آسیاب­های غلتکی عمودی ATOX45 ساخت شرکت F.L.SMIDTH دانمارک به دلیل سطح کارایی بسیار خوب در بسیاری از موارد، مورد قبول واقع می­شوند. در شکل ۱ آسیاب غلتکی ATOX45 نشان داده شده است. این نوع آسیاب شامل سه غلتک هر کدام به وزن ۳۰ تن، قطر 7/2 متر و پهنای 9/0 متر می­باشد که در داخل هر غلتک یک بیرینگ غلتشی استوانه­ای تک ردیفه Single row cylindrical roller bearing و یک بیرینگ غلتشی بشکه­ای دو ردیفه Double row spherical roller bearing قرار دارد. شکل ۲ غلتک آسیاب مواد  کارخانه سیمانبه همراه بیرینگ­های آن را نشان می­دهد. مشخصات بیرینگ­ها در جدول ۱ آورده شده است.

شکل 1: آسیاب غلتکی ATOX45 ساخت شرکت F.L.SM IDTH

شکل ۲: غلتک آسیاب مواد  کارخانه سیمانو بیرینگ­های آن

جدول ۱: مشخصات بیرینگ­های غلتک آسیاب مواد  کارخانه سیمان

در آسیاب ATOX برای خرد و آسیاب کردن مواد خام از فشار و ایجاد ترک در موادی که بین غلتک­ها و سینی سایش در حال چرخش قرار دارند، استفاده می­شود. در این نوع آسیاب به دلیل استفاده از میدان سایش افقی، نیروی ثقل غلتک­ها و جهت حرکت مواد فشارهای طولی، عرضی و شعاعی زیادی بر بیرینگ­ها وارد می­شود. در صورت خرابی بیرینگ­ها و در نتیجه خرابی غلتک از آنجاییکه عموما برای غلتک­ها یدکی وجود ندارد و حتی در صورت وجود یدکی، مراحل تعویض هر غلتک حداقل یک هفته به طول می­انجامد که علیرغم هزینه­های زیاد تعمیرات و شوک حرارتی به نسوزکاری کوره، اتمام ذخیره مواد در ۳۰ ساعت اول، ضرر و زیان ناشی از قطع تولید و از دست دادن موقعیت­های فروش با توجه به رقابتی بودن بازار و عدم فروش پیوسته را در بر خواهد داشت که این موارد اهمیت لزوم پایش وضعیت این نوع بیرینگ­ها را آشکار می­سازد. با توجه به دستورالعمل نت شرکت سازنده (FLSmidth) موارد زیر می­تواند از علائم خرابی بیرینگ­های یک غلتک باشد:

1- افزایش دمای روغن برگشتی فقط از یک غلتک

۲- وجود ذرات فلزی در نمونه روغن آنالیز شده

۳- افزایش دفعات انسداد فیلتر روغن به واسطه ذرات فلزی حاصل از سایش.

در آسیاب مواد ATOX 45 خط ۱  کارخانه سیمانافزایش دما در روغن برگشتی از غلتک شماره ۲ از طریق پنل کنترل اتوماتیک مشاهده گردید (شکل3) که می­توانست نشانه­ای از خرابی بیرینگ­های آن باشد. برای حصول اطمینان، وضعیت بیرینگ­های این غلتک از طریق تکنیک آنالیز روغن مورد پایش قرار گرفت.

