یاتاقان المان غلطشی
یاتاقان المان غلطشی و مراحل خرابی آن
یاتاقانها از اجزای کلیدی ماشینآلات دوار هستند و خرابی آنها میتواند عملکرد سیستم را مختل کند. شناخت عیوب یاتاقان و تحلیل ارتعاشات آنها، روشی مطمئن برای عیبیابی و جلوگیری از توقف ناخواسته تجهیزات است.
یاتاقان غلطشی چیست؟
یک یاتاقان غلطشی شامل حلقه داخلی، حلقه خارجی، قفس یا محفظه و المان غلطشی است. در هر یک از این بخشها ممکن است به دلایلی عیب ظاهر شود و عموماً این عیوب سبب ارتعاشات فرکانس بالا میشوند. شدت فرسایش سبب تغییر در الگوی ارتعاشی خواهد شد و اغلب اوقات میتوان عضو معیوب یاتاقان را بر مبنای فرکانسهای مشخص تحریک شده شناسایی کرد.
عیوب مسیر حلقه و المان غلطشی معمولاً به سادگی قابل تشخیص هستند ولی در مورد عیوب قفس یاتاقان این کار دشوارتر است.
مراحل پیشرفت عیب در یاتاقان غلطشی
پیشرفت عیب در یاتاقان چهار مرحله دارد:
مرحله اول: ایجاد ارتعاش فرکانس بالا
مرحله دوم: بروز فرکانسهای تشدید
مرحله سوم: مشاهده فرکانسهای گسسته در طیف FFT
مرحله چهارم: نویز تصادفی با فرکانس بالا و آسیب شدید
طیف FFT برای عیوب یاتاقان در چهار ناحیه (A, B, C, D) تقسیم میشود:
A: دور کاری ماشین و منطقه هارمونیکها
B: ناحیه فرکانسهای عیوب یاتاقان (۵-۳۰ kcpm)
C: ناحیه فرکانس طبیعی اجزای یاتاقان (۳۰-۱۲۰ kcpm)
D: ناحیه شناسایی فرکانس بالا (HFD) بالاتر از ۱۲۰ kcpm
مرحله اول: سایش اولیه
اولین نشانههای سایش در یاتاقان در بازهی فرکانسی فراصوت ۲۰ -۶۰ کیلو هرتز (۱۲۰-۳۶۰ kcpm) قابل مشاهده است. مرحلهی اول عیوب یاتاقان عموما به سبب کمبود روانکاری یا عیوب جزئی در یاتاقان ایجاد میشود و به همین دلیل دارای دامنهی خیلی پایین و فرکانس بالا است.این فرکانسها، فرکانسهایی هستند که با تکنیکهای HFD مانند GSE ، SEE ، peakvue، SPM و انولوپ و غیره ارزیابی میشوند. برای شناسایی کمبود روانکاری، استفاده از روش مافوق صوت پیشنهاد میشود.
همانطور که از شکل فوق پیداست،هیچ عیب قابل مشاهدهای در حلقهها یا المانهای غلطشی یاتاقان در مرحلهی اول وجود ندارد، فقط حلقهها درخشش اولیهی خود را از دست دادهاند و رنگ آنها به خاکستری متمایل شده است.
باید تذکر داد که شکل موج در این مرحله هیچ کمکی در عیبیابی نخواهد کرد.
در این مرحله، فقط طیفهای فرکانسی تکنیکهای فرکانس بالا در تشخیص عیب موثر خواهند بود، البته فقط در حالتی که فیلتر به درستی تعریف شده و سنسور به درستی نصب گردیده باشد.
مرحله دوم: ایجاد حفره در حلقهها
در این مرحله، حلقههای در معرض خستگی شروع به ایجاد حفره میکنند. در اثر عبور المانهای غلطشی از این حفرهها، فرکانس تشدید اجزای یاتاقان تشدید میشوند. بنا بر شدت عیب احتمال ظاهر شدن فرکانسهای سایدباند(فرکانس عیب یاتاقان+rpm) در بالا و پایین قلهی فرکانس طبیعی در انتهای این مرحله وجود دارد. عیب یابی فرکانس بالا (HFD) در این مرحله ممکن است دامنه را تا دو برابر دامنه در مرحله اول نشان دهد و استفاده از این تکنیکها برای عیب یابی شدیدا پیشنهاد میشود.
شکل موج در این مرحله کمک شایانی نخواهد کرد لیکن در ماشینآلات سرعت پایین ممکن است در واحد شتاب، نشانههایی از وجود عیب به نمایش بگذارد.
