AC-servomoottori - rakenne, vikaantuminen ja havainnointimenetelmät.

Transkriptio

1 TUTKIMUSRAPORTTI NRO BTUO vaihe invertteri ACmoottori pyör.nop Jännite Virta Lämpötila Värähtely Monitorointijärjestelmä PC AC-servomoottori - rakenne, vikaantuminen ja havainnointimenetelmät. Tilaaja: Teollisuuden käynnissäpidon prognostiikka VTT TUOTTEET JA TUOTANTO

2

3 2 (32)

4 3 (32) Alkusanat Tämä raportti on laadittu Tekesin, teollisuusyritysten ja VTT:n rahoittamaan projektiin Teollisuuden käynnissäpidon prognostiikka (PROGNOS). Raportti on osa projektin Servo-casea. Kirjoittajat kiittävät projektiin osallistuneita tahoja työtä kohtaan osoitetusta mielenkiinnosta sekä projektille annetusta taloudellisesta ja teknisestä tuesta. Espoo, Elokuussa 2005 Tekijät

5 4 (32) Sisällysluettelo 1 Johdanto 5 2 AC-servomoottorit AC-moottoreiden rakenteet AC-servomoottoreiden rakenteet Vikaantuminen AC-moottorin vikaantuminen Ohjaus- ja säätöjärjestelmän vikaantuminen Havainnointimenetelmät Laakerivaurioiden havainnointimenetelmät Värähtelyanalyysit Voiteluaineanalyysit Lämpökamerakuvaus / lämpötilamittaus ja -analysointi Staattorivaurioiden havainnointimenetelmät Sähköiset analyysit Värähtelyanalyysit Lämpötila Roottorivaurioiden havainnointimenetelmät Sähköiset analyysit Värähtelyanalyysit Yhteenveto 29 Lähdeviitteet 30

6 5 (32) 1 Johdanto Sähkömoottorit ja -käytöt ovat levinneet useisiin teollisuuden alueisiin ja käyttökohteisiin. Käyttökohteissa, joissa tarvitaan suurta toimintatarkkuutta, voidaan käyttää takaisinkytkettyjä moottorikäyttöjä. Takaisinkytkettyjä ja säädettyjä moottoriratkaisuja kutsutaan servomoottoreiksi. Yleisemmin sähkökäyttöiset servomoottorit ovat tyypiltään ACmoottoreita, jotka on liitetty osaksi käyttökohteen ohjaus- ja säätöjärjestelmää. Tyypillisesti servomoottorijärjestelmissä käytetään virta- ja/tai nopeustakaisinkytkentöjä ja -säätöjä. ACkäyttöisille servomoottoreille on ominaista pieni hitausmomentti sekä suuri vääntömomentti eli hyvä dynamiikka [Airila 2004]. AC-servomoottoreita käytetään esimerkiksi teollisuusroboteissa. Kohdetta käyttävänä laitteena servomoottoreiden toimintakunto ja sen havainnointi ovat molemmat kriittisiä kohteen luotettavan toiminnan kannalta. Tässä raportissa selvitetään ensin servomoottoreiden perustoimintaperiaatteet ja tyypillisimmät vikaantumistyypit sekä käydään läpi erilaisia moottorin toimintakunnon havainnointiin soveltuvia mittaus- ja analyysimenetelmiä. 2 AC-servomoottorit 2.1 AC-moottoreiden rakenteet Epätahtimoottori (oikosulkumoottori) on teollisuuden eri käyttösovelluksissa yleisin voimanlähde (Kuva 1) [Mantere 1986]. Se on edullinen yksinkertaisen rakenteensa ja huoltovapauden vuoksi. Epätahtikoneet ovat aina umpinapakoneita ja ne voivat olla rakenteellisesti joko oikosulkukoneita tai liukurengaskoneita [Muranen 2001]. Oikosulkukoneessa on häkkikäämitys ja liukurengaskoneessa eristetty monivaihekäämitys Kuva 1. Epätahtikone ja sen rakenne [Halcyon Drives 2005]. Kuvassa näkyy moottorin staattori (1), roottori (2), laakeri (3), staattorin runko (4), roottorin akselille suoraan kiinnitetty tuuletin (5), liitinkotelo (6), staattorikäämitys (7) ja roottorikäämitys (8) [Mantere 1986]. Epätahtimoottorin toiminta perustuu staattorikäämitykseen syötettävään kolmivaihevirran synnyttämään koneen staattori- ja roottorikäämityksen välisessä ilmavälissä pyörivään

7 6 (32) magneettikenttään. Magneettikentän pyörimisnopeus (tahtinopeus) on syötettävän taajuuden ja koneen S- ja N-napojen muodostamien napaperien lukumäärän suhde [Mantere 1986]. Syntyvä pyörivä magneettikenttä indusoi roottorikäämitykseen jännitteen. Oikosuljetussa käämityksessä jännite synnyttää roottorikäämitykseen virran, joka aiheuttaa staattorin käämitykselle vastakkaisen magneettikentän [Muranen 2001]. Magneettikenttien välillä vallitsevan voimavaikutuksen vuoksi roottoriin vaikuttaa voima, joka kiihdyttää roottorin magneettikentän nopeutta pienemmälle pyörimisnopeudelle. Roottorin pyörimisnopeuden ja tahtinopeuden välisen erotuksen suhdetta tahtinopeuteen kutsutaan jättämäksi. Pyörimisnopeuden ja tahtinopeuden erosta johtuu nimitys epätahtikone. Epätahtikonetta kuormitettaessa pyörimisnopeus pienenee eli jättämä kasvaa. Epätahtimoottorin pyörimisnopeus on f roottori ( s) = 1 f verkko p (1) missä s on jättämän taajuus, f verkko on syötettävä verkkotaajuus ja p moottorin napaparien lukumäärä. Epätahtikoneen haittapuolena on tehokertoimen jääminen alle yhteen (tyypillisesti ), mikä johtuu siitä, että roottorin magnetointivirta joudutaan syöttämään staattorin kautta [Muranen 2001]. Roottorin virtaa ei oikosulkumoottoreissa pystytä mittaamaan, mikä vaikeuttaa säätöä huomattavasti. Tahtimoottorin (synkronimoottori) staattorissa on samanlainen kolmivaihekäämitys kuin epätahtikoneissa. Tahtikoneen roottorissa on magnetointikäämitys, johon syötetään tasavirtaa harjojen ja liukurenkaiden välityksellä tai roottorin magneettinavat on muodostettu kestomagneeteilla [Mantere 1986]. Sinällään tahtimoottorin toimintaperiaate on samanlainen kuin epätahtimoottoreissa. Verkkoon kytketty tahtikone pyörii tahtinopeudella, mistä konetyypin nimitys on peräisin. Tahtimoottorin tehokerrointa voidaan muuttaa vapaasti magnetointia säätämällä. Ylimagnetoituna tahtimoottori toimii kondensaattorin tavoin eli tuottaa loistehoa ja alimagnetoituna induktanssin tavoin [Muranen 2001]. Tahtimoottorin etuna on mahdollisuus epätahtimoottoria tarkempaan pyörimisnopeuden säätämiseen. 2.2 AC-servomoottoreiden rakenteet Servomoottoreita on saatavilla sekä AC- että DC-moottoreina. Vanhemmat servomoottorit olivat yleisemmin tyypiltään DC-moottoreita, koska virransäätö oli mahdollista vain SRC:n kautta (Silicon-Controlled Rectifier), joka toimii diodi-porttina. Transistoreiden kehittyessä suurempien ja korkeataajuisempien virtojen säätöön soveltuvaksi AC-servo -tekniikka on sittemmin yleistynyt. Vaihtovirtaservomoottori voi perustua joko tahti- tai epätahtimoottorikäyttöön [Mantere 1986]. Tahtimoottoreissa roottorin magneettikenttä synnytetään kestomagneettien avulla. Rakenteeltaan ratkaisu vastaa harjatonta DCservokäyttöä. Epätahtimoottoreissa (asynkronimoottori) roottorin jättämän ansiosta syntymä vaihteleva magneettivuo aiheuttaa roottorin oikosulkutangoissa virran ja halutun magneettikentän. Epätahtimoottorirakenne poistaa kestomagneeteista johtuvan maksimitehorajoituksen, mutta edellyttää tarkkaa roottorin kulma-asennon mittaamista (tyypillisesti 2500 pulssia/kierros). Tarkka mitattu asematieto voidaan hyödyntää moottorin

