Titreşim Rehberi #10
Döner Elemanlı Rulmanlar
Döner ekipmanlarda, titreşim analizi ile en çok ilişkilendirilen parça rulmanlardır. Rulmanlar 4 temel bileşenden oluşur: Dış bilezik, bilya kafesi, bilyalar veya masuralar ve iç bilezik. Bu bileşenler, rulmanların arıza teşhisini daha karmaşık hale getirir. Her bileşen FFT spektrumu üzerinde farklı frekanslarda arıza belirtisi gösterir. Rulmandan gelen bu arıza belirtilerini tanımlamak için, bunların temel frekanslarını aşağıdaki gibi bir dizi matematik denklemi ile hesaplamak gerekebilir:
İç bilezik bilya geçiş frekansı:
-
BPFI = Z * n / (60 * 2) * (1 + (Dw / Dpw *cos (a))
Dış bilezik bilya geçiş frekansı:
-
BPFO = Z * n / (60 * 2) * (1 - (Dw / Dpw *cos (a)).
Bilya arıza frekansı:
-
BSF = (Dpw * n) / (Dw * 60 * 2) * (1- [Dw / Dpw* cos (a)]²)
Kafes arıza frekansı:
-
FTF = n / (60 * 2) * (1 - (Dw / Dpw *cos (a))
a = Temas açısı
Dw = Döner eleman çapı
Dpw = Bilyalar arası çap (Bölüm daire çapı)
Z = Döner eleman sayısı
n = Şaft hızı (d/d)
Bilya sayısı ve rulman boyutları üretici kataloglarından elde edilebilir. Buna ek olarak, VIBXPERT II gibi gelişmiş FFT analizörleri, yazılımlar sayesinde rulmanların temel frekanslarına önceden sahiptirler. Rulman marka ve kodları girilerek, bu frekanslara ulaşılabilir. Bu, analiz sırasında zaman kazanılmasını sağlamaktadır. FFT spektrumu ile rulman arıza analizinin tam anlamıyla yapılabilmesi için bu frekanslara ihtiyaç vardır.
Hız spektrumunda kafes arızasının tanımlanması
Rulman içerisindeki döner bileşenleri birbirinden ayırmak rulman kafesinin temel görevidir. Aynı zamanda, döner elemanlarını kaymasını, temasını ve aşınmasını azaltır. Rulman içerisinde yükün eşit dağılmasını sağlar ancak hiçbir yük taşımaz. Rulmanın arıza durumuna göre hız spektrumlarında farklı şekillerde görülebilir.
Hız spektrumunda bilya arıza frekansları
Bilyalı rulmanın görevi birbirine göre farklı hızlarda hareket eden 2 makine parçasını, sürtünme direncini minimuma indirerek birbirine bağlamaktır. Çoğu durumda bu, dönen bir şaft ve sabit yataktır. Bunları ayıran ve yükü taşıyan bilyalar ve döner elemanlardır. Bu bileşenlere ait arızalar aşağıdaki FFT spektrumlarında gözükmektedir.
Hız spektrumunda iç ve dış kafes arıza göstergeleri
Rulmanların iç ve dış kafesleri birbirinden ayrıdır ve rulmanların içinde hareket ettiği halka şeklinde parçalardır. Kafeslerin yuvası, bilyaların hafif gevşek şekilde oturabileceği geometriye sahiptir ancak küçük bir noktada oluşacak yük, yüksek miktarda temas basıncı oluşturacaktır. Böyle bir durum gerçekte oluştuğunda, bilyalar düzleşmeye başlarken aynı zamanda kafeste de çukurlar ve çizikler oluşmaya başlar. Yüke, montaj ve yağlama şekline bağlı olarak, iç ve dış kafes kalıcı olarak hasar görebilir. Bu hasar, FFT spektrumunda daha önce bahsettiğimiz temel frekanslarda ortaya çıkar.
Rulman arızasının ilerleme safhaları
Aşağıdaki grafikler, bir rulmanın arıza aşamalarının spektrum üzerinde nasıl gözüktüğünü göstermektedir. Rulmanlardaki arıza ilerledikçe ve bu grafiklerde gözüktükçe bunun için önlem alınması gerektiğini söylemek daha doğru olacaktır. İlerleyen bir arızayı, trend grafiklerinde görmek mümkündür. Bu, sorunun kaynağını tespit edip, bunu gidermeye yönelik aksiyonlar alındıkça rulmanın ömrünü uzatabilir. Rulman arızalarına ait 4 temel ilerleme kademesi, aşağıdaki grafiklerde örneklendirilmiştir.
4. aşama spektrum görülmeden, arızaya müdahale edilmesi önerilir. Tabi ki, üretim için kritik olan makineleri durdurmak her zaman mümkün değildir, bu gibi durumlarda genlik miktarını ve artış hızını göz önünde bulundurmak gerekir. Ancak katastrofik rulman arızaları, her zaman sadece rulmanın arızalanması ile sonlanmaz. Şaft eğilmesi, kaplin hasarı ve daha birçok makine arızası rulman arızası sonucu oluşabilir veya kötüleşebilir.
Shock Pulse Analizi
Rulmanların mevcut durumunu değerlendirmek için FFT metodu hariç sıklıkla kullanılan bir metod vardır. En başarılı ve popüler metodlardan biri olan bu teknik, FFT’den bahsettiğimiz bu bölümde yer almayı hak ediyor. Küçük rulmanlar için yapılacak ilk analizlerden biri olmakla birlikle, makinenin durdurulup, rulmanların değiştirilmesi işlemi genel duruma göre karar verilir. Bu metodu adı “Shock Pulse”tır.
