MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR SZERSZÁMGÉPÉSZETI ÉS MECHATRONIKAI INTÉZET SZERSZÁMGÉPEK INTÉZETI TANSZÉKE 3515 Miskolc-Egyetemváros SZAKDOLGOZAT Feladat címe: GOLYÓSCSAPÁGYAK VIZSGÁLATA STATISZTIKAI JELLEMZŐKKEL Készítette: SZÉKELY BENCE BSc szintű, gépészmérnök szakos Szerszámgépészeti és mechatronikai szakirányos hallgató Tervezésvezető: DR. SZILÁGYI ATTILA egyetemi docens Miskolci Egyetem, Szerszámgépek Intézeti Tanszéke Konzulens: TÓTH DÁNIEL PhD hallgató Miskolci Egyetem, Szerszámgépek Intézeti Tanszéke 2015. November
FELADATKIÍRÁS - 2 -
FELADATKIÍRÁS - 3 -
EREDETISÉGI NYILATKOZAT Alulírott Székely Bence (Neptun kód: WNRW2F) a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős gépészmérnöki alapszakos hallgatója ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy a Golyóscsapágyak vizsgálata statisztikai jellemzőkkel című szakdolgozatom saját, önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályai szerint történt. Tudomásul veszem, hogy diplomaterv esetén plágiumnak számít: - szó szerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül; - tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül; - más publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése. Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy plágium esetén diplomatervem visszautasításra kerül. Miskolc, 2015. november 20.... hallgató - 4 -
TARTALOMJEGYZÉK FELADATKIÍRÁS... 2 EREDETISÉGI NYILATKOZAT... 4 TARTALOMJEGYZÉK... 5 SUMMARY... 6 1. BEVEZETÉS... 7 2. CSAPÁGYTÍPUSOK... 8 3. CSAPÁGYKÁROSODÁSOK... 11 4. REZGÉSEK CSOPORTOSÍTÁSA... 16 5. REZGÉSEK KIALAKULÁSA GÖRDÜLŐCSAPÁGYAKBAN... 22 6. IDŐTARTOMÁNYBELI JELLEMZŐK... 30 7. A VIZSGÁLAT ESZKÖZRENDSZERE... 35 8. A VIZSGÁLT CSAPÁGY... 43 9. A VIZSGÁLAT BEMUTATÁSA... 47 10. A STATISZTIKAI JELLEMZŐK KIÉRTÉKELÉSE... 50 11. CSAPÁGYHIBÁK FELTÁRÁSA... 55 12. ÖSSZEGZÉS... 56 13. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS... 57 14. IRODALOMJEGYZÉK... 58-5 -
SUMMARY My thesis is about vibration analysis of rolling bearings. In the first part of the paper I reviewed the importance of bearings and I summed up the bearing faults and their properties. Then I introduced the formation of vibrations in rolling bearings through the basics of vibration theory. In the next part I expounded different vibration analysis methods with the help of publications and experiments of other researchers. After that I gave details of the devices that are necessary for this kind of experiments and I introduced the instrument chain of the equipment that I used. The last part of my thesis is about my experiment, in which I investigated a single row, deep groove, ball bearing with the help of statistical features. During the tests, a strange strengthening noise was discovered at about the half of the bearing s lifetime. At this point the bearing was removed and when we investigated it, its malfunction was proved. As a result of my test I can state, that using statistical features for bearing health monitoring is a reliable method, but is does not give information of the location and the size of the failure. - 6 -
1. Bevezetés Az ipari alkalmazásban az egyik legkritikusabb gépelemek a gördülőcsapágyak. A csapágyak meghibásodásai, amennyiben rejtve maradnak, károsodásokat okozhatnak a gépekben, vagy a teljes tönkremenetelüket is okozhatják rosszabb esetben. A gépek váratlan leállása, és ezáltal a termelésben keletkező váratlan kiesés pedig nagy anyagi veszteséget okoz. Ennél fogva elengedhetetlen a hibák felismerése még azelőtt, hogy azok komoly károkat okoznának. A gördülőcsapágyak üzemelésük során sajnos nem figyelhetőek meg, viszont a zajszintből, a rezgésekből, a hőmérséklet emelkedéséből és a kenési feltételekből jó megközelítéssel megítélhető, hogy milyen zavar lépett fel egy adott csapágy esetében. A legszélesebb körben alkalmazott módszerek a folyamatos állapotfelügyelet, illetve a rezgésdiagnosztika. Előbbi során folyamatosan összehasonlító elemzéseket végeznek az adott csapágyon. Egy megfelelően kiválasztott működési jellemző aktuális értékét, a még frissen beszerelt értékkel összevetve megbecsülhető a csapágy várható maradó élettartama. A rezgésdiagnosztikai vizsgálatok során a gépelem rezgésképében található jellemző összetevők vizsgálatával állapítható meg a meghibásodás helye. Jelen dolgozat keretében ismertetem a rezgéstani vizsgálatokhoz szükséges alapösszefüggéseket, majd a vizsgálataim során egy egysoros, mélyhornyú golyóscsapágyat tanulmányozok időtartománybeli módszerekkel. - 7 -
2. Csapágytípusok A csapágyak forgó alkatrészek megtartására, vezetésére szolgálnak. Tulajdonképpen az alkatrészek forgó mozgását biztosítják a házhoz képest. Egyszerűbb esetben a ház furatába közvetlenül kerül a tengelycsap, vagyis tulajdonképpen nincs külön csapágyelem. Az esetek döntő többségében viszont a csapágyak több elemből összetett bonyolult szerkezetek, melyek a tengelyek axiális vagy radiális támaszát, bővebb értelemben pedig a síkvezetés problémáit is megoldják [9]. A csapágyak két fő típusa a gördülő-, illetve a siklócsapágyak. A siklócsapágyak célja a tengelyek forgó vagy lengő mozgását biztosítani a házhoz képest, radiális vagy axiális terhelések ellenében. A siklócsapágy sokoldalú, egyszerű felépítésű gépelem. Jó a rezgéscsillapító hatása, elviseli a lökésszerű igénybevételeket, nagy fordulatszámú is lehet, folyadéksúrlódás esetén pedig hosszú élettartamú. A siklócsapágy alapelemei a csap (a tengely), a persely és a kenőanyag. A perselyt a csapágyház foglalja magába. A csap anyaga rendszerint acél, a persely anyaga öntöttvas, bronz, ónötvözet, műanyag. A kenőanyag a csapágyak kenésére alkalmas ásványolaj, természetes alapú vagy szintetikus olaj, zsír, levegő stb. [9] [10]. A gördülőcsapágyak az egymással kölcsönhatásban lévő elemek közötti súrlódási veszteséget gömb, hengeres, kúpos vagy hordó alakú gördülő testekkel csökkentik. Ezek alapvetően gördülőmozgást végeznek, így a gördülőcsapágyak vesztesége nagyon kicsi. A gördülőcsapágy szabványos gépelem, kereskedelmi forgalomból beszerezhető, alkalmazása a felhasználó szempontjából egyszerű, mivel kevés karbantartást igényelnek, egyszerűen és gyorsan szerelhetőek, kenőanyag-szükségletük kicsi, és egyes típusaik eleve kenőanyaggal feltöltve kerülnek forgalomba. A gördülőcsapágyak hátránya, hogy a lökésszerű igénybevételre érzékenyebbek és szinte kivétel nélkül osztatlan kivitelben készülnek, ami nehezíti a szerelést. Szennyeződésre is nagyon érzékenyek, ezért a tömítésüket nagyon gondosan kell kialakítani. A gördülőcsapágy általában két gyűrűből és a köztük levő gördülőtestekből állnak. A gördülőtestek gördülőpályákon futnak és a kosárszerkezetben rendezett állapotban helyezkednek el. A gördülőcsapágyak számos változata létezik és az egyes változatok sajátos tulajdonságokkal rendelkeznek [10]. - 8 -
