Värähtelypohjaiset mittaus- ja analysointimenetelmät rasvavoideltujen vierintälaakerien voiteluvirheiden tunnistamiseksi

Transkriptio

1 Värähtelypohjaiset mittaus- ja analysointimenetelmät rasvavoideltujen vierintälaakerien voiteluvirheiden tunnistamiseksi Kirjoittajat: Luottamuksellisuus: Risto Parikka ja Jari Halme Julkinen VTT TUOTTEET JA TUOTANTO

2 1 (17)

3 2 (17) Alkusanat Tämä raportti on laadittu Tekesin, teollisuusyritysten ja VTT:n rahoittamaan projektiin Teollisuuden käynnissäpidon prognostiikka (PROGNOS). Raportti on osa projektin Voitelu-casea. Kirjoittajat kiittävät projektiin osallistuneita tahoja ja Oy SKF Ab:tä työtä kohtaan osoitetusta mielenkiinnosta sekä projektille annetusta taloudellisesta ja teknisestä tuesta. Espoo, huhtikuussa 2006 Risto Parikka ja Jari Halme

4 3 (17) Sisällysluettelo 1 JOHDANTO VÄRÄHTELYPOHJAISET MITTAUS- JA ANALYYSIMENETELMÄT VIERINTÄLAAKERIN VOITELUVIRHEIDEN TUNNISTAMISEKSI KORKEATAAJUISEN VÄRÄHTELYN TAAJUUSKAISTAKOHTAINEN TEHOLLISARVOMITTAUS ("HAYSTACK-EFEKTI") MUUT KORKEATAAJUISEN VÄRÄHTELYN MITTAUS- JA ANALYYSIMENETELMÄT Verhokäyräanalyysi PeakVue SEE SPM Kiihtyvyyden derivaatat AKUSTISEN EMISSION MITTAUS Perinteiset signaalinkäsittelytavat Akustisen emission taajuus- ja wavelet-analyysit MENETELMIEN SOVELLETTAVUUS TUTKIMUKSEN KOHTEENA OLEVISSA VOITELUONGELMISSA YHTEENVETO...15

