ارزیابی سلامت بلبرینگ ها با آنالیز ارتعاشات

در خدمت دوستـــان عزیز هستیـــم ، با یک مقاله تخصصی دیگر در حوزه «اطلاعات فنی بلبرینگ ها » در سایت یک دو سه صنعت و امیدوارم که بتوانیم اطلاعات ارزشمنـــدی در خصوص پایش وضعیت و تشخیص عیوب احتمــالی در بلبرینگ ها و رولبرینگ ها را با استفاده از آنالیـــز ارتعاشات با شما به اشتراک بگذاریـــم.  روانکارها یکی از انواع مواد شیمیایی موثر در عملکرد بلبرینگ‌ها ورولبرینگ‌ها هستند و در حفاظت از آن‌ها نقش مهمی را ایفا می‌کنند. برای تهیه جنس مرغوب و با کبپیفیت آن می‌توانید به نمایندگی آجیپ در ایران مراجعه نمایید.

آنالیز ارتعاشات چیست ؟

در صنعت برای جلوگیری از خرابی ناگهانی دستگاه ها و تجهیزات صنعتـــی ، باید همواره آنها را بصورت مداوم مورد بررسی قرار بدهیـــم که بتوانیـــم از خرابی ناگهانی آنهـــا تا حد امکان جلوگیـــری کنیــم . همانطور که قطعاً می دانیــد خرابی ناگهانی دستگاه بدون اطلاع قبلــی ، سبب ایجاد هزینه بعلت توقف فرآیند تولید و  آسیب رساندن به دستگاه می شود و گاهی هم ممکن است باعث به وجود آوردن خطر های جانی بشود .  برنامه های مختلفی برای پایش وضعیت و ارزیابی سلامت بلبرینگ و رولبرینگ ها وجود دارد مانند : تحلیل ارتعاشی ، ارزیابی اکوستیک ، پایش دما و تحیلیل روغن وجود دارد که ما در این مقاله صرفاً بــــه تحلیل ارتعاشی می پردازیم و سایر روش ها را می توانید در مقاله دیگر سایت یک دو سه صنعت با نام « روش های تست بلبرینگ و ارزیابی سلامت آنها » مطالعه فرمایید .

برای جلوگیری از خرابی ناگهانی مهندسان و صنعتگـــران همواره در تلاش بوده اند تـــا روش هایی را ابداع کنند که تا حد ممکن جلوی خراب شدن ناگهانی وسایل و قطعات را بگیـــرد ، که یکی از این روش ها «آنالیز ارتعاشات» است .

آنالیز ارتعاشات چیست ؟ آنالیز ارتعاشات یعنـــی گوش دادن به صدای دستگاه و تحلیـــل آن ، آنالیز ارتعاشات همان کاری است که هر خانم از شوهرش انتظار دارد یعنی گوش کردن به مشکلات و دغدغــه های من البتــه اگر فقط به همین ختـــم شود   :-))

با آنالیز ارتعاشات بلبرینگ ها و رولبرینگ ها می توانیـــم ازریابی دقیقی از سلامت آنها داشته باشیـــم ، با این روش قادر هستیـــم عیوب دائمی و موقت موجود در بلبرینگ ها و رولبرینگ ها را تشخیص بدهیـــم . عیوب دائمی به عیوبی مانند فرسایش اجزای چرخنده و …. و عیوب موقت مانند کمبود گریس یا روانکار در بلبرینگ اشاره کنیـــم .

انواع روش های آنالیز ارتعاشات در صنعت

روش آنالیز ارتعاشات فقط مختـــص ارزیابی سلامت یاتاقان های غلتشی نیست بلکــه این روش در دامنـــه وسعی از صنعت ، کاربرد دارد و روش های مختلفـــی تا کنون برای آنالیز ارتعاشات در صنعت معرفی شده است . برای ارزیابی سلامت دستگاه های دوار صنعتـــی مانند انواع گیربکس های صنعتی ، الکتروموتور ها و …. بصورت گسترده از آنالیز ارتعاشات استفاده می شود اما این روش کمـــی با روش های متداول ارزیابی سلامت بلبرینگ و رولبرینگ ها با آنالیز ارتعاشات متفاوت است .

