عیوب گیربکس
مقدمه: اهمیت عیب یابی گیربکس در صنعت
گیربکس یکی از مهم ترین اجزای ماشین آلات دوار در صنایع مختلف است. سلامت گیربکس نقش حیاتی در راندمان و جلوگیری از توقف ناگهانی تجهیزات دارد. آنالیز ارتعاشات یکی از روشهای کلیدی برای پایش وضعیت گیربکس و تشخیص به موقع عیوب آن است. در ادامه، رایج ترین عیوب گیربکس و مشخصه های ارتعاشی مرتبط با آنها بررسی میشود.
1- درگیری چرخدنده در گیربکس (Gear Mesh Frequency – GMF)
جعبه دنده یا گیربکس میتواند سبب ایجاد هارمونیک های عادی فرکانس پایین در طیف ارتعاشات شود. به دلیل وجود دندانه ها و یاتاقان ها، ناحیهی فرکانسی بالاتری نیز تحت تأثیر قرار میگیرد.
فرکانس درگیری چرخدنده (GMF) با رابطه زیر مشخص میشود:
GMF = تعداد دندانه ی پینیون × rpm پینیون
باید تذکر داد که برای چرخدنده های مارپیچ فرکانس درگیری در راستای محوری و برای چرخدنده های ساده در راستای شعاعی قابل مشاهده است. در یک جعبه دنده به دلیل کثرت GMF ها و هارمونیک های آنها شاهد بازه ای در طیف فرکانسی خواهیم بود که در حالت سالم بودن چرخدنده، دامنه های قابل مشاهده کوچک بوده و هیچ فرکانس طبیعی از چرخدنده ها مورد تحریک قرار نمیگیرد، اما در صورت افزایش دامنه ی قله ها یا هارمونیک های آنها و یا افزایش دامنه ی باند های کناری در کنار قله های متناظر با سرعت ورودی و خروجی جعبه دنده، عیبی در حال شکل گیری یا توسعه است.
باید توجه داشت که در صورت وجود پوسیدگی دندانهها و حرکت عکسالعملی در چرخدنده ممکن است شاهد تحریک فرکانس طبیعی در کنار ساید باندهای GMF باشیم.
بر مبنای یک قانون عمومی اینطور برداشت میشود که در مواجهه به عیب پراکنده چون ناهم محوری چرخدندهها، شاهد دامنه بالا و متمرکز در ساید باندها و هارمونیکها در نزدیکی فرکانس درگیری دندانهها خواهیم بود در مواجهه با عیوب محلی مانند ترک در دندانه، شاهد ساید باندهایی با پهنای بیشتر خواهیم بود که در طیف فرکانسی پخش شدهاند.
از جمله نکاتی که در تنظیمات مربوط به پایش و عیبیابی چرخدندهها باید به آنها توجه داشت، حداکثر فرکانس اسپکتروم(F-Max) است است که برای پایش و عیبیابی صحیح، باید حداقل ۳/۳ برابر GMF باشد. همچنین نیاز است تا رزولوشن به اندازهی کافی بالا باشد تا بتوان باندهای کناری را مشاهده کرد.
در انتها باید اشاره کرد در جعبه دندهها، آنالیز ذرات فرسایشی به منظور تشخیص عیب پوسیدگی در مراحل اولیه بسیار کاربردی است که اکثر عیوب جعبهدندهها در مرحلهای از پیشرفت خود منجر به این امر خواهند شد و شدیدا استفاده از این روش پیشنهاد میشود.
2- پوسیدگی دندانههای گیربکس
مشخصه اصلی این عیب تحریک فرکانس طبیعی چرخدنده همراه با باندهای کناری است.
در بحث پوسیدگی دندانهها، مشخصهی اصلی تحریک فرکانس طبیعی چرخدنده با باندهای مجاور آنها است. در این عیب امکان تغییر کردن یا نکردن دامنه در GMF را داریم لیکن نشانگر اصلی باندهای کناری هستند.
با شروع پوسیدگی دندانهها، دو رویداد رخ میدهند: اول اینکه دامنهی باندهای کناری GMF افزایش خواهند یافت. این باندهای کناری متناظر با سرعت چرخدندهی پوسیده خواهند بود.
دوم اینکه فرکانس طبیعی چرخدنده تحریک میشود. قلهی حاصل از این امر نیز دارای باندهای کناری خواهد بود و از آنجایی که مربوط به فرکانس طبیعی است، مبنای عریضتری خواهد داشت.