8 7 (32) aseman ja nopeuden liikkeenohjauksessa. Epätahtimoottoreilla tarkka liikkeenohjaus edellyttää jonkin verran monimutkaisempaa ohjausta kuin kestomagneetteja käytettäessä. Varhemmin servomoottorit oli suoraan suunniteltu servokäyttöön. Nykyään servokäytöissä käytettäviä moottoreita voidaan sovelluksesta riippuen käyttää joko servovahvistimeen tai vaihtelevataajuiseen ohjaimeen kytkettynä. Servo-termin käyttö riippuu sovelluksesta ja joskus jopa valmistajayrityksestä. Joissakin yrityksissä moottoreita, jotka eivät ole askelmoottoreita, mutta ovat takaisinkytkettyjä, kutsutaan servomoottoreiksi. Tällöin tavallista AC-induktiomoottoria, joka on takaisinkytketty, voidaan nimittää servomoottoriksi [Kissell 2004]. AC-servomoottori koostuu tyypillisesti kolmivaihemoottorista, tarkasta takaisinkytkentäanturista, taajuusmuuntajasta sekä itse ohjaus- ja säätöyksiköstä/logiikasta (Kuva 2). Itse AC-moottori on rakenteeltaan hyvin pitkälle samanlainen kuin tavallinen oikosulkumoottori. Tiettyjä rakenteellisia eroja moottoreissa on ja nämä liittyvät tyypillisesti ominaisuuksiin, joita servokäytön luonteesta johtuen on jouduttu räätälöimään moottorille ja/tai sen yhteyteen. Servomoottorit on suunniteltu toimimaan ylikuumenematta laajalla nopeusalueella sekä ylläpitämään nollanopeudella riittävän suuri momentti kuorman paikallaan pitämisen varmistamiseksi. Lisäksi servomoottorit voivat joutua operoimaan kuormitettuna pitkiä aikoja alhaisella nopeudella. Varhemmissa moottoreissa moottorin tuuletin oli kytketty suoraan moottorin akselille, jolloin hitaissa nopeuksissa ilmajäähdytys ei ollut aina riittävä. Uudemman mallisissa moottoreissa tuuletin on erillinen ja sähkökäyttöinen, ei suoraan akselille kytketty, jolloin jäähdytysilmakierto voidaan optimoida paremmin erilaisissa käyttötilanteissa. Liiketilan säädin Virtasäädin Modulointi Taajuusmuuttaja Moottori Anturit + - PID AC-moottorin virtasäätöpiiri PWM 3-vaihe invertteri ACmoottori pos. nop. Kuva 2 Liiketila- ja virtasäädetyn AC-servomoottorin lohkokaavio [Murray 2004]. Servomoottoreissa käytetään tyypillisesti kestomagnetoituja, hiiliharjattomia moottoreita (Kuva 3). Moottorin käämitykselle syötettävä jännite on AC-moottorilla luonnollisesti ACmuotoinen. Hiiliharjaton kommunikointi on toteutettu sähköisesti, kytkemällä sopivasti vaiheistamalla moottorin vaiheisiin liitetyt transistorit päälle ja päältä [Kissell 2004]. Servomoottoreille voidaan sovelluskohteesta ja -tarpeesta riippuen integroida vaihde esim. suurehkojen massojen joutuisaan liikutteluun. Lisäksi moottorin koteloon on integroitu servokäytössä tarvittava takaisinkytkentäanturi. Takaisinkytkentäanturit voivat olla tyypiltään mm. pulssiantureita (inkrementaalinen tai absoluuttinen), resolvereita tai takometrejä (AC tai DC) [Kissell 2004]. Anturitiedon perusteella tiedetään moottoriakselin mitattu asema ja/tai nopeus.

9 8 (32) Staattorin runko Kestomagnetoitu roottori Staattorin käämitys Enkooderi (takaisinkytkentäanturi Akselin tiiviste Laakeri Laakeri Suora kytkentä Kuva 3. Tyypillinen kestomagnetoitu servomoottori [Kissell 2004]. Servoissa käytetään säätö- ja ohjausjärjestelmiä moottorille asetetun ohjaustavoitteen ja moottorilta mitatun tiedon sovittamiseksi. Käytettävissä olevia säätöratkaisuja on paljon, roboteista pesukoneisiin. Vanhemmat säätöjärjestelmät pohjautuivat analogisiin ratkaisuihin. Nykyään toteutettavat ratkaisut ovat pääasiassa prosessoripohjaisia ja digitaalisia, jolloin järjestelmien uudelleenasettaminen ja sovittaminen onnistuvat vaivattomammin kuin analogisissa ratkaisuissa. Tyypillisesti AC-servomoottorilla on kaksi peräkkäistä säätöpiiriä (Kuva 2), joista ulompi säätöpiiri säätää moottorin asemaa ja nopeutta moottorin asema- tai nopeustakaisinkytkentäanturin mittaustiedon perusteella. Ulomman piirin säätimen ulostulona saadaan päivitetty ohjearvo moottorin vääntömomentin pienentämiseksi tai kasvattamiseksi. Nopeussäätimen päivitetty ohjearvo syötetään moottorin sisemmälle, virtasäätöpiirille. Virtasäätöpiiri tuottaa ensin jännitesignaalit tehomuuntimelle (PWM, Pulse-width Modulated) ja taajuusmuuntajalle, joka tuottaa moottorin tarvitsemat virtasignaalit halutun vääntömomentin tuottamiseksi. Valitun algoritmin mukaisesti mikroprosessorilla lasketaan PWM:lle tulevista jännitesignaaleista kuusi, kolmivaihe-taajuusmuuttajalle menevää pulssimuotoista signaalien kytkentäjaksoja nopeasti varioivaa ohjaussignaalia [Murray 2004, Forselius et al. 1998]. Taajuusmuuttajan ulostulo on kytketty servomoottorin staattorin käämeille (Kuva 4). PWM:n laskennasta tulevien ohjauspulssien mukaisesti taajuusmuuttajan tehopuolijohteet kytkeytyvät päälle ja pois päältä. Taajuusmuuttajan tehopuolijohteiden ja moottorin staattorin keskinäisestä kytkennästä syntetisoituu moottorille sinimuotoinen, moottoria käyttävä kolmi-vaiheinen AC-signaali (Kuva 4) [Burroughs 2004,TTY/TEL 2005].

10 9 (32) Staattorin käämitys ja roottori Kuva 4 PWM:n ohjauspulssien käyttämän kolmivaihe-taajuusmuuttajan (ylhäällä vasemmalla) kytkentä AC-moottorille (ylhäällä oikealla) [Burroughs 2004]sekä halutun vaihejännitteen Uv muodostuminen PWM-tekniikkalla.(alhaalla) [TTY/TEL 2005]. 2.3 Vikaantuminen AC-moottorin vikaantuminen Sähkömoottorit ovat sähkömekaanisia laitteita, joiden vikaantuminen voi johtua sähköisistä, mekaanisista ja muista, ulkoisista syistä. Lähteissä Kazzaz et al [2003] ja Singh et al. [2003] on esitelty erilaisia sähkömoottorin vikaantumismekanismeja kuvaava kaavio (Kuva 5). Mekaanisia moottorin roottorivikoja ovat mm. roottorin dynaaminen ja/tai staattinen epäkeskisyys sekä linjausvirhe. Staattorin mekaanisia päävikatyyppejä ovat staattorin epäkeskisyys sekä löysä ydin. Laakerivaurio on moottorin tyypillinen mekaaninen vika ja saattaa synnyttää moottorille myös epäkeskisyyttä. Muut moottorin mekaaniset vikatyypit ovat seurausta edellä mainituista vikatyypeistä. Muita vikatyyppejä ovat mm. roottorin ja staattorin väsymisvauriot sekä roottorin hankaus [Singh et al. 2003]. Lisäksi jos moottorille on integroitu vaihde ja/tai tuuletin (esim. servomoottorit), vaihde- tai tuuletinvaurio on yksi moottoriliitännäisistä mekaanista vauriotyypeistä [Nandi et al. 1999]. Sähköisiä vikoja moottorilla aiheuttavat käämityksestä johtuvat kierros-, vaihe- tai maaoikosulkutilanteet. Roottorilla sähköisiä vaurioita voi syntyä roottoritankojen halkeamista tai tankojen löysästä kiinnityksestä. Roottorilaminaattien läpi tapahtuva oikosulku on tyypillinen sähköinen vikatyyppi. Lisäksi taajuusmuuttajakäytössä voi syntyä akselijännitteitä ja -virtoja, jotka voivat aiheuttaa lähinnä laakereiden vaurioitumista. Laakerivirran syntymistä voidaan estää asentamalla eristys, joka katkaisee virtapiirin ja ehkäisee laakerin kautta kulkevan, akselijännitteen vaikutuksesta syntyvän akselivirran syntymisen.

