Diagnostika ložisek akustickou emisí

Velmi významný segment strojních dílů tvoří ložiska, na jejichž bezchybné funkci závisí parametry celé řady strojírenských výrobků. Kondice, v jaké se uložení s ložisky nachází, ovlivňuje kvalitu výsledného produktu a tím i jeho prodejnost. Poruchy ložisek mohou být nejen příčinou špatného chodu výrobních zařízení, dopravní techniky apod., ale často mohou dokonce ohrozit lidské životy. Naprostá většina dodavatelů těchto náročných strojních částí věnuje přiměřenou pozornost kvalitě výroby a zkoušení vlastností. Nicméně v praxi se poměrně často setkáváme s nevhodnými provozními podmínkami, případně zanedbáním pravidelné údržby a kontroly správné funkčnosti. Naopak se vyskytují i zbytečné výměny ložisek, např. v plánovaných odstávkách zařízení, přestože ložiska jsou stále plně funkční. Poruchy mohou být různého charakteru, od vzniku klasického únavového poškození, jako je vznik důlkového opotřebení (pittingu), přes nedostatečné mazání ložiska až v krajním případě po přítomnost výrobní vady. V dnešní době jsou kladeny stále vyšší nároky na udržení spolehlivosti chodu strojních zařízení (například v energetickém průmyslu), kde se údržbové práce plánují na nejzazší možné termíny, popřípadě je nutné zaručit chod zařízení do plánované odstávky. Odhalit tak počátek vznikajícího poškození s dostatečným předstihem je velice důležité. Z těchto důvodů samozřejmě má významnou úlohu vhodná diagnostika. Metod, jimiž lze detekovat vznikající poruchu na strojním zařízení, je celá řada. ? Základním postupem je sledování provozních parametrů zařízení, tak však lze zachytit pouze pozdní stadia, kdy např. ložiska ztrácejí schopnost plnit požadovanou funkci. Mezi sledované parametry patří například otáčky stroje, příkon, výkon, účinnost, hospodárnost provozu (spotřeba paliva) a teplota provozních médií. Sledováním provozních parametrů nelze přesně a zcela jednoznačně stanovit diagnózu. ? Další metodou je vibrační diagnostika. Z kinematických veličin je možné určit vlastní frekvence jednodušších tvarů (hřídele, pružiny) nebo vlastní frekvence jednotlivých částí kuličkových ložisek (vnější kroužek, klec, kuličky, vnitřní kroužek). Při vyhodnocování naměřených parametrů je tedy možné odhalit rozšířené poškození i na těchto uzlech. ? Teplota je dalším pomocníkem při odhalování potencionálního problému či dokonce selhání zařízení. Jakmile začne docházet k zadírání, zvýší se teplota, avšak zpravidla pouze v blízkosti okolí poškození, což může činit metodu značně lokálně citlivou a operátor stroje nemusí být na tento problém včas upozorněn. Další alternativou monitorování stavu strojního zařízení je využití metody akustické emise (AE), která dokáže odhalit již první známky poškození (dislokace, šíření magistrální trhliny, tření stěn trhliny), to je však samozřejmě možné pouze v laboratorních podmínkách a v místech, kde vznikající poškození není výrazně ovlivněno a zašuměno okolními vlivy. Princip metody je možné zjednodušeně přirovnat k velmi citlivému uchu přiloženému ke sledované konstrukci při jejím zatížení či provozu. Podle norem je akustická emise fyzikální jev, při kterém dochází k uvolnění nahromaděné elastické energie v materiálu. Tato energie je vyvolána v důsledku dynamických procesů v materiálu (plastická deformace, únik kapalné nebo plynné látky pod tlakem, tření, koroze a jiné...). Při přiblížení k povrchu se elastické vlny transformují do různých modů vlnění, které odpovídají dané velikosti a tvaru povrchu součásti. Kolmé složky vln k povrchu součásti vytváří