بررسی خرابی گیربکس های صنعتی

مقدمه

امروزه ﺳﯿﺴﺘﻢ­ﻫﺎي اﻧﺘﻘﺎل ﻗﺪرت ﮐﺎرﺑﺮد ﮔﺴﺘﺮده­ اي در ﺻﻨﻌﺖ دارند و عمدتاً ﺷﺎﻣﻞ ﺳﻪ ﮔﺮوه: ﺳﯿﺴﺘﻢ ﭼﺮخ دﻧﺪهﻫﺎ، ﺳﯿﺴﺘﻢ ﭼﺮخ و تسمه و ﺳﯿﺴﺘﻢ ﭼﺮخ و زﻧﺠﯿﺮ هستند.

ﺳﯿﺴﺘﻢ اﻧﺘﻘﺎل ﻗﺪرت ﺑﻪ ﺳﯿﺴﺘﻤﯽ اﻃﻼق ﻣﯽ­ﺷﻮد ﮐﻪ ﻗﺎدر ﺑﺎﺷﺪ، دور و ﮔﺸﺘﺎور را از ﯾﮏ ﺷﻔﺖ ﺑﻪ ﺷـﻔﺖ دﯾﮕـﺮ منتقل ﻧﻤﺎﯾﺪ. ﻫﺮ ﮐﺪام از اﯾﻦ ﺳﯿﺴﺘﻢ­ﻫﺎ ﺑﺮ ﺣﺴﺐ ﻧﻮع و ﺷﺮاﯾﻂ ﮐﺎر، داراي ﯾﮏ ﺳﺮي ﻣﻌﺎﯾﺐ و ﻣﺤﺎﺳﻦ می­ باشند.

مجموعه گیربکس با استفاده از چرخ‌دنده‌های مختلف با حفظ توان انتقالی از موتور، دور و گشتاور را تغییر می­ دهند. با توجه به اهمیت مهم گیربکس  صنعتی، نگه داری و اطلاع از روند خرابی احتمالی آن­ها در بهبود بهره وری و کاهش هزینه­ های یک مجموعه نقش گسترده ­ای را دارند.

در این مطالعه، خرابی­ های متداول و نیز روش ­های مرسوم و نوین در پایش وضعیت و اطلاع از سلامت گیربکس­ صنعتی مورد بررسی قرار می­ گیرد.

1.انواع خستگی ­ها در چرخ­ دنده

انجمن چرخ‌دنده سازان آمريكا[1] خستگي‌هاي چرخ‌دنده را به دسته­ های زیر تقسیم نمود:

1-1- سايش

زدوده شدن يكنواخت يا غير يكنواخت فلز از روي سطح دندانه را سایش گویند.

علل اصلي سايش دندانه‌، تماس فلز با فلز به دلیل نامناسب بودن ضخامت لايه روغن است که ذرات ساينده موجود در روغن با شكستن لايه روغن، باعث سايش سريع يا ايجاد خراش مي­ گردند و در سايش شيميايي، تركيب روغن و مواد افزوده شده را می­ توان علت این امر دانست.

سايش باعث كم شدن ضخامت دندانه و تغيير شكل پروفيل آن مي­ گردد كه در نتيجه شكل پروفيل دندانه، از حالت مطلوب (مثلا منحني اينولوت) خارج شده و خواص آن از بين مي‌رود.

سايش بخصوص در چرخ‌دنده ­هايي كه بايد براي مدت نامحدود با سرعت بالا كار كنند، يك پديده بسيار مهم است. البته سايش هميشه يك عامل منفي نيست، بلكه وجود مقدار بسيار ظريفي سايش باعث اصلاح دندانه­ هاي درگير با هم و هماهنگ شدن آن‌ها مي‌شود.

2-1- تغيير شكل پلاستيك

اين نوع شكست وقتي حاصل مي شود كه سطوح تماس تسليم شده و تحت بار سنگين، تغيير شكل می­ دهند. معمولاً اين نوع شكست در نوك و در دو انتهاي (طرفين) دندانه رخ مي ­دهد. اما در مواقعي كه نيروهاي لغزشي در سطح دندانه زياد باشند، تغيير شكل در سراسر دندانه مشاهده مي ­شود.

بطوريكه سطح دندانه بصورت موج موج در مي­ آيد. به اين نوع تغيير شكل پلاستيكRippling گويند. براي جلوگيري از تغيير شكل دندانه مي­ توان بار اعمالي را كم كرده، يا بر سختي دندانه افزود.

