Ispitivanje kotrljajućih ležajaAdis Mujić

Rezime: Ležajevi su mašinski elementi čiji je zadatak da omoguće relativno kretanje obrtnih dijelova uz istovremeno prenošenje opterećenja između njih i obezbjeđenje tačnosti njihovog položaja. Dijagnostici odnosno ispitivanju stanja kotrljajućih ležaja kao veoma značajnih i često korištenih mašinskih elemenata se sve više poklanja pažnja kao dijelu sveukupne dijagnostike postrojenja. Da bi se predstavio značaj dijagnosticiranja ležaja dovoljno je napomenuti da npr. 41% svih otkaza elektromotora otpada na otkaze ležaj. Mogućnosti otkaza ovog elementa su veoma velike, a s obzirom na visok procenat prevremeno uništenih ležajeva, razvijene su brojne metode za detekciju, ne samo oštećenog stanja kotrljajnog ležaja, već i za identifikaciju tipa otkaza ležaja. Metode ispitivanja stanja kotrljajućih ležaja se dijele u dvije grupe: metode ispitivanja koje se apliciraju nad ležajima dok mašina miruje i metode koje se apliciraju nad ležajima u pogonu. U ovom radu su predstavljene savremene metode ispitivanja stanja kotrljaućih ležaja u pogonu.

Ključne riječi: kotrljajući ležaj, tehnička dijagnostika, održavanje

UvodLežajevi su mašinski elementi čiji je zadatak da omoguće relativno kretanje obrtnih dijelova uz istovremeno prenošenje opterećenja između njih i obezbjeđenje tačnosti njihovog položaja. Prvenstveno se koriste kod pokretnih veza sa kružnim kretanjem, kao na primjer u osloncima vratila i osovina, gdje omogućuju obrtanje rukavca u odnosu na nepomični oslonac, uz istovremeno prenošenje odgovarajućeg opterećenja. Pored toga primjenjuju se i kod spojeva sa pravolinijskim i zavojnim kretanjem, kao na primjer kod vođica i navojnih parova. Kotrljajni ležajevi se smatraju glavnim „krivcima” za otkaze na mašinama. Ovakvo mišljenje je u najmanju ruku neopravdano, jer je kotrljajni ležaj projektovan da radi dugi niz godina, ali isključivo u slučaju postojanja adekvatnih uslova njegove eksploatacije. Prema nekim analizama manje od 10% ležajeva doživi svoj projektovani vijek. Vijek eksploatacije kotrljajnog ležaja je nepredvidiv. Analize takođe pokazuju da se moguća odstupanja kreću i do 20 puta u odnosu na teorijski vijek ležaja. Mogućnosti otkaza ovog elementa su veoma velike. Oko 40% otkaza ležaja predstavlja posljedicu neodgovarajućeg podmazivanja, 30% otkaza javlja se zbog nepravilne montaže, 20% otkaza se javlja kao posljedica različitih uzroka: preopterećenja, greške u proizvodnji ležaja itd., [1].

Slika 1. Kotrljajući kuglični ležaj [2]

Većina defekata kotrljajnih ležajeva se razvija postepeno, što ostavlja korisniku dovoljno vremena za pravovremeno sprovođenje aktivnosti održavanja, čime se izbjegavaju štete u proizvodnom procesu usljed iznenadnog otkazivanja ležaja. S obzirom na visok procenat prevremeno uništenih ležajeva, razvijene su brojne metode za detekciju, ne samo oštećenja kotrljajnog ležaja, već i za identifikaciju tipa otkaza ležaja. Jedna od metoda za detekciju, kako otkaza kotrljajnih ležaja, tako i drugih elemenata tehničkih sistema, je vibrodijagnostika.

Ispitivanje stanja ležaja u pogonuDanas su u primjeni sljedeće metode ispitivanja stanja kotrljajućih ležaja u pogonu:

Mjerenje temperature ležaja,

Mjerenje vibracije ležaja,

Preslušavanje šuma ležaja u audio području,

Preslušavanje šuma ležaja u ultrazvučnom području i

Specijalne metode procjene stanja ležaja.