11 10 (32) SÄHKÖMOOTTORIN VIKALÄHTEET SISÄISET ULKOISET Mekaaniset Sähköiset Sähköiset Ympäristö Mekaaniset Käämin ja laminoinnin liikkeet Laakerivauriot Roottoriiskut Epäkeskisyys Dielektrisyysvirhe Roottoritankohalkeamat Magneettipiirin virheet Kosteus Puhtaus Transienttijännite Jänniteheilahtelut Jännitehäiriö Lämpötila Sykkivä kuormitus Ylikuorma Väärä asennus Kuva 5 Oikosulkumoottorin sisäiset ja ulkoiset vikalähteet [Singh et al & Kazzaz et al. 2003]. Lähteessä Singh et al. [2003] on koottu yhteen erilaisia induktiomoottoreille laadittuja tilastoaineistoon perustuvia katsauksia tyypillisimmistä moottoreiden vikaantumissyistä. Esitettyjen EPRI:n, IEEE:n ja B&K:n katsauksien perusteella laakerivauriot ovat suurin yksittäinen vikaantumissyy sähkömoottoreilla. Yli 40 % vioista aiheutuu laakereista. Seuraavina tulevat staattorivauriot (yli 25 %) ja roottorivauriot (yli 5 %). Muut vauriot aiheuttavat selvityksestä riippuen yhteensä noin % sähkömoottoreiden vaurioista. Moottorin sisäiset viat voidaan jakaa vikojen alkuperän ja syntypaikan mukaisesti roottorille ja staattorille kuuluvaksi. Esimerkiksi laakeri ja tuuletinvauriot liittyvät pyörimisluonteensa mukaisesti roottorivaurioihin. Alla olevissa taulukoissa (Taulukko 1 ja Taulukko 2) on esitetty moottorin roottorille ja staattorille jaotellut vikatyypit sekä näiden syyt.

12 11 (32) Taulukko 1. Sähkömoottorin roottorivauriotyypit ja niiden syyt [Kazzaz 2003]. Roottoreihin liittyvät vauriot Vikatyyppi Laakerivika Rikkoutunut roottoritanko Roottorirungon vauriot Vian mahdollinen aiheuttaja Puutteellinen eristys, virheellinen kuormitus, magneettisen voiman epäsuhteellisuus, ylikuumeneminen, puutteellinen voitelu, likainen voiteluaine Lämpösyklit, magneettisen voiman epäsuhteellisuus, suuret transsienttiset liikkeet, negatiivinen syöttösykli Virheellinen roottorin liike tai valmistus, lämpösyklit, ylikuormat Laakereiden linjausvirhe Puutteellinen tai väärä kytkentä, suuret laakerivälykset, ylikuormat, virheellinen asennus Roottoreiden linjausvirhe Virheellinen asennus, laakerivaurio, magneettisen voiman epäsuhteellisuus Laakerin puutteellinen voitelu Ylikuumeneminen, tiivistevauriot, likainen voiteluaine Roottorin mekaaninen tai lämpötekninen epätasapaino Päätyrenkaan liike, epäsymmetrinen "Blocking" Taulukko 2. Sähkömoottorin staattorivauriotyypit ja niiden syyt [Kazzaz 2003]. Staattoreihin liittyvät vauriot Vikatyyppi Runkovärähtelyt Staattorin maavirheet Eristevaurio Vian mahdollinen aiheuttaja Magneettisen voiman epäsuhteellisuus, käämin liikkuminen urassa, syöttöjännittehäiriöt, ylikuormitus, virheellinen eristys, roottori-iskut Runko-oikosulku, eristehankauma, lämpösyklit, puutteellinen laminointi, höllät urakiilat, sähköshokki Huollon tai asennuksen aikainen vaurio, liialliset käynnistykset, korkea tai matala ilmankosteus ja lämpötila Staattorin kierrosoikosulku Liiallinen lämpeneminen, äkillisesti nouseva syöttö, korkea kosteuspitoisuus, värähtelyt, epäpuhtaudet voitelusta Staattorin vaiheoikosulku Eristevaurio, korkea lämpötila, syöttöjännitehäiriöt, käämien löysä kiinnitys Johteen siirtymä Virheistä johtuvat shokkikuormitukset, toistuvat käynnistykset, käämien päiden värähtely Sähköiset kytkentävauriot Höllät liitokset, epäpuhtaudet, liiallinen värähtely Ohjaus- ja säätöjärjestelmän vikaantuminen Tässä yhteydessä ohjaus ja säätöjärjestelmään katsotaan kuuluvaksi kokonaisuudet, jotka eivät ole elimellisesti osana AC-moottoria. Servomoottorilla moottorin ulkopuolisia osia ovat takaisinkytkentäanturit, taajuusmuuttaja sekä itse ohjaus- ja säätöyksikkö ja/tai -logiikka ja ne koostuvat elektroniikka- ja prosessoripiireistä. Näihin liittyville osakokonaisuuksille ja komponenteille ja antureille on määritelty valmistajien toimesta toimintaan liittyvät suositeltavat käyttöolosuhteet. Toimittaessa suositusten mukaisesti sähköisten komponenttien ja antureiden toiminta on yleensä luotettavaa. Toimintaympäristössä esiintyvät häiriöt ja suositusten ylittävät muutokset saattavat aiheuttaa järjestelmävikojen esiintymistiheyden

13 12 (32) kasvun sekä käyttövarmuuden huononemisen. Esimerkiksi elektroniikan IC-piirien ja - liitosten suunniteltu käyttölämpötila-alue on noin C. Alueen ulkopuolella piirin toimintaa ei voida taata. Lämpötila vaikuttaa myös IC-piirien kestoikään, jolloin kriittisellä alueella operoitaessa esimerkiksi +10 C:n nousu voi laskea piirin käyttöikää huomattavasti. Ohjaus- ja säätöjärjestelmään kuuluvien elektroniikkapiirien ja antureiden vikaantumisen aiheuttajat voidaan jakaa kolmeen, ilmastollisista syistä, mekaanisista tekijöistä sekä sähköisistä häiriöistä johtuvaan vikaantumisryhmään (Taulukko 3) [Kuoppala et al ja Wallin 1995]. Taulukko 3. Elektroniikkapiirien ja antureiden mahdolliset häiriö- ja vikaantumissyyt [Kuoppala et al ja Wallin 1995]. Elektroniikan ja antureiden häiriölähteet Ryhmä Tekijät Ilmastolliset Ilman lämpötila ja kosteus, kaste, kondensaatio ja kastuminen, roiske- ja tippuvesi, upotus veteen, lumi jää ja huurre, tuuli ja ilmanvirtaus, ilmanpaine, auringon- ja lämpösäteily, öljysumu, korrosoiva lika, pöly, hiekka ja liuokset, kasvit, sienet ja eläimet Mekaaniset Sähköiset Värähtely, iskut, kiihtyvyys, akustinen melu, hankaus ja eroosio Generaattoreista, tehokomponenteista, sytytystulpista, hitsauslaitteista, radiolähettimistä, tutkista, kännyköistä, termojännisteistä tai johtimien kapasitanssivaihteluista signaalijohtimiin indusoituneet jatkuvat tai satunnaiset piikit, pulssit ja häiriöt Ohjaus- ja säätölogiikan luotettavuuteen ja vikaantumiseen vaikuttavat pääosin samat tekijät kuin antureilla ja elektroniikkapiireillä. Suuri osa logiikkavikaan liitetyistä vioista ilmenee logiikan ulkopuolisissa laitteissa, esimerkiksi toimilaitteissa, mekaanisessa rakenteessa tai antureissa. Antureiden tuntopintojen likaantuminen ja paikaltaan pois siirtyminen ovat tyypillisiä virhesignaalien aiheuttajia. Logiikkavioista vain noin 5 % on logiikan sisäisistä syistä johtuvia (Taulukko 4) [Fonselius et al. 1999]. Taulukko 4. Logiikkavikaosuuksien jakautuminen sisäisistä ja ulkoisista syistä johtuviin vikalähteisiin [Forselius et al. 1999]. Automaatiojärjestelmän vikaantuminen Ryhmä ja pääkohde Alikohteet Osuus % Sisäiset Keskusyksikkö Keskusyksikkö Ohjelmamuisti Väylät Virtalähde Tulot ja lähdöt 4.5 Ulkoiset 95 Yhteensä Havainnointimenetelmät AC-servomoottoreihin liittyvien erilaisten vikojen ja vaurioiden havainnointiin ja tunnistamiseen voidaan käyttää useita, erilaisiin mittausmenetelmiin perustuvia suoria tai