Şok dalgaları, sıradan makine titreşimlerinden ayrı tutulması gereken özel bir titreşim türüdür. Gerçek şok dalgası, bir metalin diğerine çarptığında yarattığı basınç dalgasıdır. Darbenin momentumu, hedef nesneyi deforme edebilir ve sonrasında kendi doğal frekansında titreşir. Bu titreşim sonrasında iç sürtünmelerden ötürü oluşan ısıya dönüşür.
Şok dalgaları, rulmanın çalışması sırasında döner elemanların, rulmanın kafes yüzeyinde oluşan bir bozulmanın üstünden geçmesi ile oluşur. Tabi ki, gerçekte mükemmel düzgün yüzey diye bir şey mümkün değildir. Yeni rulmanlar dahi, zayıf şok dalgaları yayarlar. Bu “halı seviye”si, döner elemanlar ve kafes arasındaki yağ filmi tabakası azaldıkça artar.
Döner elemanların veya kafesinde yüzeyindeki bir kusur (çukur veya çatlak), halı değerinin 1000 katına varabilen şok dalgaları üretir. Bu değer, rulmanda gerçekleşen arızanın seviyesinin iyi bir göstegesidir.
Şok dalgaları, olağan makine titreşimlerine göre çok daha geniş bir frekans aralığına yayılmıştır ve barındırdığı enerji çok daha zayıftır. Bu yüzden, şok dalgalarını ölçmek için kullanılan ivmeölçerlerin rezonans frekansı (yaklaşık 36kHz) bu bölgede bulunur.
Yeni ve arızalı rulmanların Shock Pulse grafikleri
Bunun anlamı, rulman değerlendirmesi için bakılan bu yüksek frekans bölgesinde, şok dalgalarına hassasiyeti olan bir sensör kullanılarak enerjisi daha yüksek, düşük frekanslı bir makine titreşimi (balanssızlık veya hizasızlık) veya yakındaki makinelerden gelen titreşim mevcut olsa bile ölçüm alınabilir. Yüksek frekanslı sinyaller çabuk yok olmaya yatkın olsalar dahi, yakında bulunan diğer rulmanlardan gelen sinyallerden çok az etkilenirler.
Rulman durumunun değerlendirilmesi
Diğer durum değerlendirme metodları gibi, şok dalgası tekniğinin de belirli parametreler sebebi ile bir sınırı mevcuttur. Bu parametreler, rulman boyutu, devir, sinyal sönümlenmesi ve yağlamadır. Şok dalga ölçümleri, genellikle referans bir ölçüm ile kıyaslanmalıdır. Bu referans ölçüm, makinenin durumunun iyi olduğu bilindiği veya bu faktörleri hesaba katmak için normalize edilmiş bir ölçüm olmalıdır.
Rulman boyutu ve devirin, yeni bir rulman tarafından üretilen şok dalgaları üstündeki etkisini hesaplamak için yıllar içerisinde güvenilir, geniş çaplı ölçümlere dayanan normalizasyon metodları geliştirilmiştir. Normalize edilmiş sinyal seviyesinin (dBn) bir rulman için hesaplanması, durumunun ‘iyi’, ‘orta’ veya ‘kötü’ olarak değerlendirilmesine olanak tanır.
Rulman durumunu belirlemek için 2 normalizasyon parametresi kullanılır:
-
Halı değeri, bozulmakta olan veya kötü çalışma durumunu gösterir (Örnek: yetersiz yağlama, şaft hizasızlığı veya yanlış montaj)
Arızalı rulmanlar ise özel, daha yoğun olan şok dalgaları üretirler.
-
Maksimum değer ise, rulmanın çalışma durumunun direkt bir göstergesidir.
Bazı belirli arıza tipleri, sadece sinyal genliğine değil, aynı zamanda halı değeri ile olan farktan ve dalgaların şablonundan da anlaşılabilir. Tipik şok dalga grafikleri ile karşılaştırma problemin bulunduğu noktayı bazen açıkça gösterebilir. (Örn: yağ kontaminasyonu)
Yukarıdaki diagram, zaman içerisinde rulman durumu değişen bir şok dalga grafiğini göstermektedir. Grafiğin yukarı doğru ekseni, rulmanın normalize edilmiş dBn ölçümünü, aşağıdaki değer ise halı değeri dBc göstermektedir. Görüldüğü gibi, normalize edilmiş halı değerleri, iyi, çalışır durumda bir rulmanın trendine oldukça benziyor. Gelişmekte olan bir problemi, trend seviyesinin ayrılmaya başlamasından, örnek olarak dBn değerinin artışından, anlayabiliriz. dBc (halı) değerindeki artış, yağ filminin azaldığını göstermektedir ve genelde yağlama yapılarak giderilebilir.
dBc (halı) değeri yağlama, montaj ve rulman üzerindeki yük bilgileri konusunda önemli bilgiler sağlar. Direkt olarak, döner elemanın yağ filminin kalınlığı ile ilişkilidir.
dBn değeri, düzensiz şok dalgaları yaratan rulman yüzeyindeki bozukluklar hakkında bize önemli bilgiler sağlar. Bu yüksek değerler, rulman üzerindeki mevcut hasar ve genel durum hakkında iyi birer gösterge görevi görürler.
Yağlama yapıldıktan sonra dBc değeri alarm seviyelerinin altına düşerek o seviyede kalırsa, yağlama aksiyonunun rulmanı kabul edilebilir çalışma koşulu limitlerine geri çektiğini kanıtlamış oluruz. dBn değerinin, dBc trendine göre artış göstermesi ise yağlama ile giderilemeyecek temel bir problem olduğunu işaret eder.