در شکل موج این عیب، افزایش مدولاسیون فرکانس درگیری چرخدنده قابل مشاهده خواهد بود.
شاخص کلیدی در اسپکتروم افزایش دامنه و تعداد باندهای کناری خواهد بود. اغلب مواقع دامنهی x۳ GMF نیز افزایش خواهد یافت.
3- بار دندانه و تاثیر آن بر ارتعاشات گیربکس
سطح ارتعاشات در GMF به هم ترازی شفت و بار سوار بر چرخدنده وابسته است.
سطح ارتعاشات در GMF به هم ترازی شفتهای حامل چرخدندهها و بار سوار بر چرخدنده بستگی دارد. اگرچه یک قلهی بلند در GMF لزوما نشانگر یک عیب نیست، افزایش دامنهی آن بدون افزایش در باندهای کناری یا هارمونیکها، احتمال افزایش بار اعمالی بر چرخدنده را بیان میکند. به همین دلیل همواره پیشنهاد میشود که آنالیز ارتعاشات جعبه دنده در زمان انتقال حداکثر توان صورت گیرد.
افزایش ارتعاشات در GMF در شکل موج ارتعاشی جعبه دنده قابل مشاهده خواهد بود.
همانطور که ذکر شد، شاخص کلیدی در این عیب افزایش دامنه در GMF است که لزوما همراه با افزایش یا تغییر در هارمونیکها و باندهای کناری GMF نخواهد بود.
4- خروج از مرکزی چرخدنده
در صورت خروج از مرکز یا خمیدگی شفت، باندهای کناری 1x GMF افزایش مییابد.
در صورت خروج از مرکزی چرخدنده یا خمیدگی شفت آن، باندهای کناری 1x مربوط به GMF، شاهد افزایش دامنه خواهند بود. شاخص کلیدی مشاهدهی یک ساید باند غالب به جای یک گروه ساید باند، در یک طرف GMF خواهد بود.
علاوهبر این مشاهدهی افزایش ارتعاشات در قلههای 1x و 3x مربوط به GMF، دور از انتظار نخواهد بود. همچنین باید متذکر شد که خروج از مرکزی ممکن است سبب پسزنی چرخدنده شود که میتواند سبب تحریک فرکانس طبیعی چرخدنده (GNF) شود. این قله که فرکانس آن نامعلوم است، سایدباندهای 1x نیز خواهد داشت.
به سبب افزایش مدولاسیون سرعت دوران، دامنهی شکل موج شاهد افزایش و کاهشی با نرخی معادل سرعت دوران شفت معیوب خواهد بود.
فرکانس سایدباند با RPM چرخدندهی خارج از مرکز یا چرخدندهای که شفت آن دچار خمیدگی است متناظر خواهد بود.
5- ناهم محوری چرخدندهها
این عیب معمولاً سبب تحریک هارمونیک های مرتبه دوم GMF میشود.
این عیب عموما سبب تحریک هارمونیکهای مرتبه دوم GMF میشود. هنگام بروز این عیب اغلب شاهد دامنههای کوچک در 1x GMF و دامنههای سطح بالا در مراتب دوم هستیم. در حضور این عیب قلههای 1x و 2x و 3x GMF و سایدباندهای آنها شاهد افزایش دامنه خواهند بود لیکن افزایش دامنه در 2x GMF و هارمونیکهای آن به شدت بیشتر و چشمگیرتر است. از آنجایی که 3x و سایدباندهای آن نیز جزو مشخصههای این عیب هستند لازم است که F-Max بالاتر از این فرکانس تنظیم شود.
در شکل موج شاهد مدولاسیون 2x سرعت دوران (شفت) و 2x GMF شدید خواهیم بود.
در حضور ناهم محوری چرخدندهها، قلهی 2x GMF قابل رویت خواهد بود و سایدباندهای 2x شفت دامنهی بالاتری نسبت به سایدباندهای 1x خواهند داشت.
6- ترک یا شکستگی دندانه
ترک یا شکستگی باعث پیدایش دامنه بالا در یک دور کاری چرخدنده میشود.