Mjerenje temperature ležajaRadna temperatura svakog ležaja mora biti u zadanim granicama sukladno uputama proizvođača ležaja, jer u slučaju odstupanja može doći do trajnog oštećenja ležaja, a još češće dolazi do oštećenja zaptivki ležaja. Također može doći do oštećenja osovine na koju je ležaj namontiran. Ležaji opšte namjene su predviđeni za rad u temperaturnom opsegu od -20ºC do 110ºC [3]. U praksi se pojedini ležaji prinudno hlade, a pojedini i prinudno griju na razne načine, ali neovisno o ovome potrebno je mjeriti temperaturu ležaja.

Ako se ležaj pregrijava u radu potrebno je otkriti uzrok i eliminisati ga pri čemu treba imati na umu da uzrok „pregrijavanja“ može biti i greška u mjerenju. Pri radu dolazi do pregrijavanja ležajeva usljed više uzroka koji su navedeni u tabeli 1 [3], [4]. Najednostavniji, ali svakako ne i najbolji način ocjene temperature ležaja je ljudsko čulo dodira.

U mnogo slučajeva je dovoljno da rukom opipamo kućište ležaja da bismo subjektivno procijenili njegovu temperaturu. Najsavremeniji postupak mjerenja temperature ležaja se provodi pomoću beskontaktnih IR termometara ili pomoću termografske kamere, a također se vrše mjerenja pomoću senzora kao što su Pt100 senzori i termistorski senzori te termoelementi tipa J (Fe-Co). Korisno je pratiti trend promjene temperature ručnim bilježenjem mjerenja ili pomoću elektronskih uređaja, jer se kroz praćenje trenda temperature dobiva bolji uvid u stanje ležaja.

Na slici 2. je ilustrovano mjerenje temperature ležajeva pomoću kontaktnog termometra [5]. Kao što vidimo instrument za mjerenje prislonimo na kućište ležaja i sačekamo dok se mjerenje ne ustabili te očitamo temperaturu. Temperatura ležajeva do oko 60 °C smatra se prihvatljivom za većinu primjena.

Tabela 1. Uzorci pregrijavanja ležaja

UZROK OPIS

Loše podmazivanje ležaja Ukoliko je aplicirana premalena količina maziva ili je u pitanju neadekvatno mazivo koje svojim performansama ne zadovoljava zahtjeve aplikacije dolazi do povišenog trenja u ležaju usljed čega se isti zagrijava. Također, ako se aplicira prevelika količina maziva unutar kućišta ležaja, posebno ako se za podmazivanje koristi mast, tada također dolazi do povećanog trenja i zagrijavanja ležaja. Iskustvo govori da usljed apliciranja prevelike količine masti ponekada dolazi do oštećenja kaveza ležaja.

Kontaminacija (zaprljanje) maziva Mazivo može biti kontaminirano raznim nečistoćama kao što su npr. metalni opiljci, pijesak, voda itd. što opet dovodi do zagrijavanja uzrokovanog trenjem i štaviše oštećenja i ubrzanog habanja ležaja

Loše zaptivanje ležaja Ukoliko je pogrešno ugrađena zaptivka ležaja ili ista nije adkvatno podmazana dolazi do zagrijavanja iste što dovodi do zagrijavanja ležaja

Premali zazor u radu Premali zazor u radu dovodi do zagrijavanja. Najčešći uzrok ovoga problema je što se pri zamjeni ležaja ugradi ležaj manjeg zazora nego što je potrebno ili se ugradnja ležaja obavi pogrešno. U pojedinim aplikacijama se obavezno mora provjeriti zazor ležaja nakon ugradnje.

Preopterećenje Preopterećenje dovodi do smanjenja zazora ležaja usljed savijanja ležaja. Također, usljed preopterećenja dolazi do povećanog trenja u ležaju.

Previsok broj obrtaja Previsok broj obrtaja dovodi do povećanog zagrijavanja usljed trenja.

Oštećenja (defekti) ležaja Oštećenja na ležaju kao što je npr. lom kaveza, prskotine i druga dovode do povećanog trenja u ležaju što rezultira zagrijavanjem.