14 13 (32) epäsuoria, eri tekniikoihin ja tieteen aloihin liittyviä mittaus- ja havainnointimenetelmiä ja - ratkaisuja. Erilaisia tunnistusmenetelmiä ovat mm. seuraavat [Nandi S., 1999]: Lämpötilamittaukset Sähkömagneettisen kentän monitorointi, havainnointi ja paikannuskelat (akselivuo) Radiotaajuusemissioiden monitorointi Värähtelyn ja äänen monitorointi Akustisen emission monitorointi Kemialliset analyysit Rasva-analyysit Moottorivirtojen sormenjälkianalyysit Asiantuntijamalli-, neuroverkko-, sumeat menetelmät ja niiden yhdistelmät Erilaisten havainnointimenetelmien soveltamisessa toimintaresurssit kannattaa keskittää ensin moottorien tyypillisimpien ja taloudellisesti vaikuttavimpien vikojen, vikatilanteiden ja vaurioiden havainnointiin soveltuviin menetelmiin. Sähkömoottorin toimintakuntoa ja sen muutoksia havainnoivaan mittausjärjestelmään voi kuulua moottorin vaiheiden jännite- ja virtamittaukset sekä lämpötila- ja värähtelymittaukset (Kuva 6) [Kazzaz 2003]. Järjestelmän mittausvasteiden ja/tai ohjausjärjestelmäsuureista saatavien vasteiden avulla voidaan päätellä moottorin toimintatila ja -kunto sekä osa ohjaus- ja säätöjärjestelmän häiriöistä tai puutteista. Servokäytössä haasteena ovat usein nopeasti muuttuvat moottorin pyörimisnopeudet sekä invertteriltä tulevat nopeat ohjauspulssit. Ensin mainittu aiheuttaa sen, että esimerkiksi värähtelyanalyysiin perustuvat ratkaisut joudutaan liipaisemaan työsekvenssin mukaisesti samasta pyörimisnopeudesta (ja kuormitustilanteesta) paremman vertailukelpoisuuden tuottamiseksi. Invertterikäytöstä tulevat nopeat ohjaussignaalit herättävät moottorilla todellista värähtelykohinaa, joka jakautuu laajalle taajuuskaistalle ja saattaa peittää alleen todellisista vikaantumisista heränneitä ilmiöitä. Keskiarvoistamalla mittaussignaalia voidaan vaimentaa satunnaisten häiriövärähtelyiden synnyttämää vaikutusta värähtelymittaustuloksiin. AC-moottorin virtasäätöpiiri PWM 3-vaihe invertteri ACmoottori pyör.nop Jännite Virta Lämpötila Värähtely Monitorointijärjestelmä Kuva 6. Sähkömoottorin skemaattinen mittaus- ja monitorointijärjestelmä [Kazzaz 2003]. PC Laakerivaurioiden havainnointimenetelmät Värähtelyanalyysit Värähtelymittauksilla tarkoitetaan siirtymän, nopeuden, kiihtyvyyden mittaamista kohteen pinnasta tai sen läheltä yleensä taajuusalueilla 0-20 khz. Ilmassa etenevien

15 14 (32) painevaihteluiden mittauksilla tarkoitetaan äänen mittausta kuuloalueella. Korkeampitaajuisten värähtelyjen mittaamisessa käytetään joko akustista emissiota (rakennevärähtelyt) tai ultraääntä (ilman painevaihtelut). Viallinen vierintälaakeri tuottaa värähtelyjä taajuuksilla, jotka ovat luokiteltavissa tyypiltään neljään eri kategoriaan. Nämä ovat satunnainen värähtely ultraäänialueella, laakerin osien värähtelyt näiden ominaistaajuuksilla, laakerin ulko- ja sisäkehän sekä vierintäelinten ja pitimen vauriotaajuudet, sekä summautuneet ja moduloituneet värähtelyt [Berry 1991]. Aikatason analyysit Anturilta saatava signaali esittää kohteen värähtelyamplitudin aikatasossa. Tämän aikasarjan tarkastelu sellaisenaan antaa tietoa kohteen kunnosta [Mikkonen 1995]. Aikatason nopeus- tai kiihtyvyyssignaalista voidaan seurata värähtelyn huippuarvoja tai tehollisarvoja. Nopeuden tehollisarvosta käytetään standardissa PSK 5701 [PSK 1990] nimitystä tärinärasitus ja sitä mitataan tavallisimmin taajuusalueella Hz [Kerkkänen & Kuoppala 1996]. PSK 5704 standardi [PSK 1996] antaa tärinärasitusrajat koneiden vastaanottotarkastusta varten. Edellä mainitut standardit koskevat koneita, joiden pyörimisnopeudet ovat /min. Kiihtyvyyden huippuarvon kasvu on usein merkkinä laakerivauriosta. Huippuarvo on kuitenkin hyvin herkkä häiriöille ja käytetty taajuusalue vaikuttaa huomattavasti tehollis- ja huippuarvon mittauksiin [Mikkonen 1995]. Aikatason signaalia voidaan keskiarvoistaa häiriöiden poistamiseksi. Signaalista otetaan tällöin useita näytteitä, jotka tahdistetaan tarkasti pyörimisnopeuden mukaan. Satunnaiset huippuarvot keskiarvoistuvat pois signaalista ja jäljelle jäävät pyörimisnopeuden mukaan esiintyvät huiput. Laakerien osien tyypilliset vauriotaajuudet eivät ole pyörimisnopeuden kokonaislukumonikertoja, joten tahdistettu aikakeskiarvomittaus ei ole eduksi laakerien kunnonvalvonnassa. Mittausta käytetään pyörivien telojen vikojen ja epätasapainon tunnistamiseen [Rautiainen et al. 1999]. Aikatason värähtelysignaalista, kuten mistä tahansa lukusarjasta, voidaan laskea erilaisia tilastollisia tunnuslukuja. Näitä ovat esimerkiksi keskiarvot, keskihajonnat, kurtosis, crest factor eli huippukerroin ja erilaiset korrelaatiot. Kurtosiksen mittaaminen perustuu siihen oletukseen, että ehjästä laakerista tuleva värähtely on satunnaisvärähtelyä, joka noudattaa Gaussin jakaumaa. Kurtosis-arvo kasvaa värähtelyn piikikkyyden kasvaessa. Kurtosis-arvon kasvaminen lyhyessä ajassa voi paljastaa laakerin alkavan vikaantumisen. Crest factor on signaalin huippuarvon suhde tehollisarvoon. Korrelaatiomittauksia ovat autokorrelaatio, ristikorrelaatio ja ristispektri. Autokorrelaatiomittauksilla helpotetaan aikatasosignaalissa esiintyvän säännönmukaisuuden havaitsemista [Mikkonen 1995]. Alla olevassa kuvassa (Kuva 7) on esitetty esimerkki aikatason tunnusluvun trendiseurannasta. Kuvan tapauksessa vierintälaakerin vaurioituminen havaittiin värähtelykiihtyvyyden huippuarvon kohoamisesta. Aikaa alkavan vaurion havaitsemisesta laakerin lopulliseen hajoamiseen kului noin seitsemän tuntia. Esimerkki on peräisin vierintälaakerikoelaitteella suoritetusta rasituskokeesta, jossa laakeri ajettiin vaurioon saakka kiihdytettynä testauksena. Häiriöttömässä koetilanteessa vaurio pystyttiin havaitsemaan laajan taajuuskaistan (0-10 khz) värähtelytasoa seuraamalla [Parikka et al. 2002]. Halme [2002] on esittänyt myös vastaavia tuloksia.