ترک یا شکستگی دندانه در چرخدنده سبب پیدایش دامنه بالا در یک دور کاری چرخدنده میشود، در کنار این موضوع، این عیوب سبب تحریک فرکانس طبیعی چرخدنده با ساید باندهای آنها نیز میشود. باید توجه داشت که راهی برای پیدا کردن فرکانس طبیعی چرخدندهها، قبل از بروز عیب وجود ندارد و همواره باید مواظب قلهای جدید در اسپکتروم، با مبنایی عریضتر از موارد معمول و سایدباندهایی به صورت مذکور بود. بهترین مشخصه برای شناسایی این عیب مشاهدهی قلههای تیز در شکل موج دامنهی زمانی است که هنگام پیوستگی دندانهی معیوب با دندانهی متقابل از چرخدندهی دیگر قابل مشاهده است. دامنهی این قله به مراتب بالاتر از دامنه در یک دور کاری چرخدنده در FFT است.
در صورت مشاهدهی شکل موجی با حدود ۶-۱۰ سیکل از دوران چرخدنده مورد بررسی، که در زمان درگیری دندانهها، تغییراتی در ارتعاشات رویت شود، به احتمال زیاد با این عیب روبهرو هستیم. در مواجه با این عیب استفاده از دیاگرام دورانی و میانگین گیری سنکرون زمانی میتوانند مفید واقع شوند
در مواجه با این عیب استفاده از اسپکتروم بهترین روش عیبیابی نیست. در اسپکتروم مناسبترین کار به دنبال فرکانس طبیعی چرخدنده و سایدباندهای آن بودن است.
7- فرکانس شکار دندانه (Hunting Tooth Frequency – HTF)
زمانی اتفاق میافتد که دندانههای مشخصی روی هر چرخدنده با هم درگیر شوند.
اين فركانس زماني اتفاق مي افتد كه دندانه هاي مشخصی بر روي هر چرخ دنده با هم درگير شوند . دو چرخ دنده را در نظر بگيريد كه هر كدام از آنها داراي يك دندانه معيوب باشند . در هر چند دور يك بار اين دو دندانه با هم درگير ميشوند و فركانس شكار دندانه را تحريك ميكنند. اين فركانس را مي توان بوسيله تقسيم كوچكترين مضرب مشترك (LCM) دندانه هاي دو چرخ دنده بر عامل غير مشترك، یا به بیان سادهتر از تقسیم فرکانس درگیری چرخدنده (GMF) بر کوچکترین مضرب مشترک تعداد دندانههای چرخدندههای درگیر بدست آورد. حاصل اين تقسيم برابر تعداد دورهايي است كه چرخ دنده بايد بزند قبل از اينكه HTF اتفاق افتد. عكس سرعت چرخ دنده نشان دهنده زمان مورد نياز براي يك دور چرخيدن چرخ دنده ميباشد. براي بدست آوردن HTF ، زمان مورد نياز براي يك دور چرخيدن چرخ دنده را در تعداد دورهاي چرخ دنده ضرب نمائيد. سپس نتيجه را عكس نمائيد.
HTF = فركانس شكار دندان
L = كوچكترين مضرب مشترك
U = عامل غير مشترك چرخ دنده
Gs = سرعت چرخ دنده
اگر نسبت چرخدنده یک عدد صحیح مانند ۱، ۲، ۳ و .. باشدفرکانس شکار دندانه برابر با سرعت دوران چرخدندهی بزرگتر خواهد بود و دندانههای یکسانی در هر دوران چرخدندهها با هم درگیر میشوند. این امر سبب میشود تا سایش غیریکنواختی در چرخدنده به وجود بیاید. به بیان سادهتر یک عیب کوچک در یک دنده به صورت مکرر با یک دندانهی مشخص از چرخدندهی دیگر تماس خواهد داشت که سبب سایش موضعی در آن دندهها خواهد شد.
در عمل فرکانس شکار دندانه برای تشخیص عیوب پینیون و چرخدنده که هنگام تولید یا حمل و نقل به وجود آمدهاند مورد استفاده قرار میگیرد. این عیوب عموما دارای فرکانس پایینی هستند و از جعبه دنده صدایی مانند ‘خر خر’ تولید میکنند.
باید ذکر کرد در این عیوب، ضربههای ایجاد شده، سبب ایجاد امواج تنشی و تحریک فرکانس طبیعی خواهند شد که توسط تکنیکهای HFD مانند دمدولاسیون، انولوپ، Peakvue و غیره قابل تشخیص هستند. در نتیجه میتوان انتظار مشاهدهی هارمونیکهای x۱ را در اسپکتروم تکنیکهای فرکانس بالا داشت.
