زیاد طول کشیده است؟ صفحه بارگذاری را ببندید.

پایش وضعیت و عیب یابی یاتاقان کلینکر کراشر کارخانه سیمان با آنالیز ارتعاشات

0

یکی از بخشهای اصلی تولید در کارخانه سیمان، بخش پخت است که از جمله زیربخشهای مهم آن، واحد خنک کاری کلینکر و کلینکر کراشر می­باشد. توقف کلینکر کراشر، توقف کوره (اصلی­ترین تجهیز بخش پخت) را به دنبال خواهد داشت که در واقع، به معنی کاهش حجم تولید سیمان خواهد بود. علاوه بر کاهش تولید، توقف کوره به دلیل دمای کاری بالای آن، اثرات زیان بار دیگری نیز در پی خواهد داشت. لذا پایش و تشخیص به موقع عیوب کلینکر کراشر (و سایر تجهیزات بخش پخت)، بسیار ضروری است. در این مقاله، نمونه­ای از نتیجه بدست آمده از ترکیب برنامه پایش وضعیت و رویکرد پیش اقدامانه در یک واحد صنعتی تولید سیمان، ارائه شده و مورد بررسی قرار می­گیرد.

۱- پایش وضعیت و عیب یابی یاتاقان غلتشی به کمک تحلیل سیگنال ارتعاشات

۱-۱- مقدمه

از میان روشهای مختلف برای پایش وضعیت و عیب­یابی یاتاقانها، تحلیل سیگنال ارتعاشات اندازه­گیری شده از روی نشیمنگاه یاتاقان، جایگاه ویژه­ای در میان صنعتگران به خود اختصاص داده است. علت اصلی این موضوع، رابطه مستقیم بین وضعیت فیزیکی یاتاقان و اجزاء آن و سیگنال ارتعاشی ایجاد شده توسط یاتاقان در حین کار است. در این قسمت، روشهای پایش وضعیت یاتاقان به کمک آنالیز سیگنال ارتعاشات مورد بررسی قرار می­گیرند.

 

۱-۲- روشهای پایش وضعیت و عیب­یابی یاتاقان به کمک آنالیز ارتعاشات

برای قضاوت کلی درباره وضعیت ماشین، معمولاً مقدار کلی دامنه ارتعاشات Overall Vibration از طریق مقایسه با سوابق اندازه­گیریهای قبلی، مقادیر پیشنهادی استانداردهای معتبر و یا مقادیر پیشنهادی کارخانه سازنده بکار می­رود. بطور معمول، این دامنه از جنس سرعت بوده و در باند ISO یعنی فرکانس ۱۰ تا ۱۰۰۰ هرتز، اندازه­گیری و پایش می­شود. مقدار کلی ارتعاش با تعریف فوق، برای ارزیابی وضعیت یاتاقانهای غلتشی مناسب نیست. علت این موضوع، حساسیت پایین مقدار کلی ارتعاش نسبت به عیوب یاتاقانهای غلتشی در مقایسه با مشکلاتی چون نامیزانی جرمی، نا هم محوری، لقی مکانیکی و … است. لذا به عنوان روش جایگزین، یکی از دو روش زیر به عنوان شاخص کلی وضعیت یاتاقانهای غلتشی قابل استفاده هستند:

– شاخص دامنه ارتعاش در فرکانس بالا یا high Frequency Detection.

این شاخص به نوعی مقدار کلی دامنه ارتعاش است، با این تفاوت که از جنس شتاب بوده و در باند فرکانس بالا برای مثال ۵۰۰۰ تا ۲۰۰۰۰ هرتز یا بیشتر، اندازه­گیری و پایش می­شود.

– شاخص وضعیت یاتاقان غلتشی Bearing Condition Unit (BC)

سازندگان دستگاه­های ارتعاش سنجی و صاحبان تکنولوژی در این موضوع، انواع مختلفی از شاخصهای وضعیت یاتاقان غلتشی را معرفی و توصیه کرده­اند که هر یک، با روال پردازشی خاصی بدست می­آید. نکته مهم در بکارگیری این شاخصها، اندازه­گیری دوره­ای و بررسی روال تغييرات آنها در طی زمان است. معمولاً روند افزایشی این شاخصها، نشانه­ای از وضعیت غیرعادی یاتاقان یا وجود مشکل روانکاری در آن است.