16 15 (32) Huippuarvo 0-10 khz Kuva 7. Värähtelyn kiihtyvyyden huippuarvo (taajuuskaista 0-10 khz) laakerirasituskokeen loppuvaiheesta [Parikka et al. 2002]. Taajuustason analyysit Kunnonvalvonnassa käytetään yleisesti spektrianalyysiä. Spektri esittää signaalin amplitudin taajuuden funktiona, jolloin päästään tarkastelemaan signaalin sisältämiä taajuuskomponentteja. Spektri lasketaan aikatason signaalista Fourier-muunnoksen avulla [Rao 1996]. Vierintälaakerin tuottamat värähtelyt luokiteltiin lähteessä [Berry 1991] neljään eri tyyppiin: satunnainen värähtely ultraäänialueella, laakerin osien värähtelyt näiden ominaistaajuuksilla, laakerin ulko- ja sisäkehän sekä vierintäelinten ja pitimen vauriotaajuudet, sekä summautuneet ja moduloituneet värähtelyt. Laakerilta mitatun värähtelyn taajuudessa on aina havaittavissa pyörimisnopeuden taajuus riippumatta tasapainotuksen tai linjauksen onnistumisesta, mutta jonkin osan vauriotaajuuden näkyminen värähtelyspektrissä on merkki jonkin asteisesta laakerivauriosta [Berry 1991]. Laakerin ulkokehän ja sisäkehän, vierintäelinten ja vierintäelinten pitimen vauriotaajuuksien laskemiseksi on olemassa yhtälöt, joita on julkaistu useimmissa vierintälaakereita käsittelevissä lähteissä, sekä laakerivalmistajien tuoteluetteloissa. Yhtälöt on esitetty kuvassa (Kuva 8), joka on lähteestä [Knowpap 2000]. Laakerivalmistajat taulukoivat ja julkaisevat näillä yhtälöillä laskettuja laakeriensa vauriotaajuuksia. Tällainen vauriotaajuustaulukko voi olla osa värähtelymittausten analysointiin käytettävää tietokoneohjelmaa.

17 16 (32) Kuva 8. Vierintälaakerin osien vauriotaajuuksien laskenta [Knowpap 2000]. Vierintälaakerin vauriotaajuudet ovat pyörimisnopeuden reaalilukumonikertoja, eivätkä kokonaislukumonikertoja. Jotta vauriotaajuus voitaisiin tunnistaa spektristä, on tiedettävä oikea pyörimisnopeus [Al-Najjar 2000]. Vauriotaajuuksien amplitudeille ei ole olemassa mitään yksiselitteisiä sallittuja arvoja, koska amplitudit riippuvat huomattavan paljon koneesta, laakerin ja anturin asennustavasta ja vauriomekanismista. Berryn [1991] mukaan vaurion vakavuutta voidaan arvioida esiintyvien vauriotaajuuksien harmonisten monikertojen määrästä. Jos monikertoja on useita ja näillä esiintyy sivunauhoja pyörimisnopeuden tai muiden vauriotaajuuksien etäisyydellä, on laakerin mahdollisimman nopea uusiminen suositeltavaa [Berry 1991]. Värähtelyspektristä voidaan laskea tunnuslukuja samalla tavalla kuin aikatason signaalista. Esimerkkejä kunnonvalvonnassa käytetyistä spektrin tunnusluvuista ovat spektrin tehollisarvo (RMS), amplitudin keskiarvo, keskihajonta ja normaalihajonta. Kepstri on logaritmisen amplitudispektrin Fourier-muunnos, jolla saadaan esille spektrissä esiintyvät jaksolliset komponentit. Näitä ovat värähtelysignaalin harmoniset komponentit ja niiden mahdolliset sivukaistat [Randall 1981]. Kepstristä voidaan laskea samat tilastolliset tunnusluvut kuin aikatason signaalista ja spektristä. Verhokäyräanalyysi Laakerin vauriota indikoivat värähtelyt voivat olla amplitudiltaan huomattavasti alhaisemmat kuin koneesta ja sen ympäristöstä tulevat muut värähtelyt. Lisäksi vauriota indikoivat vaurion ominaistaajuudet ovat usein lähellä ympäristömelun taajuuksia. Vaurion aiheuttamat impulssit kykenevät kuitenkin herättämään laakerin tai laakeripesän värähtelemään omalla resonanssitaajuudellaan, joka on selvästi ympäristömelun taajuutta korkeampi. Verhokäyrämenetelmässä kierretään matalataajuisen ja suuriamplitudisen ympäristömelun aiheuttamat esteet suodattamalla mitattavaksi ainoastaan kapea kaista korkeataajuisia värähtelyjä laakerin pesän resonanssitaajuuden ympäristöstä. Tämä signaali tasasuunnataan ja siitä piirretään verhokäyrä [Mustonen 2000].

18 17 (32) Kuva 9. Tasasuunnatun signaalin verhokäyrä [Mustonen 2000]. Verhokäyrän spektristä saadaan helposti selville vikataajuudet. Kuva 9 esittää tasasuunnatun signaalin verhokäyrää. Käyrä "verhoaa" alkuperäisen signaalin huiput. Erilaisia kauppanimiä pääperiaatteiltaan samalle verhokäyrämenetelmälle ovat Envelope analysis, High frequency resonance technique ja Amplitude demodulation [Mikkonen 1995]. Kuvassa (Kuva 10) on esitetty esimerkki erään paperikonetelan laakerin verhokäyräspektristä. Kun kyseinen laakeri myöhemmin vaihdettiin, havaittiin laakerin ulkorenkaalla halkaisijaltaan noin 10 mm levyinen korroosiosta alkunsa saanut vaurio. Vauriota ei voitu havaita samanaikaisesti mitatuista kiihtyvyysspektreistä [Parikka et al. 2002] Kaipola PK6 syl 27 envelope Verhokäyräspektri Kiihtyvyys [m/s2] Taajuus [Hz] Kuva 10. Erään paperikonetelan laakerin verhokäyräspektri. Piikit osuvat ulkorenkaan vikataajuudelle ja sen monikerroille [Parikka et al. 2002]. Peakvue PeakVue on CSI:n kehittämä ja patentoima menetelmä. PeakVue-mittauksissa käytetään ylipäästösuodatusta, jotta voidaan tutkia tarkasti korkeampia taajuusalueita ja siellä esiintyviä

19 18 (32) pieniamplitudisia ilmiöitä, kuten alkavista laakerivaurioista aiheutuvia jännitysaaltoja. PeakVuemittausmenetelmä soveltuu erityisen hyvin hitaasti pyörivien koneiden kunnonvalvontaan. Kunnox [2004] on esittänyt esimerkin PeakVue-menetelmän käytöstä hitaasti pyörivien koneiden kunnonvalvonnassa. Esimerkkikone on suuri jatkuvatoiminen vaakasuuntaisen säiliön sekoittaja, ja se voitiin luokitella tuotantoprosessin kannalta erittäin kriittiseksi koneeksi. Sekoittajan pyörimisnopeus oli noin 10 kierrosta minuutissa (RPM) ja sen laakerina oli pallomainen rullalaakeri jossa oli vierintäkehällä 19 rullaa. Laakeri oli asennettu siten että sisäkehä pyöri koneen pyöriessä. Kokemuksen mukaan normaaleilla nopeus- ja kiihtyvyysmittauksilla ei voitu valvoa koneen kuntoa riittävän luotettavasti. PeakVue-mittauksien aikatason (kiihtyvyyden) huipusta-huippuun-arvoa ja sen trendiä pidettiin erittäin hyvänä koneen kunnosta kertovana tunnuslukuna. Eräässä mittauksessa havaittiin mittauksen huipusta-huippuun-arvon kohonneen noin kolminkertaiseksi verrattuna edelliseen mittaukseen. Mittaaja oli tutkinut PeakVuemittauksen spektriä ja aikatasoa, mutta mittauksissa ei ollut havaittavissa laakerin vikataajuuksia. Mittauksia analysoitaessa havaittiin että spektrissä näkyi taajuus, joka oli 19 kertaa koneen pyörimisnopeus. Taajuus oli mitatun laakerin sisä- ja ulkokehän vikataajuuksien summa. Taajuus oli myös sama kuin koneen pyörimistaajuuden ja laakerin vierintäelinten lukumäärän tulo. Kun mittaajat tämän jälkeen alkoivat tutkia, milloin laakeriin oli viimeksi lisätty voitelurasvaa, selvisi että normaaleja voitelukierroksia oli jostain syystä jäänyt tekemättä, ja laakerin edellisestä voitelurasvauksesta oli kulunut jo normaalia pidempi aika. Tämän jälkeen laakeriin lisättiin rasvaa ja värähtelyn taso putosi entiselle tasolleen (Kuva 11). Kuva 11. Esimerkki PeakVue-menetelmän käytöstä hitaasti pyörivien koneiden kunnonvalvonnassa: rasvavoidellun vierintälaakerin PeakVue-spektri ennen (alh.) ja jälkeen jälkivoitelun [Kunnox 2004]. SEE SEE on SKF AB:n markkinanimi verhokäyrämenetelmää käyttävälle tekniikalle, jolla pyritään löytämään laakerivaurioon tai voitelun puutteisiin viittaavat heikkotehoiset signaalit

