Ανάλυση κραδασμών σε ρουλεμάν

Συλλογή ρουλεμάν

Ο βασικός σκοπός ενός εδράνου μηχανής είναι να παρέχει συνθήκες μειωμένης τριβής σχεδόν για να υποστηρίξει και να οδηγήσει ένα περιστρεφόμενο άξονα. Δύο γενικές κατηγορίες εδράνων χρησιμοποιούνται αυτή τη στιγμή: το έδρανο ολίσθησης (κουζινέτο) και το έδρανο κύλισης (ρουλεμάν). Για εφαρμογές χαμηλής ισχύος και φορτίου, τα ρουλεμάν είναι δημοφιλής επιλογή.

Σχεδιασμός Ρουλεμάν

Διάγραμμα

Τα ρουλεμάν έχουν τέσσερα μέρη: ένα εσωτερικό δακτύλιο (inner race), ένα εξωτερικό δακτύλιο (outer race), τα στοιχεία κύλισης (rolling elements), και ένα κλωβό (cage) ο οποίος στηρίζει, διαχωρίζει και οδηγεί τα στοιχεία κύλισης. Όλα τα ρουλεμάν έχουν το εξής κοινό: όλα τα μέρη πρέπει να είναι συνεχώς σε φυσική επαφή μεταξύ τους. Οι οδηγίες εγκατάστασης ορίζουν την αρχική φόρτιση που απαιτείται για να μείνουν τα εξαρτήματα σε επαφή.

Τα ρουλεμάν έχουν κάποιες μοναδικές ιδιαιτερότητες που δε βρίσκονται στα κουζινέτα. Τα ρουλεμάν πάντα δημιουργούν κραδασμούς. Εξ’ αιτίας της επαφής μέταλλο-με-μέταλλο, υπάρχει πολύ μικρή απόσβεση κραδασμών. Παρ’ όλο που τα συγκεκριμένα στοιχεία είναι μηχανουργημένα με μεγάλη ακρίβεια, έχουν περιορισμένη διάρκεια ζωής. Κάθε εξάρτημα θα παράγει συγκεκριμένες συχνότητες καθώς οι βλάβες εκκινούν και γίνονται πιο επικρατείς.

Εφαρμογές παρακολούθησης κραδασμών

Τα ρουλεμάν, λόγω σχεδιασμού και εγκατάστασης, παρέχουν πολύ καλή μετάδοση σήματος από την πηγή του κραδασμού στον εξωτερικό δακτύλιο. Αυτά τα έδρανα απαιτούν παρακολούθηση συγκεκριμένων συχνοτήτων που δημιουργούνται από τα επιμέρους εξαρτήματα, επιπλέον των συχνοτήτων που δημιουργούνται από τις συχνότητες βλαβών του περιστρεφόμενου άξονα.

Υπολογισμός Συχνοτήτων Ρουλεμάν

Μικρό-ελαττώματα κατά την κατασκευή είναι πιθανές αιτίες μελλοντικών βλαβών. Λόγω των χαμηλών ανοχών, οι κακές πρακτικές εγκατάστασης μπορούν επίσης να μειώσουν τη ζωή των ρουλεμάν. Έχει συγκεντρωθεί εκτεταμένη πληροφορία για τις συχνότητες βλαβών ρουλεμάν.

Bearing calculations

Η εικόνα παραθέτει τους υπολογισμούς συχνοτήτων σφάλματος του ρουλεμάν για εύρεση ελαττώματος στα στοιχεία κύλισης (σφαιρικά ή κυλινδρικά), στον εσωτερικό δακτύλιο, στον εξωτερικό δακτύλιο και στον κλωβό. Η υπόθεση για τις εξισώσεις αυτές είναι ότι το εξωτερικός δακτύλιος παραμένει στατικός ενώ ο εσωτερικός δακτύλιος περιστρέφεται. Αν οι διαστάσεις του ρουλεμάν είναι γνωστές, οι μεμονωμένες συχνότητες σφάλματος μπορούν να υπολογιστούν με ακρίβεια ή να χρησιμοποιηθεί ένας γενικός μνημονικός κανόνας. Χρησιμοποιώντας τη γενικευμένη μορφή, οι συχνότητες του εσωτερικού δακτυλίου θα είναι N x RPM x 60% και του εξωτερικού θα είναι N x RPM x 40%. Αν ο αριθμός μοντέλου του κατασκευαστή του ρουλεμάν είναι γνωστός, υπάρχουν διαθέσιμα προγράμματα για τον υπολογισμό των απαραίτητων συχνοτήτων.

