Βελτιώσεις στην προληπτική συντήρηση μηχανολογικού εξοπλισμού

Abstract

Στην σημερινή εποχή, στα πλαίσια της ορθολογικότερης διαχείρισης των διατιθεμένων πόρων, αναζητούνται οι βέλτιστες πρακτικές συντήρησης προκειμένου ο μηχανολογικός εξοπλισμός να είναι αξιόπιστος, να αποδίδει όπως έχει σχεδιαστεί και το κόστος συντήρησης να είναι ελάχιστο. Με την εφαρμογή προγραμμάτων συντήρησης που στηρίζονται στην υφιστάμενη κατάσταση του εξοπλισμού είναι δυνατό να επιτευχθεί μείωση του κόστους συντήρησης έναντι της μεθόδου των περιοδικών εργασιών συντήρησης σε τακτά χρονικά διαστήματα. Για να γίνει αυτό πρέπει να αναπτυχθούν τεχνικές μέσω των οποίων να είναι δυνατή η εκτίμηση της κατάστασης του εξοπλισμού και η πρόγνωση της εξέλιξης αυτής της κατάστασης. Τα έδρανα κύλισης αποτελούν ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο εξάρτημα σε πολλές μηχανές. Η λειτουργία αυτών των μηχανών εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ικανοποιητική απόδοση των εδράνων κύλισης. Παρά την εξέλιξη της τεχνολογίας και την τάση για ελαχιστοποίηση των κινούμενων μερών, δεν έχει βρεθεί κάποιος άλλος μηχανισμός που θα μπορούσε να αντικαταστήσει τις εδράσεις περιστρεφόμενων εξαρτημάτων. Πρακτικά, η συντήρηση των εδράνων αποτελεί μια από τις βασικότερες εργασίες ενός προγράμματος συντήρησης μηχανολογικού εξοπλισμού. Συνήθως τα έδρανα κύλισης είναι σχεδιασμένα ή έχουν επιλεγεί με τέτοιο τρόπο ώστε η εκτιμώμενη διάρκεια ζωής τους να ξεπερνά την ζωή του μηχανήματος στο οποίο είναι εγκατεστημένα. Η εκτιμώμενη διάρκεια ζωής ενός εδράνου με κάποιο συγκεκριμένο βαθμό αξιοπιστίας υπολογίζεται πιθανολογικά μέσω εμπειρικών σχέσεων που βασίζονται στις θεωρίες που έχουν αναπτυχθεί και σε πειραματικά δεδομένα. Η ανάγκη για τον προσδιορισμό της διάρκειας ζωής με διαφορετική αξιοπιστία και οι κατά περίπτωση διαφορετικές εξωτερικές συνθήκες λειτουργίας οδήγησαν στον ορισμό της τροποποιημένης διάρκειας ζωής. Ο τρόπος υπολογισμού της τροποποιημένης διάρκειας ζωής περιγράφεται αναλυτικά στο πρότυπο ISO281:2007. Πολλές φορές όμως οι εξωτερικές συνθήκες μεταβάλλονται και τα έδρανα αστοχούν αρκετά νωρίτερα. Μια συνήθης περίπτωση όπου συμβαίνει πρόωρη αστοχία των εδράνων είναι όταν αυτά λειτουργούν σε συνθήκες αυξημένης ρύπανσης. Παρά το γεγονός ότι υπάρχουν έδρανα με ικανοποιητική στεγανοποίηση έναντι της εισόδου σωματιδιακών ρύπων στο εσωτερικό τους, σε πολλές εφαρμογές χρησιμοποιούνται έδρανα χωρίς προστατευτικούς δακτυλίους για λόγους επαρκέστερης λίπανσης ή λόγω κατασκευαστικών περιορισμών. Η επίδραση των σωματιδιακών ρύπων λαμβάνεται υπόψη κατά τον υπολογισμό της τροποποιημένης διάρκειας ζωής των εδράνων μέσα από τον συντελεστή ρυπαρότητας που υπεισέρχεται στον συντελεστή της τροποποιημένης διάρκειας ζωής. Ο συντελεστής αυτός υπολογίζεται εμπειρικά εκτιμώντας της κατάσταση καθαρότητας του λιπαντικού, όμως δεν λαμβάνει υπόψη τα φυσικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά των ρύπων όπως το μέγεθος, την σκληρότητα και την δυσθραυστότητα. Στην παρούσα εργασία γίνεται μία προσπάθεια για την βελτίωση των εργασιών συντήρησης του μηχανολογικού εξοπλισμού και ειδικότερα των εργασιών συντήρησης των εδράνων κύλισης. Η βελτίωση αφορά στην ορθότερη επιλογή των εδράνων κύλισης και στον ακριβέστερο τρόπο υπολογισμού της διάρκειας ζωής τους όταν λειτουργούν με λιπαντικό γράσο το οποίο περιέχει σωματιδιακούς ρύπους. Συγκεκριμένα γίνεται διερεύνηση των επιπτώσεων που έχουν δύο μείζονα χαρακτηριστικά των σωματιδιακών ρύπων στην διάρκεια ζωής των εδράνων, το μέγεθος και η σκληρότητα. Για τον σκοπό αυτό κατασκευάστηκε μια πειραματική διάταξη όπου δοκιμάστηκαν έδρανα κύλισης τα οποία είχαν πληρωθεί με λιπαντικό γράσο το οποίο περιείχε διάφορους τύπους και μεγέθη ρύπων. Επειδή οι φυσικοί ρύποι είναι άγνωστης σύνθεσης χρησιμοποιήθηκαν ρύποι γνωστών ιδιοτήτων. Χρησιμοποιήθηκαν δύο τύποι ρύπων, σίδηρος με σκληρότητα 700HV και κορούνδιο/αλουμίνα (AL2O3) με σκληρότητα 2,000HV, σε τέσσερεις ομάδες διαφορετικού μεγέθους (κοκκομετρίας). Για την συνεχή παρακολούθηση της κατάστασης των εδράνων κατασκευάστηκε και παραμετροποιήθηκε μια διάταξη ανάλυσης ταλαντώσεων και τα τελικά αποτελέσματα των μετρήσεων συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα οπτικού ελέγχου των δοκιμίων που έγιναν με χρήση ενός στερεοσκοπίου. Τα αποτελέσματα έδειξαν μια διαφορετική συμπεριφορά για τα είδη των ρύπων που εξετάστηκαν. Τα σκληρότερα σωματίδια κορουνδίου προκάλεσαν σημαντικά μεγαλύτερη φθορά από τα σιδηρά σωματίδια και η διάρκεια ζωής των εδράνων ήταν σημαντικά μικρότερη από την αναμενόμενη. Όσον αφορά το μέγεθος των ρύπων, αυτό επηρεάζει τον μηχανισμό αστοχίας με διαφορετικό τρόπο για την κάθε κατηγορία υλικών των ρύπων. Στους ρύπους από ελατά υλικά το μέγεθος φαίνεται να έχει άμεση συσχέτιση με την φθορά και τις προκαλούμενες ταλαντώσεις, ενώ αντίθετα στους ρύπους από σκληρά ψαθυρά υλικά το αρχικό μέγεθος δεν φαίνεται να έχει τόσο σημαντικό ρόλο όσο το μέγεθος των σωματιδίων που προκύπτουν μετά από την θραυσματοποίηση των αρχικών ρύπων. Τέλος, η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε κατά την ανάλυση των ταλαντώσεων στο πεδίο των συχνοτήτων έδειξε ότι είναι δυνατό να εντοπιστούν βλάβες σε διάφορα σημεία του εδράνου ακόμη και σε ένα περιβάλλον με πολλαπλές πηγές ταλαντώσεων λόγω πολλαπλών βλαβών αλλά και του πλήθους των σωματιδιακών ρύπων που εισέρχονται στην ζώνη κύλισης.