درپایش وضعیت گیربکس های صنعتی ، الکتروموتور ها و ….  با آنالیز ارتعاشات از روش اندازه گیــری دامنــه ارتعاش (Overall Vibration) استفاده می شود که  بر حسب فرکانس مقداری بین ۱۰ تا ۱۰۰۰ هرتز می باشد ، اما کاربرد این روش در ارزیابی سلامت یاتاقان های غلتشی نتـــایج خوبی را به همراه ندارد که مهندســــان و صنعتـــگران عدم کارایی این روش را برای ارزیابی سلامت بلبرینگ و رولبرینگ ها تائید کرده اند و مشخص شده است که عیوب رایج در یاتاقان های غلتشی مانند لقی ، عدم همراستایی شفت و خوردگی اجزای چرخنده ، حساسیت پائینی در مقدار کلی ارتعاش (Overall Vibration) دارند . لذا تدابیر دیگری برای ارزیابی سلامت یاتاقان های غلتشی با آنالیز ارتعاشات اندیشیده شده است . که این تدابیر بـــه شرح زیر می باشند .  که به دو روش و متد اصلــــی زیر تقسیم می شوند .

۱)  شاخص دامنه ارتعاش در فرکانس بالا یا HFD

۲) شاخص یاتاقان غلتشی

که در ادامه بیشتر با آنهــــا آشنا می شویـــم و قبل اجازه بدهید کمـــی در مورد پایش وضعیت بلبرینگ و رولبرینگ ها با آنالیز ارتعاشات صحبت کنیــــم .

از میان روش های مختلف برای ارزیابی سلامت بلبرینگ ها و رولبرینگ ها ، تحلیل سیگنال ارتعاشات اندازه گیری شده از روی نشیمنگاه یاتاقان ، جایگاه ویژه ای در میان مهندســــان و صنعتـــگران دارد که مزایای این روش می توان بـــه موارد زیر اشاره کرد .

۱) قیمت مناسب و در دسترس بودن انواع سنسورهای ارتعاش سنج، دستگاه های آنالایزر ارتعاش  و نرم افزارهای پیشرفتـــه و دقیق تحلیل ارتعاشات و سهولت استفاده

۲) تائید شده توسط محققین مختلف به لحاظ بدست آمدن نتایج دقیق و قابل استناد

انواع روش های آنالیز ارتعاشات ارزیابی سلامت بلبرینگ و رولبرینگ ها

همانطور که گفتیم دو روش زیر برای ارزیابی سلامت بلبرینگ و رولبرینگ ها وجود دارد که در ادامه با آنهـــا آشنا میشویـــم .

۱)  شاخص دامنه ارتعاش در فرکانس بالا یا HFD

۲) شاخص یاتاقان غلتشی

در شاخص دامنه ارتعاش در فرکانس بالا یا HFD  که مخفف کلمه انگلیسی High Frequency Detection می باشد ، مشابه اندازه گیری مقدار کلی دامنه ارتعاش (Overall Vibration) می باشد با این تفاوت کـــه از جنس شتاب بوده و در باند فرکانس های بالا برای مثال ۵۰۰۰ تا ۲۰۰۰۰ هرتــــز اندازه گیری می شود و نتایــج تحلیل می شوند .

در روش شاخص یاتاقان غلتشی ، که به انگلیســـی Bearing Condition Unit (BC) می باشد ، آنالیز ارتعاشات یاتاقان های غلتشی کانال بندی شده است ، یعنی اینکــــه سازندگان  دستگاه های ارتعاش سنج مطرح دنیـــا شاخص های یاتاقان های غلتشی به لحاظ ارتعاشات کانال بندی کرده اند بطوریکـــه با اندازه گیری و پردازش آنها در بازرسی های دوره ایی می توان به وضعیت نامناسب یاتاقان های غلتشی اعم از کمبود روانکار [روانکاری بلبرینگ و رولبرینگ ها را مطالعه کنید ] و لقی بیش از بلبرینگ و رولبرینگ ها پی برد .