A gördülőcsapágyak egyszerű felépítésűek, gyártásuk könnyű és olcsó. Legszélesebb körben a mélyhornyú golyóscsapágyat alkalmazzák, mely radiálisan és axiálisan is képes terhelést felvenni. A beálló golyóscsapágyak előnye, hogy a belső gyűrűhöz képest képes egy minimális szögelfordulás felvételére. A ferde hatásvonalú és axiális golyóscsapágyak pedig nagy tengelyirányú erők felvételére alkalmasak, radiális erővel általában nem terhelhetőek. A golyóscsapágyak főbb típusai az 1. ábrán láthatók. 1. ÁBRA. A GOLYÓSCSAPÁGYAK TÍPUSAI [14] A görgőscsapágyak esetében a gördülőelemek henger, kúp vagy hordó alakúak lehetnek és az érintkezés nem egy pontban, hanem vonalban történik, radiális terhelhetőségük ezáltal nagy. Ezek a csapágyak szétszedhetőek, ezáltal szerelhetőek is. A beálló görgőscsapágyakban hordó alakú gördülőelemek vannak, funkciójuk hasonló a beálló golyóscsapágyakéhoz, csak nagyobb terhelést bírnak el. A kúpgörgős csapágyakban - 9 -
csonka kúp alakú gördülőelemekkel találkozhatunk. Ennek köszönhetően az erőket meghatározott hatásszög alatt adja át. Ezeket párban szokás beépíteni, mert a felépítésükből eredően a tisztán radiális terhelés is ébreszt axiális erőket. A görgőscsapágyak főbb típusai a 2. ábrán láthatók. 2. ÁBRA. A GÖRGŐSCSAPÁGYAK FŐ TÍPUSAI [14] - 10 -
3. Csapágykárosodások A csapágyak folyamatos és kiterjedt kutatásainak köszönhetően, mára már nagy pontossággal meghatározhatóak azok élettartama. Ennek ellenére is bekövetkezhet azonban a csapágy váratlan meghibásodása, mielőtt az még elérné névleges élettartamának végét. Ennek oka lehet például a vártnál nagyobb terhelő erő, az elégtelen vagy nem megfelelő kenőanyag használata, a túl nagy illesztések, melyek nem megfelelő belső hézagot eredményeznek, de a hibás tömítés vagy a gondatlan kezelés is okozhatja a meghibásodást. Minden hiba a maga nemében különleges csapágykárosodást okoz. Ebből kifolyólag a meghibásodott csapágyat megvizsgálva, megállapítható a hiba oka, és az ellenintézkedés a meghibásodás megismétlődésének elkerülésére. Alapvetően megkülönböztetünk primer és szekunder csapágykárosodásokat. A primer csapágyhibák közé tartozik a kopás, a benyomódás, az elkenődés, a felületi károsodás, a korrózió és a villamos áram okozta károsodások is. Szekunder hibák például a lepattogzás és a repedés. Az elsődleges hibák okozzák a másodlagos hibák megjelenését. Általánosságban elmondható, hogy egy tönkrement csapágyon a primer és szekunder hibák kombinációja fellelhető. Alapesetben a gördülőcsapágyak kopása jelentéktelen, azonban elégtelen kenés vagy idegen részecskék bekerülése miatt előfordulhat kopás. Álló csapágyak kopását okozhatja még esetleg a vibráció is (3. ábra). 3. ÁBRA. KÚPGÖRGŐS CSAPÁGY KÜLSŐ GYŰRŰJÉNEK VIBRÁCIÓK OKOZTA KOPÁSA [11] - 11 -
Benyomódások (4. ábra) a gördülőelemeken vagy a futópályákon fordulhatnak elő, ha szereléskor nem a megfelelő gyűrűt helyezik fel, ezáltal a terhelő erő a gördülőelemeken halad át. Benyomódás keletkezhet még akkor is, ha a csapágyat álló helyzetben éri abnormálisan nagy erő, illetve ha szennyeződés kerül a csapágyba. 4. ÁBRA. HENGERGÖRGŐS CSAPÁGY BELSŐ GYŰRŰ FUTÓPÁLYÁJÁN LÉVŐ BENYOMÓDÁS [11] Elkenődésnek nevezzük azt, ha két kenésmentes, vagy nem megfelelően kent felület terhelt állapotban megcsúszik egymáson, egyik felületről a másikra anyag kerül át. Ilyenkor a felületek feltépődnek és a sérülés akár szabad szemmel is jól látható lesz (5. ábra). Az elkenődés során, az anyag annyira felhevülhet, hogy újra is edződhet, amely a kialakuló feszültség koncentrációk miatt repedéshez is vezethet. 5. ÁBRA. KÜLSŐ GYŰRŰ CSÚSZÁSI ELKENŐDÉSE [11] - 12 -
A veszélyes felületi károsodások (6. ábra), azok a mikro-repedések, amelyek a futópályák és a gördülőelemek felületi érdességi csúcsainak találkozásával jönnek létre. Ezek a repedések nem tévesztendőek össze az anyagkifáradás okozta belső repedésekkel, amelyek lepattogzást okozhatnak. A veszélyes felületi károsodás repedései mikroszkopikus méretűek és folyamatosan növekednek addig a szintig, amikor már befolyásolják a csapágy üzemét. 6. ÁBRA. FELÜLETI KÁROSODÁS (100 SZOROS NAGYÍTÁSBAN) [11] A korrózió (7. ábra) akkor jelentkezik, ha olyan mennyiségű víz vagy egyéb korrozív anyag kerül tartósan a csapágyba, mely ellen a kenőanyag már nem nyújt megfelelő védelmet. A korrózió kialakulása után nem sokkal megjelenik a mélyrozsda. 7. ÁBRA. KITERJEDT ILLESZTÉSI KORRÓZIÓ [11] - 13 -
Ha az egyik gyűrűből a másikba a gördülőelemeken keresztül villamos áram halad át, a csapágyban károsodás keletkezik (8. ábra). Az érintkező felületeken a jelenség hasonlít az ívhegesztéshez. A járulékos magas hőmérséklet meg is olvaszthatja az anyagot. Elszíneződött foltok jelennek meg a sérülés helyén, melyek nagysága attól függ, hogy az anyag megeresztődik, újraedződik, vagy esetleg megolvad-e. Az olvadások helyén kráterek képződhetnek. 8. ÁBRA. VILLAMOS ÁRAM OKOZTA KÁROSODÁS [11] A lepattogzás (9. ábra) a normális anyagkifáradás következtében alakul ki, amikor a csapágy elérte az élettartamának végét. Általában azonban nem ennek, hanem más tényezőknek köszönhető kialakulása, mint például az előírtnál nagyobb terhelés vagy a helytelen illesztés. Ha a lepattogzás elér egy bizonyos nagyságot, jelenléte erős vibrációval és zajjal jár. 9. ÁBRA. EGY GOLYÓSCSAPÁGY KÜLSŐ GYŰRŰJÉNEK LEPATTOGZÁSA [11] - 14 -
A repedések (10. ábra) megjelenésének a csapágyakban számos oka lehet. Leggyakoribb oka a durva kezelés csapágyszereléskor. Repedést okozhat az is, ha a rossz tűrésekkel gyártott tengelyre szerelik fel, illetve a primer károsodások következménye is lehet a repedés megjelenése. 10. ÁBRA. REPEDÉS NYOMÁN ELTÖRT KÜLSŐ [11] - 15 -
