Ložiskové vady

Ložiska jsou důležitým prvkem stroje, který podporuje rotorový systém. Jsou navrženy tak, aby poskytovaly menší tření na podpěrách a nesly zatížení. Ve strojních zařízeních se používají dva nejběžnější typy ložisek — valivé ložisko nebo valivé ložisko a radiální ložisko pracující na principu hydrodynamického mazání. Zaměříme se na diagnostiku poruch u valivých ložisek.
Vady ložisek jsou jednou z nejčastějších závad identifikovaných programy sledování vibrací, kdy méně než 10% běží po celou dobu životnosti, 40% selhává kvůli nesprávnému mazání a 30% kvůli nesouososti. Přestože se ložiska opotřebovávají a poškozují, závady jsou normálně příznaky jiných problémů v rámci strojního soustrojí nebo procesního systému. Skutečný problém ložiskových prvků lze identifikovat takto:

  • Mazání: Nedostatečné mazání.
  • Opotřebení, praskliny, odlupování: Poškození vnitřního nebo vnějšího kroužku a poškození valivých elementů. Poškozené klece je obtížné odhalit analýzou vibrací.
  • Chybná montáž: Vnitřní kroužek není správně na hřídeli nebo vnější kroužek není správně v ložiskovém domku.
  • Přiliš velká vůle: Kvůli nadměrnému opotřebení nebo špatnému výběru ložisek.
  • Malé zatížení: Valivé prvky se smýkají přes vnitřní kroužek, když jsou mimo oblast zatížení.
  • Volné na hřídeli: Vnitřní kroužek volný na hřídeli.
  • Volné v ložiskovém domku: Vnější kroužek volný v ložiskovém domku.

Čtyři rotační frekvence jsou spojeny s valivými ložisky, jak je znázorněno na obrázku níže. Tyto základní frekvence jsou FTF (frekvence klece), frekvence otáčení valivých elementů (BSF), frekvence vnějšího oběhu valivých elemnetů (BPFO) a vnitřní frekvence valivých elementů (BPFI). Existuje velké množství poruchových stavů, které mohou být spojeny s valivými ložisky, jako je opotřebení ložisek, problémy s mazáním, natažené ložisko, drážkování/EDM, prokluzování a uvolnění. Tyto poruchy mají významný vliv a úroveň účinnosti byla rozdělena do čtyř stupňů, které budou diskutovány v následujících částech.

První fáze
Nejčasnější známky problémů s ložisky včetně špatného mazání se objevují při ultrazvukové frekvenci (vyšší než 20 kHz). Toto je fáze podpovrchového poškození, které způsobuje tření a menší nárazy. Má významný vzor ve frekvenčním rozsahu 5 až 40 kHz. To vyžaduje použití ultrazvukových měřicích zařízení. Tradiční spektrální analýza a techniky časových průběhů neodhalí chybu v této fázi. Vysokofrekvenční techniky, jako je obalování, demodulace, PeakVue™, Shock Pulse™ a Spike Energy™, dokážou detekovat chybu v první fázi.

Druhá fáze
Jak se porucha ložiska vyvíjí, jsou v této fázi úspěšnější techniky, jako je obálka, demodulace a spektrum zrychlení. Indikátor spektra rychlosti je stále neúčinný pro detekci poruch v této fázi. Malé defekty v ložisku začnou „zvonit“ – vybudí vlastní frekvence součástí ložiska, které jsou převážně v rozsahu od 500 Hz do 2 kHz. Mohou to být také rezonance nosných částí ložiska. Na konci druhé fáze se objeví postranní pásy kolem rezonančních vrcholů. Tento stupeň lze detekovat pomocí demodulovaných vysokofrekvenčních obálkových spekter.

Třetí fáze
Jak se opotřebení zvyšuje, objevují se kromě postranních pásem kolem těchto harmonických také frekvence vad ložiska a jejich harmonické. Tento stupeň lze určit ze spekter rychlosti vibrací.