منحنی شکل موج Time Wave Form کـــه خروجی دستگاه آنالیــز ارتعاشات ، بصورت سیگنال زمانی ارتعاشات است کــــه این سیگنال  تصویر مستقیمی از رفتار دینامیکی ماشین و وضعیت اجزاء داخلی آن به فـــرد می دهد. و به ویژه برای عیوبی  که منجر به ایجاد پالس و تغییر شکـــل موج بشوند با روش منحنی شکل موج قابل تشخیـــص می باشند و مشخص شده است که حتــی عیوبی مانند وجود ترک در رینگ داخـــلی یا خارجی یاتاقان با منحنی شکل موج قابل تشخیص هستند . و همچنین می توان با استفاده از الگوریتم تبدیل فوریه سریع یا FFT که مخفف کلمه انگلیســــی Fast Fourier Transform است حوزه زمانی را به حوزه فرکانسی تبــدیل کرد کــــه یکی دیگر از روشها در تحلیل سیگنال ارتعاشات ماشین آلات دوار است .

این دو روش (شکل موج – منحنی فرکانسی)، ارائه تصویری مستقیم از وضعیت یاتاقان و عیوب مربوط به آن است .

کــــه یکی دیگر از روش ها در ارزیابی سلامت بلبرینگ ها و رولبرینگ ها ، روش تحلیل پوش یا به عبارت دیگر دمودولاسیون سیگنال ارتعاشی در حیطه فرکانس بالا می باشد . در واقع طيف فرکانسی سیگنال ارتعاشی از جنس شتاب است که با اعمال الگوریتم تبدیل فوریه سریع یا FFT بر روی سیگنال و فیلتر کردن آن در ناحیــــه فرکانس بالا ،‌ یکسویـــه کردن و حصول منحنـــی پوش Envelope بدست می آید . این روش یعنی تحلیل منحنـــی پوش Envelope یک روش بسیار کاربردی و با حساسیت زیاد برای تشخیص عیوب مختلف مانند نصب نادرست ، سایش اجزائ چرخنده و مشکلات روانکاری بلبرینگ و رولبرینگ ها و آشکار ساختن آنهـــا در مراحل اولیـــه و پایش آنها در مراحل رشد عیب می باشند .

کاربرد منحنی پوش سیگنال های ارتعاشی در ارزیابی وضعییت یاتاقان های غلتشی

الف ) مراحل پردازش سیگنال برای به دست آوردن منحنی پوش یا Envelope

همانطور که در شکل زیر مشاهده می کنید ، در داخل رینگ بلبرینگ خوردگی وجود دارد و هنگام عبور ساچمـــه ها از روی سطوح داخلی رینگ ، ضربات بــا پالس هایی ایجاد می شوند. این ضربات به صورت متوالی ایجاد شده و نیز تحریک فرکانس طبیعی اجزاء یاتاقان را در پی خواهد داشت. متوالی بودن ضربات، منجر به مدوله شدن ارتعاش ایجاد شده با فرکانس وقوع ضربه می شوند .

توضیح بیشتر : منظور از مدولــــه شدن ، تغییرات منظم و متناوب دامنـــه است کـــه در مورد یاتاقان های غلتشی فرکانس طبیعی اجزای یاتاقان فرکانس اصلی یــا حامل و فرکانس های خرابی اجزا ، فرکانس مدوله کننده بشمار میرود .