4. Rezgések csoportosítása A fizikában minden olyan változást, ami valamilyen módon ismétlődik, legyen az szabályos vagy szabálytalan, rezgésnek tekintünk. Periodikus rezgés esetén az azonos állapotok állandósult időközökkel jelentkeznek. A rezgések egyik nagy csoportjának a mechanikai rezgések tekinthetők, ezek közös jellemzője, hogy valamilyen mozgás révén jönnek létre, ezért ezeket rezgőmozgásnak szokás hívni. Mivel a rezgés fogalma nagyon tág, sokféleképpen szokták csoportosítani [3]. A REZGÉSEKET TÖBBFÉLE MÓDON RENDSZEREZHETJÜK: A rezgést végző anyaghalmaz alakja szerint: o Húrrezgés o Síkrezgés o Kontinuumrezgés Frekvencia szerint: o Elektromágneses rezgések o Hangrezgések Megoldásfüggvény alakja szerint: o Nem stacionárius Folyamatos Tranziens o Stacionárius Sztochasztikus Determinisztikus Aperiodikus Periodikus o Harmonikus o Anharmonikus Leíró differenciálegyenlet alakja szerint: o Gerjesztett rezgések Lineárisan gerjesztett Nem lineárisan gerjesztett o Paraméteresen gerjesztett rezgések Rheolineáris Rheo-nemlineáris o Külső gerjesztés tartalmazó rheo-nemlineáris rezgések - 16 -
A műszakai diagnosztikai méréseknél a determinisztikus rezgések, ezek közül is a harmonikus rezgések bírnak a legnagyobb jelentőséggel. A harmonikus rezgések állapotváltozásai a következőképpen írhatók fel [2]. = + (4.1) Ahol az amplitúdó, a szögsebesség és a fázisszög. A harmonikus rezgések előállíthatók egy hosszúságú és szögsebességgel forgó vektor vetületeként. A rezgés periódusideje pedig, éppen a forgó vektor 2π középponti szög befutásának ideje lesz. = (4.2) A periódusidő reciproka pedig a frekvencia (f). = (4.3) = (4.4) A gépdiagnosztikában a leggyakrabban alkalmazott frekvenciaegység a hertz [Hz], amely egy periodikus jelenség egy másodperc alatti előfordulásának számát adja meg. Ebből következik, hogy a [Hz] egységet másképpen [1/s] ként írhatjuk fel. - 17 -
Ha egy rezgőmozgás út-idő függvénye a rendelkezésünkre áll, ebből származtathatjuk a sebesség-, és gyorsulásrezgéseket a rendelkezésre álló függvény első, illetve második deriváltját véve. Ezt a leképzést egy egyszerű harmonikus rezgőmozgáson keresztül mutatom be. = (4.5) A fenti megállapítás alapján tehát a sebességrezgése: = = (4.6) A gyorsulásrezgése pedig: = = = (4.7) Látható, hogy mind a sebesség, mind pedig a gyorsulás harmonikus jellegű marad. A deriválás során a sebesség amplitúdója egy szorzót, a sebesség pedig egy fáziseltolást kapott. A gyorsulásrezgés amplitúdója egy szorzót és egy fázisfordítást kap. A fáziseltolás a rezgésmérés során, figyelmen kívül hagyandó. Kis frekvenciájú rezgésmérés esetén általában az útmérés, közepes frekvencia esetén a sebességmérés, nagy frekvenciánál pedig a gyorsulásmérés alkalmazása célszerű. Amennyiben gyorsulásmérőt alkalmazunk, úgy a méréshez használt előerősítő általában tartalmaz egy integráló áramkört, így a gyorsulásértékek mellett a sebesség és elmozdulás értékek is elérhetőek lesznek [2]. - 18 -
A mozgást végző gépelemekből álló berendezések állapota többféle módon vizsgálható. Nyomon követhetjük az elmozdulás-, sebesség-, gyorsulás-, idő vagy frekvencia függvényében történő változásokat. Alacsony fordulatszámok esetében az elmozdulás mérése, közepes fordulatszámok esetében a rezgés sebességének vizsgálata, míg nagy fordulatszámok esetében gyorsulásmérő szenzor alkalmazása célszerű. A szenzor átviteli tényezője ebből következik, hogy mv/µm, mv/(mm/s) és mv/g. Az elmozdulás mérését kiegyensúlyozatlansági problémák, felületi egyenetlenség, hullámosság esetén szokás használni. Csapágyak állapotfelmérésére a sebesség-, vagy a gyorsulásmérő módszerek alkalmazása megszokott. A rezgésméréssel kapcsolatos szabványok (ISO 10816-1:1995) előírják a vizsgálati paramétereket, helyeket, és körülményeket, a mérendő mennyiségeket, és az ehhez szükséges mérőműszerekkel és a kiértékeléssel szemben támasztott követelményeket. Ha nem írja elő külön szabvány, akkor olyan rezgésérzékelőt válasszunk, amely kimeneti jele a vizsgált frekvencia és dinamika tartományban a legnagyobb, és az átviteli karakterisztikája lehetőség szerint legkevésbé függjön a frekvenciától [1]. A csapágy rezgésvizsgálatokhoz a frekvencia-, az idő és az idő-frekvencia tartománybeli vizsgálatokon alapuló módszereket használják széles körben. A vizsgálati módszerek közül gyors adatfeldolgozást és számítást tesznek lehetővé az időtartománybeli módszerek. A berendezés alkatrészeinek rezgésadataiból számítunk különböző statisztikai jellemzőket, melyek betekintést nyújtanak a berendezés állapotába. Egy jó állapotú csapágy valószínűség-sűrűség függvénye Gauss-eloszlást mutat, egy hibás csapágyé viszont eltér ettől. A sűrűségfüggvények tanulmányozása helyett azonban célszerű, annak különböző momentumait meghatározni, hogy egyetlen számadatot kapjunk, mely kifejezi a gép aktuális állapotát. Ezekről részletesebben beszámolok a következő fejezetben. A rezgésminták frekvencia-tartománybeli vagy spektrális vizsgálata talán a legszélesebb körben alkalmazott módszer, a csapágyakban jelentkező hibák feltárására. A technológia fejlődésével, a korszerű gyors Fourier-transzformáción (FFT) alapuló műszerek alkalmazásának lehetősége jelentősen megkönnyítette a hibadetektálást. Napjainkban az FFT algoritmusát a mikroprocesszorokban és mikro vezérlőkben megtalálhatjuk [1]. - 19 -
A Fourier-transzformáció egy olyan matematikai eszköz, mely segítségével képesek vagyunk egy időben állandó jelet, különböző frekvenciájú, harmonikus komponensekre felbontani. A High-Frequency Resonance Technique (HFRT) egyike a legelterjedtebb állapotfelügyeleti módszereknek. Az eljárás célja a rezgésjelekben található ismétlődő komponensek felerősítése, a gép állapotában lezajló változások korai felderítése céljából. Ezt a módszert kifejezetten a csapágyrezgés vizsgálatokra, illetve a fogaskerekek hibáinak vizsgálataira használják. A HFRT módszer alkalmazása során, a mért rezgésjelet egy felül áteresztő szűrőn kell átbocsájtani, így kiszűrve a jelből az alacsony frekvenciás mechanikai zajokat. Ezek után elő kell állítani a szűrt jel burkológörbéjét és meg kell vizsgálni annak periodicitását spektrális analízissel vagy autókorrelációval. A kapott értékeket pedig össze kell vetni a jellemző hibafrekvenciákkal, és amennyiben egyezés van az értékek között, akkor a csapágy hibás [12]. Az SEE eljárás, egy az SKF által kifejlesztett akusztikus emissziós (AE) módszer. Az eljárás során a nagyfrekvenciás 250 khz 350 khz tartományú jelérzékelésen alapszik. Az AE átalakító által kibocsájtott nagyfrekvenciás, pulzáló jel jelzi a csapágyhiba megjelenését, így lehetőség van a meghibásodás vagy a kenési probléma észlelésére, annak még korai szakaszában. Ezt az úgynevezett SEE értéket statisztikai számításokkal határozzák meg. Amennyiben a meghatározott érték eltérést mutat a normálistól, az a meghibásodás kezdetét, vagy a nem megfelelő kenést jelezheti [1]. A különböző SEE értékek jelentése az 1. táblázatból kiolvasható. 1. táblázat SEE érték Hibajelenség 0 3 nem észlelhető probléma 3 20 kenési problémák, szennyeződés jelenléte, kisebb csapágyhiba megjelenése 20 100 csapágyhiba vagy szennyeződés > 100 kritikus hiba - 20 -
