Η παρακολούθηση των δονήσεων που παράγουν κατά λειτουργία τους τα στοιχεία περιστρεφόμενων μηχανών είναι μια από τις πιο αξιόπιστες μεθόδους για τη διάγνωση βλαβών που έχουν ξεκινήσει να αναπτύσσονται, είτε αφορούν την ίδια τη μηχανή, είτε την σύνδεσή της με άλλο μηχανολογικό εξοπλισμό.
Η μέθοδος αυτή, επειδή στηρίζεται στο γεγονός ότι κάθε επιμέρους τμήμα της μηχανής παράγει συγκεκριμένες δονήσεις σε συγκεκριμένες συχνότητες, μπορεί να ανιχνεύσει φθορά πολύ νωρίς σε σχέση με άλλες μεθόδους, όπως είναι η θερμογραφία, η ανάλυση του μέσου λίπανσης, ο ήχος κ.ά.
Με τις απαραίτητες γνώσεις, η ανάλυση του φάσματος των δονήσεων μπορεί να παρέχει πληροφόρηση για τη βλάβη που αναπτύσσεται έως και 9 μήνες πριν την αστοχία του υλικού, παρέχοντας πολύτιμες πληροφορίες και χρόνο για τη συντήρηση, ώστε να προγραμματίσει σωστά την επισκευή ή αντικατάσταση που χρειάζεται η μηχανή.
Συστήματα μόνιμης τοποθέτησης και συνεχούς καταγραφής δονήσεων ή φορητά όργανα καταγραφής συλλέγουν τα απαραίτητα σήματα δονήσεων και εξάγουν αποτελέσματα σε γραφικές παραστάσεις χρησιμοποιώντας διάφορους μαθηματικούς τύπους, όπως μετασχηματισμό Fourier, FFT (πλάτος ταλάντωσης προς συχνότητα εμφάνισης Hz), ώστε να γίνουν ορατά και επεξεργάσιμα τα αποτελέσματα της δόνησης.
Για αυτό το λόγο, έχει αναπτυχθεί μια πληθώρα από μεθοδολογίες εντοπισμού σφαλμάτων στα ρουλεμάν, όπως είναι η συντήρηση βάσει κατάστασης (Condition based monitoring -CBM), η οποία προσπαθεί να ανιχνεύσει απόκλιση από την ονομαστική συμπεριφορά ενός δυναμικού συστήματος στην πάροδο του χρόνου, συνδυάζοντας υπολογιστικά συστήματα δεδομένων δονήσεων με τα χαρακτηριστικά ταλάντωσης των μερών των ρουλεμάν.
Στάδια αστοχίας ρουλεμάν
Παρά το γεγονός ότι ένα ρουλεμάν μπορεί να είναι σωστά τοποθετημένο (όσον αφορά την ευθυγράμμιση και το φορτίο που καλείται να επωμιστεί), καθαρό και με επαρκή λίπανση, η αστοχία είναι αναμενόμενη, λόγω της κόπωσης που επέρχεται στους κύκλους στους οποίους αυτό λειτουργεί.
Υπάρχουν τέσσερα στάδια αστοχίας για ρουλεμάν, καθένα από τα οποία προκύπτει σε ένα συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων (Hz), όπως καθορίζονται από τον διεθνώς αναγνωρισμένο φορέα προβλεπτικής συντήρησης και ανάλυσης δονήσεων Technical Associates of Charlotte P.C., και περιγράφονται στη συνέχεια:
Στάδιο 1. Αφορά περιοχή υπερηχητικών συχνοτήτων με εύρος από 20kHz έως 350kHz. Σε αυτό το στάδιο η διάδοση της βλάβης στο ρουλεμάν δεν είναι ορατή, καθώς μικρορωγμές μπορούν να παρουσιαστούν κάτω από την επιφάνεια του ρουλεμάν.
Όσο η φθορά συνεχίζεται, η περιοχή συχνοτήτων που τεκμηριώνει τη βλάβη αρχίζει να εμφανίζεται και σε χαμηλότερες από τις ανωτέρω συχνότητες.