برای بررسی وضعیت یاتاقان، سیگنال ارتعاش از نزدیک ترین موقعیت به یاتاقان و ترجیحاً در محلی که بار بر روی یاتاقان حداکثر می باشد اندازه گیری انجام می شود و این کار عموماً به کمک سنسورهای از نوع شتاب سنج انجام میشود و سپس فیلتر روی آن انجام میشود . مطابق شکل بالای صفحه که بار عمود بر ژورنال ها اعمال میشود .

فیلترها دارای یک حد پایین و یک حد بالای فرکانس می باشند و با اعمال این فیلتر، مؤلفه های فرکانسی کم تر و بیشتر از حدود تعیین شده، حذف شده و قسمت میانی آن باقی می ماند. سپس عملیات یکسوسازی بر روی سیگنال انجام شده سپس با استخراج منحنی پوش سیگنال جدیدی بدست می آید کــــه این سیگنال را شکل موج یا Envelope نیز می نامند)

ب ) پارامترها و تنظیمات مهم در بدست آوردن منحنی پوش یا Envelope

پارامترهای مهم در بدست آوردن منحنی پوش یا Envelope عبارتند از:

حد پایین و بالای فیلتر میان گذر (قبل از یکسویه کردن سیگنال)

مقدار فیلتر پایین گذر (قبل از اعمال تبدیل سربــع فوریـــه یا FFT)

تعداد میانگین گیری و رزولوشن منحنی (تعداد خطوط)

مقادیر این پارامترها بر اساس کاربرد مورد نظر تعیین شده و بر روی دستگاه ارتعاش سنجی اعمال می شوند تا منحنی Envelope مناسب بدست آید.

در خصوص مقادیر فیلتر میان گذر، دیدگاه های مختلفی وجود دارد  اما به عنوان جمع بندی و توصیه شده توسط محققان داخل کشور و خارج کشور، استفاده از فیلتـــر با پهنای باند وسیع برای مثال ۱۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ هرتز، مناسب ترین گزینه است.

البته این باند برای تجهیزات دوار با سرعت دورانی ۱۰۰۰ تا ۳۰۰۰ دور بر دقیقه پیشنهاد می شود. اما برای تجهیزات با سرعت دورانی کمتر از ۱۰۰۰ دور بر دقیقه، بهتر است حد پایین فرکانس کاهش یابد (برای مثال ۵۰۰ هرتز). همچنین برای تجهیزات با سرعت دورانی بیشتر از ۳۰۰۰  دور بر دقیقه، بهتر است حد بالای فرکانس افزایش یابد (برای مثال ۲۰۰۰۰ هرتز) انتخاب شود .

ج) چگونگی مطالعه محتوای منحنی آوردن منحنی پوش یا Envelope

مطالعه منحنی Envelope بر اساس بررسی محتوای فرکانسی آن (مؤلفه های فرکانسی یا پیک های موجود در منحنی) و انطباق آنها با فرکانس های چهارگانه اجزاء یاتاقان، بررسی دامنه هر یک از مؤلفه های موجود و نیز شکل کلی منحنی (از نظر وجود هارمونیک ها و نسبت دامنه آنها به یکدیگر و …) صورت می پذیرد. برای محاسبه فرکانسهای خرابی اجزاء یاتاقان، از روابط ۱ تا ۴ که در جدول  درج شده اند، استفاده می شود .

البته بانک اطلاعاتی این فرکانس ها برای انواع مختلفی از یاتاقان ها، در اغلب نرم افزارهای تخصصی که همراه با دستگاه های ارتعاش سنج ، ارائه می شوند موجود است و همچنین با تعیین سرعت دورانی شفت در سایت شرکت بلبرینگ SKF میتوان اطلاعات فوق را بدست آورد .

در رابطــــه فوق Z تعداد ساچمه ها یا رول های رولبرینگ می باشد و f0 فرکانس دورانی رینگ بیرونی ، و fi فرکانس رینگ بیرونی که معمولاً برابر با سرعت دورانی برحسب دور بر دقیقـــه تقسیـــم بر ۶۰ می باشد و d  قطر ساچمه و D گام یاتاقان و α زاویــه تماس یاتاقان می باشد ، مقدار  D  از رابطــه زیر بدست می آید .