Vanjski izvori toplote U pojedinim aplikacijama kao što su npr. ventilatori toplih gasova, peći i slično dolazi do zagrijavanja ležaja izvana, a u pojedinim aplikacijama kao što su npr. hladnjače naprotiv ležaj se izvana hladi. Također na pojedinim mašinama se ugrađuju uređaji za hlađenje ležaja. Npr. ako se podmazivanjem vrši uljem koje cirkuliše i hladi se u hladnjaku ulja.

Slika 2. Mjerenje temperature ležajeva pomoću kontaktnog termometra [6]

Gubitak snage koji nastaje na ležaju Pg usljed trenja i otpora maziva se računa po formuli:Pg=M g ∙ ω (1)

gdje je Mg momenat gubitaka, a ω ugaona brzina. Momenat gubitaka se računa po formuli:M g=r ∙ μ ∙ P (2)

gdje su r radijus kotrljajnog dodira, µ koeficijent trenja i P opterećenje ležaja. Ugaona brzina ležaja ω se računa po formuli:

ω=π ∙ n30

(3)

gdje je n broj obrtaja. Primjenom prethodnih formula gubitak snage Pg na ležaju se računa po formuli:

Pg=r ∙ μ ∙ P ∙ π ∙ 30

30(4)

Ukoliko nema protoka maziva ili prinudnog hlađenja ležaja sva toplota generisana na ležaju se odvodi u okolinu preko kućišta ležaja. Formula za toplotu odevednu sa ležaja procesom kondukcije toplote je određena zakonom:

P0=k ∙ Al ∙ (θl−θ0 )(5)

gdje je k koeficijent kondukcije, Al površina kućišta ležaja, θ l temperatura ležaja i θo temperatura okoline. U slučaju da nema odvođenja toplote sa ležaja preko maziva ili na neki drugi način te da se ležaj ne zagrijava spoljnim izvorom topline tada je gubitak snage jednak odvedenoj toploti:

Pg=P0(6)

Primjenom prethodnih formula dobivamo formulu za temperaturu ležaja:

θl=θ0+π ∙ r

30∙ k ∙ l∙ μ ∙ P ∙ n

Kao što vidimo temperatura ležaja ovisi o spoljnoj temperaturi θo, koeficijentu trenja u ležaju µ, teretu ležaja P i broju obrtaja n čime su i teoretski potvrđeni navodi iz tabele 1. do kojih se došlo iskustveno.

Mjerenje vibracije ležajaObjektivna metoda ispitivanja stanja ležaja je mjerenje frekvencije vibracija ležaja. Usljed defekta, vibracije na kućištu ležaja značajno porastu. Mjerenje karakteristika vibracija je u tehničku praksu uvedeno 60.-tih godina prošlog vijeka, a 80.tih godina je uvedeno snimanje vremenskog spektra vibracija, čime su znatno prošireni dometi ove metode. Naime, snimanjem vremenskog spektra, odakle se dobija frekventni spektar, mogu se, u ukupnom signalu vibracija, uočiti komponente vibracija ležaja i time ih izdvojiti iz ukupnih vibracija mašine, te na taj način eliminisati ometajuće signale [7].

Uvećane vibracije na kućištu ležaja mogu biti uzrokovane defektom ležaja. Istovremeno vibracije koje dolaze iz drugih izvora mogu oštetiti ležaj. U tom smislu potrebno je mjeriti intenzitet vibracija na kućištu ležaja u cilju provjere da li su iste u zadanim granicama za datu mašinu. Osim toga treba pratiti trend promjene vibracija i ako se uoče značajne promjene na trendu potrebno je ustanoviti uzrok. Pri mjerenju vibracija na kućištu osim brzine vibracija može se snimati vremenski dijagram signala vibracija i njegov FFT spektar. Snimanjem FFT spektra signala vibracija se mogu uočiti karakterične spektralne komponente koje ukazuju na otkaz ležaja. Međutim, u početnom stadiju otkaza ove komponente su malog intenziteta te su zamaskirane strukturalnim vibracijama mašine. Mjerenje vibracija pomoću prijenosnog vibrometra je prikazano na slici 3. Vibrometar se prisloni na kućište ležaja i sačeka da se mjerenje ustabili nakon čega se izvrši očitanje. Još bolje je ako se vibrosenzor pomoću stalnog (permanentnog) magneta učvrsti na kućište ležaja. Mjerenje treba obaviti pod normalnim radnim uslovima tj. kada se ležaj zagrije na radnu temperaturu i kada radi pod nominalnim brojem obrtaja. Ako je moguće vibracije treba mjeriti u horizontalnom smjeru.

