آنالیز ارتعاشات گیربکس

در این مقاله آنالیز ارتعاشات گیربکس یک جرثقیل سقفی ۲۷۰تنی مورد ارزیابی می­شود که اولاً ماهیت ساختاری تجهیز نسبتاً پیچیده میباشد، ثانياً روابط تدوین شده ­ای جهت محاسبه فرکانس­ های نیرویی در دسترس نیست و ثالثاً تجهیز دارای عیوبی است که به دلیل پایین بودن سطح انرژی، فرکانس ­های آن عیوب در طيف ارتعاشات دارای مقدار بالایی نیستند.

در گیربکس­ های خورشیدی به دلیل اینکه امکان چرخش چهار عضو مختلف شامل چرخدنده­ های خورشید، سیاره، رینگ و همچنین بازو وجود دارد تحلیل فرکانسی آنها به سادگی تجهیزات دوار دیگر نمی باشد.

در این تجهیز به دلیل استفاده از دو موتور و به کار بردن یک گیربکس خورشیدی داخل گیربکس اصلی همچنین الزومات طراحی به منظور تامین ایمنی بیشتر، مجموعه این عوامل باعث شده بود که این تجهیز ساختار نسبتاً پیچیده ­ای داشته باشد و تجزیه و تحلیل آن نیز چالش برانگیزتر باشد.

این تجهیز در حالت های مختلفی کار میکرد. بنابراین این مسئله باعث میشد که هم داده برداری و هم آنالیز آن نسبتاً مشکل تر باشد.

همچنین قرار گرفتن گیربکس خورشیدی در داخل گیربکس اصلی باعث میشد که دسترسی مناسبی به نقاط حساس جهت اندازه­ گیری وجود نداشته باشد.

مشخصات فنی جرثقیل سقفی ۲۷۰تنی

ماشین مورد نظر یک گیربکس کاهنده است که بر روی یک جرثقیل متحرک سقفی ۲۷۰ تنی نصب شده است .

و وظیفه تامین گشتاور لازم جهت چرخش قرقره بالابر (و پایین‌بر) پاتیل فولاد مذاب را به عهده دارد.

از آنجا که پاتیل مذاب باید به آهستگی حرکت کند، نسبت تبدیل دور این گیربکس به شدت کاهنده است.

محرک ­های این سیستم مطابق شماتیک شکل (۱) دو موتور 230KW با سرعت 1000RPM است که توسط یک گیربکس خورشیدی (Epicyclic Gearbox) در داخل گیربکس اصلی به سرعت 200RPM تبدیل شده و پس از آن طی چهار مرحله انتقال قدرت توسط چرخدنده ­های مورب، سرعت خروجی گیربکس در حدود 6RPM به دست می­ آید.

شکل 1: شماتیک سیستم محرک بالابر جرثقیل

کارکرد این سیستم به گونه ­ای است که در سه حالت مختلف می تواند کار بکند.

در دو حالت موتورهای شمالی و جنوبی به تنهایی کار کرده و در حالت سوم هر دو موتور به صورت همزمان کار می کنند.

در حالتی که موتور شمالی به تنهایی کار میکند در مجموعه گیربکس خورشیدی (Epicyclic Gearbox) چرخدنده طوقی (Ring Gear) ثابت و بقیه اجزا شامل چرخدنده خورشید ( Sun Gear ) ، سه چرخدنده سیاره (Planet Gear) و بازو (Carrier) متحرک هستند، یعنی آرایش آن به صورت سیاره ­ای (Planetary) می باشد.

در حالتی که فقط موتور جنوبی کار میکند مانند آنچه در شکل (۱) نشان داده شده است، بواسطه یک چرخدنده مورب که با چرخدنده بیرونی چرخدنده طوقی درگیر است (طوق از دو طرف دندانه ­دار است) گشتاور منتقل شده و در این حالت چرخدنده خورشیدی ثابت و بقیه اجزاء متحرک هستند و آرایش آن به صورت منظومه ­ای (Solar) خواهد بود.

در حالت سوم که هر دو موتور کار میکنند، تمامی اجزاء متحرک هستند و دور خروجی گیربکس خورشیدی حاصل جمع هر یک از دو حالت فوق یعنی در حدود 400RPM میباشد.

نقشه گیربکس خورشیدی در شکل (۲) نشان داده شده است.