عموماً وجود مؤلفه های ارتعاشی در منحنی Envelope که فرکانس آنها با فرکانس های اجزاء یاتاقان انطباق داشته باشد، به معنى وجود اشکال در یاتاقان است. البته منظور از اشکال در اینجا، لزوما آسیب فیزیکی نیست و مشکلات روانکاری، نصب و … را نیز باید مد نظر داشت. علاوه بر فرکانس های چهارگانه فوق، گاهی اوقات مضارب فرکانس دورانی شفت نیز در منحنی Envelope مشاهده می شوند که معمولا نشانه ای از وجود لقـــی مکانیکی در یاتاقان است. همچنین در برخی موارد، سطح نویز در این منحنی افزایش می یابد که نشانگر مشکلات روانکاری (آلودگی روانکار، کمبود روانکار، کیفیت نامناسب روانکار و …) است.

ازریابی تعدادی از مشاهدات صنعتی آنالیـــز ارتعاش بلبرینگ و رولبرینگ ها

در این بخش از مقاله سایت ، برگرفتـــه از مطالعات آقایان وروانـــی فراهــانی و فضــلی (۱۳۹۱) میباشد . که  چهار مورد پایش و ارزیابی وضعیت یاتاقان های غلتشی به کمک منحنی Envelope که در صنایع کشور انجام داده اند و نتایج مذبور را در کنفرانس بین اللملــی آکوستیک و ارتعاشات ارائه داده اند . البتــه لازم به ذکر است در این مقالــه تصاویر *** (۳ ستاره قرمز در گوشه سمت چپ تصویر از مشاهدات آنها می باشد که در این مقاله گردآوری شده است ) .

در همه این موارد، باند فرکانسی ۱۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ هرتـــز برای بدست آوردن منحنی Envelope استفاده شده است و یکی از نکات مهم در بکارگیری این تکنیک، داده برداری روتين ارتعاشات و بررسی روال تغییرات مؤلفه های موجود در منحنی Envelope در طی زمان است. در کلیه مورد مورد پایش و ارزیابی وضعیت یاتاقان های غلتشی ، این موضوع رعایت شده و منحنی درج شده در شکل ها، مربوط به آخرین رکورد ثبت شده، قبل از تعویض یاتاقان است. همچنین تصمیم گیری در خصوص بازدید و تعویض یاتاقان ها، باید مبتنی بر بررسی انواع اطلاعات ارتعاشی (شکل موج، منحنی فرکانسی، منحنی Envelope و …) باشد تا قطعیت تشخیص عیب، افزایش یابد.

مطالعه شماره ۱: پایش وضعیت آسیب در رینگ بیرونی یاتاقان یک دستگاه فن

در این بخش، نتایج ارزیابی یاتاقان های یک دستگاه فن ارائه می شود. این فن دارای دو بلبرینگ خود تنظیم ۲۳۱۶ بوده و سرعت دورانی آن ۲۹۷۵ دور بر دقیقه می باشد. بر اساس داده برداری های انجام شده طی برنامه روتین پایش وضعیت، افزایش دامنه ارتعاش در فرکانس ۲۵۶/۹ هرتز و هارمونیک های آن در منحنی Envelope مشاهده شد (شکل زیر)  طبق روابط مندرج در جدول بالا که اشاره شد ، فرکانس آسیب در رینگ بیرونی این یاتاقان،  ۲۵۶/۹  هرتز می باشد. پس از توقف و دمونتاژ فن، از بلبرینگ خود تنظیم آن بازدید و مشخص شد که رینگ بیرونی آسیب دیده است. تصویری از رینگ بیرونی یاتاقان، در شکل زیر درج شده است.

مطالعه شماره ۲: آسیب در اجزای یاتاقان گیربکس

آسیب در اجزای یاتاقان گیربکس که طی برنامه روتین پایش وضعیت مشاهده شده است ، دارای بلبرینگ شیار عمیق ۶۳۰۸ بوده و سرعت دورانی آن ۱۴۸۸ دور بر دقیقــه می باشد .