Slika 3. Mjerenje vibracija prijenosnim vibrometrom [8]

Objektivna metoda ispitivanja stanja ležaja je mjerenje brzine vibracija ležaja. Tipične vremenski dijagrami vibracija ispravnog i neispravnog ležaja su date na slici 4.

Slika 4. Vremenski dijagrami brzine vibracija ispravnog i neispravnog ležaja [9]

Oštri vrhovi vidljivi na vremenskom dijagramu neispravnog ležaja su uzrokovani udarima kotrljajućih elemenata u oštećenja na kotrljajućoj stazi. Također je vidljivo da je amplituda vibracija ispravnog ležaja daleko manja. Dakle, usljed defekta vibracija na kućištu ležaja značajno porastu. Mjerenje vibracija je u tehničku praksu uvedeno 60.-tih godina prošlog stoljeća, a 80.-tih godina je uvedeno snimanje frekventnog spektra brzine vibracija čime su znatno prošireni dometi ove metode. Naime, snimanjem frekventnog spektra možemo u ukupnom signalu vibracija uočiti komponente vibracija ležaja i time ih izdvojiti iz ukupnih vibracija mašine te na taj način eleiminisati ometajuće signale. Dijelovi kotrljajućeg ležaja su: vanjski prsten, unutarnji prsten, kotrljajući ležaj, kotrljajući elementi i kavez. Pri rotaciji, svaki od navedena četiri dijela generira vibracije vlastite frekvencije. Njihove uobičajene oznake prema anglosaksonskoj terminologiji su:

BPFI – Bearing Predominant Frequency Inner RaceBPFO – Bearing Predominant Frequency Outer RaceBSF – Ball Spin FrequencyFTF – Fundamental Train Frequency.

Ako nam je poznat proizvođač i oznaka ležaja te broj obrtaja vibracijske frekvencije se moguodrediti pomoću računara, a također se mogu izračunati i preko formula. Vibracije opisanihfrekvencija ležaji generiraju i kada su potpuno ispravni, ali su vrlo male amplitude. Sapojavom defekta amplitude znatno porastu.

Preslušavanje šuma ležaja u audio područjuIspitivanje stanja kotrljajućih ležaja preslušavanjem šuma ležaja u audio području učestanosti 30 Hz ÷ 15 kHz je također vrlo stara metoda. Dijagnostičari i dan danas često koriste vrlo primitivan instrument za preslušavanje – metalnu šipku. Jedan kraj šipke se prisloni na kućište ležaja, a drugi na kost lobanje iza uha. Ispravan ležaj generira tih šum u vidu šištanja, dok je ležaj sa defektom bučan. Kod ležaja sa manjim oštećenjem imamo šum u vidu "zvonjenja" dok znatnije oštećeni ležaji odaju šum u vidu udara. Bitno je napomenuti da abnormalni šumovi mogu doprijeti usljed kontaminacije maziva. Danas se preslušavanje šuma ležaja vrši pomoću elektronskih stetoskopa. Glavni nedostaci ove metode su subjektivnost rezultata i problemi sa smetnjama koje potiču od drugih izvora buke.

Slika 5. Preslušavanje šuma ležajeva elektronskim stetoskopom [10]

Naime zvučni talasi niske frekvencije se lahko rasprostiru na velike udaljenosti pogotovo kroz čvrste medije kao što je metal. Intenzitet zvuka tokom njegovog rasprostiranja opada usljed apsorpcije zvuka u mediju prema Beer-Lambertovom zakonu:

A=A0 ∙e−αx …(7)

gdje je A0 početni intenzitet pored izvora zvuka, α koeficijent apsorpcije i x udaljenost od izvora. Koeficijent apsorpcije α kod većine medija raste s frekvenijom po kvadratnom zakonu dok kod pojedinih medija kao što su npr. biološka tkiva raste po linearnom zakonu. Dakle sa padom frekvencije apsorpcija zvuka opada tako da se zvučni talasi niske frekvencije lahko rasprostiru na velike udaljenosti. Kako bi se eliminisao spomenuti problem konstruisani su stetoskopi za preslušavanje šuma ležaja u ultrazvučnom području.