Az idő-frekvencia felbontások a lineáris vagy kvadratikus eloszláshoz tartoznak. A lineáris idő-frekvencia eloszlásokhoz sorolhatjuk többek között az ablakozott Fouriertranszformációt és a Wavelet-transzformációt. Mindkét módszer segítségével időben és frekvenciában is jól koncentrált elemi függvényeket kapunk, a vizsgált jel felbontásával. A legelterjedtebb eloszlások a spektrogram, azaz az alkalmazott Fourier-transzformáció abszolút értékének a négyzete, a scalogram, azaz a wavelet-transzformáció értékének a négyzete és a Wigner-Ville eloszlás [1]. - 21 -
5. Rezgések kialakulása gördülőcsapágyakban A gördülőcsapágyak szerkezeti felépítésüknek köszönhetőenn rezgéskeltők. A gördülőcsapágyban létrejövő rezgések a csapágy szerkezeti felépítéséből, alkatrészeinek gyártási hibáiból vagy az elhasználódása során keletkező hibákból adódnak. A csapágyban keletkező rezgések más-más frekvencia tartományban jelentkeznek. A létrejövő rezgések frekvenciája függ a csapágy gyűrűinek forgási sebességétől, illetve a meghibásodás jellegétől és helyzetétől [13]. A gördülőcsapágyak szerkezeti felépítéséből adódó rezgések, a radiális csapágyhézag és a gördülőelemek közötti osztás miatt jöhetnek létre. 11. ÁBRA. EGYSOROS MÉLYHORNYÚ FERDE HATÁSVONALÚ CSAPÁGY [1] A 11. ábrán egy egysoros, mélyhornyú, ferde hatásvonalú golyóscsapágy látható. A külső gyűrű fordulatszámaa legyen n k, a belső gyűrű fordulatszáma pedig n b. Pontszerű érintkezés esetén a kerületi sebesség az érintkezési pontokban a (5.1) és (5.2) képletekkel számítható [1]. (5.1) - 22 -
= + (5.2) A gördülőelemek középpontjának kerületi sebessége pedig = + = + + (5.3) Ezt átrendezve és a γ középátmérőt bevezetve, meghatározható a gördülőelemek fordulatszáma (5.4). = + + (5.4) A kosárszerkezet fordulatszáma egyenlő a gördülőelemek középpontjainak fordulatszámával, tehát a kosárszerkezet kiegyensúlyozatlanságából adódó rezgés frekvenciája (5.5). á = + + (5.5) A kosár rezgés frekvenciája, ha a belső gyűrű forog: á = (5.6) Ha a külső gyűrű forog: á = + (5.7) - 23 -
Az angol szakirodalomban az f kosár mennyiséget Fundamental trarin frequency (FTF) néven találhatjuk meg. Az f kosár k -t Fundamental Train Frequency for rotating outer ring (FTFO) és f kosár b t pedig Fundamental Train Frequency for rotating inner ring (FTFI) ként találhatjuk meg a szakirodalmakban. A 11. ábrán folytonos-, illetve szaggatott vonallal látható a gördülőelemek két tetszőleges pozíciója. Könnyen belátható, hogy amint az 1.-es helyzetből a 2.-es helyzetbe kerülnek a gördülőelemek, a külső és belső gyűrűk közötti relatív távolság, azaz a csapágyhézag, megfelelő terhelőerők mellett, növekedni fog. Ez a relatív távolságváltozás szorosan összefüggésben áll a gördülőelemek számával, a csapágy geometriájával és fordulatszámával, de nem teljesen szinuszosan változó rezgést gerjeszt. Egy X darab gördülőelemet tartalmazó csapágy egy körülfordulása alatt, a relatív távolságváltozás X- szer megy végbe. A gördülőelemek helyzetváltozásából adódó rezgés frekvenciája, ennek megfelelően a fordulatszám X-szerese lesz [1]. Amennyiben a külső gyűrű egy adott pontján halad keresztül a gördülőelem, akkor a kinematikai rezgések frekvenciája: = (5.8) amely az (5.4) egyenletből: = (5.9) A szakirodalmak ezt a frekvenciát a külső gyűrű meghibásodása okozta frekvenciának, Ball pass frequency of outer race (BPFO) nevezik. Amennyiben a belső gyűrű egy adott pontján halad keresztül a gördülőelem, akkor a kinematikai rezgések frekvenciája (5.10): - 24 -
= (5.10) amely szintén a (5.4) egyenletből: = + (5.11) A szakirodalmak ezt a frekvenciát a belső gyűrű meghibásodása okozta frekvenciának, Ball pass frequency of outer race (BPFI) nevezik. A gördülőelemek saját tengelyük körüli szögsebességének meghatározására kétféle módszer ismeretes. Egyik, hogy azt feltételezzük, hogy a gördülőelem a belső gyűrű felületén csúszásmentesen gördül. Így a gördülő test kerületi sebessége az érintkezési pontban (5.12). = (5.12) A fenti egyenletbe az alábbi (5.13) való behelyettesítéssel, és = (5.13) az (5.4) felhasználásával megkapjuk a gördülőelemek rezgésfrekvenciáját (5.14), amit a gördülő elem kinematikai rezgés frekvenciának, a külföldi szakirodalmak pedig Ball spin frequency-nek (BSF) neveznek. = (5.14) Másik módszer, hogy a gördülőelem külső gyűrűn való csúszásmentes gördülését feltételezzük. Ezzel a módszerrel az előzőhöz hasonló eredményt kapunk (5.15). - 25 -
= (5.15) A gördülőcsapágyakban létrejövő rezgések frekvenciáinak kiszámításához szükséges összefüggéseket az alábbi 2. táblázatban foglalom össze [1]. 2. táblázat Hibafrekvencia Képlet BPFI = + BPFO = BSF = FTFI á = FTFO á = + Abban az esetben, ha nem áll rendelkezésre minden szükséges adat a beépített csapággyal kapcsolatban, akkor különböző közelítő számításokat alkalmazhatunk. Ezt a 3. táblázatban gyűjtöttem össze. - 26 -
3. táblázat Hibafrekvencia Képlet BPFI = % BPFO = % A szerkezeti kialakításból adódó rezgéseken kívül más okokból kifolyólag is megjelenhetnek csapágyrezgések. Ezek oka lehet a nem teljesen szabályos alakú alkatrészek alakhibája, a nem tökéletesen sima felületek egymáson való legördülése és azok ütközései, illetve a hibák megjelenése során kialakuló deformációk, kitöredezések és a gördülő testek útjába kerülő külső szennyeződések, vagy kopási termékek hatása. Működésük során a gördülőcsapágyak folyamatosan kopnak. Ebből következik, hogy a gyártásuk során előírt tűrések, alakhűségek, méretek és felületi minőségek folyamatosan változnak. Ezek a változások a csapágyakban létrejövő rezgések nagyságának változását okozzák, legtöbb esetben növekedését idézik elő. Ha a csapágygyűrűk vagy a gördülőtestek megkopnak, az megnöveli a csapágy radiális játékát. Ennek eredményeképpen, a csapágy a továbbiakban már nem az elméleti tengelyvonala körül forog, hanem kimozdulhat onnan. Ez lehetővé teszi, hogy a csapágyalkatrészek egymáshoz viszonyítva nagyobb elmozdulásokat tegyenek, így azok egymáshoz való ütközésének ereje, ezáltal a csapágyrezgések intenzitása is jelentősen megnövekszik. A szabálytalan alakúvá kopott és sérült futópályák, illetve gördülőelemek, akadozva tudnak csak legördülni egymáson. Mialatt ezek az alkatrészek egymásnak ütköznek, a sérüléseiknek, illetve kopásaiknak megfelelő nagyságú rezgéseket hoznak létre a csapágyban. A csapágyba bekerült idegen szennyező anyagok, mint a por, a kopástermékek vagy bármilyen szilárd részecskék, szintén ütközéseket okoznak a csapágy egymáson legördülő alkatrészei között, melyek révén újabb rezgések jönnek létre [2]. - 27 -
