Monitorowanie stanu

Celem konserwacji opartej na stanie technicznym lub konserwacji predykcyjnej (PdM) jest podjęcie działań konserwacyjnych w odpowiednim czasie. „W odpowiednim czasie” oznacza na tyle wcześnie, aby koszty naprawy były jak najmniejsze, zanim dojdzie do poważniejszych uszkodzeń wymagających większego nakładu pracy, a jednocześnie na tyle późno, aby zminimalizować przestoje maszyny i maksymalnie wykorzystać części aż do końca ich cyklu życia. Zapewnienie najpóźniejszego momentu bezpiecznego użytkowania stanowi poważne wyzwanie. W związku z tym w praktyce często stosuje się pierwszą strategię. Celem strategii opartej na stanie technicznym jest zatem zminimalizowanie kosztów konserwacji poprzez wczesne wykrywanie usterek i ich naprawę. Wczesna identyfikacja oznak usterek stanowi podstawowe zadanie metod diagnostycznych opartych na ultradźwiękach. Monitorowanie stanu technicznego definiuje się ogólnie jako wykorzystanie odpowiednich technologii w celu ustalenia rzeczywistego stanu pracy maszyny. Stan eksploatacyjny stanowi superpozycję stanu procesu i stanu maszyny. W przeszłości operator lub technik serwisowy musiał przeprowadzać monitorowanie stanu, korzystając wyłącznie z zmysłów, takich jak słuch, wzrok czy dotyk. Obecnie, ponieważ wiele maszyn i procesów działa bezobsługowo, a obiekty stają się coraz bardziej złożone, potrzebna jest technika monitorowania.

Ponadto taka technika mogłaby otworzyć wiele nowych możliwości w zakresie monitorowania parametrów przez całą dobę, bez przerw. Oznacza to, że maszyny i systemy bezzałogowe można stosunkowo łatwo sterować zdalnie. W celu określenia stanu pracy maszyny można monitorować różne parametry, takie jak temperatura, ciśnienie, przepływ, jakość oleju czy drgania. Parametry te można uzupełnić o dodatkowe wielkości, takie jak prąd lub siła wrzeciona napędowego. Dwa ostatnie wymienione parametry są często udostępniane operatorowi obrabiarek już w momencie opuszczenia fabryki. Ponieważ większość usterek w maszynach z częściami obrotowymi prowadzi do drgań, większość informacji o stanie maszyny (jej kondycji) oraz o parametrach procesu (charakterystyce pracy) można uzyskać poprzez monitorowanie stanu za pomocą pomiaru drgań. Oznacza to, że za pomocą jednej technologii można monitorować zarówno stan maszyny, jak i stan procesu. Ta możliwość jednoczesnej optymalizacji wydajności i konserwacji może znacząco poprawić ogólną efektywność zakładów.

Ultradźwięki w dziedzinie konserwacji

Ze względu na opisane wcześniej zalety pomiar drgań jest w praktyce metodą pierwszego wyboru do monitorowania maszyn wyposażonych w elementy obrotowe. Do pomiaru drgań stosuje się zazwyczaj czujniki drgań o liniowej charakterystyce częstotliwościowej do 20 kHz. Ponieważ procesy akustyczne, które można wykorzystać do konserwacji, obejmują szerszy zakres częstotliwości sięgający nawet 1 MHz, konieczne jest zastosowanie specjalnych czujników. Czujniki ultradźwiękowe stosuje się w przypadku, gdy badane częstotliwości są zbyt wysokie, a także gdy odchylenia są zbyt małe, by można je było zmierzyć za pomocą czujników drgań. Ponadto analiza w zakresie ultradźwięków ma tę zaletę, że różnorodne odgłosy maszyn w zakresie słyszalnym nie zakłócają pomiaru. Autorzy klasyfikują stosowanie metod ultradźwiękowych jako podejście uzupełniające w stosunku do analizy drgań. Przyczyny powstawania emisji dźwiękowych w zakresie ultradźwięków różnią się od przyczyn powstawania drgań. Najważniejsze zjawiska, które należy rejestrować w ramach konserwacji, wynikają ostatecznie z tarcia. Do takich operacji należą na przykład monitorowanie smarowania lub wykrywanie pracy na sucho, przepływy wyciekowe oraz techniczne procesy tarcia występujące w łożyskach ślizgowych lub hamulcach. Jednak inne przyczyny emisji dźwięku, takie jak turbulencje, kawitacja lub procesy wyładowcze, rozszerzają również zakres zastosowań na procesy, które nie mają swojego źródła w maszynach z częściami obrotowymi. W przypadku wszystkich tych przyczyn wykorzystuje się zalety metod ultradźwiękowych w celu jak najwcześniejszego wykrycia uszkodzeń lub zmian w procesie. Jak pokazano na rysunku 2, rodzaj wykrywania sygnału, a tym samym zastosowanie ultradźwięków w konserwacji, można podzielić na dwie kategorie: dźwięk powietrzny i dźwięk przenoszony przez konstrukcję.