Preslušavanje šuma ležaja u ultrazvučnom područjuPrema istraživanjima NASA-e ultrazvučnom metodom se mogu detektovati defekti na ležajima znatno ranije nego što se isti uoče drugim metodama. Ultrazvučna metoda je posebno efikasna za detekciju defekata na ležajima sa malim brojevima obrtaja kada su druge metode obično inferiorne. Podmaznost ležaja i drugih kliznih površna se također može provjeriti ultrazvučnim instrumentom zbog činjenice da kvalitetno podmazane površine praktično ne generišu ultrazvuk dok su naprotiv loše podmazane površine vrlo bučne u području ultrazvuka. Ako se podmazivanje ležaja u pogonu vrši mazalicom tokom samog podmazivanja ultrazvučnim instrumentom se može provjeriti da li je

aplicirana dovoljna količina maziva tako što se nakon svakog potezanja poluge na mazalici sačeka približno 15 sekundi da mazivo dopre do površine i nakon toga izmjeri jačina signala ultrazvuka. Ako primjetimo da jačina ultrazvuka ne opada sa dodavanjem maziva podmazivanje treba smjesta prekinuti, jer i prevelika količina maziva može biti štetna. Dakle, mazivo se dodaje sve dok se jačina signala ultrazvuka ne ustabili.

Slika 6. Dijagram ultrazvuka prevedenog u audio područje ispravnog i neispravnog ležaja [11]

Kao što je već rečeno osciloskopom i spektralnim analizatorom možemo snimiti dijagrame ultrazvuka prevedenog u audio područje. Na slici 6. su dati dijagrami ultrazvuka prevedenog u audio područje u vremenskom i frekventnom domenu. Vidljiva je značajno veća amplituda ultrazvuka neispravnog ležaja. Ukoliko amplitudu ultrazvuka mjerimo pomoću mikrofona sa pipkom uvijek na istom mjestu, označenom obradom otvora za pipak i pod istim pogonskim uvjetima tada možemo snimiti i trend promjene amplitude ultrazvuka. Na ovaj način možemo eliminisati glavni nedostatak metode preslušavanja ultrazvuka, a to je subjektivnost metode.

Slika 7. Označavanje mjesta mjerenja frezerom uz pripremu zabušivačem [11]

Osnovni podaci o instrumentu za preslušavanje ultrazvuka su: frekventni opseg, vrijeme odziva instrumenta i minimalni pritisak ultrazvuka koji instrument može detektovati. Tipičan instrument ima frekventni opseg 20-60 kHz, vrijeme odziva 300 ms i minimalni pritisak 1 nbar. Prilikom nabavke instrumenta treba obratiti pažnju na kvalitet slušalica koje se isporučuju uz instrument te provjeriti da li je ultrazvučni generator uključen u komplet sa instrumentom ili se nabavlja odvojeno. Naime kvalitetne slušalice sa dobrom zvučnom izolacijom (prigušenje 25-30 dB) koštaju

nekoliko stotina EUR, a često se uz instrument isporučuju jeftine (i loše) slušalice čija je cijena 1-2 EUR tako da u tom slučaju treba posebno naručiti slušalice sa zvučnom izolacijom za rad u industrijskom okruženju ili koristi slušalice u kombinaciji sa antifonima što obično nije ugodno rješenje.

Specijalne metode procjene stanja ležajaRazvijeno je mnogo specijalnih metoda ispitivanja ležaja kao što su npr. SPM® – Shock PulseMethod, HFD® – High Frequency Detection, SEE® – Spectral Emitted Energy, CPB –Constant Percentage Bandwith, Cepstrum metoda, metod krest faktora, metoda defekt faktora, metoda Distress® faktora i druge. Većina ovih metoda je patentirana i u vlasništvu je raznih proizvođača dijagnostičkih uređaja. Ove metode omogućavaju vrlo ranu detekciju otkaza ležaja.