شکل 3: پنل کنترل اتوماتیک روانکاری بیرینگ غلتک­ها

پایش وضعیت از طریق آنالیز روغن آسیاب سیمان

روش­های متعددی برای پایش وضعیت ابداع و متداول شده است. در حال حاضر آنالیز روغن و آنالیز ارتعاشات دو تکنیک اصلی هستند که بصورت گسترده در پایش وضعیت تجهیزات ماشین آلات به کار گرفته می­شوند. در پایش وضعیت بیرینگهای غلتشی بزرگ با سرعت پایین و بار زیاد، به علت پایین بودن فرکانس­های چرخش و محدودیت حسگرهای رایج در صنعت در جمع­آوری سیگنال­ها، از آنالیز ارتعاشات نمی­توان استفاده نمود. علاوه بر این، در پایش وضعیت بیرینگ­های غلتک آسیاب به علت شرایط خاص در زمان کارکرد آسیاب، امکان ارتعاش سنجی وجود ندارد. از نقطه نظر روانکاری، مهمترین بخش آسیاب­های عمودی روانکاری غلتک­ها است، بنابراین پایش منظم روغن برای افرایش طول عمر بیرینگ­ها الزامی است. از آنجاییکه شرایط عملکرد غلتک­ها دمای بالا، بار زیاد و عمر طولانی است از سیستم روانکاری گردشی روغن­های سنتتیک با گرانروی بالا (۱۰۰۰ سانتی استوک) استفاده می­شود. در آسیاب هنگامی که سینی سایش که محل قرار گرفتن مواد است با غلتک تماس پیدا می­کند به واسطه چرخش سینی، غلتک چرخیده و در این حالت مقدار زیادی از روغن در بیرینگ­ها توزیع می­شود که علیرغم خنک کردن آنها مواد حاصل از سایش و آلودگی­ها را خارج نموده و به سمت فیلتر هدایت می­کند. با نمونه­گیری متناوب از روغن و آنالیز آن می­توان هر گونه تغییر وضعیت روغن و غلتک را در مراحل اولیه شناسایی و قبل از پیشرفت و توسعه خرابی و رسیدن به مرحله بحرانی اقدامات پیشگیرانه لازم و یا برنامه­ریزی تعمیرات در زمان مناسب را انجام داد. همچنین با تجزیه و تحلیل ذرات موجود در روغن از نظر اندازه، رنگ، شکل و تراکم، شناسایی نوع و محل عیوب به راحتی میسر می­گردد.

نمونه­گیری و آنالیز روغن آسیاب سیمان

نمونه­گیری ساده­ترین مرحله اجرای برنامه آنالیز روغن می­باشد ولی اهمیت آن به حدی است که در صورت عدم رعایت اصول نمونه­گیری، نتایج آزمایش­ها هر چند دقيق فاقد اعتبار می­گردد. با توجه به این که مقدار بسیار کمی از روغن (حدود ۱۰۰ میلی لیتر) ملاک قضاوت و ارزیابی آزمایشگاه­ها، برای شناسایی وضعیت کل روغن و نیز وضعیت فرسایش دستگاه قرار خواهد گرفت، لذا نمونه روغنی که برای آزمایش برداشته می­شود باید نماینده واقعی کل سیستم باشد. در پایش وضعیت، روانکار صرفا انتقال دهنده اطلاعاتی است که توسط تجهیز به شکل آلودگی و یا ذرات فرسایشی ایجاد شده است. در این پروژه نمونه­گیری از نقطه­ای در مسیر روغن برگشتی از غلتک شماره ۲ و قبل از فیلتر انجام شده است.

آزمایش­های آنالیز روغن آسیاب سیمان

آزمایش­ها و اطلاعات حاصل از آنالیز روغن به طور کلی به سه دسته تقسیم می­شوند:

الف) آزمایش­ها و اطلاعات مربوط به خواص فیزیکی، شیمیایی و افزودنی­های روغن

ب) آزمایش­ها و اطلاعات ذرات فرسایشی جهت نظارت بر وضعیت سیستم

ج) آزمایش­ها و اطلاعات کنترل آلودگی

اصولا پدیده فرسایش امری اجتناب­ناپذیر است. در فرسایش عادی ذرات فرسایشی بسیار ریز و دارای تراکم پایین می­باشند. در حالی که در مراحل اولیه افزایش فرسایش، تراکم ذرات ریز زیاد شده و در صورت عدم اطلاع و رفع علت، فرسایش تدریجا به حالت غیرعادی درآمده و ذرات فرسایشی در اندازه­های بزرگ­تر تولید خواهد کرد. مهمترین وظیفه تکنیک آنالیز روغن تشخیص شروع تغییر روند فرسایش قبل از فرسایش غیرعادی است. لذا با انجام آنالیزهای فرسایشی علاوه بر نوع و میزان فرسایش عناصری مانند Fe و Cu و … می­توان به عامل ایجاد فرسایش پی برد و با اتخاذ تدابیر مناسب و به موقع از پشرفت خرابی جلوگیری نموده و به میزان قابل توجهی هزینه­های نت را کاهش داد. روش­های متعددی جهت آزمایش روغن و استخراج اطلاعات مربوط به ذرات فرسایشی وجود دارد. هر کدام از این روش­ها حوزه تشخیص معینی دارد که در ادامه به اجمال به برخی از آن­ها که در پایش وضعیت بیرینگ­های غلتک مورد استفاده قرار گرفته است اشاره می­گردد.

