstawie porównania

składu widmowego

w poszczególnych pasmach

CZ

ĘŚ

CIEJ STOSOWANE s

ą

bardziej subtelne i

zaawansowane techniki:

- Zoom FFT

poprawa rozdzielczo

ś

ci w interesuj

ą

cym pa

ś

mie

mo

ż

liwe odnalezienie kolejnych harmonicznych sygnału okresowego)

- Analiza cepstralna –

widmo z widma ( identyfikacja

harmonicznych i wst

ę

g bocznych (modulacyjnych)

- Analiza widmowa obwiedni sygnału

Pomiar temperatury

ZALETY

:

- wysoka wiarygodno

ść

i pewno

ść

diagnozy

- nieskomplikowany pomiar
- prosta interpretacja wyników

WADY

:

- bazuje na semistatycznym procesie resztkowym - du

ż

a bezwładno

ść

wskaza

ń

- niektóre uszkodzenia nie powoduj

ą

wzrostu temperatury

- zmiany termiczne nast

ę

puj

ą

w ko

ń

cowej fazie

ż

ycia ło

ż

yska – s

ą

zwiastunem lawinowego

rozwoju uszkodzenia – zwykle za mało czasu na podj

ę

cie działa

ń

zapobiegawczych

Temperatura ło

ż

yska nie powinna przekracza

ć

120

o

C

Wzrost temperatury 10 - 20

o

C w odniesieniu do

nominalnej

ś

wiadczy złym smarowaniu lub o lawinowo

post

ę

puj

ą

cej degradacji.