در این مرحله نیز تنها تکنیکهای فرکانس بالا یا طیف فرکانسی از فرکانسهای بالا نشانههای وجود عیب را نمایش خواهند داد.
مرحله سوم: گسترش پوسیدگی
با ورود به مرحلهی سوم، فرکانسهای گسستهی یاتاقان و هارمونیکهای آنها در FFT قابل مشاهده هستند. این فرکانسها میتوانند با ساید باند همراه باشند. در این مرحله عموما پوسیدگی قابل مشاهده است و ممکن است از گوشهها شروع به گسترش کند. حفرههای کوچک ایجاد شده در مراحل قبل در این مرحله بزرگتر شده و تعداد آنها نیز افزایش مییابد. زمانی که ساید باندهایی با شکل کامل در کنار فرکانسهای عیوب یاتاقان یا هارمونیکهای آن ظاهر شوند، اجزای HFD دوباره نسبت به مرحله قبل دو برابر شدهاند. عموما پیشنهاد میشود که یاتاقان در این مرحله تعویض شود. برخی مطالعات عنوان میکنند که در این مرحله عمر باقیماندهی یاتاقان حدود ۱٪ میانگین طول عمرش است. در مرحلهی سوم امکان وجود عیب در سه بخش یاتاقان وجود دارد.
۱. کنز خارجی
در این حالت، میتوان با بررسی اسپکتروم سرعت و شکل موج سرعت یا شتاب، به حضور عیب پی برد. در صورت وجود مشکل بر کنز خارجی، با هر بار عبور ساچمه از روی عیب شاهد یک ضربه خواهیم بود و با توجه به ثابت بودن دامنهی ضربات در دور ثابت، مدولاسیون صورت نمیپذیرد و ساید باندای ایجاد نمیشود، لیکن اگر کنز خارجی دوران داشته باشد، شاهد ایجاد باندهای کناری x۱ خواهیم بود.
در صورت بالا بودن رزولوشن و بالا بودن تعداد نمونه، امکان مشاهدهی ضربات در شکل موج وجود خواهد داشت.
در این حالت در نمودار اسپکتروم شاهد هارمونیک های غیر سنکرون از دور شفت خواهیم بود (مانند x۳/۴). در صورت دوران کنز داخلی، نباید انتظار مشاهدهی باندهای کناری را داشت.
۲. کنز داخلی
در این حالت نیز، میتوان با بررسی اسپکتروم سرعت و شکل موج سرعت یا شتاب، به حضور عیب پی برد. در صورت وجود مشکل بر کنز داخلی، با هر بار عبور ساچمه از روی عیب شاهد یک ضربه خواهیم بود.دامنه در زمانیکه محل خرابی در ناحیهی بار باشد حداکثر است، بنابر این شاهد بان کناری در x۱ خواهیم بود.
در صورت بالا بودن رزولوشن و بالا بودن تعداد نمونه، در اینجا نیز امکان مشاهدهی ضربات در شکل موج وجود خواهد داشت.
در این حالت در نمودار اسپکتروم شاهد هارمونیک های غیر سنکرون از دور شفت(مانند x۳/۴) و باندهای کناری در x۱ خواهیم بود. در صورت دوران کنز خارجی، نباید انتظار مشاهدهی باندهای کناری را داشت.
۳. المان غلطشی
در این حالت نیز، میتوان با بررسی اسپکتروم سرعت و شکل موج سرعت یا شتاب، به حضور عیب پی برد. در صورت وجود مشکل در ساچمه، با هر بار عبور بخش معیوب ساچمه از روی عیب کنز داخلی یا خارجی، شاهد یک ضربه خواهیم بود. دامنه زمانیکه ساچمه در ناحیهی بار است حداکثر خواهد بود، بنابراین باندهای کناری FTF (Cage) ایجاد خواهند شد.
در صورت بالا بودن رزولوشن و بالا بودن تعداد نمونه، در اینجا نیز امکان مشاهدهی ضربات در شکل موج وجود خواهد داشت.
در این حالت در نمودار اسپکتروم شاهد هارمونیک های غیر سنکرون از دور شفت(مانند x۳/۴) و ساید باند FTF (Cage) (به صورت تقریبی x۴۶/۰) خواهیم بود.