Στάδιο 2. Ενώ η βλάβη διαδίδεται στην επιφάνεια του ρουλεμάν, παρατηρείται ότι η ταλάντωση εμφανίζεται σε συχνότητες που πλησιάζουν την ιδιοσυχνότητα του ρουλεμάν και των τμημάτων που την αποτελούν. Αφορά δηλαδή ένα εύρος από 500 έως 2.000 Ηz και είναι πλέον εφικτό μέσω των διαγραμμάτων επιτάχυνσης και συχνοτήτων να φανεί το πρόβλημα στο ρουλεμάν.
Στάδιο 3. Όσο η βλάβη διαδίδεται, αστοχίες και φθορά του ρουλεμάν μπορούν να γίνουν αντιληπτές με γυμνό μάτι. Χαρακτηριστικές συχνότητες που αφορούν αστοχία γίνονται πλέον αντιληπτές από διαγράμματα ταχύτητας, ενώ η αντικατάσταση του ρουλεμάν κρίνεται επιτακτική. Παράλληλα, τα χαρακτηριστικά των σταδίων 1 και 2 αυξάνονται σε πλάτη ταλάντωσης.
Στάδιο 4. Το στάδιο αυτό περιλαμβάνει κυρίως συχνότητες σχετικές με τη συχνότητα περιστροφής του άξονα (1Χ, 2Χ, 3Χ και 4Χ rpm). Εάν η φθορά έχει φτάσει σε αυτό το σημείο, η ταλάντωση του άξονα αυξάνει. Τυχαίες ταλαντώσεις εμφανίζονται σε υψηλές συχνότητες, όπως περιγράφονται στο Στάδιο 1. Στο στάδιο αυτό, η σφοδρότητα της βλάβης μπορεί να οδηγήσει σε ολική αστοχία της μηχανής.
Κρισιμότητα εξοπλισμού
Ανάλογα με την κρισιμότητα του εξοπλισμού, μπορούν να εγκατασταθούν διαφορετικά συστήματα παρακολούθησης δονήσεων, τα οποία μπορεί να αφορούν συνεχή on line παρακολούθηση έως καταγραφή δονήσεων με φορητό αναλυτή για μικρότερης κρισιμότητας περιστρεφόμενο εξοπλισμό, όπως φαίνονται στην καμπύλη ανίχνευσης βλάβης - αστοχίας.
Καθώς η βλάβη διαδίδεται, παρατηρείται θρυμματισμός σε συγκεκριμένα σημεία του ρουλεμάν. Καθώς τα περιστρεφόμενα στοιχεία του ρουλεμάν περνούν επαναλαμβανόμενα πάνω από τις εγκοπές που δημιουργούνται, η ταλάντωση τείνει να παρουσιάζει συγκεκριμένες συχνότητες, οι οποίες ονομάζονται «συχνότητες αστοχίας ρουλεμάν» (bearing fault frequencies).
H κατανόηση των συγκεκριμένων συχνοτήτων είναι κρίσιμη για την υγεία του εξοπλισμού, καθώς μπορεί εύκολα κάποιος να αντιληφθεί το σημείο απ’ όπου ξεκινά το πρόβλημα, πριν διαδοθεί και σε άλλα σημεία της μηχανής και προκαλέσει ολοκληρωτική φθορά.
Διαγράμματα δονήσεων
Στα διαγράμματα της εικόνας 2 φαίνεται η εξέλιξη της βλάβης σε δύο διαφορετικά ρουλεμάν, κάτι το οποίο τεκμηριώνεται από την αύξηση του πλάτους ταλάντωσης σε συνεχείς κύκλους λειτουργίας.
Τα συγκεκριμένα ρουλεμάν καλύπτονται από σύστημα μόνιμης παρακολούθησης δονήσεων, καθώς και από λογισμικό διαγνώσεως το οποίο μπορεί να δημιουργήσει γραφικές παραστάσεις (εδώ πλάτους ταλάντωσης - χρόνου).
Είναι προφανές το γεγονός ότι αρκετά νωρίς παρατηρούνται αλλαγές (μέγιστα) στο πλάτος ταλάντωσης συναρτήσει του χρόνου, σηματοδοτώντας αλλαγή στη δυναμική κατάσταση της μηχανής.
