Akademia automatyki: Wykorzystanie ultradźwięków w diagnostyce łożysk

Większość maszyn produkcyjnych opiera się na działaniu podzespołów, w których pracują różnego rodzaju łożyska napędzające cały układ. Diagnostyka łożysk jest więc kluczowym elementem dla służb utrzymania ruchu odpowiedzialnych za utrzymanie maszyn, a więc także i łożysk, w jak najlepszym stanie technicznym. Nie jest to proste zadanie, jednakże z pomocą przychodzą ultradźwięki.

USŁYSZEĆ TO CZEGO NIE SŁYCHAĆ
Każde pracujące łożysko emituje ultradźwięki – fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości, niesłyszane przez ludzkie ucho. Ważnym przy tym jest fakt, że jedno łożysko może emitować ultradźwięki różniące się od siebie natężeniem. Różnice emitowanych ultradźwięków wynikają ze stanu technicznego łożysk i to właśnie tę zależność wykorzystuje się w diagnostyce. Ultradźwięki wywoływane przez pracujące łożysko mają różne źródło pochodzenia. Łożysko emituje inne dźwięki w przypadku gdy jest w pełni sprawne, inne gdy jest uszkodzone mechanicznie np.: uszkodzone elementy toczne, bieżnia wewnętrzna czy zewnętrzna, inne w przypadku braku środka smarującego czy jego nadmiaru, a jeszcze inne gdy jest źle zamontowane.
Diagnostyka różnych stanów łożysk możliwa jest dzięki pomiarowi i rejestracji ultradźwięków i późniejszej interpretacji wyników prowadzonych pomiarów. O ile interpretacją wyników zajmują się pracownicy służb utrzymania ruchu, o tyle sama rejestracja niesłyszanych przez ludzkie ucho fal dźwiękowych to zadanie dla specjalistycznego miernika ultradźwięków.

 

akademia1
Zapis ultradźwięków w oprogramowaniu miernika ultradźwięków

 

Jak sama nazwa wskazuje, miernik ultradźwięków mierzy ultradźwięki generowane przez łożysko. Pasmo dźwięków o wysokiej częstotliwości rejestrowane jest przez miernik i przetwarzane do dźwięków słyszalnych, pozwalając na zapisywanie pomiarów w postaci danych liczbowych czy plików dźwiękowych.
Zgromadzone wyniki pomiarów pozwalają zarówno na wykrywanie usterek łożyska, jak i pomagają w odpowiednim jego smarowaniu (jeżeli oczywiście łożysko ma taką możliwość). Ważne jest przy tym to, że ultradźwięki rozchodzą się w inny sposób niż zwykła fala dźwiękowa – ultradźwięki są kierunkowe i nie rozchodzą się po okręgu, co pozwala na precyzyjne pomiary i zlokalizowanie źródła występowania.
Możemy w ten sposób badać wiele łożysk pracujących w pobliżu siebie, niezależnie od ich rodzaju i miejsca zamontowania, bez obawy zakłócania pomiarów. Co więcej, pomiar ultradźwięków nie wymaga wiedzy na temat producenta łożyska i jego specyfi ki, co jest najczęściej wymagane w przypadku pomiaru wibracji.
Wszystkie łożyska generują szum ultradźwiękowy o różnym natężeniu. Zarejestrowanie i analiza kluczowych parametrów pomiaru pozwala na postawienie diagnozy i co z tym związane, na podjęcie odpowiednich kroków w celu naprawy lub wymiany łożyska. Diagnostyka za pomocą ultradźwięków opiera się na stworzeniu bazy danych i porównywaniu wyników. Innymi słowy, aby dobrze zdiagnozować źródło uszkodzenia, potrzebujemy punktu odniesienia. W praktyce dla danego typoszeregu łożysk wystarczy zarejestrowanie jednego pomiaru z dobrze pracującego łożyska lub posiadanie zapisu pomiaru z łożyska o konkretnym uszkodzeniu, aby później móc diagnozować pozostałe łożyska.

INTERPRETOWANE ULTRADŹWIĘKI
Pomiary ultradźwięków składają się z czterech kluczowych parametrów RMS, MAX RMS, PEAK oraz CREST FACTOR. Parametry te zapisywane są w postaci trendów i określają energię sygnału i jego amplitudę, informując o różnych potencjalnych nieprawidłowościach w pracy łożyska. Parametr RMS (ang. root mean square) to tzw. wartość skuteczna, która zachowuje się stabilnie i powtarzalnie, a trendy są łatwe do odczytywania.
Poprzez porównanie MAX RMS i RMS możemy stwierdzić czy sygnał jest stały czy też zmienia się w czasie. Parametr PEAK (pojedyncze skoki ultradźwięków czyli szczyty) jest bardzo wrażliwy na zmiany zachodzące w łożyskach – pogłębianie się uszkodzenia mechanicznego łożyska jest natychmiast widoczne w zwiększonych wartościach PEAK’ów. Podobnie odczytuje się parametr CREST FACTOR, czyli współczynnik szczytu (różnica między największymi wartościami a wartościami średnimi), którego interpretacja ma m.in. zastosowanie w sprawdzaniu smarowania łożysk.
Interpretacja parametrów PEAK i CREST FACTOR na początku może sprawiać pewne trudności, ale wraz z nabieraniem doświadczenia użytkownik coraz sprawniej posługuje się oboma parametrami w wykrywaniu uszkodzeń czy kontroli smarowania łożysk.