با توجه به پایین بودن فرکانس در این عیب، طول مدت سیگنال شکل موج باید به اندازهی کافی بلند باشد تا بتوان تغییرات ارتعاشات درگیری دو دندانه را مشاهده کرد. بنابر تعداد دندانههای هر دو چرخدنده، ممکن است نیاز باشد تا ۳۰ سیکل دوران شفت را برای مشاهدهی چند درگیری دندانه رویت کرد.
گاهی اوقات فركانس درگيري دندانه در طيف فركانسي FFT قابل اندازه گيري نيست چرا كه فركانس آن بسيار پائين ميباشد. اگرچه اين فركانس در تايم سيگنال قابل رديابي ميباشد. مثلاً وقتي دو چرخدنده درگير با هم داراي دندانه اي شكسته بر روي هر يك از چرخ دندهها باشد ، دندانه شكسته بر روي هر كدام از چرخ دنده ها هر زمان كه با چرخ دنده ديگر درگير شود يك پالس در سيگنال زماني ايجاد ميكند . وقتي كه دو دندانه شكسته با هم درگير شوند يك پالس بزرگ ايجاد ميشود . فركانس اين رويداد برابر فركانس شكار دندانه يا HTF ميباشد. در مواقعی امکان مشاهدهی قلههایی در فرکانسهای پایین مشاهده میشوند که نشانگر ‘خر خر’ فرکانس پایینی است که از جعبه دنده شنیده میشود.
آنالیز ارتعاشات ابزاری قدرتمند برای تشخیص به موقع عیوب گیربکس مانند پوسیدگی، ترک دندانه یا ناهم محوری است. پایش دقیق فرکانسهای درگیری چرخدنده و باندهای کناری به متخصصان کمک میکند تا قبل از بروز خرابیهای پرهزینه، اقدام به تعمیر یا نگهداری کنند. همچنین استفاده از روشهای مکمل مانند آنالیز ذرات فرسایشی میتواند در مراحل اولیه پوسیدگی بسیار کاربردی باشد.
سوالات متداول
1. چرا عیب یابی گیربکس با آنالیز ارتعاشات اهمیت دارد؟
گیربکس از اجزای حیاتی در ماشین آلات دوار است و خرابی آن میتواند منجر به توقف تولید، افت راندمان و افزایش هزینه های تعمیر شود. آنالیز ارتعاشات امکان شناسایی زود هنگام خرابی هایی مانند ناهم محوری، پوسیدگی یا شکستگی دندانه ها را فراهم میکند و از بروز خرابی های پرهزینه جلوگیری میکند.
2. فرکانس درگیری چرخدنده (Gear Mesh Frequency – GMF) چیست؟
GMF فرکانسی است که هنگام درگیری دندانههای چرخدندهها ایجاد میشود. بررسی تغییرات دامنه و باندهای کناری GMF در طیف ارتعاشی، یکی از مهم ترین روش ها برای تشخیص عیوبی مانند لقی، ترک دندانه یا بارگذاری نامتوازن است.
3. چه عواملی باعث افزایش ارتعاشات در گیربکس میشوند؟
افزایش سطح ارتعاش ممکن است به علت بارگذاری بیش از حد، خروج از مرکز شفت، ناهم ترازی چرخدنده ها، سایش دندانه ها یا عیوب یاتاقان های نگهدارنده باشد. تشخیص دقیق عامل اصلی نیازمند تحلیل ترکیبی سیگنال های زمانی و طیفی است.
4. فرکانس شکار دندانه (Hunting Tooth Frequency – HTF) چه نقشی در تشخیص عیوب دارد؟
HTF زمانی رخ میدهد که دندانه های مشخصی از دو چرخدنده به صورت تکراری با هم درگیر شوند. وجود این فرکانس در طیف ارتعاشی میتواند نشانه ای از وجود دندانه های معیوب یا سایش موضعی در گیربکس باشد که معمولاً با صدای “خرخر” همراه است.
5. بهترین روش برای پایش وضعیت گیربکس چیست؟
ترکیب آنالیز ارتعاشات با آنالیز ذرات فرسایشی روغن دقیق ترین روش برای پایش سلامت گیربکس است. این دو تکنیک مکمل، اطلاعاتی از رفتار دینامیکی و وضعیت سطح تماس دندانه ها فراهم میکنند و امکان تشخیص عیوب در مراحل اولیه را میدهند.