Az ütközések által generált rezgések csillapodó, tranziens rezgések. A csapágy forgó mozgásának következtében pedig periodikusan ismétlődőek. Tehát, mint azt már korábban részletesen kifejtettem az ütközések ismétlődési számát és a lökéshullámok frekvenciáját a fordulatszám, a gördülőtestek száma és egyéb tényezők határozzák meg [3]. A gördülőcsapágyakban lejátszódó ütközéseket a következőképpen lehet modellezni (12. ábra). Tegyük fel, hogy a gördülőtest egy kiegyenesített pályán gördül, majd a pályán keletkezett sérüléshez érkezik. 12. ÁBRA - A CSAPÁGYBAN LEJÁTSZÓDÓ ÜTKÖZÉS ELMÉLETI MODELLJE [3] Ha a futópálya és a gördülő elem ideális alakúak és felületi minőségűek volnának, akkor akadálymentes gördülés valósulhatna meg. A valóság azonban ettől eltérő és ezen alak- és felületminőségi hibák kiküszöbölésére különböző kenőanyagokat alkalmazunk. Amennyiben a csapágyból kioldjuk a kenőanyagot és utána megforgatjuk azt, érezhető lesz, hogy a gördülés korántsem akadálymentes. Az alkatrészek hibái miatt ilyenkor ütközések mennek végbe a csapágyon belül, és annak forgásakor ezt érzékeljük. A gördülőelem a pálya felületi hibáit nem fogja tudni követni, beleesik a sérülésbe, majd tovább haladva, annak túlsó szélébe ütközik. A gördülőtestekre, a szabálytalan pályán való mozgáskor, a tömegével arányos erők hatnak, melyek a csapágy egészében érzékelhető gyorsulásokat okoznak, az ütközések során pedig, az ütközési sebességtől függő, nagy helyi erőhatások jönnek létre. Az érintkező testek az ütközés során deformálódnak és szétszórják az ütközés energiáját a gépben, rezgéseket generálva [3]. - 28 -
Az ütközések által generált tranziens lökéshullámok rövid idő alatt kialakulnak, és magas frekvenciájú rezgéseket generálnak a csapágyban. A létrejövő rezgések frekvenciája függ többek közt az anyagminőségtől, az alkatrészek méretétől és geometriájától. Ennek köszönhető, hogy a nagyfrekvenciák vizsgálatával, már egészen jelentéktelen csapágyhibák is detektálhatóak [3]. - 29 -
6. Időtartománybeli jellemzők Az időtartománybeli módszer az idő alapú rezgési jelből, egy egyértékű statisztikai paraméter származtatásából áll. A statisztikai paraméterek többek közt RMS (négyzetes középérték), aptp (peak-to-peak) érték, kurtosis vagy laposság, skewness vagy ferdeség, Crest-tényező, deviáció vagy eltérés betekintést biztosíthatnak gépek hibadetektálásába. Tanulmányok már rámutattak, hogy a valószínűség sűrűségfüggvények összefüggésbe hozhatók a csapágy meghibásodásokkal. A gyorsulás sűrűségfüggvénye egy újszerű állapotú csapágynak Gauss-eloszlást mutat, még egy sérült csapágy esetén nem Gausseloszlás lesz tapasztalható, domináns végekkel [15] [16]. Ahelyett, hogy ezeket vizsgálnánk, gyakran több információt tudhatunk meg az adatok statisztikai momentumainak vizsgálatával. Egy folyamatos, egyváltozós eloszlás valószínűség sűrűségfüggvénye [2] < + = (6.1) alakban írható fel, akkor az x(t) függvény átlaga = = (6.2) alapján számítható. Ez alapján megadható az átlag ( ) körüli r-ed rendű momentuma a következő integrál segítségével [3]. - 30 -
( ) = ( ) f(x) dx (6.3) Tehát az x sztochasztikus változó elsőrendű momentuma. Ha a sztochasztikus változó diszkrét adathalmaz formájában ismert, akkor az r-ed rendű momentumát, az alábbi módon írhatjuk fel, ahol N az adathalmaz számossága [3]. = ( ) (6.4) A továbbiakban bemutatom a gyakoribb sztochasztikus jellemzők kiszámítására alkalmas összefüggések folytonos és diszkrét alakját is. A négyzetes középérték más néven effektív érték meghatározására periodikus függvény esetén az alábbi egyenlet használható fel [2]. = [ ] (6.5) Az effektív érték megoldja a negatív függvényérték problémáját is. Bár a négyzetre emelés hatására a függvény alakja torzulást fog elszenvedni, ez az átlag arányos a rezgések energiájával, ezért a gyakorlatban is ez az átlagtípus az, ami elterjedt. A fentebb említett folytonos és diszkrét alakok [3]: = (6.6) - 31 -
= (6.7) A sztenderd szórás = ( ) ; (6.8) = ( ) (6.9) a ferdeség (skewness) az = (6.10) = ( ) ( ) (6.11) a kurtosis vagy a laposság a - 32 -
= = ( ) (6.12) ( ) = ( ) (6.13) ( ) a Crest-tényező pedig = (. ) (6.14) kifejezéssel definiálható [3]. További statisztikai jellemzők Impulzus faktor (Impulse factor) Alaktényező (Shape factor) Energia időtartományban (Energy in time domain) Clarence faktor (Clarence factor) Szabvány eltérés (Standard deviation) számítási képletei láthatóak a 4. táblázatban. - 33 -
4. táblázat [17] - 34 -
7. A vizsgálat eszközrendszere A Miskolci Egyetem Szerszámgépek Intézeti Tanszékén található egy csapágyvizsgáló berendezés, mely lehetővé tette jelen munka elkészítését. A 13. ábrán látható az eszköz, amely alkalmas gördülőcsapágyak fárasztására és mérésére is. 13. ÁBRA. CSAPÁGYVIZSGÁLÓ SZERKEZET A berendezés főbb részei: 1: Háromfázisú motor (SIEMENS ILA 7106-2AA10) 2: Hosszbordázott szíjhajtás 3F: Fárasztó készülék csapágyazása 3M: Mérőkészülék csapágyazása 4F: Fárasztó berendezés tengelye 4M: Mérő berendezés tengelye 5: Merevített asztal 6: ORSTA kettősműködésű hidraulikus munkahenger 7: Erőmérő szenzor - 35 -
8F: Fárasztandó csapágy helye 8M: Mérendő csapágy 9: Szíjfeszítő készülék. A vizsgálóberendezés fárasztótengelye kétsoros önbeálló golyóscsapágyakkal, míg a mérőtengely különleges siklócsapágyakkal szerelt. A csapágyak fárasztásakor a berendezés fárasztótengelye működik adott fordulatszámon és adott terhelőerő mellett. A terhelés erőmérő szenzor segítségével állítható be. Adott ideig történő fárasztás után, a csapágyat átszereljük a mérőtengelyre, ahol adott terhelőerő és adott fordulatszám mellett elvégezhetjük a rezgésmérést. A mérés végzése közben a fárasztótengelyt nem hajtjuk meg, mert annak rezgései károsan hatnának a mérési eredményekre. A rezgésmérés műszerláncát mindig a mérési cél határozza meg. Más-más műszerezésre van szükség egy üzemi vagy laboratóriumi, illetve folyamatos vagy eseti méréseknél. A műszerek megválasztásánál több szempont is megjelenik, ilyenek például a mérési pontossági követelmények, vagy a gazdaságossági szempontok. Kijelenthető azonban, hogy minden mérőláncban kell lennie egy rezgésmérő szenzornak, egy előerősítőnek és egy kijelző, kiértékelő berendezésnek [3]. Ahogyan már a 3. fejezetben is szó esett róla, a rezgésméréshez alkalmazhatunk út-, sebesség-, vagy gyorsulásérzékelőt is. A gyorsulásérzékelők többféle elven működhetnek. Lehetnek mechanikusak, kapacitívak, mágnesesek, induktívak. A gyakorlatban leginkább a piezoelektromos hatás elvén működő szenzorok a legmegfelelőbbek. Vizsgálataim során is egy piezoelektromos gyorsulásmérőt alkalmazok, ezért ennek jellemzőit és felépítését bővebben kifejtem. A gyorsulásérzékelő lényegében egy tömeg-rugó-csillapítás rendszer, ahol a tömeg a szeizmikus tömeg, a rugó maga a rugalmas piezo kristály, és a csillapítás a kristályok belső csillapítása [2]. Elvi vázlata a 14. ábrán látható. - 36 -