20 19 (32) koneen ja ympäristön melun joukosta. Menetelmässä käytetään laajakaistaista akustisen emission anturia ja mittauksen taajuusalue on Jonesin [1994] mukaan khz. SEE - menetelmällä saadaan tuotettua spektri taajuusalueelta, jolla laakerivauriotaajuudet tyypillisesti esiintyvät ( Hz), mutta spektrissä esiintyvät värähtelyn amplitudit eivät ole vertailukelpoisia tavallisen spektrin kanssa [Jones 1994]. SKF:n mukaan SEE-mittauksilla voidaan havaita voitelukalvon pettäminen vierintälaakereista. Tällöin kuitenkin tarvitaan tueksi tavanomaista värähtelyn mittausta, jolla voidaan erottaa alkavat laakerivauriot tai muut ongelmat, jotka myös voivat vastaavalla tavalla näkyä SEE-arvossa. Periaatteessa SEE-mittausta voidaan pitää tavanomaista värähtelymittausta herkempänä menetelmänä. SPM Shock pulse method (suomeksi iskusysäysmenetelmä) on SPM Instruments AB:n patentoima värähtelynmittausmenetelmä, joka perustuu 32 khz resonanssitaajuuden omaavan anturin käyttöön. Korkean mittaustaajuuden käytöllä pyritään saamaan esille laakerin vaurioitumiseen viittaavat heikkotehoiset signaalit koneen muun värähtelyn joukosta. Iskusysäysmenetelmää käyttävät laitteet määrittävät signaalin sisältämän energian kahdella tasolla, jotka perustuvat signaalipiikkien esiintymistiheyteen ja amplitudiin. Laitteella määritetään amplituditaso, jonka ylittää 1000 pulssia sekunnissa, sekä taso, jonka ylittää 50 pulssia sekunnissa. Laite ilmoittaa mittaustuloksena näiden tasojen värähtelyamplitudit sekä tasojen erotuksen desibeleinä [Mustonen 2000]. Menetelmällä voidaan havaita laakerin puutteellinen voitelu ja alkava laakerivaurio [Sundberg 1997]. Suodatettu anturisignaali kuvaa painevaihteluja laakerin vierintäpinnoilla kosketusvyöhykkeellä. Kun laakerin voitelukalvo on paksu, iskusysäystaso on matala ilman erottuvia huippuja. Taso kohoaa kun voitelukalvo ohenee, mutta erottuvia huippuja ei ole vieläkään. Vaurio aiheuttaa voimakkaita pulsseja epäsäännöllisin välein. SPM Spectrum saadaan muuntamalla laakerimittauksen iskusysäyksien aikatasosignaali FFT-spektriksi. Voitelun optimointiin SPM-menetelmää on käytetty esimerkiksi voimalaitosten voiteluhuollossa, jossa rasvavoideltujen laakereiden ohjeiden mukaisesta jälkivoitelusta on siirrytty kokonaan mittauspohjaiseen lisävoiteluun. Lisävoitelu tehdään silloin, kun voitelukalvon paksuus on mittauksen perusteella alle hälytysrajan. Käytännössä on havaittu, että jo alle 20 gramman lisävoitelumäärät näyttävät, onko lisävoitelulla voitelukalvoa parantava vaikutus. Kokemukset laitoksissa ovat olleet hyviä ja laakerivaurioiden määrä on selvästi vähentynyt [Kinnunen 2003]. SPM-metodia on suositeltu myös puhaltimien rasvavoideltujen laakerien valvontaan [Witt & Sohn 1999]. Kiihtyvyyden derivaatat Erityisesti hitaasti pyörivien koneiden laakerien kunnonvalvonnassa on todettu, että aikatasossa olevan kiihtyvyyssignaalin derivoiminen kertaalleen tai kahdesti ajan suhteen helpottaa vikaantumisten havaitsemista [Lahdelma & Riutta 1996]. Lahdelman [1992] julkaisussa otettiin käyttöön x (4) -signaali ja esitettiin perusteet sitäkin korkeampiasteisten aikaderivaattojen käytölle. Lahdelman [2002] mukaan korkea-asteisille aikaderivaatoille on käyttöä koneiden kunnonvalvonnassa ja Suomessa x (4) -signaalia hyödynnetään jo useissa yrityksissä. Lahdelma & Kotila [2003] ovat esittäneet tuloksia reaaliderivaattojen käytöstä vierintälaakerin vikaantumisen havainnoinnissa. Tutkimuksen koeajot oli tehty laakerikoelaitteella, jossa radiaalikuorma aikaansaatiin hydraulisylinterin avulla. Kiihtyvyyssignaalista (x (2) ) alkaen signaalin derivointiastetta kasvatettiin askelvälin ollessa