Ταυτόχρονα, όμως, ο χρόνος αντίδρασης της συντήρησης βελτιώνεται, καθώς ήδη πριν από 5 μήνες υπάρχουν ενδείξεις διάδοσης βλάβης στο ρουλεμάν!
Μέτρηση ταλάντωσης
Ιδανικά, για τη μέτρηση ταλάντωσης μιας μηχανής απαιτείται ένα αισθητήριο σε κάθε σημείο έδρασης ρουλεμάν. Εάν η απόσταση μεταξύ των δύο ρουλεμάν στήριξης είναι μικρότερη από 1m και υπάρχει στερεή σύνδεση μεταξύ των δύο ρουλεμάν (σιδερένιο κέλυφος π.χ. σε μοτέρ ή αντλίες), τότε μπορεί να γίνει χρήση ενός και μόνο αισθητηρίου ανά μηχανή.
Το αισθητήριο τοποθετείται πάνω στο ρουλεμάν ή στο πλησιέστερο σε αυτό σταθερό σημείο του κελύφους της μηχανής, αποφεύγοντας σημεία τα οποία μπορεί να είναι προεξοχές και είναι δυνατό να επηρεάσουν την ποιότητα της μέτρησης.
Ιδιαίτερα όσον αφορά τη χρήση ενός φορητού αναλυτή δονήσεων, τα σημεία συλλογής δεδομένων πρέπει να επιλεγούν σωστά ώστε να απεικονίζουν την κατάσταση ενός ρουλεμάν.
Για να γίνει αυτό εφικτό, μετρήσεις πρέπει να γίνουν σε τρεις διευθύνσεις ανά ρουλεμάν (οριζόντια, κάθετη και αξονική θέση). Μετά το πέρας ενός ικανοποιητικού αριθμού αναλύσεων (άνω των 10 μετρήσεων), είναι δυνατό ο χρήστης να μειώσει τον αριθμό των μετρήσεων ανά ρουλεμάν, καθώς μόνο η μέτρηση της ταλάντωσης κατά τον οριζόντιο άξονα παρέχει σημαντικές πληροφορίες για την κατάστασης της υγείας τους.
Επιλογή αισθητήρα μέτρησης δόνησης
Τα επιταχυνσιόμετρα (accelerometers) είναι η ιδανική επιλογή για τη συνεχή παρακολούθηση των ρουλεμάν και της κατάστασής τους, διότι: - Η κυματομορφή της επιτάχυνσης παρέχει πλήθος πληροφοριών για το τμήμα της μηχανής που αστοχεί, καθώς και για το μέγεθος της βλάβης.
- Πολλοί κατασκευαστές OEM εξοπλισμού προτείνουν όρια συναγερμού (Alarm, Danger) στηριζόμενοι σε μετρήσεις επιτάχυνσης.
- Λανθασμένη λίπανση μπορεί να οδηγήσει σε αστοχία του ρουλεμάν, κάτι το οποίο μπορεί να ανιχνευθεί έγκαιρα μέσω του αισθητηρίου (βλέπε στάδιο 1). Εάν ανιχνευθεί έγκαιρα το πρόβλημα λίπανσης, η συνέχεια της φθοράς των ρουλεμάν μπορεί να σταματήσει, και η συντήρηση ή κράτηση της μηχανής μπορεί να αποφευχθεί, εξοικονομώντας χρόνο και κόστος για την επισκευή.
- Οι μετρήσεις επιτάχυνσης μπορούν να ολοκληρωθούν σε ταχύτητα για λόγους διάγνωσης, επιτρέποντας την ανίχνευση προβλημάτων όπως είναι αζυγοσταθμία και κακή ευθυγράμμιση στην μηχανή.
- Ανίχνευση βλάβης που έχει επιτελεστεί με αισθητήρες άλλου τύπου, όπως με αισθητήρες θερμοκρασίας, συμβαίνει όταν ήδη υπάρχει φθορά και το ρουλεμάν πρέπει να αντικατασταθεί.