A fenti vázlat alapján az erők egyensúlyára a 14. ÁBRA. GYORSULÁSMÉRŐ ELVI VÁZLATA [3] + + = (7.1) összefüggés, vagy ezt átrendezve a + + = (7.2) egyenlet használható, annak függvényében, hogy a tömeg-rugó-csillapítás rendszerben melyik tagnak legnagyobb a jelentősége. Alapvetően három esetet különböztetünk meg: Ha m viszonylag nagy, akkor, azaz x y. Ebben az esetben a gyorsulásérzékelő út érzékeny. Ha k viszonylag nagy, akkor gyorsulásérzékelő sebesség érzékeny., azaz, vagyis a Ha az viszonylag nagy, akkor érzékeny., tehát az érzékelő gyorsulás - 37 -
A piezo kristályok c jellemzője kicsi, ebből következik, hogy a piezoelektromos elven működő érzékelők gyorsulásérzékelők. A PIEZOELEKTROMOS GYORSULÁSMÉRŐK JELLEMZŐI Érzékenység: Megadja, hogy 1 / gyorsulás hatására, mekkora lesz a szeizmikus tömeg és a kvarckristály mechanikai kölcsönhatásából adódóan előálló feszültség [mv] vagy töltés [pc] értéke. Az érzékenység a szeizmikus tömeggel arányos. Általános szabály, hogy a gyorsulásérzékelő tömege maximum az egy tized része lehet, a vizsgált alkatrészt tömegének [3]. Irányérzékenység: A fő irányú érzékenység és a rá merőleges keresztérzékenység hányadosa. Ez megmutatja, hogy a főirányra merőleges rezgések mekkora mérési hibát eredményeznek. Jobb gyorsulásmérők esetén ez az érték 4% alatti. Frekvenciaválasz: A piezoelektromos gyorsulásérzékelő egy olyan tömegrugó-csillapítás rendszer, mely útgerjesztés miatt a föléhangolt tartományban működik. Mivel a gyorsulásérzékelők sajátfrekvenciája 10 100 khz nagyságrendű, ez a tartomány elég nagy. Lineáris átviteli tartomány: A tartomány körülbelül 5 Hz-nél kezdődik és sokáig lineáris is marad. Fontos szabály, hogy a mérhető frekvencia tartomány ne legyen a rezonancia frekvencia harmadánál nagyobb. Dinamikai tartomány: A mérhető gyorsulások tartománya. Minél nagyobb gyorsulást kell mérni, annál kisebb a szeizmikus tömeg. Rögzítés módja: A leghatékonyabb felerősítési mód tőcsavarral történik úgy, hogy a gyorsulásérzékelő és a mérendő felület közé kontaktfolyadékot juttatunk. Ha a rögzítést csak ragasztással, mágneses erővel vagy leszorítással lehet megoldani, a rezonancia frekvencia a kisebb frekvenciákhoz közeledik. - 38 -
Környezeti hatások: A környezeti hatások, mind a kémiai (nedvesség, savas vagy lúgos közeg, stb.), mind a fizikai (mágneses tér, hőmérséklet, radioaktivitás, stb.) erősen befolyásolhatják a gyorsulásmérőket. Ilyen esetekben speciális védőtokozású gyorsulásérzékelőket kell alkalmazni. A vizsgálatoknál alkalmazott mérőláncot szemlélteti a 15. ábra. 15. ÁBRA. MÉRÉSI MŰSZERLÁNC A rezgésmérés során alkalmazott mérőlánc az alábbi műszerekből áll: 1. Erőmérő szenzor: HBM U9B 2. Gyorsulásmérő: KISTLER 8632C50 3. Töltéserősítő: KISTLER 5011 típusú 4. Mérőerősítő: HBM SPIDER8 5. Megjelenítő, kiértékelő egység: PC 6. Kiértékelő szoftver: HBM Catman 4.0 Az alkalmazott KISTLER 8632C50 típusú gyorsulásmérő egy nagy érzékenységű és nagy hőállósággal bíró gyorsulásmérő. A gyorsulásmérő egyszerűsített metszete a 16. - 39 -
ábrán látható. Kemény, eloxált házat kapott, mely ellenállóvá teszi a kedvezőtlen körülményekkel szemben. Kocka alakjának és a ragasztásos rögzítési módnak köszönhetően könnyen felszerelhető, illetve eltávolítható. A gyorsulási erők függőlegesen hatnak a szenzor PiezoBEAM felfogási bázisára és egy biomorf hajlékony elem alakváltozásával arányos töltésjelekké konvertálják a gyorsulási erőket. Ezeket a töltésjeleket a szenzorba integrált, miniatürizált hibrid töltéserősítővel, magas szintű, alacsony impedanciájú, feszültséggé konvertálja. Ez a szenzort ellenállóvá teszi a zajokkal szemben, illetve független lesz a kábel minőségétől, lehetővé téve a sztenderd, olcsó kábelek használatát [4]. A gyorsulásmérő főbb jellemzői [4]: mérési tartomány: ±50g érzékenység: 100mV/g maximális keresztirány érzékenység: 1% nyúlásérzékenység az alapnál: <0,001 g/µε hőérzékenység: +0,08 %/ C üzemi hőmérséklet tartomány: 0 65 C. 16. ÁBRA. A PIEZOBEAM GYORSULÁSMÉRŐ EGYSZERŰSÍTETT METSZETE [4] Jelátalakítás során célszerű olyan megoldást választanunk, mely független a kábelkapacitástól, másrészt képes megoldani a nagy időállandó igényt. Ezt a két kritériumot egyidejűleg oldhatjuk meg egy töltéserősítő alkalmazásával. Erre a célra egy - 40 -
KISTLER 5011 típusú töltéserősítőt alkalmazunk. A berendezés a nagy impedanciájú jeleket, amiket a piezoelektromos anyag generál, átalakítja egy tipikusan 100Ω-nál kisebb jellé, lehetővé téve a hagyományos kétszálas, illetve koaxiális kábel használatát. A kalibrációs tényező (mv/g) [5]. A töltéserősítő főbb jellemzői: mérési tartomány: ±10 999000 pc érzékenység: 0,01 9990 pc/g lépték: 0,001 9990000 g/v kimenő feszültség: ±10 V átvezetési ellenállás: 10±1% Ω időállandók: o hosszú: o közepes: 1 10000 s o kicsi: 0.01 100 s A mérőerősítőre azért van szükség, mert az előerősítőt közvetlenül nem lehetséges a mérőszoftverrel ellátott PC-hez csatlakoztatni, illetve a mérőszoftver csak a mérőerősítővel tud kommunikálni. Mérőerősítőként egy általános mérési célokra ideális HBM SPIDER 8 típusú eszközt használunk. Ez a berendezés gyorsulásmérés mellett egyéb mechanikai, illetve termikus jellemzők regisztrálására is alkalmas. A készülék soros RS232-es, vagy LPT porton keresztül csatlakozik a számítógéphez, ehhez, a jelátalakítóhoz és az előerősítőhöz való illesztését szoftveresen kell megtenni. A mérőerősítő főbb jellemzői: folyamatos adatgyűjtés nagy mintavételezési frekvencia 16 bites felbontás digitális szűrés hőmérséklet kompenzáció kalibrált bemenetek - 41 -
Az alkalmazott szeftver a HBM által forgalmazott Catman 4.0 program. Működéséhez szükséges a SPIDER 8 mérőerősítő illesztő-programjának telepítése. Ennek a programnak a segítségével végezzük el az adatgyűjtést, a megjelenítést és a mért adatok tárolását. - 42 -