W przypadku dźwięku rozchodzącego się w powietrzu znane są już takie zastosowania, jak wykrywanie wycieków w instalacjach sprężonego powietrza, aktywne testy szczelności kabin i kontenerów czy wykrywanie wyładowań częściowych. Zastosowania związane z dźwiękiem rozchodzącym się w strukturze, takie jak testowanie odwadniaczy parowych, diagnostyka łożysk i testowanie zaworów, są już powszechnie stosowane. Opracowano czujniki ultradźwiękowe oparte na piezoelektrycznych materiałach kompozytowych, które są wykorzystywane w zastosowaniach związanych z dźwiękiem materiałowym do monitorowania procesów. Dzięki płaskiej charakterystyce częstotliwościowej i wysokiej czułości nowe czujniki te nadają się do zastosowań szerokopasmowych.

W 2016 roku firma SONOTEC Ultraschallsensorik Halle GmbH wprowadziła na rynek nowe urządzenie testowe. Urządzenie to jest przeznaczone do przeprowadzania badań ultradźwiękowych w ramach konserwacji. Główne różnice między tym urządzeniem a dotychczas dostępnymi modelami to szeroki zakres częstotliwości czujników oraz modułowa konstrukcja cyfrowego miernika. Ponadto w nowatorskim ręcznym detektorze ultradźwiękowym zintegrowano wszystkie funkcje popularnych urządzeń mobilnych, takich jak smartfony i tablety. Dzięki nowemu SONAPHONE można wykrywać i analizować sygnały w zakresie częstotliwości od 20 do 100 kHz.

Urządzenie zostanie wyposażone w aplikacje dostosowane do konkretnych zastosowań, które będą wspierać inżyniera ds. konserwacji zarówno podczas przeprowadzania testów, jak i podczas analizy danych oraz sporządzania dokumentacji testowej. SONAPHONE został opracowany jako przenośne, ręczne urządzenie pomiarowe przeznaczone do wszystkich wyżej wymienionych zastosowań konserwacyjnych. Obecnie platforma jest zaprojektowana do synchronicznego rejestrowania i przetwarzania dwóch sygnałów: sygnału ultradźwiękowego oraz sygnału temperatury (rejestrowanego przez czujnik dźwięku przenoszonego przez konstrukcję), które mogą być rejestrowane w sposób zsynchronizowany czasowo.

W przypadku zastosowań związanych z dźwiękiem powietrznym, takich jak wykrywanie wycieków, badania szczelności i wykrywanie wyładowań częściowych, opracowano różne akcesoria (rysunek 3, u góry po prawej) do czujnika dźwięku powietrznego, dostosowane do tych wymagań. Dzięki temu charakterystykę odbiorczą czujnika można modyfikować pod kątem zasięgu wykrywania i kąta apertury. Opracowano również akcesoria do zastosowań związanych z dźwiękiem przewodzonym przez konstrukcję, takich jak testowanie odwadniaczy parowych lub kontrola łożysk (rys. 3, w prawym dolnym rogu).

Czujnik dźwięku przenoszonego przez konstrukcję może być wyposażony w uchwyt magnetyczny lub falowody o różnych długościach. Można go również przykręcić bezpośrednio do punktu pomiarowego. W kontekście monitorowania stanu urządzenie ręczne służy do przeprowadzania mobilnych, cyklicznych badań w formie pomiarów porównawczych lub analizy trendów na podstawie wielu pomiarów. Oznacza to, że monitorowanie stanu odbywa się w określonych, z góry ustalonych momentach i można je opisać jako oszacowanie stanu na podstawie migawki.

Motywację i kontekst opracowania nowej technologii czujników szczegółowo opisano m.in. w kilku artykułach. Opracowano nowe przetworniki ultradźwiękowe do zastosowań w monitorowaniu stanu technicznego w oparciu o materiał piezokompozytowy, który odgrywa kluczową rolę w komplementarnym wykorzystaniu niższych i wyższych częstotliwości w ramach zintegrowanej filozofii zastosowań.

Zastosowanie tej technologii pozwala uzyskać szereg korzyści. Krzywa odpowiedzi częstotliwościowej czujnika jest stosunkowo płynna, a niepożądane rezonanse są tłumione. Oznacza to, że charakterystykę częstotliwościową można w pewnym stopniu zlinearyzować, co umożliwia wykorzystanie właściwości spektralnych sygnałów oraz zastosowanie zaawansowanej analizy czasowo-częstotliwościowej w czasie rzeczywistym. Dodatkowy ważny aspekt wynika ze zwiększonej liczby stopni swobody w konstrukcji przetwornika; możliwe staje się na przykład stosowanie przetworników elastycznych lub o specjalnym zakrzywieniu.