Στάδιο 2. Ενώ η βλάβη διαδίδεται στην επιφάνεια του ρουλεμάν, παρατηρείται ότι η ταλάντωση εμφανίζεται σε συχνότητες που πλησιάζουν την ιδιοσυχνότητα του ρουλεμάν και των τμημάτων που την αποτελούν. Αφορά δηλαδή ένα εύρος από 500 έως 2.000 Ηz και είναι πλέον εφικτό μέσω των διαγραμμάτων επιτάχυνσης και συχνοτήτων να φανεί το πρόβλημα στο ρουλεμάν.
Στάδιο 3. Όσο η βλάβη διαδίδεται, αστοχίες και φθορά του ρουλεμάν μπορούν να γίνουν αντιληπτές με γυμνό μάτι. Χαρακτηριστικές συχνότητες που αφορούν αστοχία γίνονται πλέον αντιληπτές από διαγράμματα ταχύτητας, ενώ η αντικατάσταση του ρουλεμάν κρίνεται επιτακτική. Παράλληλα, τα χαρακτηριστικά των σταδίων 1 και 2 αυξάνονται σε πλάτη ταλάντωσης.
Στάδιο 4. Το στάδιο αυτό περιλαμβάνει κυρίως συχνότητες σχετικές με τη συχνότητα περιστροφής του άξονα (1Χ, 2Χ, 3Χ και 4Χ rpm). Εάν η φθορά έχει φτάσει σε αυτό το σημείο, η ταλάντωση του άξονα αυξάνει. Τυχαίες ταλαντώσεις εμφανίζονται σε υψηλές συχνότητες, όπως περιγράφονται στο Στάδιο 1. Στο στάδιο αυτό, η σφοδρότητα της βλάβης μπορεί να οδηγήσει σε ολική αστοχία της μηχανής.
Κρισιμότητα εξοπλισμού
Ανάλογα με την κρισιμότητα του εξοπλισμού, μπορούν να εγκατασταθούν διαφορετικά συστήματα παρακολούθησης δονήσεων, τα οποία μπορεί να αφορούν συνεχή on line παρακολούθηση έως καταγραφή δονήσεων με φορητό αναλυτή για μικρότερης κρισιμότητας περιστρεφόμενο εξοπλισμό, όπως φαίνονται στην καμπύλη ανίχνευσης βλάβης - αστοχίας.
Καθώς η βλάβη διαδίδεται, παρατηρείται θρυμματισμός σε συγκεκριμένα σημεία του ρουλεμάν. Καθώς τα περιστρεφόμενα στοιχεία του ρουλεμάν περνούν επαναλαμβανόμενα πάνω από τις εγκοπές που δημιουργούνται, η ταλάντωση τείνει να παρουσιάζει συγκεκριμένες συχνότητες, οι οποίες ονομάζονται «συχνότητες αστοχίας ρουλεμάν» (bearing fault frequencies).
H κατανόηση των συγκεκριμένων συχνοτήτων είναι κρίσιμη για την υγεία του εξοπλισμού, καθώς μπορεί εύκολα κάποιος να αντιληφθεί το σημείο απ’ όπου ξεκινά το πρόβλημα, πριν διαδοθεί και σε άλλα σημεία της μηχανής και προκαλέσει ολοκληρωτική φθορά.
Διαγράμματα δονήσεων
Στα διαγράμματα της εικόνας 2 φαίνεται η εξέλιξη της βλάβης σε δύο διαφορετικά ρουλεμάν, κάτι το οποίο τεκμηριώνεται από την αύξηση του πλάτους ταλάντωσης σε συνεχείς κύκλους λειτουργίας.
Τα συγκεκριμένα ρουλεμάν καλύπτονται από σύστημα μόνιμης παρακολούθησης δονήσεων, καθώς και από λογισμικό διαγνώσεως το οποίο μπορεί να δημιουργήσει γραφικές παραστάσεις (εδώ πλάτους ταλάντωσης - χρόνου).
Είναι προφανές το γεγονός ότι αρκετά νωρίς παρατηρούνται αλλαγές (μέγιστα) στο πλάτος ταλάντωσης συναρτήσει του χρόνου, σηματοδοτώντας αλλαγή στη δυναμική κατάσταση της μηχανής.