Třetí fáze: Vnější kroužek:
Když porucha ložiska dosáhne třetího stupně, poškození je vážnější a bude viditelné, pokud je ložisko demontováno. K detekci poruchy lze kromě časového průběhu a vysokofrekvenčních technik (demodulace, obálka a zrychlení) použít i spektrum rychlosti. Pokud je poškození na vnější dráze, dojde k nárazu pokaždé, když se kulička nebo váleček dostane do kontaktu s poškozenou oblastí a objeví se 1XBPFO a jeho harmonické. Amplituda by měla být konstantní, proto žádná modulace (nebo postranní pásma). Pokud se vnější kroužek otáčí, síly při nárazu již nebudou konzistentní. Když poškozená oblast prochází zónou zatížení, nárazy budou silnější ve srovnání s nárazy, když je poškozená oblast v horní části ložiska, kde může být lehce zatížena. Tento nárůst a pokles amplitudy vibrací generuje postranní pásma ve spektru. Protože se vnější dráha otáčí rychlostí otáčení, postranní pásy by byly rozmístěny 1X

Třetí fáze: Vnitřní kroužek
Pokud je poškození na vnitřním kroužku, dojde k nárazu pokaždé, když se kulička nebo váleček dostane do kontaktu s poškozenou oblastí a objeví se 1XBPFI a jeho harmonické. Amplituda bude nejvyšší, když je poškozená oblast v zátěžové zóně, proto zde budou 1X postranní pásma.

Třetí fáze: Poškození valivého elementu
Pokud je poškození na kuličkách nebo válečcích, dojde k nárazu pokaždé, když se poškozená oblast dostane do kontaktu s vnitřním nebo vnějším kroužkem, takže defektní kulička se objeví při 1XBSF a jejích harmonických. Amplituda bude nejvyšší, když je poškozený element v zátěžové zóně, proto zde budou postranní pásma FTF (klec).

Čtvrtý stupeň
Když porucha ložiska dosáhne čtvrtého stupně, ložisko je značně poškozené a mělo by být vyměněno. Časem mohou harmonické frekvence a postranní pásma zmizet. Jak se vůle v ložisku vlivem opotřebení zvětšuje, uvidíte známky uvolnění (1X a její harmonické). Vysokofrekvenční techniky se stávají méně účinnými, když se stav zhoršuje. Celkové úrovně se zvýší a rychlostní spektrum jasně ukáže poruchu. Spektrum bude velmi hlučné a hladina hluku se zvedne.

Natažené ložisko: na hřídeli
Natažené ložisko, které je svým způsobem nesouosost, bude generovat značné axiální vibrace. Špičky budou často vidět při 1X, 2X a 3X. Ložisko může být nataženo na hřídeli nebo ve skříni. Pokud je natažen na hřídeli, bude se při otáčení „viklat“ a generovat rotační vibrace. Vzhledem k tomu, že dochází k velmi silným axiálním vibracím, lze je zaměnit s nesouosostí a nevývahou ventilátoru. Přítomnost špiček při 2X a 3X by indikovala stav nataženého ložiska nad nevyvážeností. Měření relativní fáze je klíčovým indikátorem pro rozlišení mezi nesouosostí a nataženým ložiskem.

Natažené ložisko: v ložiskovém domku
Pokud je ložisko natažené v domku, vibrace budou přesněji napodobovat nesouosost. Na obou stranách hřídele na čele součásti (axiální směr) budou dva body, kde bude amplituda nejvyšší a vibrace budou mimo fázi o 180°

Vnitřní kroužek volný na hřídeli
Pokud není ložisko správně namontováno, může vnitřní kroužek na hřídeli klouzat –  ne vždy se otáčí stejnou rychlostí jako hřídel. V závislosti na povaze klouzání může mít spektrum vibrací zvýšené 3X a jeho harmonické (6X, 9X atd.). Pokud je posuvný pohyb přerušovaný, tj. trochu klouže a poté se zastaví, nemusí být změna spektra pozorována. Pokud neustále klouže, vzor vibrací by se měl odpovídajícím způsobem změnit.

Vnější kroužek volný v ložiskovém domku
Pokud není ložisko správně nainstalováno v ložiskovém domku, může se vnější kroužek vzhledem k pouzdru pohybovat; může se začít otáčet a dokonce „chrastit“ uvnitř skříně. Špičky při 4X rychlosti chodu mohou být zvýšeny. Vnější kroužek je vidět při relativním pohybu vůči domku.