5 4 (17) 1 Johdanto Teollisuuden käynnissäpidon prognostiikka (Prognos) -hankkeen voitelu-osion tavoitteena on oppia tunnistamaan rasvavoideltujen vierintälaakereiden virheellisiä voitelutilanteita ja voitelujärjestelmien toimintoja, jolloin kyetään paremmin ennakoimaan kehittymässä olevat vauriot. Rasvavoidelluissa vierintälaakereissa vaikuttaa lukuisia tekijöitä, jotka vaikuttavat toisiinsa voitelutapahtumassa. Tällaisia ovat mm. rasvan laatu, annostelun määrä, annosteluväli, laakeripesän rakenne, kierrosluku, kuormitus, lämpötila, tiivistys ja rasvan poisto. Tärkeimpien kehityskohteiden esille saamiseksi Prognos-hankkeeseen osallistuneissa yrityksissä suoritettiin vierintälaakerien rasvavoiteluun liittyvien ongelmien kartoitus osana hankkeen ohessa tehtävää diplomityötä [1]. Rasvavoideltujen vierintälaakereiden vaurioitumisen syistä merkittävin oli kyselyn mukaan puutteellinen voitelu tai voiteluaineen puute [2]. Tähän luokkaan katsottiin kuuluvaksi annostelijan rikkoutumisesta tai toimimattomuudesta, jälkivoitelun unohtumisesta, liian vähäisestä voiteluainemäärästä tai liian pitkästä voiteluvälistä johtuneet laakerivauriot. Kaikissa näissä tilanteissa voideltava kontakti ajan myötä köyhtyy voiteluaineesta, mikä johtaa laakerin vaurioitumiseen tai suunniteltua lyhyempään käyttöikään. Nykyisen käsityksen mukaan vierintälaakerin voitelukontaktin köyhtyminen rasvasta on havaittavissa korkeiden taajuusalueiden värähtelypohjaisten mittausmenetelmien avulla. Värähtelypohjaisten menetelmien ongelmana on, että havaittujen poikkeavien värähtelykomponenttien lähteitä voi varsinkin teollisuuden järjestelmissä olla runsaasti, ja puutteellisen voitelun aiheuttamaa herätettä voi olla vaikeaa erottaa kohinasta. Lisäksi rasvavoitelussa voitelumekanismi poikkeaa perinteisten voiteluteorioiden mukaisesta voitelukalvonmuodostuksesta, mikä tuo omat haasteensa mittaussignaalin tulkinnalle. 2 Värähtelypohjaiset mittaus- ja analyysimenetelmät vierintälaakerin voiteluvirheiden tunnistamiseksi Puutteellisen voitelun havainnointiin voidaan soveltaa erilaisia yleensä verraten korkeataajuisen värähtelyn mittaus- ja analysointimenetelmiä. Korkeataajuisten menetelmien käyttö perustuu siihen tunnettuun ilmiöön, että voitelukalvon heikentyessä metallikosketusten määrä vierintäelimien ja vierintäratojen välillä kasvaa, mikä herättää ominaistaajuuksia laakereissa ja ympäröivissä rakenteissa. Myös ääni- ja ultraäänimittausta voidaan käyttää tämän tyyppisissä kunnonvalvontamittauksissa, mutta niitä ei käsitellä tässä yhteydessä niiden häiriöherkkyyden ja vähäisten käyttökokemuksien vuoksi. Teollisuuden kohteissa värähtelypohjaisia menetelmiä on jonkin verran käytetty, mutta ei kovin systemaattisesti. Joissakin kohteissa oletettu, värähtelymittauksella havaittu puutteellinen voitelutilanne on korjattu syöttämällä laakeriin rasvaa voiteluprässillä. Voitelun optimointiin iskusysäys- eli SPMmenetelmää on käytetty esimerkiksi voimalaitosten voiteluhuollossa [3].

6 5 (17) 2.1 Korkeataajuisen värähtelyn taajuuskaistakohtainen tehollisarvomittaus ("haystack-efekti") Joissakin teollisuuskohteissa puutteellisen voitelutilanteen on oletettu näkyvän kohtalaisen korkeataajuisessa (max khz) kiihtyvyysspektrissä tietyn taajuusalueen värähtelytason nousuna. Kyseinen ilmiö tunnetaan eräissä julkaistuissa tutkimuksissa nimellä "haystack-effect" (kuva 1). Lähteen [4] mukaan haystack-efekti on tyypillinen ilmiö voiteluaineen laadun tai voitelun tehokkuuden heiketessä. Mikäli tilannetta ei korjata esimerkiksi voiteluainetta lisäämällä, seurauksena on laakerin vaurioituminen. Julkaistuissa artikkeleissa ilmiö on liitetty erityisesti sähkömoottorien vierintälaakereihin esimerkiksi puhaltimien yhteydessä. Fysikaalisessa mielessä ilmiön syynä lienee rakenteeseen liittyvien komponenttien ominaistaajuuden herääminen vierintäpintojen välisten impulssimaisten metallikosketusten seurauksena. Amplitudiltaan kasvaneelle taajuusalueelle sijoittuu jokin ominaistaajuus, joka reagoi erittäin herkästi laakerin voitelutilanteessa tapahtuvaan muutokseen. Yleensä tavanomaisten mittausten perusteella ei voi varmasti sanoa, onko kyseessä laakerin, laakeripesän tai tukirakenteiden komponenttien ominaistaajuus vai anturointiin tai sen kiinnitykseen liittyvä ominaistaajuus. Tietyssä laakeroinnissa tai järjestelmässä mitatut tulokset ja niistä tehdyt johtopäätökset eivät siten välttämättä ole yleistettävissä ja suoraan sovellettavissa muihin laakerityyppeihin ja mittausjärjestelmiin.