In modern times, within the provisions of a more rational resource management, the best maintenance practices are investigated aiming at more reliable equipment and optimal performance with less cost. The maintenance cost can be reduced by implementing maintenance programs based on the current condition of the equipment instead of following a scheduled time-based maintenance program. In order to achieve this, new methods have to be developed for the estimation of the current condition of the equipment and for the prognosis of its evolution. Rolling bearings are a common part in various machines. The operation of these machines greatly depends on the satisfactory performance of the bearings. Despite the evolution on technology and the trend to minimize the number of moving parts on machinery, there is no other sufficient mechanism that can replace bearings on rotating machinery. In practice, the maintenance of bearings is one of the most essential procedures of a machinery maintenance program. Usually, rolling bearings are designed or chosen properly in order that their rating life is longer than the life of the equipment they are installed on. The estimated life of a bearing for a given reliability can be calculated probabilistically through empirical equations based on life model theories and experimental data. The necessity for calculating bearing lives for other reliability values and different operating conditions led to the introduction of the modified rating life. A detailed method for calculating the modified rating life is described in the ISO281:2007 standard. Many times the operating conditions are changed and the rolling bearings fail much earlier. A very common situation where rolling bearings fail earlier than expected is the case of bearings operating in a contaminated environment. Many bearings are equipped with proper seals against debris contamination but in many cases bearings without seals are used due to design or operational restrictions. The impact of particle contaminants in the lubricant is considered when calculating the bearings rating life as a contamination factor is used when calculating the modified rating life. This factor is calculated empirically, estimating the level of the cleanliness of the lubricant but it is not taking into account natural and quality characteristics of the particle contaminants such as size, hardness and fracture toughness. In this research, we focus on optimizing the maintenance procedures for mechanical equipment and in particular on the maintenance procedures for rolling bearings. The optimization regards on a more proper bearing selection and on a more accurate calculation of the estimated life when the bearings operate with particle contaminated grease. Specifically, we investigate the impact of two major characteristics of lubricant particle contaminants on the operational life of bearings, size and hardness. For this purpose a test rig was developed where rolling bearings were tested. The bearings were filled with pre-contaminated grease using particles of different sizes and hardness. Naturally occurring particle contaminants have not specific characteristics, so in order to have comparable results preselected particle contaminants were used. Two types of particles were used, steel particles with 700HV hardness and corundum/alumina (AL2O3) particle with hardness of 2.000HV, in four different particle sizes. In order to monitor the condition of the bearings, a vibration monitoring and measuring rig was developed and the final results were verified with visual inspection using a stereoscope. The results showed a different behavior for the examined contaminants. The harder corundum particles caused significantly heavier wear than the steel particles and the life of the bearings was shorter from the initially estimated life. Regarding the size of the particles, it seems that it affects the wear mechanism in a different way for each type of contaminants. In the case of ductile contaminants it seems that size can be correlated with the caused wear and the magnitude of the vibrations. On the other hand, in the case of hard brittle contaminants, it seems that the initial size is of less importance than the ultimate fragmentation size of the contaminants as they are crushed down to smaller particles. Finally, the methodology used for the vibration analysis in the frequency domain showed that it is possible to detect and locate failures on the bearing parts even when operating in an environment with various sources of vibration caused by multiple faults and by a large number of contaminant particles entering the rolling contacts.