– شاخص قله Crest Factor

از جمله شاخص­هایی است که می­توان با آن برخی عیوب ماشین از جمله خرابی­های موضعی در یاتاقان­های غلتشی را تشخیص داد. این شاخص، نشان دهنده میزان بار ضربه­ای موجود در سیگنال است.

– منحنی شکل موج Time Wave Form

منحنی شکل موج یا سیگنال زمانی ارتعاشات به عنوان خروجی اولیه سنسور، تصویر مستقیمی از رفتار دینامیکی ماشین و وضعیت اجزاء داخلی آن به دست می­دهد. به ویژه عیوبی که منجر به ایجاد پالس در سیگنال شده و شکل سینوسی رایج آن را تغییر می­دهند، از این طریق قابل ردیابی هستند. وجود آسیب موضعی در اجزاء یاتاقان غلتشی، وجود ترک در هر یک از رینگهای داخلی یا خارجی یاتاقان و … برخی از عیوب قابل شناسایی از طریق منحنی شکل موج هستند. همچنین انتقال از حوزه زمانی به حوزه فرکانس که به کمک الگوریتم تبدیل فوریه سریع یا FFT[1] صورت پذیرفته و منحنی طیف فرکانسی را به دست می­دهد، یکی دیگر از روشها در تحلیل سیگنال ارتعاشات ماشین آلات دوار است. این روش به نوعی مهم­ترین و رایج­ترین روش تشخیص عیوب مختلف و از جمله مشکلات یاتاقانهای غلتشی بشمار می­رود. مزیت این دو روش (شکل موج – منحنی فرکانسی)، ارائه تصویری مستقیم از وضعیت یاتاقان و عیوب مربوط به آن است. آنالیز Envelope یا به عبارت دیگر دمودولاسیون سیگنال ارتعاشی در حیطه فرکانس بالا، یکی دیگر از روشهای رایج در ارزیابی وضعیت یاتاقانهای غلتشی است. منحنی Envelope در واقع طيف فرکانسی سیگنال ارتعاشی از جنس شتاب است که با اعمال الگوریتم FFT بر روی سیگنال (پس از فیلتر کردن آن در ناحیه فرکانس بالا، یکسویه کردن و حصول منحنی پوش (Envelope)، بدست می­آید.

۲- کلینکر کراشر و ارزیابی یاتاقانهای آن

کارخانجات تولید سیمان از بخشها یا دپارتمانهای مختلفی تشکیل شده­اند که در هر یک از آنها، بخشی از مراحل تولید انجام می­شود. یکی از بخشهای مهم این صنایع، بخش پخت می­باشد. در این بخش، مواد خام وارد کوره شده و پس از طی مراحلی، محصولی به نام کلینکر تولید می­شود. کلینکر خروجی از کوره، دارای اندازه درشت می­باشد و لذا پس از سرد شدن، وارد دستگاهی به نام کلینکر کراشر می­شود که وظیفه آن، خرد کردن کلینکر و ریز کردن اندازه ذرات آن می­باشد. کلینکر پس از عبور از کراشر، وارد سیلوهای ذخیره می­شود. از آنجاییکه کلیه فرآیندهای بخش پخت به صورت پیوسته صورت می­پذیرد، توقف هر یک از اجزاء اصلی آن (از جمله کلینکر کراشر)، منجر به توقف تولید شده و نهایتاً کاهش ظرفیت تولید کارخانه و خسارت اقتصادی را در پی خواهد داشت. جدا از آن، از آنجاییکه اجزاء مختلف دپارتمان پخت در دمای بالا کار می­کنند، توقف ناگهانی عموماً آسیبها و خسارتهای دیگری نیز در پی خواهد داشت.