7 6 (17) Kuva 1. Puutteellisesta voitelusta johtuva "haystack"-efekti [4]. Spektri ennen (ylh.) ja jälkeen (alh.) voitelurasvan lisäyksen. 2.2 Muut korkeataajuisen värähtelyn mittaus- ja analyysimenetelmät 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

8 7 (17) 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 [5]. Kuva 2. Tasasuunnatun signaalin verhokäyrä [5 Mustonen 2000]. Verhokäyrän spektristä saadaan helposti selville laakerin vikataajuudet. Kuva 2 esittää tasasuunnatun signaalin verhokäyrää. Käyrä "verhoaa" alkuperäisen signaalin huiput. Erilaisia kauppanimiä pääperiaatteiltaan samalle verhokäyrämenetelmälle ovat Envelope analysis, High frequency resonance technique ja Amplitude demodulation [6]. Kuvassa 3 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 [7] Kaipola PK6 syl 27 envelope Verhokäyräspektri Kiihtyvyys [m/s2] Taajuus [Hz] Kuva 3. Erään paperikonetelan laakerin verhokäyräspektri. Piikit osuvat ulkorenkaan vikataajuudelle ja sen monikerroille [7].

9 8 (17) Joissakin tapauksissa heikentynyt voitelu on teollisuuskohteiden kunnonvalvontamittauksissa havaittu verhokäyräspektrin tason kohoamisena ilman laakerivialle tyypillisten vikataajuuspiikkien ilmenemistä PeakVue PeakVue on CSI:n kehittämä ja patentoima menetelmä. PeakVue-mittauksissa käytetään ylipäästösuodatusta, jotta voidaan tutkia tarkasti korkeampia taajuusalueita ja siellä esiintyviä pieniamplitudisia ilmiöitä, kuten alkavista laakerivaurioista aiheutuvia jännitysaaltoja. PeakVuemittausmenetelmä soveltuu erityisen hyvin hitaasti pyörivien koneiden kunnonvalvontaan. Kunnox [8] 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. PeakVuemittauksien aikatason (kiihtyvyyden) huipusta-huippuun-arvoa ja sen trendiä pidettiin erittäin hyvänä koneen kunnosta kertovana tunnuslukuna. Eräässä mittauksessa havaittiin mittauksen huipusta-huippuunarvon 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 laakeri oli viimeksi lisätty voitelurasvaa, selvisi että normaaleja voitelukierroksia oli jostain syystä jäänyt tekemättä, ja laakerin edellisestä voitelurasvauksesta oli kulunut jo kulunut normaalia pidempi aika. Tämän jälkeen laakeriin lisättiin rasvaa ja värähtelyn taso putosi entiselle tasolleen (kuva 4).

10 9 (17) Kuva 4. Esimerkki PeakVue-menetelmän käytöstä hitaasti pyörivien koneiden kunnonvalvonnassa: rasvavoidellun vierintälaakerin PeakVue-spektri ennen (alh.) ja jälkeen jälkivoitelun [8]. Spektrissä näkyvät huiput eivät lähteen [8] mukaan osu laakerin vikataajuuksille SEE SEE on SKF AB:n markkinanimi verhokäyrämenetelmää käyttävälle tekniikalle, jolla pyritään löytämään laakerinvaurioon tai voitelun puutteisiin viittaavat heikkotehoiset signaalit koneen ja ympäristön melun joukosta. Menetelmässä käytetään laajakaistaista akustisen emission anturia ja mittauksen taajuusalue on Jonesin [9] mukaan khz. SEE -menetelmällä saadaan tuotettua spektri taajuusalueelta, jolla laakerivauriotaajuudet tyypillisesti esiintyvät ( Hz), mutta spektrissä esiintyvät värähtelyn amplitudit eivät ole vertailukelpoisia tavallisen spektrin kanssa [9]. 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