Παρακολούθηση αστοχιών

Αυτό το είδος του ρουλεμάν, τυπικά παρακολουθείται χρησιμοποιώντας αισθητήρια τοποθετημένα στο κέλυφος της μηχανής: ένα επιταχυνσιόμετρο ή μετρητή ταχύτητας. Ένας αισθητήρας μετατόπισης που παρακολουθεί το σχετικό κραδασμό του άξονα αν δείξει, θα δείξει μικρό επίπεδο κραδασμού λόγω του κραδασμού στο ρουλεμάν.

Βλέποντας το φάσμα του κραδασμού, χρήσιμες πληροφορίες μπορούν να εξαχθούν για καταστάσεις σφάλματος. Η παρακάτω εικόνα δείχνει το περιεχόμενο του φάσματος συχνοτήτων κατά τα τέσσερα στάδια αστοχίας ρουλεμάν. Ένα κανονικό ή πρόσφατα εγκατεστημένο ρουλεμάν δε θα παρουσιάσει φαινόμενα πέρα από τις συχνότητες σχετιζόμενες με τον άξονα όπως αζυγοσταθμία ή απευθυγράμμιση.

Στάδια

Επίπεδο Ι (Stage I) έχει περιεχόμενο πολύ υψηλών συχνοτήτων. Αυτή η ζώνη είναι στην υπερηχητική περιοχή και απαιτεί ειδικούς αισθητήρες. Φυσική επιθεώρηση του ρουλεμάν σε αυτό το στάδιο μάλλον δε θα δείξει ελαττώματα όμως μπορεί να εντοπιστεί με αισθητήρες υπερήχων.

Επίπεδο II (Stage II) εκκινεί να παράγει σήματα σχετικά με τις συχνότητες φυσικού συντονισμού των μερών του ρουλεμάν καθώς τα μικρό-ελαττώματα του ρουλεμάν ξεκινούν να «χτυπάνε» τα εξαρτήματα του ρουλεμάν. Μια σημαντική αύξηση στις Ζώνες 3 και 4 είναι σχετιζόμενη με αυτό το στάδιο. Αρχικά στάδια αστοχιών θα φανούν σε μία επιθεώρηση.

Επίπεδο III (Stage III) εμφανίζει τις βασικές συχνότητες σφάλματος του ρουλεμάν. Αυτές οι συχνότητες είναι που περιγράφονται και παραπάνω. Αρμονικές αυτών των συχνοτήτων μπορεί να υπάρχουν ανάλογα με την ποσότητα των ελαττωμάτων και τη διασπορά τους στην περιφέρεια του ρουλεμάν. Οι αρμονικές συχνότητες θα υποστούν διαμόρφωση ή θα εμφανίζουν πλευρικές ζώνες λόγω της ταχύτητας του άξονα. Τα σήματα της Ζώνης 4 συνεχίζουν να αυξάνονται κατά τη διάρκεια του σταδίου.

Επίπεδο IV (Stage IV) είναι η τελική κατάσταση πριν την καταστροφική αστοχία του ρουλεμάν. Αυτό το στάδιο σχετίζεται με πολλαπλές διαμορφωμένες συχνότητες και αρμονικές που υποδεικνύουν αυτά τα ελαττώματα, διασπείρονται στην περιφέρεια του ρουλεμάν. Λόγω της αυξανόμενης φθοράς του ρουλεμάν, οι ανοχές γίνονται μεγαλύτερες και επιτρέπουν στον άξονα να δονείται με μεγαλύτερη ελευθερία με αποτέλεσμα την αύξηση των συχνοτήτων που αφορούν αζυγοσταθμία και απευθυγράμμιση. Κατά τις τελικές φάσεις του Επιπέδου IV, οι θεμελιώδεις συχνότητες θα υποχωρήσουν και θα αντικατασταθούν με τυχαίο θόρυβο ή «λόφους» σε υψηλότερες συχνότητες. Τα επίπεδα σήματος της Ζώνης 4 θα μειωθούν με σημαντική αύξηση ακριβώς πριν την αστοχία.