8. A vizsgált csapágy Az általunk végzett vizsgálatok során az előző fejezetben bemutatott csapágy fárasztó illetve rezgésmérő berendezést használtam. A kísérlet során egy FAG 6303 típusú egysoros, mélyhornyú, golyóscsapágyat vizsgáltunk, mely a 17. ábrán látható. Ezt a csapágy típust széles körben alkalmazzák, többek között az járműiparban is. Mind a személygépjárművekbe, mind pedig nagyobb teljesítményosztályú tehergépjárművekbe és mezőgazdasági járművekbe épített generátorokba és indítómotorokba ezt a csapágytípust szerelik be. A mélyhornyú golyóscsapágyak sokoldalúan alkalmazhatóak. Masszív külső és belső gyűrűiknek köszönhetően alkalmasak kis és közepes radiális, illetve kis, mindkét irányú axiális terhelések felvételére. Ezt a típust alacsony zajszint jellemzi. Mivel kicsi a súrlódási tényezője, ezért viszonylag nagy fordulatszámok mellett is alkalmazhatóak. A legelterjedtebbek a nyitott kivitelű csapágyak, de készülnek súrlódó tömítéssel ellátott típusok is, melyek a szükséges mennyiségű és minőségű kenőanyaggal feltöltve kaphatók. Az egysoros mélyhornyú golyóscsapágy a legelterjedtebb csapágyfajta, a nagy gyártási sorozatokban készítik ezeket, így viszonylag olcsón beszerezhetőek. A vizsgált FAG 6303 csapágy jellemzőit, illetve a fárasztási paramétereket ismerve, meghatározható a csapágy várható névleges élettartama. A csapágy névleges élettartama millió körülfordulásban az, amit nagyszámú azonos csapágy legalább 90%-a elér vagy meghalad. A csapágyat dinamikus igénybevételnek tesszük ki, hogy az erre vonatkozó szabványos számítási eljárást (DIN ISO 281) kell alkalmazni a várható élettartam számolásakor. Ez az anyagkifáradást (pitting képződést) tekinti a csapágy tönkremeneteli okának. - 43 -
A számítás képlete: = = [ ] (8.1) Ahol: L C P p a névleges élettartam a dinamikus teherbírás a dinamikus egyenértékű terhelés az élettartam kitevő Ha a csapágy fordulatszáma állandó, akkor az élettartama kifejezhető órákban: = = [ ] (8.2) Ahol: névleges élettartam órákban a fordulatszám - 44 -
17. ÁBRA - FAG 6303 CSAPÁGY MŰSZAKI ADATAI A csapágyélettartam számításhoz szükséges adatot megtaláljuk az FAG csapágy főkatalógusban [6], továbbá a kísérletek egyéb paraméterei: C = 13,4 kn p = 3 P = 6 kn n = 1500 1/min Ezek ismeretében a számítások, a (8.2) egyenletbe behelyettesítve: = =, = ( ) =, [ ] (8.3) =, [ ] (8.4) - 45 -
= = =, =, [ ] (8.5) =, [ ] (8.6) 123 óra. A csapágy várható élettartama a vizsgálatok során alkalmazott paraméterekkel - - 46 -
9. A vizsgálat bemutatása Az általam végzett vizsgálatok során az előző fejezetben bemutatott csapágy fárasztó berendezést használtam. A kísérlet során egy FAG 6303 típusú egysoros, mélyhornyú, golyóscsapágyat vizsgáltam. A mérés során először felhelyeztük a vizsgálni kívánt csapágyat a mérőtengelyre, majd egy anyacsavar segítségével rögzítettük azt a mérőtengely vállához. Maga az erőátvitel úgy jön létre, hogy az anya a csapágy belső gyűrűjét a csavar kellőképpen nekiszorítja a vállnak, hogy ne tudjon elcsúszni a tengelyen, miközben az forog. Erre a módszerre azért van szükség, mert ha a megszokott módon szoros illesztéssel szereljük fel a csapágyat a tengelyre, úgy nehézségekbe ütköznénk a csapágy mérőtengelyről a fárasztótengelyre való átszerelésekor, vagy maga a csapágy és a tengelyek is sérülhetnek a gyakori szerelésekkel együtt járó feszítések miatt. Fontos volt, hogy a mérést a mérőtengelyen, a fárasztást pedig a fárasztó tengelyen végezzük. A két tengely különbsége azok csapágyazásában rejlik. A mérőtengelyek támasztásáról siklócsapágyak gondoskodnak, amikre kiváló rezgéscsillapító hatásuk miatt volt szükség. Ezek csillapítják a meghajtás felől érkező zavaró rezgéseket, és ami fontos, hogy maguk nem generálnak számottevő rezgést, így nem torzulnak el a leendő mérési eredmények. Bár ezek a csapágyak nagyon előnyösek mérések végzésekor, csapágyfárasztásra alkalmatlanok. Mikor a csapágy fárasztását végeztük, akkor huzamosabb ideig (órákon át) forgattuk a fárasztó tengelyt jelentősebb terheléssel. A nagyobb terhelés melletti tartós üzemelés mellett a siklócsapágyak túlmelegednének, esetlegesen tönkre is mennének. Ezért van szükség egy másik tengelyre a fárasztások elvégzéséhez, melynek megtámasztását nagyteherbírású görgőscsapágyak látják el. Ezek a csapágyak lehetővé teszik, hogy a vizsgálni kívánt csapágyat egy konstans fordulatszámon, nagy terhelés mellett tartósan járassuk, így fárasztva azt. Viszont a fárasztótengely csapágyazása nem alkalmas arra, hogy a vizsgált csapágy rezgésmérését pontosan végezzük el, mivel ennek nincs semmilyen rezgéscsillapító hatása, illetve saját maga is komoly rezgéseket generál, melyek miatt nem lehetséges a vizsgált csapágy rezgéseinek pontos mérése. - 47 -
Miután a megfelelő tengelyre felszereltük a vizsgálni kívánt csapágyat, meg kellett győződnünk róla, hogy a szenzorok és a műszerek megfelelően vannak e csatlakoztatva egymáshoz és a hálózati feszültséghez, illetve megfelelően vannak e kalibrálva. Ha minden megfelelően működött, ellenőriztük, hogy a motort a szíjhajtás a megfelelő tengellyel köti e össze. Amennyiben szükséges volt a szíjfeszítés oldása után a szíjat áthelyeztük az éppen üzemeltetni kívánt tengely szíjtárcsájára. Az előre hitelesített súlyokkal beállítottuk a megfelelő előfeszítést, majd rögzítettük azt. Ha elvégeztük a berendezés összeállítását, következett a terhelés beállítása. A hidraulikus dugattyú által előállított terhelés nagyságát a PC-n futó HBM Catman 4.0 szoftver segítségével szabályoztuk. A szoftverben be kellett állítanunk, hogy az erőmérő szenzor által érzékelt jeleket jelenítse meg, majd ennek segítségével be tudtuk állítani a méréshez szükséges terhelést, a hidraulika bekapcsolása után. A terhelés felvétele után, a készülék helyes beállítása esetén a csapágytartó kengyel felső síkjának vízszintesen kellett állnia. Ennek különösen nagy jelentősége volt a piezoelektromos gyorsulásmérő irányérzékenysége miatt. Amennyiben fárasztást végeztünk úgy szoftveresen további teendőink nem voltak, a megfelelő nagyságú terhelés beállítása utána kikapcsolhattuk a számítógépet és elindíthattuk a motort, ezzel megkezdve a fárasztást. Mérés és fárasztás esetén is azonos fordulatszámra kalibráltuk a háromfázisú motort. A fárasztásokat 3 órás ciklusokban végeztük, 1500 [1/min] fordulatszámon és 6 [kn] terhelés mellett. Minden 3. ciklus végén elvégeztünk különböző rezgésdiagnosztikai méréseket. A csapágyvizsgálatok korai szakaszában megvizsgáltuk a fárasztásra használt tengely rezgésmérésre alkalmasságát. Előbb a fárasztótengelyen vételeztünk rezgésmintákat 1 [kn] terheléssel és 1500 [1/min] fordulatszám mellett, majd a csapágyat átszerelve a siklócsapágyak által támasztott mérő tengelyre szintén 1 [kn] terheléssel és 1500 [1/min] fordulatszám mellett vételeztünk rezgésmintákat. Minden esetben 5 rezgésmintát vettünk (a rezgésjeleket 5 másodperces intervallumokban rögzítettük) és a minták elemszáma 16384 volt. A rögzített mérési adatokon először egy normálást végeztünk, majd pedig statisztikai jellemzőket számoltunk a MAPLE matematikai szoftver segítségével. A - 48 -