11 10 (17) määrittävät signaalin sisältämän energiaa 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 [5]. Menetelmällä voidaan havaita laakerin puutteellinen voitelu ja alkava laakerivaurio [10]. 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. Eräillä laitoksilla 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 pienet lisävoitelumäärät näyttävät, onko lisävoitelulla voitelukalvoa parantava vaikutus. Laakereilla, joiden ongelmat johtuvat esimerkiksi virheellisistä välyksistä, lisävoitelu ei näytä parantavan voitelutilannetta. Kokemukset menetelmän käytöstä laitoksissa ovat olleet hyviä ja laakerivaurioiden määrä on selvästi vähentynyt [3]. SPM-metodia on suositeltu myös puhaltimien rasvavoideltujen laakerien valvontaan [11] Kiihtyvyyden derivaatat Erityisesti hitaasti pyörivien koneiden laakerien kunnonvalvonnassa on todettu, että aikatasossa olevan kiihtyvyyssignaalin derivoiminen kertaalleen tai kahdesti ajan suhteen helpottaa vikaantumisten havaitsemista [12]. Lahdelman [13] julkaisussa otettiin käyttöön x (4) -signaali ja esitettiin perusteet sitäkin korkeampiasteisten aikaderivaattojen käytölle. Lahdelman [13] mukaan korkea-asteisille aikaderivaatoille on käyttöä koneiden kunnonvalvonnassa ja Suomessa x (4) -signaalia hyödynnetään jo useissa yrityksissä. Lahdelma & Kotila [14] 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 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. 2.3 Akustisen emission mittaus Vierintälaakerivaurioiden yhteydessä akustista emissiota aiheutuu pääasiassa kahden eri ilmiön seurauksena. Laakerissa tapahtuva särön kasvu vapauttaa muodonmuutosenergiaa, joka etenee jännitysaaltoina. Toisaalta akustista emissiota aiheuttaa vierintäpinnalla olevan vaurion kohtaaminen toisen pinnan kanssa [15, 16]. Akustisen emission mittaustaajuus on yleensä yli 100 khz, jolloin

12 11 (17) mekaanisista koneenelimistä peräisin oleva matalataajuinen melu jää pois. Akustisen emission käyttö voitelutilanteen valvonnassa perustuu metallikontaktien lisääntymiseen voitelukalvon ohentuessa, jolloin myös kitka laakerissa kasvaa. Metallikontaktit aiheuttavat jännityskentän, joka värähtelee yli 100 khz taajuudella. Signaalin syntymekanismi ei riipu kierrosluvusta, joten akustisen emission mittauksella voidaan valvoa myös hitaasti pyörivien laakerien kuntoa. Akustisen emission mittaamiseen käytetään pietsosähköisiä antureita, jotka toimivat taajuusalueella 40 khz - 1 MHz [17]. Uuden vierintälaakerin tuottama akustinen emissio on hyvin alhaisella tasolla [18]. Akustisen emission mittaamista voidaan käyttää vierintälaakerien kunnonvalvonnassa, mutta ongelmana ovat sopivan taajuusalueen valinta, anturin kiinnittäminen ja signaalia vaimentavat rajapinnat mitattavan kohteen ja anturin välillä [6] Perinteiset signaalinkäsittelytavat Akustisen emission signaalia voidaan käsitellä aika- ja taajuustasossa samalla tavoin, kuin tavallista värähtelysignaalia ja siitä voidaan määrittää erilaisia tunnuslukuja. Yleisimmin käytetyt parametrit akustisen emission mittauksessa ovat signaalin maksimiamplitudin seuraaminen, tietyn ennaltamäärätyn amplitudirajan tietyssä ajanjaksossa ylittävien näytteiden laskenta, sekä AEpurskeiden keston ja esiintymisvälin seuranta. AE-purske koostuu useasta peräkkäisestä tietyn amplitudirajan ylittävästä aallosta [19]. Choudhuryn. [19] tutkimuksessa todetaan tietyn amplitudirajan ylittävien näytteiden laskennan soveltuvan hyvin tutkitun vierintälaakerin sisäkehä- ja vierintäelinvaurion havaitsemiseen. Signaalin analysoinnissa on käytetty myös verhokäyrämenetelmää [15, 20]. Li et al. [15] ja Shiroishi et al. [20] 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. Kaupallisista vastaavista menetelmistä voidaan mainita Holroyd Instrumentsin käyttämä tunnuslukuseuranta (Distress ja db-level). Akustiseen emissioon perustuvalla kunnonvalvonnalla voidaan havaita vauriot, jotka eivät ulotu laakerin vierintäpintaan saakka ja jotka jäisivät havaitsematta värähtelyn mittaamiseen perustuvilla menetelmillä [19]. Yoshiokan [21 ja 22] 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. Samantapainen