 

akademia2
Pomiar łożyska na wale pompy

 

Pomiary prowadzone przy użyciu miernika ultradźwięków możemy podzielić na dwa rodzaje: statyczne i dynamiczne. Pomiary statyczne składają się w szczególności ze wspomnianych parametrów i są przedstawione w postaci trendów. Pomiary dynamiczne natomiast przedstawiają wykres dBµV w funkcji czasu. Pomiary takie możemy dokonywać do 80 s. (mogą one trwać oczywiście krócej w zależności od indywidualnych potrzeb pomiaru), co pozwala na dokładną analizę przebiegu natężenia ultradźwięków. Pomiary dynamiczne łączą w sobie równocześnie pomiary statyczne, a zapis dynamiczny umożliwia odtworzenie dokonanego pomiaru jako dźwięków słyszalnych, dając również możliwość dokonania rozkładu częstotliwościowego FFT.

ULTRADŹWIĘKI „MÓWIĄ” JAK SMAROWAĆ
Jednym z kluczowych problemów w eksploatacji łożysk tocznych jest ich smarowanie. Niska ilość środka smarującego w łożysku powoduje, że elementy toczne przestają być oddzielone od bieżni, co zwiększa tarcie podwyższając temperaturę łożyska i powodując szybsze jego zużycie. Miernik ultradźwięków jest skutecznym narzędziem do badania stanu nasmarowania łożysk, gdyż okresowe rejestrowanie i analiza pomiarów ultradźwięków pozwalają na wykrycie braku lub znacznego ubytku smaru w łożysku. Pozwala to na uniknięcie niepożądanych skutków ubocznych.
Należy przy okazji zaznaczyć, że nie tylko zbyt mała ilość środka smarującego jest problemem. Smarowanie łożysk wiąże się bowiem z odpowiednią dawką smaru, co oznacza, że zarówno zbyt mała ilość/brak środka smarującego, jak i jego nadmiar powodują wcześniejsze zużycie i konieczność wymiany łożyska.

Przesmarowane łożysko przestaje bowiem odpowiednio pracować, wzrasta temperatura, smar ulega rozkładowi, traci właściwości smarne i łożysko ulega wcześniejszemu zużyciu. Jak więc odpowiednio smarować łożyska bez danych producenta?
Z wykorzystaniem ultradźwięków jest to bardzo proste. Zasada odpowiedniego nasmarowania wiąże się w tym wypadku nie tyle z samą analizą pomiarów, co z obserwowaniem wartości ultradźwięków na wyświetlaczu w momencie smarowania. Dawkujemy smar do momentu kiedy ultradźwięki ustabilizują się i przerywamy smarowanie w momencie zauważenia najmniejszego wzrostu ultradźwięków. Zbyt duża dawka smaru powoduje bowiem wzrost ultradźwięków, który to jest wyznacznikiem momentu odpowiedniego nasmarowania.
Zaprzestając smarowania w momencie zauważenia wzrostu ultradźwięków mamy pewność, że łożysko otrzymało odpowiednią ilość smaru. Czy to w sytuacji braku smarowania czy w przypadkach nadmiaru smaru, warto zauważyć, że to właśnie ultradźwięki są optymalnym rozwiązaniem w procesie kontroli smarowania łożysk.

ŻADNE USZKODZENIE NIE UMKNIE ICH UWADZE
Drugim z głównych problemów związanych z użytkowaniem łożysk są uszkodzenia mechaniczne wynikające na przykład z dużego obciążenia lub trudnych warunków pracy. We wczesnych stadiach uszkodzeń trudno jest jednak zdiagnozować problem. Podobnie jak w przypadku smarowania, z pomocą przychodzą ultradźwięki, których pomiar pozwala na wykrywanie nawet najmniejszych uszkodzeń.
Tak jak już wcześniej wspominałem, analiza odpowiednich parametrów i porównywanie wyników daje nam możliwość poznania przyczyny uszkodzenia. W odróżnieniu od smarowania, analiza wyników pomiarów ultradźwięków w kontekście uszkodzeń mechanicznych rządzi się innymi prawami.

 

akademia3
Pomiary w postaci wykresów trendów czy też ścieżki dźwiękowej dostarczają nam wielu kluczowych informacji, które tylko musimy odpowiednio zinterpretować.

 

akademia4
Pomiar ultradźwięków podczas procesu smarowania łożyska

 

DLACZEGO MIERZYĆ ULTRADŹWIĘKI?
Podsumowując zagadnienie zastosowania ultradźwięków w diagnostyce łożysk, należy podkreślić, że pomiar niesłyszalnych fal dźwiękowych jest niewątpliwie skuteczną metodą usprawniającą proces związany z badaniem i odpowiednim utrzymaniem stanu łożysk. Jest to bardzo ważne dla zapewnienia odpowiedniej sprawności, wydajności i żywotności maszyn i urządzeń, w których pracują łożyska. Podobnie do innych sfer życia, także w utrzymaniu ruchu odpowiednia diagnostyka i profilaktyka to najlepsze rozwiązanie minimalizujące problemy związane z awariami.akademia5

Sprawna diagnostyka nabiera szczególnego znaczenia w przypadku łożysk, gdyż ich uszkodzenie oznacza często uszkodzenie maszyny, a to z kolei pociąga za sobą przestoje, straty finansowe i zachwianie ciągłości procesu technologicznego. Pomiar ultradźwięków pomaga w uniknięciu tych problemów poprzez szybkie wykrycie najmniejszych uszkodzeń lub ubytków/nadmiaru smaru na łożyskach i zaplanowanie kolejnych kroków.

 

autor:
Michał Pazdur
mpazdur@introl.pl