شکل (۲) نقشه گیربکس خورشیدی

معرفی مشکل جرثقیل سقفی ۲۷۰تنی

در یکی از بازرسی های دوره­ای، فرد بازرس برغم وجود صدای زیاد محیط که عمدتاً ناشی از انجام قوس الکتریکی در کوره­ ها است، از داخل مجموعه گیربکس صدای غیرطبیعی را تشخیص داد.

به دلیل حساسیت زیاد، تجهیز فوراً مورد بازرسی­ های ویژه قرار گرفت. حساسیت زیاد آن به دلیل اهمیت آن در خط تولید بود و مهم تر آنکه به دلیل نداشتن سیستم حفاظت ترمزی در صورتی که گیربکس دچار مشکلاتی از قبیل شکسته شدن چرخدنده­ ها یا بریدن شافت میشد، افتادن پاتیل مذاب یک امر حتمی بود. رها شدن پاتیل حاوی ۲۰۰ تن مذاب به معنی یک فاجعه ایمنی میباشد به علاوه آنکه باعث تخریب بخش قابل توجهی از خط تولید خواهد شد. بازرسی­ های ویژه شامل آزمایش های ارتعاشات بود.

اندازه ­گیری ارتعاش در آنالیز ارتعاشات گیربکس

داده ­های ارتعاشی ورودی گیربکس در جهت محوری در جدول (۱) نشان داده شده است.

به دلیل بزرگتر بودن دامنه ارتعاشات در آرایش سیاره ­ای نسبت به آرایش های دیگر، طيف ارتعاشات متناظر آن در شکل (۳) نشان داده شده است.

جدول 1: دامنه ارتعاشات در فرکانس ­های غالب حالت های مختلف

شکل ۳. طيف ارتعاشات پیرینگ ورودی گیربکس از سمت موتور شمالی در جهت محوری در حالت سیاره ­ای – فرکانس 240HZ (14400 CPM) به همراه هارمونیک­ های آن تحریک شده ­اند.

محاسبه فرکانس ها در آنالیز ارتعاشات گیربکس

به منظور عیب­ یابی و آنالیز ارتعاشات گیربکس طیف ­های ارتعاشی مورد آنالیز قرار گرفت.

جهت تعیین فرکانس ­های تحریک شده باید، عيوب محتمل مورد تحلیل قرار می­گرفت.

از آنجایی که این مجموعه شامل چرخدنده ­ها و بیرینگ­ های متعددی بود، لازم بود حجم زیادی از فرکانس ها در آنالیز ارتعاشات گیربکس مورد محاسبه قرار بگیرد.

جهت کمتر شدن محاسبات از تحلیل شکلی طيف ارتعاشات در آنالیز ارتعاشات گیربکس کمک گرفته شد.

بدین صورت که با توجه به نوع ارتعاشات گیربکس می­توان حدس زد که فرکانس­ های تحریک شده عمدتاً مربوط به فرکانس های شبکه چرخدنده و سرعت­های چرخش میباشد.

در ابتدا فرکانس های چرخدنده ­های ساده بر اساس رابطه (۱) محاسبه شدند.

نتیجه این محاسبات به همراه مشخصات اصلی چرخدنده­ های موجود در جدول (۲) نشان داده شده ­اند.

جدول ۲: فرکانس ­های اصلی چرخدنده ­های گیربکس

در جدول (۲) فرکانس های چرخدنده­ های گیربکس خورشیدی نشان داده نشده ­اند زیرا که این مجموعه در حالت های مختلفی کار میکند.

بر اساس اطلاعات موجود فرکانس های این مجموعه در آرایش سیاره ­ای به صورت زیر محاسبه میشوند.

محاسبات حالت­ های دیگر شامل منظومه ­ای و ترکیبی به دلیل اهمیت کمتر آنها در عیب ­یابی , آنالیز ارتعاشات گیربکس ، در انتها ذکر شده است.

در روابط زیر NS، NP و NR به ترتیب تعداد دندانه ­های چرخدنده ­های خورشیدی، سیاره و طوقی بوده و fS، fP و fR به همان ترتیب سرعت چرخش همان چرخدنده­ ها میباشند و fC نیز مربوط به سرعت چرخش بازو است.

محاسبات فوق به همراه محاسبات انجام شده در بخش (۱۰)، در جدول (۳) نمایش داده شده است.