13 12 (17) menetelmä AE-signaalin analysoimiseksi on kehitetty myös lähteen [15] tutkimuksessa. Tässä tapauksessa AE purskeiden välistä aikaa tarkkaillaan aikatason signaalin autokorrelaation avulla. Parikka et al. [23] 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 (kuva 5). Seurannassa käytettiin AE-signaalista laskettuja tunnuslukuja, joista erityisesti kurtosis indikoi hyvin muutoksista myös niissä tapauksissa, joissa pyörimisnopeus ei pysynyt vakiona. Kuva 5. Esimerkki laakerikokeesta, jossa sisärenkaan lämpötilaa kasvattamalla haettiin kriittistä käyntivälystä. Akustinen emissio (kuvassa kurtosisarvo) reagoi voimakkaasti laskennallisen välyksen kiinnimenoon [23]. AE:n avulla voidaan havaita myös voitelurasvassa olevia kiinteitä epäpuhtauksia ja erilaisia voiteluparametreissa tapahtuvia muutoksia. Miettinen [24] 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. Kuvassa 6 on esitetty Miettisen [24] esittämä tulos voitelurasvaan lisättyjen 1-60 µm metallihiukkasten vaikutuksesta akustisen emission pulssien määrään.

14 13 (17) Kuva 6. Voitelurasvaan lisättyjen 1-60 µm metallihiukkasten vaikutus akustisen emission pulssien määrään [24] Akustisen emission taajuus- ja wavelet-analyysit Akustisen emission signaalin analysoinnissa on jonkin verran käytetty taajuusanalyysiä. On todettu, että taajuusanalyysi ei ole erityisen soveltuva purskemaiselle signaalille, ja lisäksi AE-anturien taajuusvaste on hyvin epälineaarinen. Wavelet-muunnos sen sijaan soveltuu erityisesti epästationäärisille signaaleille, joissa on epäjatkuvuuskohtia kuten akustisen emission signaalissa. Wavelet-muunnosta on käytetty myös signaalin puhdistamiseen kohinasta. Tällä ominaisuudella on suuri merkitys häiriöherkän AE-signaalin käsittelyssä. Lähteen [25] mukaan wavelet-analyysi on erityisen sopiva transienteille signaaleille, joilla on pieni kestoaika, ja siten se vaikuttaa tehokkaalta työkalulta akustisen emission signaalien analysointiin. Vauriot synnyttävät iskuja, jotka herättävät rakenteen ominaistaajuuksia. Jaksolliset ilmiöt, joita ei voida suoraan havaita AE signaalista, ovat selkeästi esillä sopivan wavelet-muunnoksen jälkeen. Kun taajuusanalyysi suoritetaan sopivalle wavelet-muunnokselle, mahdolliset vauriot ja ongelmat ilmenevät selkeästi taajuustason esityksessä. Rasvavoidellun vierintälaakerin voitelutilanteen arviointiin menetelmää ei liene laajemmin käytetty, mutta luonteensa vuoksi sen voidaan olettaa olevan potentiaalinen menetelmä myös näiden kohteiden valvontaan.