آنالیز روغن آسیاب سیمان: اسپکتروسکوپی) (AES Atomic Emission Spectroscopy

به کمک تکنیک اسپکتروسکوپی می­توان اکثر عناصر فلزی و غیر فلزی موجود در روغن را بر حسب قسمت در میلیون (ppm) اندازه­گیری نمود. اکثر آزمایشگاههای روغن تا بیش از ۲۰ عنصر را می­توانند اندازه­گیری کنند. روش اسپکتروسکوپی از نظر اندازه ذرات دارای محدودیت می­باشد. فلزات معلق و حل شونده تا حدود ۲ میکرون با دقت بالایی شناسایی می­شوند. با افزایش اندازه ذرات تا ۵ میکرون دقت کاهش می­یابد و برای ذرات بزرگتر از ۵ میکرون، تراكم عناصر به میزان قابل توجهی کمتر از مقدار واقعی شناسایی می­شود. به جزء فرسایش سیلیس در بقیه موارد ورود به حوزه فرسایش غیرعادی از ۲۵ میکرون شروع می­شود و با توجه به حوزه تشخیص اسپکتروسکوپی این روش جهت تشخیص خروج از مرحله فرسایش عادی ابزار مناسبی نمی­باشد. با این وجود اسپکتروسکوپی تکنیکی قدرتمند برای شناسایی سریع ذرات و پیش بینی پتانسیل فرسایش سیستم است. اعدادی که بوسیله این روش گزارش می­شود به تنهایی مهم نیست، چیزی که اهمیت دارد افزایش یا تغییرات زیاد در این اعداد است.

آنالیز روغن آسیاب سیمان: شاخص ذرات درشت آهنی(PQ)  Particle Quantifier

افزایش در تعداد ذرات بزرگ با خاصیت آهنی، معمولا نشان دهنده وجود شرایط فرسایش است و باید به عنوان یک هشدار برای خرابی در شرف اتفاق رسیدگی شود. تکنیک P.Q گستره وسیعی از کمتر از 1 میکرون تا بیش از ۱۰۰ میکرون را تحت پوشش قرار می­دهد.

آنالیز روغن آسیاب سیمان: تراکم ذرات (PD) Particle Density

در این آزمایش با عبور روغن از جلوی نور لیزر تعداد ذرات جامد معلق در اندازه­های مختلف در یک میلی لیتر روغن شناسایی و شمارش می­گردد. نتایج در قالب کدهای استاندارد سطح تمیزی (استاندارد ISO 4406 و یا NAS 1638) بر اساس اندازه ذرات ۲، ۵ و ۱۵ میکرون اعلام می­گردد. هر چه کد بزرگتر باشد به معنی آلودگی بیشتر است و بالعکس. شکل ۴ نشان می­دهد که چگونه با افزایش میزان فرسایش، اندازه و تراکم ذرات فرسایشی در روغن افزایش می­یابد.

شکل 4: چگونگی وابستگی گسترش فرسایش با غلظت ذرات فرسایشی

آنالیز روغن آسیاب سیمان: فروگرافی مشاهداتی (AF) Analytical Ferrography

معمولا پس از این که از نتایج آزمایش­های اولیه وضعیت مشکوکی ملاحظه شود، از روش فرو گرافی مشاهداتی استفاده می­گردد. در این تکنیک ذرات فلزی درون روغن را بر روی یک اسلاید شیشه­ای رسوب داده و با مشاهده آنها بوسیله میکروسکوپ نوری اطلاعات بسیار جالبی در خصوص شکل ذرات، اندازه آنها (کمتر از 1 میکرون تا ۲۵۰ میکرون) و میزان تراکم به دست می­آید و با ملاحظه نتایج سایر آزمایش­ها می­توان نوع فرسایش (خوردگی، خستگی، سایشی و …) و نیز در برخی موارد با اطلاع از متالوژی قطعات، محل وقوع فرسایش را شناسایی نمود.