21 20 (32) 0,25. Tunnuslukuina käytettiin huippuarvoa ja kurtosista. Signaalin herkkyys oli paras derivointiasteen ollessa 4,5-4,75. Tällöin signaalissa oli hyvin vähän kohinaa ja vierintälaakerin sisäkehävialle tyypilliset iskut tulivat selkeästi esille. Akustisen emission mittaus Akustisen emission mittaamiseen käytetään pietsosähköisiä antureita, jotka toimivat taajuusalueella 40 khz - 1 MHz [Kuoppala et al. 1986]. Uuden vierintälaakerin tuottama akustinen emissio on hyvin alhaisella tasolla [SKF 1996]. Akustisen emission mittaamista voidaan käyttää vierintälaakerien kunnonvalvonnassa, mutta ongelmana ovat sopivan taajuusalueen valinta, anturin kiinnittäminen ja signaalia vaimentavat rajapinnat mitattavan kohteen ja anturin välillä [Mikkonen 1995]. Akustisen emission signaalia voidaan käsitellä aika- ja taajuustasossa samalla tavoin, kuin tavallista värähtelysignaalia ja siitä voidaan määrittää erilaisia tunnuslukuja. Signaalin analysoinnissa on käytetty myös verhokäyrämenetelmää [Li et al. 1997, Shiroishi et al. 1997]. Akustista emissiota aiheutuu vierintälaakerivaurioiden yhteydessä pääasiassa kahden eri ilmiön seurauksena. Laakerissa tapahtuva särön kasvu vapauttaa muodonmuutosenergiaa, joka etenee jännitysaaltoina. Toisaalta akustista emissiota aiheuttaa sama mekanismi kuin värähtelyäkin: vierintäpinnalla olevan vaurion kohtaaminen toisen pinnan kanssa [Li et al. 1999, Tandon et al. 1999]. Akustisen emission mittaustaajuus on yleensä yli 100 khz, jolloin mekaanisista koneenelimistä peräisin oleva matalataajuinen melu jää pois. Akustiseen emissioon perustuvalla kunnonvalvonnalla voidaan lisäksi havaita vauriot, jotka eivät ulotu laakerin vierintäpintaan saakka ja jotka jäisivät havaitsematta värähtelyn mittaamiseen perustuvilla menetelmillä [Choudhury et al. 2000]. Yleisimmin käytetyt parametrit akustisen emission mittauksessa ovat signaalin maksimiamplitudin seuraaminen, tietyn ennaltamäärätyn amplitudirajan tietyssä ajanjaksossa ylittävien näytteiden laskenta, sekä AE-purskeiden keston ja esiintymisvälin seuranta. AEpurske koostuu useasta peräkkäisestä tietyn amplitudirajan ylittävästä aallosta [Choudhury et al. 2000]. Choudhuryn [2000] tutkimuksessa todetaan tietyn amplitudirajan ylittävien näytteiden laskennan soveltuvan hyvin tutkitun vierintälaakerin sisäkehä- ja vierintäelinvaurion havaitsemiseen. Li et al. [1997] ja Shiroishi et al. [1997] ovat esittäneet tutkimustuloksia värähtelykiihtyvyyden ja akustisen emission käytöstä n. ø 73 mm kartiomaisen rullalaakerin vauriodiagnostiikassa. AE- mittauksissa käytettiin 150 khz resonanssitaajuudella toimivaa anturia ja demoduloivaa esivahvistinta Tutkimuksessa todetaan, että värähtelykiihtyvyyden ja akustisen emission aikatason analyysit, kuten tehollisarvon laskenta, soveltuvat voiteluaineen epäpuhtauksista tai puutteellisesta voitelusta aiheutuvien ei-paikallisten vaurioiden havaitsemiseen, mutta eivät sovellu vaurion vakavuuden arviointiin. Värähtelykiihtyvyydestä lasketulla erityisellä taajuustason tunnusluvulla pystyttiin saamaan aikaan korrelaatio paikallisen vaurion laajuuden kanssa. Akustisella emissiolla ei voitu havaita laakerin sisäkehän vauriota. Yoshiokan [1999 ja 1992] tutkimuksissa akustisen emission mittauksilla pystyttiin paikantamaan väsymissärö kuulalaakerin kehälle ja vierintäelimeen. Kehitetyssä menetelmässä mitataan tietyn amplitudirajan ylittävien AE-purskeiden välistä aikaa. Vaurioitunut laakerin osa aiheuttaa akustista emissiota joutuessaan kuormituksen alle ja nämä kuormitusintervallit pystytään laskemaan laakerin kinetiikasta samaan tapaan kuin perinteiset laakerin osien vauriotaajuudetkin. Lisäksi menetelmällä pystyttiin ennustamaan laakerin vierintäpinnan lohkeilu 127 tuntia kestäneessä väsytyskokeessa yli 5 tuntia ennen värähtelykiihtyvyydellä havaittua vauriota. Kokeissa käytettiin 320 khz resonanssitaajuuden

22 21 (32) omaavaa AE-anturia mitattuna taajuuskaistalta khz 70 db vahvistuksella, jolloin amplitudiraja AE-purskeiden laskennalle oli 1,0 V. Samantapainen menetelmä AE-signaalin analysoimiseksi on kehitetty myös lähteen [Li et al. 1995] tutkimuksessa. Tässä tapauksessa AE purskeiden välistä aikaa tarkkaillaan aikatason signaalin autokorrelaation avulla. Parikka et al. [2002] ovat raportoineet akustisen emission käytöstä vierintälaakerin käyntivälyksen ja voitelukalvon paksuuden muutosten havainnoinnissa. Tutkimuksessa käytettiin koelaitteistoa, jossa laakerin sisärengasta lämmittämällä pienennettiin hallitusti laakerin käyntivälystä ja pystyttiin havaitsemaan akustisen emission tason nousun perusteella laakerin käyntivälyksen loppuminen. Myös voitelukalvon paksuuden laskeminen rajavoitelutilanteeseen sai akustisen emission tason nousemaan niissä tapauksissa joissa käyntivälys pysyi riittävänä. Seurannassa käytettiin AE-signaalista laskettuja tunnuslukuja, joista erityisesti kurtosis indikoi hyvin muutoksista myös niissä tapauksissa, joissa pyörimisnopeus ei pysynyt vakiona. Edellä esitetyt tutkimukset akustisen emission käytöstä vierintälaakerin kunnonvalvonnassa on suoritettu laboratorio-oloissa laakeritestipenkissä. Testattujen laakerien ulkohalkaisijat olivat kokoluokkaa 47 mm - 73 mm. Laakerit olivat öljyvoideltuja ja testeissä käytetyt akselin pyörintänopeudet olivat kierrosta minuutissa. AE-anturit olivat pääosin resonanssityyppisiä resonanssitaajuuksilla 150 khz khz. Miettinen [2000] on tutkinut akustisen emission käyttöä rasvavoideltujen vierintälaakerien kunnonvalvonnassa. Monipuolisen tutkimuksen kohteena oli sekä rasvassa olevien epäpuhtauksien, vierintälaakerin voitelutilanteen että eri käyttöparametrien vaikutuksen havainnointi akustisen emission avulla. Myös tämän tutkimuksen perusteella akustisen emission mittausta voidaan pitää vierintälaakerien kunnonvalvontaan sopivana menetelmänä Voiteluaineanalyysit Sähkömoottoreissa käytettävät laakerit ovat rasvavoideltuja. Laakereissa käytettävien voitelurasvojen kuntomääritykseen voidaan pääpiirteissään käyttää samoja menetelmiä kuin voiteluöljyjen analysointiin. Erona on kuitenkin se, että monet menetelmät ovat sovellettavissa rasvoille vasta, kun rasva on liuotettu nestemäiseen muotoon [Parikka 2004]. Rasvojen analysoinnissa menetelmät voidaankin jakaa suoriin menetelmiin ja liuotinmenetelmiin [Andersson, 2002]. Monissa tapauksissa suorien analyysimenetelmien tarkkuus on liuotinmenetelmien tarkkuutta heikompi. Rasvojen kuntomääritykset suoritetaan lähes poikkeuksetta kohteesta otetuille näytteille laboratorio-olosuhteissa. Öljyanalyysimenetelmiä, joilla on mahdollista arvioida koneenosien kulumistilannetta ja siten esimerkiksi laakerin vaurioitumista, ovat mm.: hiukkaslaskenta ferrografinen kulumishiukkasanalyysi plasma-atomiemissiospektrometriset kulumametallianalyysit röntgenfluoresenssiin perustuvat alkuaineanalyysit magneettikenttään perustuvat ja magneettisia hiukkasia keräävät ilmaisimet Hiukkaslaskenta Hiukkaslaskenta on öljyn kunnonvalvonnan perusmittaus, joka paljastaa suodatuksen puutteita, toimintahäiriöitä, epänormaalia kulumista, vaurioita ja ulkoisten tekijöiden vaikutusta. Laboratoriossa suoritettavassa automaattisessa hiukkaslaskennassa nestemäinen näyte virtaa valodetektorin lävitse ja näytteen sisältämät hiukkaset rekisteröidään niiden aiheuttamien varjostumien perusteella. Analyysin päätyttyä analysaattori tulostaa näytteen