15 14 (17) 3 Menetelmien sovellettavuus tutkimuksen kohteena olevissa voiteluongelmissa Rasvavoitelussa voitelumekanismi poikkeaa jossain määrin perinteisten voiteluteorioiden mukaisesta voitelukalvonmuodostuksesta. Öljyllä voidelluissa vierintälaakereissa voitelukalvo muodostuu elastohydrodynaamisen (EHD) voiteluteorian mukaisesti. EHD-teoria on myös rasvavoitelussa yhtenä rasvan valinnan perusteena, mutta teorian sovellettavuutta vaikeuttavat monet rasvavoitelulle ominaiset piirteet. Cann & Lubrecht [26] ovat esittäneet mittaustuloksia, joiden mukaan täysin muodostunut rasvavoitelun voitelukalvonpaksuus on yleisesti ottaen suurempi kuin öljyvoitelulle EHDteorian mukaisesti laskettu kalvonpaksuus vastaavassa laakerissa. Tämä johtuu siitä, että perusöljyn joukossa olevat paksunninkuituosat voivat näennäisesti nostaa öljyn viskositeettia, ja paksunninkuidut voivat muodostaa voideltaville pinnoille voitelukalvon paksuutta kasvattavan kerroksen. Käytännössä rasvavoideltujen laakerien voitelu toimii edellä kuvatulla tavalla vain harvoissa tapauksissa, kuten käynnistystilanteissa laakerin ollessa täynnä rasvaa tai heti jälkivoitelurasvan lisäyksen jälkeen [24]. Pian tämän jälkeen rasva alkaa työntyä vierintäratojen molemmille puolille, ja jollei mikään ulkoinen mekanismi syötä rasvaa uudelleen vierintäradoille, voideltu kosketus alkaa köyhtyä öljystä ja voitelukalvon paksuus pienenee. Rasva voi kulkeutua kosketusalueelle esimerkiksi kuulalaakerin spin-liikkeen avulla ja värähtelyn vaikutuksesta. Köyhtyneessä rasvavoitelussa perusöljyn viskositeetin ja/tai paksuntimen osuuden kasvattamisella voi olla odotuksiin nähden vastakkainen vaikutus: Cann & Lubrecht [26] ovat esittäneet mittaustuloksia kahdella saman paksuntimen mutta erilaisen perusöljyn viskositeetin omaavalla rasvalla. Mittauksissa rasvalla, jonka perusöljyn viskositeetti on alhaisempi, saatiin suurempia voitelukalvonpaksuuksia. Edellä kuvatun perusteella voidaan päätellä, että rasvavoideltujen vierintälaakerien voitelukalvon paksuuden valvonta on vaikeampaa kuin öljyvoideltujen laakerien. Yleisestikin on todettu, ettei viskositeettisuhteen eli κ-arvon [27] perusteella voida luotettavasti arvioida voitelukalvon paksuutta rasvavoitelussa [1]. Kun öljyvoidellun vierintälaakerin tapauksessa esimerkiksi akustisen emission mittauksella pystytään löytämään kriittinen pyörimisnopeus, jota pienemmillä nopeuksilla laakerin vierintäpintojen pinnankarheushuippujen kosketukset lisääntyvät ja siirrytään rajavoitelualueelle, on rasvavoidellussa laakerissa mahdollista, että voitelutilanne pysyy hyvänä vielä paljon kyseistä rajanopeutta alemmissa pyörimisnopeuksissa tai se muuttuu epästabiiliksi vaihdellen toimivan voitelun ja rajavoitelun välillä. Laakerin sisällä olevalla voitelurasvalla on myös värähtelyjä vaimentava vaikutus. Toisaalta, jos laakerin vierintäradalle on tarjolla riittämätön määrä voiteluainetta eikä EHD-voitelulle oleellista paineenmuodostusta voi syntyä, teoreettisesti hyvässä nestevoitelutilanteessa voi syntyä aiemmin kuvattu tilanne, jossa voitelukontakti köyhtyy rasvasta. Tällaisia tilanteita kannattaa erityisesti valvoa värähtelypohjaisilla menetelmillä, koska niiden syntymistä ei voida selittää perinteisillä voiteluteorioilla ja niiden huomioon ottaminen laakerointeja ja voitelua suunniteltaessa on erittäin vaikeaa. Potentiaalisia kohteita ovat esimerkiksi teollisuuden puhaltimet, pumput ja sähkömoottorit.