نوع ديگري از تغيير شكل پلاستيك كه به علت سرعت لغزشي بالا در حلزون ها، چرخ حلزون­ ها و چرخ‌دنده­ هاي هيپوئيد مشاهده مي‌شود که به آن(Ridging)، شيار شيار شدن يا چروك شدن گويند.

3-1- شكست دندانه

شكستي است كه در آن تمام يا قسمت قابل توجهي از يك دندانه بر اثر بارگذاري بيش از حد، ضربه يا اغلب بر اثر تنش‌هاي خمشي مكرري كه بيش از مقدار حد دوام ماده چرخ‌دنده است، از چرخ‌دنده جدا مي­شود. اين نوع از شكست حاصل خستگي خمشي دندانه تحت بار خمشي وارد بر آن مي­ باشد.

4-1- کندگي در دندانه­ هاي چرخ‌دنده

عبارتست از شكست خستگي حاصل از تنش هاي تماسی كه باعث مي­شود، قسمت­هايي از سطح دندانه چرخ‌دنده بصورت حفره كنده شود. كندگي بر اساس شدت خسارتي كه به سطح خورده،، شامل چندین نوع است:

1.کندگی اولیه: در اين كندگي، قطر حفره ها بسيار كوچك و در حد ۴/۰ تا ۸/۰ ميليمتر مي باشد.

2.کندگی مخرب: اين نوع كندگي نسبت به كندگي اوليه شديدتر و قطر حفره هاي كندگي نيز بزرگتر است.

3.کندگی خرد كننده: اين نوع كندگي حالت شديدتر كندگي مخرب است كه كندگي­ ها داراي قطر بزرگتري بوده و ناحيه قابل توجهي را در بر مي‌گيرد.

2.استراتژی های نگهداری و تعمیرات

نگهداري و تعميرات (نت) دو مفهوم بسيار مهم و دو مقوله اساسي هستند كه تحقق و عمل بدان­ ها موجبات بقا و تداوم خطوط مختلف توليد و كاهش هزينه­ ها را فراهم مي­ آورد. با پيچيده­ تر شدن وسايل و امكاناتي كه انسان براي رفع نيازهاي روزافزون خود بكار مي­ گيرد، امروزه استفاده بهينه و نيز اقتصادي بودن اين وسايل و امكانات بيش از پيش مورد توجه قرار گرفته است.

اغلب سيستم­ هايي كه امروزه به نحوي در امور توليدي، خدماتي و تأسيساتي و يا ساير موارد به­ كار گرفته مي­ شوند، در زمان­ هايي از سيكل عمر عمليات خود دچار شكست و از كار افتادگي مي ­گردند و لذا به فعاليت نگهداري و تعمير نيازمند مي ­شوند.

اگرچه واژه­ هاي نگهداري و تعميرات در بسياري از كاربردها در يك رديف به­ كار برده مي­ شوند، ولي در حقيقت اندكي در معنا متفاوت بوده و در برنامه­ ريزي نگهداري و تعميرات، هر يك از آن­ها با مفهوم خاص خود به كار مي­ آيند.

پيشرفت سريع تكنولوژي و همه ­گير شدن صنعت و گسترش آن در تمامي نقاط جهان و افزايش سرمايه ­گذاري ­ها در صنايع و محدوديتي كه در منابع و مواد اوليه مورد نياز وجود دارد، مسأله كارآيي و بهره ­وري را به صورت مهم­ترين مسأله نزد صاحبان صنايع و مديران مسئول در صنعت مطرح نموده است.

كارآيي در مورد هر مكانيزمي به اين مفهوم است كه با صرف كوتاه­ترين فاصله زماني و حداقل كار و وسايل، بالاترين راندمان كاري از آن مكانيزم دريافت گردد.

در نگهداری و تعمیرات، پایش وضعیت به مجموعه اعمالی می­ گویند که با پایش وضعیت ماشین و بررسی تغییرات آن در طول زمان بر اساس پارامترهایی مانند ارتعاشات، صدا، عملکرد، روانکاری، دما، وضعیت ماشین را تعیین می‌کند.

پایش وضعیت یکی از اجزای اصلی نگهداری پیش‌بینانه هست. در این روش به‌جای تعمیرات ادواری، پایش وضعیت ماشین به‌صورت دوره‌ای انجام و تعمیرات تنها درزمانی که دستگاه احتیاج به تعمیر دارد، انجام می‌شود.