پایش وضعیت و عیب یابی یاتاقانشکل ۱- تصویر کلینکر کراشر کارخانه سیمان

 با توجه به مطالب فوق، پایش وضعیت تجهیزات مختلف بخش پخت (از جمله کلینکر کراشر) جزو مهمی از برنامه­های پایش وضعیت در یک کارخانه سیمان است. در کارخانه سیمان  ، وضعیت ارتعاشی کلینکر کراشر به صورت ماهانه و از طریق مطالعه انواع اطلاعات ارتعاشی مورد بررسی قرار می­گیرد.

۱-۲- آشکار سازی عیب

طی برنامه روتین پایش وضعیت ارتعاشی، از طریق بررسی منحنی ترند شاخص یاتاقان غلتشی Bearing Condition (BC)، منحنی ترند شاخص (CF) Crest Factor و نیز افزایش دمای یاتاقان، مشخص شد که یکی از یاتاقانهای کراشر در شرایط غیر عادی قرار گرفته است. شکل ۲ الف و ب، به ترتیب منحنی ترند یا روال تغییرات مربوط به این دو شاخص را نشان می­دهد. وجود روند افزایشی در این دو منحنی، واضح است. شایان ذکر است این یاتاقان تا زمان فوق، حدود ۲۸۰۰۰ هزار ساعت، کارکرد داشته است.

پایش وضعیت و عیب یابی یاتاقانشکل ۲- الف- منحنی ترند شاخص وضعیت یاتاقان غلتشی (BC) مربوط به یاتاقان سمت آزاد کراشر

 

پایش وضعیت و عیب یابی یاتاقانشكل ۲- ب- منحنی ترند شاخص قله (CF) ارتعاشات مربوط به یاتاقان سمت آزاد کراشر

 

۲-۲- مطالعه روند رشد عیب از طریق بررسی طیفهای ارتعاشی

پس از تشخیص اولیه وجود عیب، بازه زمانی داده برداری کوتاه­تر شده و وضعیت یاتاقان با مطالعه انواع منحنی­های ارتعاشی، تحت پایش ویژه قرار گرفت. یاتاقان مورد نظر به شماره ۲۴۰۴۴ بوده و سرعت دورانی شفت مربوطه ۳۶۳RPM می­باشد. بر اساس محاسبات انجام شده، فرکانسهای چهارگانه اجزاء یاتاقان فوق، در جدول ۱ درج شده است.

پایش وضعیت و عیب یابی یاتاقان

پایش وضعیت و عیب یابی یاتاقانجدول ۱- فرکانسهای چهارگانه اجزاء یاتاقان سمت آزاد کلینکر کراشر

 

جزئیات منحنی­های استفاده شده برای ارزیابی وضعیت یاتاقان و نتایج بدست آمده، در ادامه مورد بررسی قرار گرفته است.

 

۱-۲-۲- بررسی منحنی سیگنال زمانی یا شکل موج

منحنی سیگنال زمانی (شکل موج) ارتعاش یاتاقان مورد نظر در جهت عمودی، در شکلهای ۳ و ۴ آمده است. شکل شماره ۳ بازه زمانی طولانی­تری را در بر گرفته که در آن، پالسهای ارتعاشی ناشی از آسیب در رینگ داخلی، طی سه دوران متوالی شفت، دیده می­شود. متفاوت بودن دامنه این پالسها طی بازه زمانی نشان داده شده، بواسطه ورود و خروج محل آسیب دیده رینگ داخلی به ناحیه تحت بار[۲] است که به صورت متناوب و طی دوران شفت، رخ می­دهد. پیک با حداکثر دامنه، مربوط به زمانی است که ناحیه آسیب دیده تحت بار قرار می­گیرد (عموماً ناحیه پایین یاتاقان و تحت اثر وزن روتور) و پیک با دامنه حداقل، مربوط به زمانی است که ناحیه آسیب دیده بی بار می­شود (عموماً ناحیه بالای یاتاقان).