16 15 (17) 4 Yhteenveto Puutteellisen voitelun havainnointiin voidaan soveltaa erilaisia yleensä verraten korkeataajuisen värähtelyn mittaus- ja analysointimenetelmiä. Korkeataajuisten menetelmien käyttö perustuu siihen tunnettuun ilmiöön, että voitelukalvon heikentyessä metallikosketusten määrä vierintäelimien ja vierintäratojen välillä kasvaa, mikä herättää ominaistaajuuksia laakereissa ja ympäröivissä rakenteissa. Tällaisia menetelmiä ovat mm. iskusysäysmittaus (SPM), korkeantaajuisen värähtelyn taajuuskaistakohtainen tehollisarvomittaus, SEE, PeakVue, verhokäyrämenetelmä, korkeampien derivaattojen käyttö ja erilaiset akustisen emission mittaus- ja analysointimenetelmät. Useimpia mittaus- ja analysointitapoja käytettäessä amplitudiltaan kasvaneelle taajuusalueelle sijoittuu jokin ominaistaajuus, joka reagoi herkästi laakerin voitelutilanteessa tapahtuvaan muutokseen. Yleensä tavanomaisten mittausten perusteella ei voi varmasti sanoa, onko kyseessä laakerin, laakeripesän tai tukirakenteiden komponenttien ominaistaajuus vai anturointiin tai sen kiinnitykseen liittyvä ominaistaajuus. Tietyssä laakeroinnissa tai järjestelmässä mitatut tulokset ja niistä tehdyt johtopäätökset eivät siten välttämättä ole yleistettävissä ja suoraan sovellettavissa muihin laakerityyppeihin ja mittausjärjestelmiin. Rasvavoidelluissa vierintälaakereissa teoreettisesti hyvässäkin nestevoitelutilanteessa voi syntyä tilanne, jossa voitelukontakti köyhtyy rasvasta. Tällaisia tilanteita kannattaa erityisesti valvoa värähtelypohjaisilla menetelmillä, koska niiden syntymistä ei voida selittää perinteisillä voiteluteorioilla ja niiden huomioon ottaminen laakerointeja ja voitelua suunniteltaessa on erittäin vaikeaa. Potentiaalisia kohteita ovat esimerkiksi teollisuuden puhaltimet, pumput ja sähkömoottorit. Lähdeluettelo 1 Hynönen, P., Vierintälaakerien rasvakeskusvoitelu. Diplomityö. Tampereen teknillinen yliopisto, Konetekniikan osasto s. 2 Parikka, R., Menetelmät ja tarpeet rasvavoideltujen vierintälaakerien voiteluvirheiden tunnistamiseksi ja korjaamiseksi. VTT Raportti BTUO s. 3 Kinnunen Voitelun optimointi. Kunnossapito Vol. 17, no. 8. s Stevens, D. Vibration Analysis Pinpoints Inadequate Motor Bearing Lubrication. Internet-osoite: kgroup=oilanalysis. Haettu: Mustonen, M., Paperikoneiden vierintälaakereiden kunnonvalvontamenetelmät. Espoo, VTT Valmistustekniikka. 24s. BVAL Mikkonen, H., Hitaasti pyörivien koneiden kunnonvalvonta. Lisensiaattityö, Oulun yliopisto. 90s. + liitteet. 7 Parikka, R., Tervo, J. & Räty, K., Paperikonetelojen öljyvoideltujen vierintälaakerien kunnonvalvonta. Kunnossapito. Vol. 16 No: 6, Lehden erikoisliite "Kunnossapitokoulu".