شکل1: نمونه­ ای از پایش وضعیت تجهیزات

3.روش‌های پایش وضعیت

1-3-مراقبت پیوسته

در مراقبت وضعیت پیوسته، سنسورهای موردنیاز پس از نصب در نقاط مختلف ماشین‌ها، همواره به همان نقاط متصل بوده و اطلاعات وضعیت ماشین به­ طور مستقیم از طریق سیم­ کشی‌ها و جعبه‌های اتصال و دیتابردار و یا در مواردی از طریق اتصال اینترنت و شبکه‌های رایانه‌ای به رایانه اصلی ارسال می‌شود.

رایانه اصلی که نرم‌افزارهای مراقبت وضعیت، آنالیز و عیب‌یابی روی آن نصب است، کلیه ماشین‌های یک یا چند واحد از کارخانه یا تمام کارخانه را تحت مراقبت دارد و در صورت رسیدن دامنه پارامترهای اندازه‌گیری به حدود هشدار و یا خطر، بلافاصله فرمان مناسب را صادر می‌کند.

این روش مستلزم صرف هزینه زیادی برای سنسورها و اتصالات است که فقط برای ماشین‌های بسیار حساس و حیاتی که نیاز به سیستم‌های حفاظتی دارند، مقرون‌ به‌صرفه است.

2-3-مراقبت گسسته

این سیستم مشابه سیستم مراقبت پیوسته است با این تفاوت که فقط از یک سنسور (برای هر پارامتر) برای دیتا‌برداری و به‌صورت دوره‌ای استفاده می‌شود.

در اینجا هزینه قابل­ توجه سنسورها و کابل کشی‌ها و متعلقات آن حذف می‌شود. اما از همان سیستم کامپیوتری مراقبت، برای ثبت اطلاعات، ردگیری تغییرات، اعلان هشدار و خطر و ساپس آنالیز و عیب‌یابی و گزارش‌گیری استفاده می‌شود.

در این سیستم از پارامترهای موردنظر کلیه ماشین‌ها بر اساس برنامه‌ریزی قبلی، در دوره‌های زمانی خاص و در نقاط و جهات مشخص دیتا‌برداری می‌شود.

4.عیب­ یابی چرخ‌دنده

عیب ­یابی در تجهیزات مکانیکی و ماشین­ آلات برای جلوگیری از خرابی ناگهانی، توقف تولید و همچنین آسیب­ های مختلف سبب شده است که تحقیقات گسترده ای در این زمینه انجام گیرد.

اندازه­ گیری دقیق سیگنال‌های ارتعاشی از تجهیزات و استفاده از روش‌های تحلیل سیگنال که می­ توانند به شناسایی تغییرات و شناسایی عیب‌ها منجر شوند و همچنین فهمیدن نحوه تأثیرگذاری عیب‌ها بر پاسخ ارتعاشی از طریق مدل سازی می­ تواند در تشخیص به ­هنگام عیب در ماشین­ آلات کمک فراوانی کند. بدین ترتیب هزینه­ های نگهداری و تعمیر به میزان قابل توجهی کاهش خواهد یافت.

1-4-آنالیز روغن

براي تجهيزاتي که کار آن‌ها وابسته به روغنکاري است، روانکار قابل اطمينان، داراي نقش اساسي بوده و مستلزم آگاهي از وضعيت و يا کارائي آن است.

در سالهاي اخير، مديران نگهداري و تعمير بطور روز افزون، اطلاعات مربوط به خواص روغن­ ها، آلودگي ­ها و فلزات فرسايشي و ديگر پارامترهاي عملياتي را هنگام برنامه ­ريزي و تصميم ­گيري براي عمليات نگهداري و تعمير و اينکه چه اقدامي در چه زماني بايد انجام شود، بکار می­ برند.

در نتيجه، آناليز روغن، نقش حساسي را در برنامه­ هاي نگهداري و تعمير تجهيزات، برمبناي وضعيت و نگهداري و تعميرات متمرکز بر قابليت اطمينان دارد.

آناليز روغن يك روش پايش است که در سطح گسترده ­اي بکاربرده مي­شود. براساس اين فن­ آوري، اطلاعات مربوط به عملکرد و يا وضعيت ماشين، از طريق بررسي ميزان آلودگي و يا تخريب روغن، تعيين می­ شود.

اين که آناليز روغن ابزار مؤثري است براي پايش وضعيت حالت­ هاي خرابي تجهيزات در تماس با روانکار و فرسايش، به اثبات رسيده است. با اين حال به­ دلايل مختلفي، همه کاربران تجهيزات، از حداکثر منافع موجود در پايش وضعيت برخوردار نمي­ شوند.