پایش وضعیت و عیب یابی یاتاقانشكل ۳- منحنی سیگنال زمانی ارتعاشات یاتاقان سمت آزاد کراشر (طی مدت زمان سه دوران شفت)

 

پایش وضعیت و عیب یابی یاتاقانشکل ۴- منحنی سیگنال زمانی ارتعاشات یاتاقان سمت آزاد کراشر در یک بازه زمانی کوتاه (این منحنی، بزرگنمایی شده ناحیه­ای است که در شکل ۳ با مستطیل مشخص شده است)

 

شکل ۴، منحنی سیگنال زمانی را طی یک بازه زمانی بسیار کوتاه نشان می­دهد که در بر گیرنده دو پالس متوالی ایجاد شده بواسطه عبور غلتک­ها از روی محل عیب بر روی رینگ داخلی می­باشد. این فرکانس، اصطلاحاً فرکانس عبور ساچمه یا غلتک از رینگ داخلی یا به اختصار BPFI Ball Pass Frequency of Inner Race (BPFI) نامیده می­شود (جدول ۱ را ببینید). این فرکانس در شرایط وجود عیب از ناحیه رینگ داخلی یاتاقان، تحریک می­شود.

 

۲-۲-۲- بررسی طیف فرکانسی

آخرین طیف فرکانسی ارتعاش یاتاقان مورد نظر قبل از تعویض، در شکل ۵ آمده است. مؤلفه­های فرکانسی که در این شکل دیده می­شود، مضارب فرکانس ۸۳٫۵Hz (فرکانس عبور غلتک از رینگ داخلی) و هارمونیکهای آن می­باشد که باندهای کناری Side Band سرعت دورانی (۱xRPM) نیز در اطراف آنها وجود دارد. باندهای کناری ۱xRPM، بواسطه تغییرات متناوب دامنه پالسهای ایجاد شده (به دلیل ورود و خروج از ناحیه تحت بار) ایجاد می­شوند (شکل ۳ را ببینید). تحریک مضارب فرکانس رینگ داخلی تا هارمونیک بیستم آن در طیف فرکانسی، به علت نوع آسیب و پالس نسبتاً قوی ایجاده شده در سیگنال زمانی ارتعاشات است.

 

۳-۲-۲- بررسی منحنی پوش ارتعاشات (Envelope)

منحنی پوش یا Envelope ارتعاشات یاتاقان سمت آزاد کراشر در شکل ۶ آمده است. مؤلفه­های فرکانسی که در این شکل دیده می­شود، مضارب فرکانس ۸۳٫۵Hz (فرکانس عبور غلتک از رینگ داخلی) و هارمونیکهای آن می­باشد که باندهای کناری سرعت دورانی (۱xRPM) نیز در اطراف آنها وجود دارد. الگوی این منحنی، مشابه الگوی طیف فرکانسی ارتعاشات است که قبل از این مورد بررسی قرار گرفت.

پایش وضعیت و عیب یابی یاتاقانشکل ۵- طیف فرکانسی ارتعاشات یاتاقان سمت آزاد کراشر در جهت عمودی

 

پایش وضعیت و عیب یابی یاتاقانشکل ۶- منحنی پوش (Envelope) ارتعاشات یاتاقان سمت آزاد کراشر در جهت عمودی

 

۴-۲-۲- جمع بندی نتایج بدست آمده از بررسی انواع منحنی­های ارتعاشی

بررسی الگوی ایجاد شده در انواع منحنی­های ارتعاشی ثبت شده از این یاتاقان، تأیید کننده وجود اشکال از ناحیه رینگ داخلی است. شایان ذکر است که برای این مورد، منحنی شکل موج ارتعاشات، معیار مناسب­تری از شدت عیب می­باشد. علت این موضوع، نوع خرابی رخ داده و پالس نسبتاً قوی ایجاد شده بر اثر آن است که در شکل موج، به وضوح دیده می­شود. هنگامی که از این پالس، طیف فرکانسی بدست می­آید، مضارب متعددی از فرکانس اصلی در آن دیده خواهد شد که دامنه هر یک از آنها به تنهایی، معمولاً خیلی بالا نیست (شکل ۵).

 

۳-۲- نتیجه بازدید از یاتاقان

پس از دمونتاژ یاتاقان مورد نظر در یک فرصت تعمیراتی، مشخص شد که رینگ داخلی یاتاقان دچار آسیب شده است. تصاویر مربوطه در شکل ۷ آمده است.