جدول ۳. فرکانس ­های محاسبه شده گیربکس خورشیدی

• در بررسی آنالیز ارتعاشات گیربکس و مقایسه جداول (۱) و (۲) نشان میدهد ارتعاشات فرکانس 21000cpm مربوط به شبکه چرخدنده ورودی از سمت موتور جنوبی است که علاوه بر آن فرکانس های زیر هارمونیک آن یعنی 7000cpm و 10500 نیز تحریک شده ­اند.
• در بررسی آنالیز ارتعاشات گیربکس و مقایسه جداول (۱) و (۳) نشان میدهد ارتعاشات فرکانس شبکه چرخدنده در هر سه حالت تحریک شده است در حالت اول یعنی در حالتی که موتور شمالی به تنهایی کار میکند هارمونیک­ های این فرکانس نیز تحریک شده ­اند یعنی 43200,28800,14400 cpm

آنالیز ارتعاشات گیربکس

در گیربکس­ ها اغلب عواملی از قبیل افزایش لقی­ ها، به هم خوردن همراستایی­ ها و سایر عدم تنظیمات باعث افزایش دامنه ارتعاشات در فرکانس شبکه چرخدنده (Gear Mesh Frequency) میشود.

در حالتی که گیربکس در حالت سیاره ­ای کار میکند هم دامنه ارتعاشات فرکانس مذکور یعنی14400cpm  بزرگتر است و هم هارمونیک ­های آن تحریک شده ­اند.

باتوجه به اینکه در این حالت کارکرد، چرخدنده خورشیدی در حال چرخش است باید به دنبال تشخیص عیوبی بود که فرکانس شبکه چرخدنده (GMF) را تحریک مینماید.

با توجه به تحریک نشدن فرکانس های خرابی چرخدنده ­ها مشکل اصلی میتوانست در کارکرد خارج از مرکز شافت حاوی چرخدنده خورشیدی باشد.

از آنجایی که تعادل این شافت توسط یک بیرینگ و یک کوپلینگ میانی تامین میشد، ساییدگی یا زیاد بودن کلیرانس هریک از دو مورد اخیر میتوانست باعث تحریک فرکانس شبکه چرخدنده شود.

بازرسی گیربکس دمونتاژ شده در تعمیرگاه

پس از دمونتاژ گیربکس در تعمیرگاه موارد زیر (که در حین کارکرد قابلیت ایجاد ارتعاشات و نویز را داشتند) رویت شدند.

مادگی کوپلینگ میانی (به شکل (۲) دقت شود) دچار ساییدگی به میزان 0.4mm شده بود. کوپلینگ ساییده شده در شکل (۷) نشان داده شده است.

همانگونه که پیشتر گفته شد وجود این لقی میتوانست حرکت شافت حامل چرخدنده خورشیدی را خارج از مرکز کند و در آرایش سیاره ­ای فرکانس 14400cpm را تحریک کند.

پینیون و چرخدنده ورودی گیربکس از سمت موتور جنوبی مانند آنچه در شکل (۸) نشان داده شده است دچار ساییدگی جزیی به صورت سایه وار شده بودند که این موضوع به صورت تحریک فرکانس شبکه دنده که معادل 21000cpm بود در هر دو تست ارتعاشات و انتشار امواج اندازه­ گیری و نشان داده شده بود.

پینیون ابزار دقیقی دچار ساییدگی شده بود که می­توانسته است فرکانس 4300cpm را تحریک نماید و فقط در تست انتشار امواج قابل رویت بود. پینیون و چرخدنده جدا شده در شکل (۹) نشان داده شده ­اند.

آنالیز ارتعاشات گیربکس پس از تعویض گیربکس

پس از تعویض گیربکس، دامنه ارتعاشات بالاخص در آرایش سیاره ­ای یعنی حالتی که موتور شمالی به تنهایی کار میکند کاهش یافت.

آنالیز ارتعاشات گیربکس به کمک داده­ های ارتعاشی قبل و پس از تعمیرات جهت مقایسه در جدول (۴) نشان داده شده است.

جدول ۴: دامنه ارتعاشات گیربکس در تاریخ های مختلف – در حالتی که موتور شمالی به تنهایی کار میکند

منبع: محمد مهدی انصاری، حمید احمدی، محسن كفيل، ” کاربرد آنالیز ارتعاشات در عیب‌یابی گیربکس جرثقیل سقفی ۲۷۰تنی واحد سبا”، هفتمین کنفرانس تخصصی پایش وضعیت و عیب یابی ماشین آلات، ایران، جزیره کیش، دانشگاه صنعتی شریف، پردیس بین‌الملل، اسفند ۱۳۹۱