Na rysunku 4 przedstawiono dwie krzywe impedancji elektrycznej. Niebieska krzywa przedstawia konwencjonalny przetwornik typu piezoceramicznego, a czerwona krzywa – nowy przetwornik typu piezokompozytowego. Różnica między tymi dwiema krzywymi ilustruje tłumienie niepożądanych rezonansów w przypadku przetworników piezokompozytowych. Natomiast przetwornik typu piezoceramicznego wykazuje wiele rezonansów spowodowanych różnymi trybami drgań dysku ceramicznego, stanowiącego główną część przetwornika.

Materiał piezokompozytowy wykorzystany w niniejszej pracy został wyprodukowany przy użyciu technologii „dice-and-fill” (rys. 5). Ta wymagająca technika produkcyjna została opracowana w firmie SONOTEC w 2008 roku. Płytki piezoceramiczne (na przykład cyrkonian-tytanian ołowiu (PZT)) są częściowo cięte za pomocą maszyny do cięcia płytek w dwóch kierunkach pod kątem 90°. Puste przestrzenie wypełnia się żywicą poliuretanową lub epoksydową. Po utwardzeniu płytkę szlifuje się do uzyskania docelowej grubości. Na koniec kompozyt poddaje się metalizacji i polaryzacji.

Proces ten jest złożony i obejmuje kilka etapów o różnym stopniu trudności. Daje to szeroki wachlarz możliwości, pozwalających uzyskać nowe właściwości przetworników. Różnorodność ta wynika ze zmian rodzaju materiału piezoceramicznego, rodzaju matrycy z tworzywa sztucznego, odstępu i rozmieszczenia słupków piezoceramicznych, szerokości szczeliny, grubości płytki, kształtu płytki oraz makroskopowego odstępu między elementami przetwornika.

Zalety nowych czujników opartych na materiałach piezokompozytowych można również zilustrować za pomocą prostych eksperymentów. Rysunek 6 przedstawia spektrogramy i widma częstotliwościowe, które powstały podczas eksperymentu z tarciem.

Eksperyment obejmował dwa różne czujniki, które zamocowano na rurze stalowej. Porównano konwencjonalny czujnik drgań o wysokiej częstotliwości z jednym z nowych szerokopasmowych czujników ultradźwiękowych. Jako źródło dźwięku przenoszonego przez konstrukcję wykorzystano stymulację za pomocą papieru ściernego. Na spektrogramach ruch posuwisto-zwrotny ten jest rozpoznawalny w przedziale od dwóch do siedmiu sekund. Spektra częstotliwości są obliczane dla poszczególnych okien czasowych w tym przedziale czasowym. Zarówno spektrogramy, jak i spektra wyraźnie pokazują różnice między tymi dwoma typami czujników.

Celem niniejszego przykładu jest przedstawienie możliwości wykorzystania nowatorskich czujników ultradźwiękowych do monitorowania stanu obróbki elementów ceramicznych przy użyciu precyzyjnych maszyn do cięcia płytek. Motywacją jest ogólna optymalizacja procesów cięcia, zwłaszcza w przypadku tak zwanych materiałów „trudnych do cięcia”, lub monitorowanie stanu obróbki bardzo kosztownych elementów. Wrzeciono napędowe maszyny do cięcia zostało wyposażone w czujniki ultradźwiękowe oparte na kompozytach piezoelektrycznych. Częstotliwość rezonansowa grubości tych czujników wynosi około 1 MHz. Sygnały zostały zarejestrowane za pomocą karty akwizycji danych DT 9847-2-2 (Data Translation) i przeanalizowane przy użyciu oprogramowania MATLAB firmy Mathworks.

Zastosowano częstotliwość próbkowania wynoszącą 216 kHz. Rysunek 7 przedstawia dwa z nowych czujników, a także wrzeciono napędowe maszyny do cięcia płytek, wyposażone w te czujniki. Przykład maszyny do cięcia płytek jest interesującym zastosowaniem ze względu na specjalne wrzeciona napędowe stosowane w tych maszynach. Wysokoprędkościowe wrzeciona o prędkości obrotowej dochodzącej do 60 000 obr./min są wrzecionami z łożyskami powietrznymi i silnikami bezszczotkowymi. W związku z tym w procesie nie występuje bezpośrednie sprzężenie mechaniczne między częściami obrotowymi a stacjonarnymi. Ponadto łożysko powietrzne powoduje stałą emisję akustyczną w wyniku wydmuchiwania powietrza.