پایش وضعیت و عیب یابی یاتاقانشكل ۷- تصاویر رینگ داخلی یاتاقان پس از دمونتاژ

 

پس از تعویض یاتاقان، به منظور پیشگیری از وقوع مجدد این خرابی، نوع خرابی و علت ایجاد آن مورد بررسی قرار گرفت. نتایج بدست آمده، در بخش بعدی این مقاله آمده است.

 

۴-۲- عیب یابی ریشه­ای خرابی Root Cause Failure Analysis یاتاقان کلینکر کراشر با هدف جلوگیری از بروز مجدد

بر اساس استاندارد [۹] ISO 15243 و مقایسه تصاویر مرجع موجود در این استاندارد با اجزای آسیب دیده یاتاقان مورد نظر (شكل ۷)، مشخص می­شود که خرابی به وجود آمده، ترکیبی از دو خرابی زیر می­باشد:

۱-   آسیب دیدگی سطح نشيمنگاه رینگ داخلی از نوع خوردگی و سطحیFretting Corrosion (شكل ۷ الف)

۲-   ایجاد ترک Crack or Fracture یا شکست بر روی رینگ داخلی (شکل ۷ب)

خوردگی سطحی نوعی آسیب سطحی در اجزای یاتاقان است که با علایمی همچون زنگ زدگی و سایش سطوح و تغییر رنگ ناشی از آن، قابل شناسایی می­باشد. جابجایی (لغزش) سطوح بر روی یکدیگر و تماس فلز با فلز ناشی از آن، عامل ایجاد این نوع از آسیب می­باشد. عوامل ایجاد و تشدید در این خصوص عبارتند از :

  • نصب و تنظیمات نامناسب لقي
  • کیفیت و لقی نامناسب یاتاقان و بوش آن
  • اعمال بارهای نوسانی به یاتاقان
  • روانکاری نامناسب

ایجاد ترک بصورت عرضی و یا طولی در اجزای یاتاقان (رینگ داخلی و یا رینگ خارجی) نیز نوعی از آسیب جدی است که مهم­ترین عوامل بروز آن عبارتند از:

  • لغزش یا چرخش یاتاقان درون هوزینگ
  • چرخش رینگ داخلی بر روی شفت
  • روانکاری نامناسب
  • کم بودن بیش از حد لقی بین یاتاقان و شفت

یاتاقان آسیب دیده یک یاتاقان شعاعی با غلتک­های بشکه­ای دو ردیفه به شماره ۲۴۰۴۴C3W33/CAK30 می­باشد. حرف K در این شماره گذاری، نشان دهنده مخروطی بودن رینگ داخلی یاتاقان می­باشد. لذا جهت نصب این یاتاقان بر روی شفت، از یک واسطه[۳] یا بوش مخروطی استفاده می­شود. شایان ذکر است این یاتاقان توسط پیمانکار سازنده کارخانه و در زمان نصب کارخانه، مورد استفاده قرار گرفته است. بررسی مشخصات یاتاقان و بوش نصب شده نشان می­دهد که هر دو آنها، محصول یک سازنده چینی به نام TWB می­باشند.

بوش مورد استفاده در این مدل یاتاقان­ها على رغم قیمت نسبتاً پائین، به دو دلیل، بسیار حایز اهمیت می­باشد. اول اینکه بوش­ها تاثیر مستقیمی در ثابت نگه داشتن یاتاقان و شفت نسبت به یکدیگر داشته و مانع از چرخش یاتاقان و لغزش حاصل از آن می­شوند. دوم اینکه با توجه به مخروطی بودن و وجود یک شیار طولی بر روی بوش­ها و ضرورت رعایت تلرانس­های دقیق، ساخت این قطعه بسیار دشوار به شمار می­رود. از این رو توصیه فنی کارشناسان یاتاقان آن است که در خرید بوش­ها، حساسیت به مراتب بیشتری نسبت به سایر قطعات از قبیل یاتاقان بکار رفته و حتماً بوش از سازندگان معتبر تامین شود.