napěťové vlny na povrchu, a ty je možné detekovat vhodnými snímači akustické emise. Snímač transformuje napěťovou vlnu na elektrický signál, který je dále analogově zpracováván v měřicím a vyhodnocovacím zařízení. Výhodou a současně i nevýhodou akustické emise je velká citlivost metody. Velkou nevýhodou, zvláště při opakovaných měřeních s velkou periodou, může být jistá unikátnost každého měření, neboť nastavení podobných měřicích podmínek v časovém odstupu může být značně obtížné. V praxi se metoda akustické emise používá zcela standardně při hodnocení statických zařízení, jakými jsou různé zásobníky, reaktory, produktovody apod. Při použití více snímačů je vysoká pravděpodobnost přesné lokalizace poškozené oblasti. Další aplikace existují v oblasti hodnocení kvality různých technologických procesů, vzniku a rozvoje korozního poškození apod. Použití metody AE pro hodnocení stavu ložisek a dalších strojních částí je však zatím poměrně ojedinělé. Ústav konstruování FSI VUT v Brně patřil v minulosti k nejvýznamnějším pracovištím, která se v Československu věnovala problematice vývoje a zkoušení ložisek. Po změnách ve výrobní základně a po rozdělení státu došlo ke značnému útlumu výzkumné činnosti i v této oblasti. Na počátku 21. století se na VUT zlikvidovala část laboratoří, a s tím došlo i k odchodu významných odborníků mimo obor. Přes tyto negativní jevy se podařilo udržet v chodu alespoň základ laboratoří, které jsou nyní zaměřeny na zkoušky axiálních i radiálních valivých ložisek menších rozměrů. Zcela novým oborem, jenž se zde nyní rozvíjí, je právě aplikace akustické emise pro zpřesněnou diagnostiku vzniku poškození ložisek. Ve spolupráci s nejvýznamnějším českým dodavatelem experimentální techniky (ZD Rpety, stř. Dakel Praha) byly v rámci projektů MPO ČR vyvinuty postupy této diagnostiky v laboratorních podmínkách a nyní probíhá jejich aplikace v reálných provozních podmínkách. Dosud dosažené výsledky jednoznačně potvrzují mnohem vyšší citlivost metody AE na vznik nestandardních provozních podmínek ve srovnání se jmenovanými metodami. Využití metody přineslo i poněkud nečekané problémy ve druhé oblasti aplikace, a to při laboratorním hodnocení kontaktních vlastností materiálů během cyklického zatěžování. Také v tomto případě je vznik poškození povrchu diagnostikován mnohem dříve, než při využití klasické diagnostiky pomocí nárůstu vibrací. Dříve dosažené výsledky jsou tedy pouze obtížně srovnatelné s výrazně přesnějšími výsledky získanými s pomocí metody AE. Obecně je možné konstatovat, že využití metody akustické emise v diagnostice ložisek a kontaktní únavy přináší řadu výhod, ale i problémů. Metoda poskytuje mnoho informací, které však při praktických aplikacích nejsou využitelné. Proto se nyní pracuje na zjednodušeném zpracování signálu s cílem stanovit pouze omezené spektrum snímaných parametrů. To umožní konstrukci významně zjednodušených jednoúčelových analyzátorů AE, které by ve spojení s vibrační diagnostikou spolehlivě indikovaly vznik a rozvoj poškození ložisek ve vybraných technologických celcích, případně dopravních prostředcích apod. Problematika využití metody akustické emise tvoří součást projektu MPO TIP č. FRR-TI1/371 „Integrated system of monitoring of selected machine parts”. Laboratoř akustické emise je součástí pracoviště NETME při FSI VUT v Brně, vybudovaného v rámci Operačního programu výzkum a vývoj pro inovace (reg. č. CZ. 1.05/2.1.00/01.0002). Doc. Ing. Pavel Mazal, CSc. VUT Brno, Fakulta strojního inženýrství Technická 2, 616 69 Brno mazal@fme.vutbr.cz