2-4-آﮐﻮﺳﺘﯿﮏ اﻣﯿﺸﻦ

آﮐﻮﺳﺘﯿﮏ اﻣﯿﺸﻦ ﭘﺪﯾﺪه ­اي اﺳﺖ ﮐﻪ در اﺛﺮ اﯾﺠﺎد و اﻧﺘﺸﺎر ﯾﮏ ﻣـﻮج اﻻﺳـﺘﯿﮏ در ﻣﺤـﺪوده ﻣـﺎﻓﻮق ﺻـﻮت (20 ﮐﯿﻠـﻮﻫﺮﺗﺰ ﺗـﺎ 1 ﻣﮕﺎﻫﺮﺗﺰ) رخ ﻣﯽ­دﻫﺪ. ﺑﺮ ﻫﻤﯿﻦ اﺳﺎس، ﺗﺴﺖ ﺑﻪ روش آﮐﻮﺳﺘﯿﮏ اﻣﯿﺸﻦ ﻋﺒﺎرﺗﺴﺖ از درﯾﺎﻓﺖ ﺳﯿﮕﻨﺎل هاي ﻣﻨﺘﺸﺮ ﺷـﺪه در ﺟﺴـﻢ  ﺗﻮﺳﻂ ﺳﻨﺴﻮرﻫﺎي ﻣﺨﺼﻮص و ﺑﺮﻗﺮاري ارﺗﺒﺎط ﺑﯿﻦ ﺳﯿﮕﻨﺎل هاي درﯾﺎﻓﺘﯽ و ﺗﻐﯿﯿﺮات اﯾﺠﺎد ﺷﺪه ﺑﺮ روي ﻣﻨﺒﻊ.

اﺳﺎﺳﺎً ﻃﺮاﺣﯽ ﯾﮏ ﺳﯿﺴﺘﻢ ﺑﺎزرﺳﯽ اﮐﻮﺳﺘﯿﮏ اﻣﯿﺸﻦ ﺑﺮاي ﺗﺴﺖ ﺳﺎزهﻫـﺎ ﻧﯿـﺎز ﺑـﻪ اﻃﻼﻋـﺎت ﻣﺮﺑـﻮط ﺑـﻪ ﺟـﺬب و اﻧﺘﺸـﺎر اﻣـﻮاج اﮐﻮﺳﺘﯿﮑﯽ ﺑﺮاي ﺷﺮاﯾﻂ ﮐﺎري آن ﺳﺎزه ﺧﺎص دارد.

ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﻣﺜﺎل در ﺳـﺎزه­ﻫـﺎﯾﯽ ﻣﺎﻧﻨـﺪ ﻣﺨـﺎزن و ﻟﻮﻟـﻪ­ﻫـﺎ، ﻋﻮاﻣـﻞ ﻣﺮﺑـﻮط ﺑـﻪ ﺧﻮردﮔﯽ، ﻧﺸﺘﯽ، ﻧﻮع ﺳﯿﺎل، ﻧﻮع ﺟﺮﯾﺎن، ﻓﺸﺎر، ﻋﻮاﻣﻞ ﻣﺮﺑﻮط ﺑﻪ اﻧﺪازه ﺳﺎزه ﻣﺜﻞ ﻗﻄﺮ و ﺿـﺨﺎﻣﺖ دﯾـﻮاره، ﻧـﻮع ﭘﻮﺷـﺶ، ﺷـﺮاﯾﻂ ﻣﺤﯿﻂ ﺧﺎرﺟﯽ ﺳﺎزه و ﻋﻮاﻣﻞ ﻣﺮﺑﻮط ﺑﻪ ﻋﯿﺐ ﻣﺜﻞ ﻫﻨﺪﺳﻪ و ﻣﻮﻗﻌﯿﺖ ﺧﻮردﮔﯽ و ﻧﺸﺖ در ﺗﻮﻟﯿﺪ و اﻧﺘﺸﺎر اﻧﺮژي اﻻﺳـﺘﯿﮑﯽ ﺗـأﺛﯿﺮ ﻗﺎﺑﻞ ﻣﻼﺣﻈﻪ­اي دارﻧﺪ.