17 16 (17) 8 Kunnox Esimerkki:PeakVue-mittauksen käyttö hitaasti pyörivien laitteiden kunnonvalvonnassa. Verkkosivu Haettu: Jones, R.M., A guide to the interpretation of machinery vibration measurements - Part 2. Sound and Vibration, No: 9. ss Sundberg, A, Schock pulse method for condition monitoring of bearings. Teoksessa: Jantunen, E., Holmberg K., Rao, R.B.K.N. (toim.). COMADEM th international congress and exhibition on condition monitoring and diagnostic engineering management, Vol. 2. Espoo: Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus. s (VTT Symposium 172). 11 Witt & Sohn GmbH & Co., Käyttöohje. Tietoa käyttäjälle I G W - Puhaltimien ja lisälaitteiden kuljetuksesta asennuksesta käytöstä huollosta ja turvallisuudesta Lahdelma, S. & Riutta, E., Kunnonvalvonnan uusista mittausmenetelmistä. Kunnossapito 1/1996. ss Lahdelma, S., Koneiden kunnonvalvonnan uusista värähtelyjen voimakkuuden arvosteluperusteista. Oulun yliopiston konetekniikan osaston raportti n:ö s. 14 Lahdelma, S. & Kotila, V., Reaaliderivaatat - uusi tapa käsitellä signaalia. Kunnossapito Vol. 17, no. 8. s Li, Y., Shiroishi, J., Danyluk, S., Kurfess, T., Liang, S.Y., Diagnostics of roller bearing defects bases on vibration & accoustic emission. COMADEM '97. 10th international congress and exhibition on condition monitoring and diagnostic engineering management, Vol. 2. Espoo: Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus. VTT Symposium 172, s Tandon, N. & Choudhury, A., A review of vibration and acoustic measurement methods for the detection of defects in rolling element bearings. Tribology International, Vol 32. ss Kuoppala, R., Leskinen, R., Leppämäki, E., Pyörivien koneiden käynninaikainen kunnonvalvonta. Espoo: Valtion teknillinen tutkimuskeskus, VTT Tiedotteita SKF, Condition monitoring of ball and roller bearings. Teoksessa: Rao, B. K. N. (toim.) Handbook of condition monitoring 1st Edition. Englanti, Lontoo: Elsevier. s Choudhury, A. & Tandon, N., Application of acoustic emission technique for the detection of defects in rolling element bearings. Tribology International, Vol 33. ss Shiroishi, J., Li, Y., Liang, S. Kurfess, T., Danyluk, S., Bearing condition monitoring diagnostics via vibration and acoustic emission measurements. Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 11. No. 5. ss Yoshioka, T., Korenaga, A., Mano, H., Yamamoto, T., Diagnosis of Rolling Bearing by Measuring Time Interval of AE Generation. Transactions of the ASME, Vol. 121, pp Yoshioka, T., Detection of Rolling Contact Sub-Surface Fatigue Cracks Using Acoustic Emission Technique. Journal of the Society of Tribologists and Lubrication Engineers, Vol. 49, pp

18 17 (17) 23 Parikka, R., Sainio, H., Vidqvist, V., Vaajoensuu, E. & Tervo, J., Monitoring lubrication condition and running clearance of rolling bearing via acoustic emission. Frontiers in tribology. Austrib Perth 2-5 Dec. University of Western Australia, s Miettinen, J., Condition monitoring of grease lubricated rolling bearings by acoustic emission measurements. Tampere University of Technology, Publications 307. Doctoral Thesis, Tampere. ISBN Salmenperä, P., Miettinen, J. Akustisen emission Wavelet-analyysi. Koneensuunnittelun kansallinen symposiumi , Oulu. 26 Cann, P. & Lubrecht, T Mechanism of grease lubrication in rolling element bearings. COST 516 Tribology Symposium. Espoo, Finland, May Espoo, VTT, 457 p. VTT Symposium 180. ISBN SKF SKF General Catalogue 5000 E s.