مرحله چهارم: تخریب کامل
در مرحلهی پایانی،حفرههای ایجاد شده در مراحل قبلی به یکدیگر میپیوندند و سبب پیوستگی حفرهها در کل مسیر یاتاقان میشوند که در این حالت ساچمهها یا مسیر دارای مسیرهای سخت و ناهمگون بر روی خود میشوند. اکنون دیگر یاتاقان در شرایط بسیار آسیب دیده قرار دارد. در این حالت میتوانیم شاهد افزایش دامنه حتی در دامنه یک دور کاری ماشین باشیم و اسپکتروم سرعت به وضوح حضور عیب را نشان خواهد داد. با پیشروی این مرحله، شاهد رشد بسیاری از هارمونیکهای سرعت کاری خواهیم بود. باید توجه داشت که با پیشرفت در این مرحله، یاتاقان اجازهی جابجایی بیشتری به روتور میدهد و علائم لقی پدیدار میشوند. با گذشت زمان امکان ناپدید شدن هارمونیکهای غیر سنکرون و باندهای کناری وجود دارد و در عوض سطح نویز پایه افزایش مییابد. در این مرحله بر خلاف سه مرحلهی قبل استفاده از تکنیکهایی چون SPM پیشنهاد نمیشود، زیرا ممکن است ترندی نزولی را نمایش دهند.
در این مرحله شکل موج سرعت، به اصطلاح شلوغ میشود و شاهد نیز بالا در این نمودار خواهیم بود، در نتیجه نمودار شکل موج غیر قابل تحلیل شده و کمکی در عیب یابی نخواهد کرد.
در این مرحله، هارمونیکهای غیر سنکرون و باندهای کناری ایجاد شده در مرحلهی سوم، ناپدید خواهند شد و در عوض اسپکتروم شدیدا دچار نویز میشود و سطح نویز بالا میآید. با افزایش فاصله در یاتاقان، مشخصههای لقی مانند هارمونیکهای x۱ بروز خواهند کرد.
سوالات متداول
1. چرا تحلیل ارتعاشات در تشخیص خرابی یاتاقان های غلطشی اهمیت دارد؟
یاتاقان های غلطشی از اجزای کلیدی ماشین آلات دوار هستند و کوچک ترین خرابی در آن ها می تواند باعث ارتعاش شدید، افزایش دما و توقف تجهیزات شود. آنالیز ارتعاشات با شناسایی الگوهای خاص در فرکانس های کاری و فرکانس های عیب یاتاقان، امکان تشخیص زودهنگام و پیشگیری از خرابی های پرهزینه را فراهم میکند.
2. مراحل پیشرفت خرابی در یاتاقان های غلطشی چگونه است؟
فرآیند خرابی یاتاقان معمولاً در چهار مرحله رخ میدهد:
– ایجاد ارتعاشات فرکانس بالا (سایش اولیه)
– تحریک فرکانس های تشدید اجزا
– ظهور فرکانس های گسسته و سایدباند در طیف FFT
– نویز شدید و افزایش دامنه در کل طیف، که نشان دهنده تخریب کامل است.
تشخیص در مراحل اول و دوم، کلید پیشگیری از خرابی است.
3. در هر مرحله از خرابی یاتاقان، چه تغییراتی در طیف ارتعاشی مشاهده میشود؟
در مراحل اولیه، فقط فرکانس های بالا و سیگنال های فراصوت (Ultrasound) قابل مشاهده هستند.
در مراحل میانی، فرکانس های عیوب خاص مانند BPFO، BPFI، BSF، FTF و هارمونیک های آنها در طیف FFT ظاهر میشوند.
در مراحل نهایی، سطح نویز به شدت بالا میرود و شکل موج سرعت یا شتاب دیگر قابل تحلیل دقیق نیست.
4. عیوب حلقه داخلی، حلقه خارجی و المان غلطشی چه تفاوتی دارند؟
- عیب حلقه خارجی: ضربات یکنواخت با هر بار عبور ساچمه از ناحیه معیوب، بدون ایجاد سایدباند.
- عیب حلقه داخلی: ضربات در هنگام قرار گرفتن ناحیه معیوب در زیر بار، همراه با سایدباند در فرکانس 1x.
- عیب المان غلطشی (ساچمه): ایجاد ضربات نامنظم با باندهای کناری در حوالی فرکانس FTF (قفس).
این تفاوتها به تحلیل گر کمک میکند محل دقیق عیب را تشخیص دهد.
5. از چه تکنیک هایی برای شناسایی مراحل اولیه خرابی یاتاقان استفاده می شود؟
در مراحل اولیه که دامنهی ارتعاش بسیار پایین است، تکنیک های HFD (High-Frequency Detection) مانند PeakVue، Envelope، SEE، SPM و GSE بسیار مؤثر هستند. این روشها قادرند ارتعاشات فرکانس بالا را که ناشی از تماس های ریز و اولیه بین اجزای یاتاقان است، قبل از هرگونه تغییر محسوس در طیف اصلی تشخیص دهند.