شکل 2- ﺷﻤﺎﺗﯿﮏ ﺳﯿﺴﺘﻢ ﻣﺎﻧﯿﺘﻮرﯾﻨﮓ آﮐﻮﺳﺘﯿﮏ اﻣﯿﺸﻦ

3-4-ارتعاشات

لرزش يا همان ارتعاشات مكانيكي به نوعي از حركت سيستم هاي ديناميكي اطلاق مي ­شود كه به صورت نوساني (رفت و برگشتي) صورت پذيرفته و حركت در يك بازه زماني تكرار می­ شود.

اين نوع حركت را در ساده ­ترين شكل مي ­توان با يك جرم و يك فنر شبيه ­سازي كرد. با القاء يك تغيير مكان اوليه به جرم متصل به فنر و رها كردن آن، حركت نوساني رخ مي­ دهد. به طور كلي دو نوع نيروي استاتيكي و ديناميكي در ماشين آلات وجود دارد.

نيروهاي ارتعاش زا از نوع نيروهاي ديناميكي هستند كه بر اثر وجود كاستي­ هايي در ماشين ايجاد مي­ شوند. از آنجايي كه رسيدن به حالت ايده ­آل امكان­ پذير نيست، هميشه تا حدي لرزش و ارتعاش در ماشين آلات وجود دارد كه مجاز شمرده مي شود. اما با گذشت زمان و بر اثر بروز اشكالات بعدي، بعضاً ارتعاشات از حد مجاز افزايش مي ­يابد كه با آناليز و انجام اقدام اصلاحي مناسب، مي ­توان وضعيت را به حالت قبل برگرداند.

برخي از عيوبي كه به كمك ارتعاش سنجي و تحليل سيگنال لرزش ماشين آلات شناسايي مي ­شوند عبارتند از :

ناميزاني جرمي، ميس الايمنت (ناهم راستايي)، رزونانس (تشدید)، لقي مکانیکی، خرابي چرخ دنده، خرابي بيرينگ، خارج از محوری، شفت خميده،  فونداسيون معيوب، اشكالات الكتريكي و غیره.

نكته مهم و كليدي در عيب ­يابي از طريق تحليل ارتعاشات اين است كه هر ارتعاشی در تجهيزات دوار، با مشخصات خاصی مانند دامنه، فركانس، فاز و غیره خود را نشان می‌دهد.

لرزش بعنوان بهترین پارامتر برای قضاوت در مورد شرایط ماشین آلات دوار از جمله: نامتعادلی، پایداری بیرینگ ­ها شناخته شده است.

امروزه انواع تجهیزات و نرم افزارها برنظارت و تجزیه و تحلیل لرزش و ارتعاشات و پارامترهای دستگاه در دسترس می ­باشد. این تکنیک بصورت گسترده در واحدهای صنعتی مختلف مورد استفاده قرار می ­گیرد .

با توجه به این هر قطعه ­ای در ماشین در حال کارکرد عادی ارتعاش خاصی دارد و با بروز نقص (عیب) سطح ارتعاشات افزایش پیدا می­ کند، با جمع آوری اطلاعات ارتعاش و تجریه و تحلیل آن‌ها وضعیت ماشین مشخص می­ شود . تجزیه و تحلیل ارتعاشات و آنالیز ذرات فرسوده، دو راه موفق برای شناخت قسمت­ های فرسوده و تشخیص خرابی درون ماشین است.

در صورت استفاده از یکی از این­ دو ، نواقص و مشکلات ماشین مشخص می­ شود، در حالیکه تجربه­ های کاربردی نشان داده است که استفاده از هر دو، اطلاعات معتبر و مفیدتری در مورد ماشین به ما می­ دهد که سود زیادی به صنعت از لحاظ مادی می­ رساند.

آنالیز ارتعاشات بعنوان راهی برای نگهداری و تعمیرات به اصلی فراگیر مبدل شده است. بعنوان یک قاعده کلی هیچکدام از اجزاء ماشین آلات بدون افزایش میزان نوساناتشان دچار خرابی یا شکستگی نمی­ شوند. بوسیله اندازه گیری میزان ارتعاشات و نوسانات می ­توان ماهیت و شدت نقص را تشخیص داد و از این­ رو از خرابی دستگاه جلوگیری بعمل آورد.

سیگنال‌های ارتعاش ماشین آلات از ساختار و قطعاتی است که به یکدیگرمتصلند. با توجه به نقص هر عضو نوسانی با بسامد مخصوص بوجود می­ آید، می­ توان بوسیله تحلیل زمان و فراوانی و استفاده از تکنیک تحلیل سیگنال­ ها بسامد قطعات مختلف را مشخص کرد.

[1]. American Gear Manufacturers Association