بر اساس داده برداری های انجام شده طی برنامه روتین پایش وضعیت، افزایش دامنه ارتعاش در فرکانس ۱۲۰ هرتز و هارمونیک های آن همراه با باندهای کناری سرعت دورانی در منحنی Envelope مشاهده شد (شکل ۵ طبق روابط مندرج در جدول ، فرکانس آسیب در رینگ داخلی این یاتاقان، ۱۲۰ هرتز می باشد. پس از توقف و دمونتاژ گیریکس، از یاتاقانهای آن بازدید و مشخص شد که رینگ داخلی و ساچمه های یاتاقان آسیب دیده اند)

مطالعه شماره ۳: آسیب در رینگ داخلی یک دستگاه پمپ گریز از مرکز

آسیب در رینگ داخلی یک دستگاه پمپ گریز از مرکز که مورد مطالعه قرار گرفته است دارای رولبرینگ استوانه ایی NJ2310 (سمت پروانه ) و بلبرینگ تماس زاویه ایی 7310 (سمت کوپلینگ ) بوده و سرعت دورانی آن ۲۹۷۶ دور بر دقیقه می باشد. بر اساس داده برداری های انجام شده طی برنامه روتین پایش وضعیت، افزایش دامنه ارتعاش در فرکانس ۳۵۹٫۴ هرتز و هارمونیک های آن همراه با باندهای کناری سرعت دورانی در منحنی Envelope مشاهده شد (شکل زیر) و همچنین مضارب فرکانس دورانی و نیز فرکانس ۱۹ / ۹ هرتز در منحنی فوق، وجود داشت (شکل زیر)  طبق روابط مندرج در جدول ۱، فرکانس آسیب در رینگ داخلی با تافان سمٹ گوپلینگ بلبرینگ تماس زاویه ایی 7310، ۳۵۹/۴ هرتز و فرکانس قفسه آن، ۱۹/۹ هرتز می باشد. پس از توقف و دمونتاژ پمپ، از یاتاقانهای آن بازدید و مشخص شد که رینگ داخلی آسیب دیده است (شکل زیر)

مطالعه شماره ۴: ارزیابی وضعیت روانکار یاتاقان های غلتشی

در این بخش، کاربرد منحنی Envelope برای ارزیابی وضعیت روانکار بلبرینگ  و رولبرینگ  بررسی می شود. برخی اوقات، افزایش دامنه در فرکانس های اجزاء یاتاقان، صرفا به علت مشکلات روانکاری است. لذا مناسب است که در صورت رویت این مؤلفه ها، ابتدا نسبت به کنترل وضعیت روانکار و در صورت نیاز اصلاح آن (برای مثال تزریق گریس یا تعویض گریس) اقدام شود.

کاهش دامنه مؤلفه های مورد بررسی پس از اقدام اصلاحی بر روی وضعیت روانکار و عدم افزایش مجدد آنها در آینده نزدیک، مؤيد وجود اشکال روانکاری است.۔ در صورتی که عدم کاهش این مؤلفه ها و یا بازگشت آنها طی مدتی کوتاه، نشانگر وجود یک مشکل جدی تر است. همچنین گاهی اوقات، مشکلات روانکاری در قالب افزایش سطح نویز در منحنی Envelope خود را نشان می دهد. در اینگونه موارد، پس از اصلاح وضعیت روانکار، سطح نویز بلافاصله کاهش خواهد یافت. شکل زیر، نمونه ای از این حالت را نشان می دهد که مربوط به یاتاقان یک دستگاه فن است. لذا منحنی Envelope ابـــزاری مناسب برای پیشگیری از خرابی زودهنگام ياتاقان ها و بلبرینگ ها و رولبرینگ ها بر اثر مشکلات روانکاری بشمار می رود.