23 22 (32) hiukkaskokojakauman sekä mittauskohtaisesti että toistomittausten keskiarvona. Hiukkaslaskenta soveltuu kaikille tavanomaisille mineraaliöljyille, synteettisille voiteluöljyille ja mineraaliöljypohjaisille voitelurasvoille [Parikka et al. 2004]. Ferrografia Suurin osa koneiden kulumisen seurauksena syntyneistä hiukkasista on ferromagneettisia. Ferrografiassa tätä tosiasiaa käytetään hyväksi hiukkasten erottamiseksi tutkittavasta öljystä tai rasvaliuoksesta. Menetelmä voidaan jaotella näytelevyn valmistukseen ja varsinaiseen analysointiin valomikroskoopin avulla. Ferrografian avulla saadaan selville millaisesta kulumismekanismista on kysymys, sekä usein myös kulumisjätteen alkuperä. Hiukkasten muodosta, pintarakenteesta, koosta ja väristä voidaan arvioida kulumismekanismi (vrt. Kuva 12) ja sen merkitys. Analyysin apuna voidaan käyttää erityistä kulumishiukkaskartastoa. Ferrografia-analyysi voidaan suorittaa luotettavasti vain laboratorio-analyysinä, ja sen onnistumisessa on analysoijan kokemuksella suuri merkitys. Ferrografiamenetelmän soveltamisen vaikeutena on rasvarakenteen luottaminen niin pienijakoiseksi, että näytelevyn valomikroskooppitarkastelu onnistuu luotettavasti [Parikka, 2004]. Kuva 12. Eri kulumismekanismien tuottamia hiukkasia [Korpi et al. 2003]. Magneettikenttään perustuvat ja magneettisia hiukkasia keräävät ilmaisimet Voiteluainenäytteen sisältämät ferromagneettiset hiukkaset voidaan tunnistaa sähkömagneettisin keinoin ja niiden määrän perusteella voidaan arvioida vierintälaakerin kulumisen astetta. Tätä periaatetta käytetään hyväksi mm. VTT:n kehittämässä voitelurasvaanalysaattorissa [Andersson 2002]. Metallihiukkaset vastustavat nopeita muutoksia induktiivisen anturin synnyttämässä magneettikentässä, mikä ilmenee elektronisen piirin impedanssin muutoksena. Menetelmän etuna on mm. analyysin suorittamisen ja tulosten saamisen nopeus. Kemiantekniikkaan perustuvat menetelmät Epäpuhtauksien analysointiin voidaan käyttää myös kemiantekniikkaan perustuvia laboratoriossa suoritettavia menetelmiä. Tällaisia ovat esimerkiksi atomiemissiospektroskopia (ICP-AES) ja atomiabsorptiospektroskopia (AAS, DIN 51815, 51831) alkuainepitoisuuksien määritykseen. Liuotetun rasvanäytteen kohdalla vaikeutena näissä menetelmissä on hiukkasten ja voiteluaineen sisältämien alkuainepitoisuuksien erottaminen toisistaan. Mikäli epäpuhtaushiukkasia voidaan eristää voitelurasvasta riittävän suuri tilavuus, hiukkasten

24 23 (32) faasikokoonpano on mahdollista määrittää röntgendiffraktiolla. Vastaavissa tapauksissa voidaan käyttää energiadispersiivistä spektroskopiaa (EDS) ja röntgenfluoresenssia hiukkasten alkuainekoostumuksen ja siten mahdollisen alkuperän määritykseen [Andersson 2000] Lämpökamerakuvaus / lämpötilamittaus ja -analysointi Lämpökameran käyttö kunnonvalvonnassa on lisääntynyt laitteistojen muututtua teknologian kehittymisen myötä pienikokoisemmiksi ja helppokäyttöisemmiksi. Lämpökameran periaatteena on vastaanottaa kohteen lähettämää lämpösäteilyä, mitata sen voimakkuutta ja muuntaa se lämpötilajakauman mukaan kuvaksi. Kameroissa on muistikortti, jonka kautta lämpökuva saadaan siirrettyä suoraan tietokoneelle analyysia ja raportointia varten. Etuna antureihin perustuvaan kunnonvalvontaan verrattuna on mm. lämpökuvan visuaalisuus, mittauspisteen helppo siirrettävyys ja se, että yhdellä "mittauksella" voidaan tallettaa laajan alueen tai jopa useamman kohteen lämpötilajakauma. Tietotekniikan avulla lämpökamerakuvista voidaan irrottaa erilaista informaatiota. Esimerkkinä vierintälaakerien valvonnasta lämpökameran avulla voidaan mainita kuljettimien rullastojen valvonta. Kuljettimien pölyräjähdyspaloissa menetetään silloin tällöin miljoonia tuotantoseisokeista johtuvista menetyksissä ja korjauskustannuksissa. Monien tuhoisien kuljetintulipalojen syynä ovat nimenomaan hitaasti pyörivien laakereiden aiheuttamat palot. Laakerien tarkastus lämpökameralla käy erittäin nopeasti eikä jätä epäselväksi laakerien kuntoa [Stjernberg 2000]. Kuva 13. Esimerkki lämpökameran käytöstä kuljettimen laakerien kunnonvalvonnassa. Laakerin lämpötila on kohonnut pölyisessä paikassa vaarallisen korkeaksi [Stjernberg 2000]. Vierintälaakerien lämpötilan mittaus ei yleensä anna varhaista indikaatiota alkavasta laakerivauriosta. Ennakoivassa kunnonvalvonnassa on kuitenkin tärkeää seurata laakerin tai voiteluöljyn lämpötiloja, sillä suunniteltua korkeampi käyttölämpötila lyhentää laakerin kestoikää. Lämpötiloissa tapahtuneet muutokset voivat myös kertoa muista voitelujärjestelmän häiriöistä. Uutena sovelluksena voidaan mainita pyörivän laakerirenkaan langaton lämpötilamittaus, jonka avulla voidaan mm. valvoa laakerin sisäistä lämpötilaeroa ja arvioida käyntivälyksen tilaa [Parikka et al. 2002]. Vaara käyntivälyksen pienenemisestä on

25 24 (32) olemassa erityisesti sovelluksissa, joissa akselin kautta kulkee lämpöä tai laakerin ulkorengas jäähtyy voimakkaasti. Tällaisia ovat esimerkiksi paperikoneiden kuivaussylinterit ja laivapotkureiden laakeroinnit Staattorivaurioiden havainnointimenetelmät Sähköiset analyysit Virtaspektrimittaus Moottorin staattorin ilmavälin epäkeskisyys voidaan paljastaa monitoroimalla moottorin staattorin syöttövirrasta laskettua virtaspektriä. Staattorin virtaspektrissä näkyy epäkeskisyystilanteessa moottorin syöttötaajuuden ympärillä kohonneina amplituditasoina sivunauhoja, joiden taajuus on [Benbouzid 1998]. f 1 s = 1 ± n p (2) epäkesk f verkko missä f verkko on verkkotaajuus, n on 1,2,3,... ja s on jättämän taajuus ja p on moottorin napaparien lukumäärä. Yhtälön etuna on, että siinä ei tarvita tarkempaa tietoa moottorikonstruktiosta (esim. roottorisauvojen lukumäärää). Jännitespektrimittaus Eristevaurioihin liittyvät staattorivauriot voidaan havainnoida moottorilta tehtävillä jännitemittauksilla. Eristevauriosta mahdollisesti aiheutuva kierrosoikosulku voidaan havaita mittaamalla ja analysoimalla suurehkolla, akselin ympärille kiedotulla käämillä akselivuo. Kierrosoikosulun paikka voidaan paikantaa sijoittamalla neljä käämiä symmetrisesti moottorin ympärille eri neljänneksiin säteittäiselle etäisyydelle, joka on noin puolet akselin etäisyydestä käämityksen loppuun. Mitatun jännitesignaalin akselinvuon indikoiva taajuuskomponentti on [Nandi 1999, Thomson & Gilmore 2003]. vuo ( k ± n( 1 s p) f verkko f = ) (3) missä k on pariton komponentti 1 tai 3 ja n on 1, 2, 3,..., (2p-1) ja p on napaparien f f, lukumäärä, f verkko on verkkotaajuus ja s on moottorin jättämän taajuus ( ) missä f synkroni.on synkroni- ja f pyösnop pyörimistaajuus. synkroni pyörnop Staattorivirran epäsymmetria Moottorivauriot voivat synnyttää epäsymmetrisen staattorivirran. Koska usein myös moottoria syöttävä sähköverkko on epäsymmetrinen, luotettavan vaurioindikaation saamiseksi on aina pystyttävä analysoimaan myös verkon epäsymmetrisyydestä aiheutuva osa staattorivirroissa. Yleisin menetelmä epäsymmetrisyyden ilmaisemiseen on suureen jako symmetrisiin komponentteihin [Lindh 1999]. Symmetriset komponentit voidaan selvittää mitattavasta suureesta joko laskemalla suureen tehollisarvo-osoittimet ja jakamalla ne myötä-, vasta- ja nollakomponentteihin tai käyttämällä kaksiakselimallin mukaisia virtakomponentteja ja selvittämällä näistä haluttu epäsymmetrinen komponentti. Moottorin avaruusvektoriteorian mukaiset staattorivirrat voidaan jakaa kaksiakseliesitykseen [Lindh 1999]: