D
IAGNOSTYKA
M
ASZYN
PRACA DOMOWA
T
EMAT
:
M
ETODY DIAGNOZOWANIA
ŁOŻYSK
WYKONAŁ
:
A
RKADIUSZ
K
UBIK
GR
.
M
.
1.2
D
IAGNOSTYKA
M
ASZYN
PRACA DOMOWA
T
EMAT
:
M
ETODY DIAGNOZOWANIA
ŁOŻYSK
WYKONAŁ
:
A
RKADIUSZ
K
UBIK
GR
.
M
.
1.2
M
ETODA
SPM
(S
HOCK
P
ULSE
M
ETHOD
)
Metoda impulsów uderzeniowych (SPM) jest znana od lat sześćdziesiątych XX wieku. Początkowo wykorzystywali ją
serwisanci szweckiej firmy SKF do diagnostyki produktów tej firmy. W późniejszym czasie jej zakres został poszerzony
o łożyska innych producentów. Zaletami tej metody są szybkość, łatwość oraz pewność przeprowadzenia zgrubnej
oceny stanu łożyska tocznego. Ograniczeniem tego sposobu diagnostyki jest brak możliwości wskazania przyczyn
aktualnego stanu łożyska, można jedynie podać faktyczny stan elementu.
Diagnostyka łożysk tocznych z wykorzystaniem metody SPM polega na na detekcji i pomiarze impulsów udarowych w
obszarze rezonansowym czujnika drgań, w okolicy częstotliwości 32 kHz. Wraz ze zużywaniem się łożyska powstają
uderzenia pomiędzy obciążonym elementem tocznym a bieżnią. Zadaniem przyrządu pomiarowego jest wykrycie
tych uderzeń i zamiana ich na impulsy elektryczne. Ich wielkość jest proporcjonalna do energii uderzenia.
Impulsy uderzeniowe generowane w łożysku mają wiele źródeł pochodzenia i występują przy różnych
częstotliwościach. Przypadkowe i rzadkie zderzenia pomiędzy chropowatościami powierzchni w łożyskach tworzą
impulsy uderzeniowe o niskim poziomie. Średnia wartości częstotliwości występowania impulsów jest rzędu kHz.
Warstwa smarna na powierzchniach tocznych łożyska jest w stanie znacznie obniżać prędkości uderzeniowe
generowane przez strukturę o regularnej powierzchni. Uderzenia wywołane tradycyjnymi drobinami (złuszczenie lub
wykruszenie) wytwarzają przypadkowe, rzadkie impulsy uderzeniowe o większej wartości bezwzględnej i niższej
częstotliwości. Rzadkie impulsy uderzeniowe występujące w nieregularnych odstępach powstają pod wpływem
odcisków twardych drobin na obciążonych powierzchniach łożysk.
Wyraźne uszkodzenia łożysk (kratery, pęknięcia bieżni) generują początkowo impulsy uderzeniowe w regularnych
odstępach. Wraz z narastaniem uszkodzenia regularność ta staje się coraz mniej wyraźna. Tego typu uszkodzenia
wytwarzają impulsy o nieregularnych odstępach i zmiennych wartościach bezwzględnych. Mikroprocesor przyrządu
do diagnostyki łożysk tocznych metodą SPM analizuje sygnał, a po wprowadzeniu danych wejściowych (typ łożyska,
prędkość obrotowa) ocenia stan łożyska i opisuje wraz z podaniem stanu smarowania oraz zaawansowania
ewentualnego uszkodzenia.
Rys.1 Przyrząd pomiarowy SPM
W metodzie SPM doświadczalnie ustalono skalę oceny jakości łożysk tocznych uwzględniającą wielkość łożyska i
prędkość obrotową wału. Doświadczalnie również określono poziom prędkości uderzeń DU (ze względu na związek
prędkości z energią uderzenia) łożyska pracującego poprawnie jako:
gdzie: n - prędkość obrotowa wału [obr/min], d - średnica wewnętrzna łożyska [mm], β, γ - współczynniki ustalone
doświadczalnie.
Ocena stanu łożyska polega wówczas na porównaniu aktualnie zmierzonego poziomu prędkości uderzeń z poziomem
określonym dla łożyska pracującego poprawnie. Wyrażony w decybelach stosunek tych poziomów zawiera
informację o stanie łożyska (wykr. 1).
Wykr.1 Rozwój uszkodzeń w łożysku obserwowany na podstawie pomiaru poziomu impulsów udarowych
Ponieważ do oceny jakości pracy łożyska rejestrowane są zarówno często występujące impulsy o niskiej energii
odpowiedzialne za smarowanie łożyska, ale także rzadko pojawiające się udary o wielokrotnie wyższej energii
odzwierciedlające poziom mechanicznych uszkodzeń bieżni lub elementu tocznego potrzebne jest zastosowanie skali
logarytmicznej. W zależności od czasu pomiaru i obróbki sygnału podawane są dwie uśrednione wartości liczbowe.