در مجموع با بررسی موارد طرح شده در این بخش، برای خرابی رخ داده دو احتمال را به عنوان علت ریشه­ای می­توان در نظر گرفت:

۱- نصب و تنظیمات ناصحیح، منجر به لغزش رینگ داخلی، بوش و شفت نسبت به یکدیگر شده که این امر، منجر به بروز خوردگی سطحی و در نهایت، خرابی و شکست شده است. البته با توجه به اینکه در چنین مواردی، علایم خرابی مرتبط با نصب ناصحیح به فاصله کوتاهی پس از استارت اولیه، خود را نشان می­دهند، بنابراین بروز خرابی پس از حدود ۲۸۰۰۰ ساعت کار کرد، نمی­تواند ناشی از نصب و تنظیمات اولیه ناصحیح باشد یا دست کم، علت اصلی خرابی، این موضوع نیست.

٢- وجود بارهای ضربه­ای در کراشر (با توجه به ماهیت کارکرد آن)، به مرور زمان منجر به بروز لقی مکانیکی شده که این موضوع، منجر به آسیب سطحی شفت (Fretting) و ناحیه داخلی رینگ داخلی که روی شفت قرار می­گیرد، شده است. نهایتاً رشد این عیب، منجر به ترک خوردن رینگ داخلی گردیده است. کیفیت نامناسب یاتاقان و اجزاء آن (به ویژه بوش) را می­توان عامل تسریع کننده خرابی بر شمرد.

٣- امکان اینکه برنامه روتین روانکاری نیز در ایجاد یا تسریع روند خرابی نقش داشته باشد، وجود دارد.

شایان ذکر است بارهای ضربه­ای، ناشی از برخورد چکشهای نصب شده روی روتور کراشر با قطعات کلینکر ورودی به آن بوده و جزو لاینفک کارکرد کراشر بشمار می­رود. لذا برای جلوگیری از وقوع خرابی­های مشابه، موارد ذیل قابل پیشنهاد است:

۱٫ برای تجهیزات حساسی چون کراشر، لازم است از یاتاقان با کیفیت مرغوب­تر (ترجیحاً از سازندگان معتبری همچونSKF)، استفاده شود. این موضوع در خصوص اجزاء جانبی مانند بوش نیز باید رعایت شود.

۲٫ لازم است تا یاتاقان این تجهیز به روش صحیح نصب شده و تولرانسهای نصب آن، با حساسیت ویژه­ای رعایت گردد. همچنین با توجه به شرایط کاری و مجاورت با تجهیزات دما بالا، تدوین و اجرای روتین یک برنامه روانکاری مهندسی شده برای این تجهیز، بسیار حیاتی است.

 

٣- نتیجه­گیری

پایش وضعیت ارتعاشی تجهیزات دوار، از جمله اقدامات ضروری است که در یک برنامه نگهداری و تعمیرات پیشرو به اجرا در می­آید. یکی از اهداف این پایش، ارزیابی وضعیت و عیب­یابی اجزاء یاتاقانهای غلتشی می­باشد. پس از شناسایی به موقع وجود آسیب در اجزاء یاتاقان، وضعیت آن تحت پایش ويژه در آمده و سپس در یک فرصت زمانی مناسب، یاتاقان تعویض می­گردد. برای جلوگیری از وقوع مجدد عیب، می­توان با مطالعه الگوی خرابی و شناسایی علل ریشه­ای ایجاد آن، سعی در رفع علل ریشه­ای را در دستور کار قرار داد. در این مقاله، یک مورد کاوی از تشخیص به موقع خرابی یاتاقان کلینکر کراشر در یک کارخانه سیمان مورد بررسی قرار گرفت. استفاده از انواع منحنی­های ارتعاشی برای ارزیابی وضعیت دقیق­تر و انجام تحلیل ریشه­ای خرابی پس از تعویض یاتاقان، موضوعی است که در این مقاله مورد تأکید قرار گرفته است.

منبع: حسین وروانی فراهانی، حسین غلامزاده ثانی، علیرضا رضایی ” پایش وضعیت و عیب یابی ریشه­ای یاتاقانهای کلینکر کراشر در یک کارخانه سیمان ” هشتمین کنفرانس تخصصی پایش وضعیت و عیب یابی ماشین آلات ایران، دانشگاه صنعتی شریف، اسفند ۱۳۹۲

[۱] . Fast Fourier Transform

[۲] . Load Zone

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.