Ταυτόχρονα, όμως, ο χρόνος αντίδρασης της συντήρησης βελτιώνεται, καθώς ήδη πριν από 5 μήνες υπάρχουν ενδείξεις διάδοσης βλάβης στο ρουλεμάν!
Μέτρηση ταλάντωσης
Ιδανικά, για τη μέτρηση ταλάντωσης μιας μηχανής απαιτείται ένα αισθητήριο σε κάθε σημείο έδρασης ρουλεμάν. Εάν η απόσταση μεταξύ των δύο ρουλεμάν στήριξης είναι μικρότερη από 1m και υπάρχει στερεή σύνδεση μεταξύ των δύο ρουλεμάν (σιδερένιο κέλυφος π.χ. σε μοτέρ ή αντλίες), τότε μπορεί να γίνει χρήση ενός και μόνο αισθητηρίου ανά μηχανή.
Το αισθητήριο τοποθετείται πάνω στο ρουλεμάν ή στο πλησιέστερο σε αυτό σταθερό σημείο του κελύφους της μηχανής, αποφεύγοντας σημεία τα οποία μπορεί να είναι προεξοχές και είναι δυνατό να επηρεάσουν την ποιότητα της μέτρησης.
Ιδιαίτερα όσον αφορά τη χρήση ενός φορητού αναλυτή δονήσεων, τα σημεία συλλογής δεδομένων πρέπει να επιλεγούν σωστά ώστε να απεικονίζουν την κατάσταση ενός ρουλεμάν.
Για να γίνει αυτό εφικτό, μετρήσεις πρέπει να γίνουν σε τρεις διευθύνσεις ανά ρουλεμάν (οριζόντια, κάθετη και αξονική θέση). Μετά το πέρας ενός ικανοποιητικού αριθμού αναλύσεων (άνω των 10 μετρήσεων), είναι δυνατό ο χρήστης να μειώσει τον αριθμό των μετρήσεων ανά ρουλεμάν, καθώς μόνο η μέτρηση της ταλάντωσης κατά τον οριζόντιο άξονα παρέχει σημαντικές πληροφορίες για την κατάστασης της υγείας τους.
Επιλογή αισθητήρα μέτρησης δόνησης
Τα επιταχυνσιόμετρα (accelerometers) είναι η ιδανική επιλογή για τη συνεχή παρακολούθηση των ρουλεμάν και της κατάστασής τους, διότι: - Η κυματομορφή της επιτάχυνσης παρέχει πλήθος πληροφοριών για το τμήμα της μηχανής που αστοχεί, καθώς και για το μέγεθος της βλάβης.
- Πολλοί κατασκευαστές OEM εξοπλισμού προτείνουν όρια συναγερμού (Alarm, Danger) στηριζόμενοι σε μετρήσεις επιτάχυνσης.
- Λανθασμένη λίπανση μπορεί να οδηγήσει σε αστοχία του ρουλεμάν, κάτι το οποίο μπορεί να ανιχνευθεί έγκαιρα μέσω του αισθητηρίου (βλέπε στάδιο 1). Εάν ανιχνευθεί έγκαιρα το πρόβλημα λίπανσης, η συνέχεια της φθοράς των ρουλεμάν μπορεί να σταματήσει, και η συντήρηση ή κράτηση της μηχανής μπορεί να αποφευχθεί, εξοικονομώντας χρόνο και κόστος για την επισκευή.
- Οι μετρήσεις επιτάχυνσης μπορούν να ολοκληρωθούν σε ταχύτητα για λόγους διάγνωσης, επιτρέποντας την ανίχνευση προβλημάτων όπως είναι αζυγοσταθμία και κακή ευθυγράμμιση στην μηχανή.
- Ανίχνευση βλάβης που έχει επιτελεστεί με αισθητήρες άλλου τύπου, όπως με αισθητήρες θερμοκρασίας, συμβαίνει όταν ήδη υπάρχει φθορά και το ρουλεμάν πρέπει να αντικατασταθεί.
Ο Γιώργος Γώγος είναι μηχανολόγος μηχανικός προληπτικής συντήρησης στην ΤΕΒΕΞ - Α. Σαραφίδης & Σία Ε.Ε., υπεύθυνος για τον οίκο GE - Bently Nevada
Αναρτήσεις