تکنیک­های ارزیابی سیستم با استفاده از نتایج آنالیز روغن آسیاب سیمان

مقادیر مطلق (Absolute Value)

در این روش از مقادیری که شرکت سازنده برای میزان ذرات تعیین کرده است استفاده می­شود.

روند تغییرات مقادیر (TREND)

در این روش مقدار ذرات یک عنصر که درون نمونه روغن وجود دارد حائز اهمیت است. یعنی با توجه به روند تغییرات مقدار ذره موجود در روغن است که تشخیص می­دهیم وجود عنصر حاکی از وجود خطر در سیستم می­باشد. برای تصمیم در تکنیک ترند بایستی حداقل چند نمونه آزمایش داشته باشیم تا رفتار فرسایشی دستگاه بدست آید. شیپ نمودار ترند یا تانژانت آن شدت فرسایش را نشان می­دهد. هر چه شیب بیشتر باشد شدت فرسایش بیشتر خواهد بود.

تحلیل نتایج حاصل از آنالیز روغن آسیاب سیمان و نتیجه­گیری

قبل از شروع هر برنامه پایش وضعیت از طریق آنالیز روغن، لازم است که دقیقا شرایط روغن نو را داشته باشیم که این کار در  کارخانه سیمانهنگام ورود روغن نو به کارخانه جهت حصول اطمینان از کیفیت صورت می­پذیرد. به محض مشاهده افزایش دمای روغن برگشتی از غلتک ۲ در مقایسه با دو غلتک دیگر ذرات فرسایشی موجود در روغن در دو دوره شش ماهه کارکرد مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج آزمایش اسپکتروسکوپی مربوط به عناصر فرسایشی آهن و مس در جدول ۲ و ترند آنها در شکل ۵ نشان داده شده است.

جدول ۲: عناصر فرسایشی موجود در روغن­های نو و کارکرده

شكل ۵: ترند عناصر فرسایشی و شاخص فرسایش

همان­طور که در نمودار ترند مشخص است میزان عناصر فرسایشی Fe و Cu ریز کوچکتر از ۵ میکرون موجود در روغن سیر صعودی دارد اما باید توجه نمود که در تکنیک ترند آنچه اهمیت دارد شیب نمودار است. شیب یکنواخت نشانگر روند نرمال فرسایش است و تهدیدی جدی برای سیستم محسوب نمی­گردد. اما این نتیجه نباید گمراه­کننده باشد زیرا عموما افزایش در تعداد ذرات بزرگ با خاصیت آهنی است که خبر از فرسایش غیرعادی می­دهد. به همین دلیل برای ارزیابی روند تولید ذرات درشت فرسایشی با خاصیت آهنی شاخص P.Q در هر دو دوره مورد اندازه­گیری قرار گرفت. این شاخص در دوره شش ماهه اول عدد ۳۰ و در شش ماهه دوم عدد ۱۹۶ را نشان می­دهد که ترند آن در شکل ۵ نشان داده شده است. این ترند حکایت از افزایش تولید ذرات درشت و احتمال آغاز فرسایش غیرعادی سیستم دارد. برای حصول اطمینان از نتایج آزمایش P.Q و همچنین مشخص کردن تراکم و نوع ذرات فرسایشی با اندازه­های مختلف، آزمایش فروگرافی نیز انجام شد که فروگرام­های حاصله در شکلهای ۶ و ۷ نشان داده شده است.

شکل ۶: فروگرام­های نشان دهنده تراکم ذرات فلزی در نمونه روغن کارکرده در شش ماهه اول

شكل ۷: فروگرام­های نشان دهنده تراکم ذرات فلزی در نمونه روغن کارکرده در شش ماهه دوم

همان­طور که در فروگرام­های به دست آمده مشاهده می­گردد تراکم و نوع ذرات بزرگ و بسیار بزرگ فرسایشی غیرعادی است. تعداد ذرات ریز و درشت فرسایشی غیرآهنی به صورت نگران کننده بالا بوده و احتمال فرسایش غیرعادی در قطعات آلیاژ مس وجود دارد.