Stadiji otkaza ležajaPojedini istraživači definiraju devet stadija otkaza, međutim prema opće prihvaćenom stanovištu postoje četiri stadija otkaza ležaja. Simptomi defekta u pojedinim stadijima su datiu tabeli 2.Tabela 2. Stadiji otkaza ležaja

STADIJI SIMPTOMI

1.- temperatura ležaja normalna- ležaj tih- preslušavanjem ultrazvučnim stetoskopom se detektiraju abnormalni šumovi

2.- temperatura ležaja normalna- ležaj "zvoni"- preslušavanjem ultrazvučnim stetoskopom se detektiraju jaki abnormalni šumovi

3.- temperatura ležaja blago uvećana- ležaj bučan- preslušavanjem ultrazvučnim stetoskopom se detektiraju veoma jaki abnormalni šumovi

4.- temperatura ležaja vrlo visoka- ležaj vrlo bučan- preslušavanjem ultrazvučnim stetoskopom se detektiraju izuzetno jaki abnormalni šumovi

ZaključakPri ispitivanju kotrljajućih ležaja treba voditi računa o sljedećem:

- ako je broj obrtaja ispod 30 o/min potrebno je izvršiti 5 uzastopnih mjerenja, a kao relevantan uzeti najlošiji rezultat,

- dijagnosticiranje ležaja dinamičkim metodama je potrebno obaviti u normalnim radnim uslovima mašine tj. kada je mašina zagrijana na radnu temperaturu i kada je pod uobičajenim opterećenjem,

- prilikom procjene stanja ležaja neophodno je izmjeriti temperaturu kućišta ležaja, i preslušati šum ležaja u ultrazvučnom ili audio području, potrebno je izvršiti minimalno 3 mjerenja tokom 2 sata rada mašine, a kod značajnijih procjena

minimalno 6 mjerenja tokom 3 dana (navedeno dakako ne važi ukoliko imamo simptome četvrtog stadija otkaza ležaja, jer tada dijagnozu možemo donijeti odmah),

- pri dijagnosticiranju ležaja korisno imati podatak o odrađenom radnom vijeku ležaja, jer ako se na ležaju koji je odradio tek trećinu svoga radnoga vijeka uoče simptomi defekta potrebno je vrlo oprezno donijeti dijagnozu i

- da bismo dijagnosticirali moramo imati podatke o unutarnjem prječniku ležaja i broju obrtaja.

Literatura

[1] N. Zuber, R. Bajrić, “Pregled vibrodijagnostičkih metoda za praćenje stanja kotrljajnih ležaja”, Zbornik radova sa konferencije COMETA 2014, str. 197

[2] http://novamedia.rs/showCategory/14275/kuglicni-lezajevi- (dostupno 07.11.2015)

[3] SKF Bearing Maintenance Handbook, SKF Group, 2010.

[4] Tedric Harris, Rolling Bearing Analysis, Wiley-Interscience, New York, 2000.

[5] Željko Novinc, Amir Halep, Tehnička dijagnostika, Kigen, Zagreb, 2010.

[6] http://www.skf.com/my/products/condition-monitoring/basic-condition-monitoring-products/thermometers/general-purpose-thermometer/index.html

[7] A. Halep, “Metode za procjenu stanja kotrljajućih ležaja”, Zbornik radova sa konferencije “ODRŽAVANJE” jun, 2010. str. 92, 93

[8] http://media.fluke.com/images/805-12a-600x402.jpg (dostupno 12.11.2015)

[9] A. Halep, “Metode za procjenu stanja kotrljajućih ležaja”, Zbornik radova sa konferencije “ODRŽAVANJE” jun, 2010. str. 92, 93

[10] http://manpre.com.mx/image/data/herramientas/estetoscopio-electronico-18813-5851555.jpg (dostupno 23.12.2015)

[11] A. Halep, „Tehnička dijagnostika“ .