statisztikai indexeket külön diagramokon ábrázoltuk, majd a kapott eredményeket kiértékeltük. Egy azonos fárasztási idő elteltével, azonos terhelések mellett, rezgésmérést végeztünk a fárasztótengelyen és a mérőtengelyen. A 18. ábrán látható, hogy a fárasztótengely csapágyazásának rezgései jelentősen eltorzították a mérési eredményeket, így a továbbiakban kizárólag a mérőtengelyt használtuk rezgésmérésre. 18. ÁBRA. MÉRŐ-, ÉS FÁRASZTÓTENGELY EREDMÉNYEINEK ÖSSZEVETÉSE - 49 -
10. A statisztikai jellemzők kiértékelése A vizsgálatoknál az adott idejű csapágyfárasztásokat követően rezgésmintát vettünk a vizsgált golyóscsapágyról, és a mintavételezett értékek alapján statisztikai jellemzőket számítottunk a Maple matematikai szoftver segítségével. Az index időbeli lefolyása alatt több különböző és jól megfigyelhető szakaszt különböztethetünk meg egymástól. A csapágy korai üzemi szakasza során megfigyelhetünk egy bejáródási szakaszt, mikor jelentős ingadozást mutat a jel. A későbbiekben, de még bőven a csapágy élettartamának az elején, egy enyhe emelkedés jellemzi az értéket egészen addig, amíg ez az emelkedés hirtelen élesebbé válik. Ez az emelkedés folytatódik egy rövid ideig, majd ahogyan a csapágy egyre jobban közelít élettartama véghez, töréspontok jelennek majd meg az átlagos jelszintben. Ekkor az átlagos jelszint váltakozóan emelkedik és csökken. Ezt a jelenséget több kutató is megfigyelte [7], [8]. Ezt a gyógyulás jelenségeként írták le. Ez azt jelenti, hogy a törések vagy más felületi defektusok élei, ahogy a gördülő testek vagy a futópályák folyamatos áthaladásai miatt ezek tompulnak. Az ezt követő szakaszon megfigyelhető a jelszint középértékének minimális csökkenése, melynek legvalószínűbb oka a sérülések hirtelen alakváltozása. Az index csak a hiba megállapítására használható, a defektusok méretét és hollétét, nem tudjuk felderíteni ennek segítségével. A 19. ábrán a peak-to-peak értéket ábrázoltuk a polinomiális görbéjével együtt. Az ábrán megfigyelhető, hogy jelszint az első 10 órás intervallumban nagyjából állandó érékeket mutat, majd a 20. órát követően ugrásszerű növekedésbe kezd. Ez a csapágy teljes tönkremenetelét jelzi előre. Amennyiben a csapágy valóban tönkrement, az első 10 órás intervallum fluktuáló jelszintjére a gyógyulás jelensége is magyarázatot adhat. - 50 -
19. ÁBRA. PEAK-TO-PEAK ÉRTÉK VÁLTOZÁSA Az RMS szint mindhárom sérülési zónában létrejövő defektusok mellett növekvő jelleget mutat. A gyorsulásmérő jele növekszik egészen addig, amíg el nem éri a maximumát, majd lecsökken, és újra megemelkedik. Ezt a fluktuáló jelleget a sérülés természetével lehet magyarázni. A kezdeti növekedést a defektus megjelenése és a kezdeti növekedése okozza. Az ezt követő esést a jel nagyságában a gyógyulás jelenségének tulajdoníthatjuk. Ez a jelleg a törések éles széleinek vagy kis sérült zónák eltompulásából adódik, amit a folyamatos gördülő kontakt okoz. Esetenként itt egy-egy rövidebb intervallum idejéig meg is állhat a defektus növekedése. Később, ahogy a defektus szétterjed, az RMS értéke ismét növekedni fog. Lefutása egyébként nagyon hasonló azt görbéjéhez, bár itt az éles töréspontok nem mutatkoznak olyan hangsúlyosan. Az RMS görbét, az jel egy alul áteresztő szűrőn keresztülbocsájtott változataként is értelmezhetjük. A 20. ábrán látható az RMS index változása, mely jelszintjének változása nagy egyezést mutat az görbéjével. Ennek a görbének a jellege is megerősíti azt a feltételezést miszerint a csapágy élettartama végéhez közeledik. - 51 -
20. ÁBRA. NÉGYZETES KÖZÉPÉRTÉK VÁLTOZÁSA A Crest-tényező értéket kifejezetten a csapágyakban megjelenő hibák kimutatására szokták használni. Bizonyos források szerint [8], amennyiben a Crest-tényező meghaladja az 5 értékét, nagy valószínűséggel valamilyen defektus megjelent a csapágyban. Egy tanulmányban [7] megfigyelték, hogy a csapágy élettartamának körülbelül harmadánál lépi át a Crest-tényezője az 5-t és utána hosszabb ideig stabilan ennek a közelében ingadozik. A 21. ábrán a Crest-tényező értékeinek alakulása figyelhetjük meg. Jól látszik, hogy a 20. óra környékén a jelszint eléri az 5 értékét, ami a defektus megjelenését jelenti. Ezt alátámasztja az előbbi ábrákon látható ugrásszerű növekedése az értékeknek. - 52 -
21. ÁBRA. CREST TÉNYEZŐ ALAKULÁSA A Kurtosis kismértékű egyezést mutat a Crest-tényező görbéjével. Egy új csapágy esetében a Kurtosis értéke 3 közelében van. Egy kialakulóban lévő defektus bármely érintkező felületeken impulzusokat generál, így megváltoztatva a rezgési jel eloszlását és ezzel növelve a Kurtosis értékét. Ha egyszer a sérült rész területe meghaladja a gördülő elemek közt lévő osztási távolságot, a folyamatos lengéscsillapítás (köszönhetően annak, hogy egy már hanyatló impulzus beleütközik az épp keletkezőbe) visszahozza az index értékét normál eloszlásúra és a Kurtosis értéke ismét 3 körül fog ingadozni. A 22. ábrán a Kurtosis változását láthatjuk. Jól látható, hogy a még új állapotába vizsgált csapágy közel 6 értékéről indult, ami egy esetleges gyári hibára enged következtetni. Megfigyelhető, ahogyan a csapágyhiba növekedése, lengéscsillapítást idéz elő. A lengéscsillapítás jelenségét akkor figyelhetjük meg, amikor a csapágyhiba mérete eléri és meghaladja a gördülőelemek osztása közötti távolságot. Ekkor azt az impulzust, amit a gördülő elem a sérült résszel való találkozása okozna, eltompítja az az impulzus, amit a következő gördülő elem hibán való áthaladása okoz. Ez visszahozza 3 közelébe az értéket, majd itt is a jelszint ugrásszerű növekedése következik. - 53 -
22. ÁBRA. KURTOSIS VÁLTOZÁSA - 54 -
11. Csapágyhibák feltárása A vizsgált golyóscsapágy várható élettartamának kevesebb, mint a felénél (az 50. üzemóra tájékán) a statisztikai jellemzők szembetűnő változása volt megfigyelhető. Többek között a peak-to-peak és az RMS görbéjén is nagy ugrás volt látható, és a csapágyzaj is felerősödött. Ennek következtében, és a biztonsági előírásokat szem előtt tartva, a csapágy kiszerelésre került. A kiszerelés után a csapágy meghibásodása bizonyossá vált, a sérülés a kosárszerkezeten volt megfigyelhető. A 23. ábrán látható a sérült kosárszerkezet. 23. ÁBRA. A VIZSGÁLT CSAPÁGY KÁROSODOTT KOSÁRSZERKEZETE - 55 -