به منظور تعیین سطح تمیزی، آزمایش P.D نیز روی نمونه روغن انجام گرفت که سطح تمیزی ISO 4406 بر اساس اندازه ذرات ۲، ۵ و ۱۵ میکرون کد26/25/OR [1]  (O.R= Out of Range) گزارش شده است. سطح تمیزی برای ذرات بزرگتر از ۱۵ میکرون به شدت پایین و بحرانی است که خبر از فرسایش غیرعادی دارد. در شکل ۸ نتایج آزمایش P.D نشان داده شده است.

شکل ۸: نتایج آزمایش P.D روی نمونه روغن کارکرده در شش ماه دوم به منظور تعیین سطح تمیزی

با استناد به نتایج آزمایش­های انجام گرفته و اطلاع از متالوژی بیرینگ­ها پیش­بینی گردید رولرها، رینگ داخلی و خارجی بیرینگ­ها که از جنس فولاد (آلیاژ آهن) بوده و همچنین قفسه بيرينگ­ها که از جنس برنج (آلیاژ مس) است در معرض فرسایش غیرعادی قرار دارند. ذرات فرسایشی ایجاد شده در شرایط تماس غلتشی خود می­توانند منجر به خستگی سطح، حفره و کنده شدن بیشتر مواد شوند  در نهایت با در نظر گرفتن موارد فوق به منظور جلوگیری از پیشرفت و توسعه خرابی، از سوی واحد دفتر فنی (مجری برنامه OCM) به طور موکد اعلام گردید که در اولین تعمیرات اساسی پیش رو و در زمان توقف آسياب، غلتک شماره ۲ پس از انتقال به کارگاه، دمونتاژ و شرایط آن برای ادامه کار مورد بررسی قرار گیرد. اما متاسفانه به دلیل عدم اطمینان و بی­توجهی واحد تعمیرات به نتایج بررسی­های انجام شده از طریق آنالیز روغن، با گذشت حدود یک سال از اعلام خطر خرابی بیرینگ، هیچ گونه اقدامی جهت جلوگیری از پیشرفت و توسعه خرابی و رسیدن به مرحله بحرانی صورت نگرفت. در این مدت فیلتر روغن برگشتی از غلتک ۲ به علت انسداد با ذرات فلزی به دفعات تعویض می­گردید. در شکل ۹ نمونه­ای از ذرات فلزی موجود در روغن برگشتی از غلتک، قبل از فیلتر شدن نشان داده شده است.

شکل ۹: ذرات فلزی موجود در روغن برگشتی از غلتک ۲

هنوز یک هفته از پایان تعمیرات اساسی ۱۵ روزه خط ۱ در خرداد ماه ۹۲ سپری نشده بود که خرابی پیش­بینی شده بیرینگ غلتک مورد بحث، منجر به توقف آسیاب و نهایتا توقف برنامه­ریزی نشده ۸ روزه خط ۱ تولید گردید. در شکل ۱۰ تصاویری از بیرینگ آسیب دیده غلتک نشان داده شده است.

شکل ۱۰: تصاویر بیرینگ آسیب دیده غلتک

برآورد ضرر و زیان ناشی از خرابی بیرینگ، و توقف برنامه­ریزی نشده بدین شرح می­باشد: کاهش تولید به میزان ۲۸۸۰۰ تن، خسارات مالی ناشی از کاهش تولید 29.952.000.000 ریال، آسیب به نسوز کاری کوره در اثر سرد و گرم شدن به هنگام توقف ناخواسته و راه­اندازی مجدد، هزینه­های خرابی غلتک مشتمل بر خرید غلتک و بیرینگ و نهایتا آسیب وارده به اتصالات غلتک در آسیاب.

منبع: امیر مطهری، حمید نشاطی “پایش وضعیت بیرینگ‌های غلتشی بزرگ با سرعت کم و بار زیاد از طریق تکنیک آنالیز روغن (مطالعه موردی)” هشتمین کنفرانس تخصصی پایش وضعیت و عیب یابی ایران، تهران، دانشگاه صنعتی شریف، اسفند ۱۳۹۲

[1] . O.R= Out of Range