Najkrótszy czas pomiaru - 2 s wykorzystywany jest zwykle do oceny maszyn o prędkości obrotowej powyżej 600
obr./min (tzw. technika dBm/dBc), natomiast regulowany czas pomiaru (tzw. technika LR/HR) pozwala obecnie na
ocenę łożysk przy prędkości obrotowej minimalnej jedynie 8 obr./min. Pamiętać należy, że na amplitudę impulsu
uderzeniowego wpływa przynajmniej kilka czynników. W pierwszej kolejności jest to prędkość toczenia, następnie
grubość warstwy smarnej oraz stan mechaniczny elementów samych łożysk tocznych. Warto również pamiętać, że
odczyt pomiarów prowadzonych w obszarze drgań rezonansowych czujnika jest silnie uzależniony od sposobu jego
mocowania i lokalizacji.
M
ETODA ANALIZY OBWIEDNI
Analiza obwiedni sygnału polega na tym, że sygnał drganiowy wychodzący z czujnika po filtracji wstępnej
wykorzystującej rezonans własny tego czujnika jest demodulowany, a następnie wyznacza się widmo powstałej
obwiedni sygnału. Tak wyznaczone widmo obwiedni sygnału drganiowego może zawierać składowe o
częstotliwościach drgań odpowiadających defektom poszczególnych elementów łożyska.
Rys. 2 Przekrój poprzeczny łożyska kulkowego.
Przedstawiona metoda bazuje na specyficznej analizie drgań rezonansowych maszyny. Krótkotrwałe impulsy – udary
widoczne w przebiegach czasowych sygnału drganiowego węzłów łożyskowych mogą być spowodowane
uszkodzeniem elementu tocznego koszyka bądź przejściem elementu tocznego przez punktowe uszkodzenie na
bieżni łożyska. Znając geometrię łożyska, liczbę elementów tocznych i prędkość obrotową bieżni wewnętrznej
względem bieżni zewnętrznej, można wyznaczyć charakterystyczne częstotliwości składowych harmonicznych
sygnału dla poszczególnych elementów łożyska (zakładając, że toczenie elementów łożyska odbywa się bez
poślizgów).
Częstotliwości odpowiadające defektom elementów łożyska tocznego można obliczyć w oparciu o zależności:
• element toczny: f
0
= ½ f
n
D/d {1 – (d/D cosβ)2}
• bieżnia wewnętrzna: f
w
= ½ n f
n
{1 + d/D cosβ}
• bieżnia zewnętrzna: f
z
= ½ n f
n
{1 – d/D cosβ}
• koszyk: f
k
= ½ f
n
{1 – d/D cosβ}
gdzie: d – średnica elementu tocznego, D –średnica podziałowa łożyska, β – kąt pracy łożyska, n –liczba elementów
tocznych, f
r
– częstotliwość obrotów pierścieniem zewnętrznego względem pierścienia wewnętrznego.
Obliczenie tych częstotliwości to pierwszy etap diagnozowania węzłów łożyskowych. Znając częstotliwości
odpowiadające lokalnym defektom elementów czynnych badanego łożyska wykonujemy pomiary i analizę drgań
łożyska w punkcie, gdzie łożysko jest najbardziej obciążone (np. jego dolna obudowa), korzystamy w tym celu z
piezoelektrycznego czujnika drgań.
W metodzie tej sygnał drganiowy węzła łożyskowego jest prostowany i wygładzany w celu uzyskania obwiedni
sygnału, która zawiera niskoczęstotliwościowe modulacje odpowiadające cyklicznie pojawiającym się impulsom
udarowym, wynikającym z ewentualnego uszkodzenia łożysk.
W ostatniej fazie pomiaru wykonuje się analizę widmową obwiedni sygnału, przeważnie w zakresie do 500Hz. Z tak
otrzymanego widma można dokładnie określić częstotliwości dominujących składowych harmonicznych i porównać
je z wcześniej wyznaczonymi.
Poniżej przedstawiono zarejestrowaną analizę obwiedni dla uszkodzonego łożyska pompy. Można na nim odnaleźć
składowe harmoniczne o wyznaczonych częstotliwościach oraz ich wielokrotnościach.
Zastosowanie analizy widmowej w połączeniu z analizą obwiedni pozwala precyzyjnie oddzielić informacje o
uszkodzonym łożysku tocznym od zakłóceń zewnętrznych i daje możliwość precyzyjnego śledzenia rozwoju
uszkodzenia łożysk. Dzięki tej metodzie możliwe jest wczesne wykrycie uszkodzeń i zaplanowanie niezbędnych
napraw z wyprzedzeniem.