Przeanalizowano standardowy proces cięcia trzech dysków ceramicznych zamocowanych w jednym rzędzie (rysunek 8). Proces ten trwa około sześciu sekund dla każdej linii cięcia. Najpierw wrzeciono napędowe przesuwa się w dół (w kierunku osi z). W drugim etapie następuje właściwy proces cięcia. Na pierwszy rzut oka sygnał czasowy nie dostarcza żadnych wartościowych informacji do sterowania procesem.

W związku z tym konieczne jest zastosowanie przetwarzania sygnałów w płaszczyźnie czasowo-częstotliwościowej. Na spektrogramie (rys. 8, po prawej) przedstawiono cały proces cięcia. Niektóre stałe niskie częstotliwości były mierzone w sposób ciągły. Wynikają one z pracy obracającego się wrzeciona o stałej prędkości obrotowej wynoszącej 30 000 obr./min oraz z turbulencji na wylocie łożyska powietrznego, na które nakładają się efekty związane z rozpylaniem wody chłodzącej.

Na początku i na końcu cięcia (krok 1 i krok 3) bardzo duże przyspieszenie osi z powoduje wysokie amplitudy w szerokim zakresie częstotliwości sięgającym maksymalnie 5 kHz. Podczas cięcia (krok 2) obróbka trzech krążków powoduje powtarzalne zmiany widma przy różnych częstotliwościach. Najwyższe amplitudy wystąpiły w okolicy 20 kHz, co stanowi dobry wskaźnik na to, że monitorowanie stanu w zakresie częstotliwości ultradźwiękowych może działać skutecznie. Wynik ten pozwala na monitorowanie zmian parametrów obróbki – na przykład im wyższa prędkość posuwu, tym wyższa amplituda w zakresie częstotliwości ultradźwiękowych.

W poniższym przykładzie przedstawiono wyniki serii testów mających na celu optymalizację prędkości posuwu. Podczas zwiększania prędkości posuwu od jednej linii cięcia do następnej obrabiano płytkę ceramiczną. Obecnie jedyną informacją o stanie procesu jest wartość prądu napędowego wrzeciona. Ze względu na bardzo niewielkie zmiany prądu napędowego wrzeciona w porównaniu ze zmianami prędkości posuwu wyniki monitorowania są niewystarczające. Znacznie więcej informacji można uzyskać dzięki czujnikom ultradźwiękowym umieszczonym na wrzecionie napędowym.

Rysunek 9 przedstawia zdjęcie częściowo wyciętej płytki. W środkowej części ostatniej linii cięcia widoczna jest pęknięta lamela ceramiczna. Sześć linii cięcia wcześniej można zaobserwować pierwsze ślady uszkodzeń na dnie rowków cięcia, co oznacza, że proces cięcia był już w stanie krytycznym.

Większe tarcie w krytycznym stanie procesu, a zwłaszcza pęknięcie lameli, powoduje zmiany w widmie częstotliwości sygnałów. W momencie pomiaru wynoszącym 2,3 s niektóre linie rezonansowe ulegają przerwaniu. To zjawisko przejściowe zostało wykryte przez czujniki i mogło być spowodowane pęknięciem lameli ceramicznej, jak pokazano na rysunku 9. Położenie geometryczne pęknięcia można w przybliżeniu przypisać do zjawiska przejściowego widocznego na spektrogramie.

W chwili obecnej nie jest możliwe precyzyjne przyporządkowanie, ponieważ brakuje sygnału wyzwalającego z ruchomej osi maszyny, który można by wykorzystać do zsynchronizowania osi czasu pomiaru. Ponadto szczegółowa interpretacja zjawisk fizycznych i technicznych musi stanowić przedmiot dalszych badań i zostanie opublikowana w przyszłych artykułach. Podsumowując, można stwierdzić, że nowatorskie czujniki ultradźwiękowe oparte na kompozytach piezoelektrycznych mogą być bardzo skutecznie wykorzystywane do monitorowania stanu procesów cięcia.

W celu przeprowadzenia badań dotyczących diagnostyki łożysk z wykorzystaniem nowego detektora ultradźwiękowego SONAPHONE zastosowano stanowisko badawcze do łożysk. Łożyska kulkowe typu 6002 zostały przygotowane z różnymi usterkami testowymi w celu symulacji uszkodzeń.

Rysunek 11 przedstawia przykład obszaru zaznaczonego kreskowaniem na bieżni kulkowej pierścienia zewnętrznego. Zarówno bieżnię pierścienia wewnętrznego, jak i kulki można przygotować za pomocą grawerowania laserowego. Celem tej metody jest zastosowanie powtarzalnej techniki przygotowania. Jest to ważne, aby stan na początku zamierzonego zużycia można było odtworzyć tyle razy, ile jest to konieczne.

Podczas pracy to symulowane uszkodzenie łożyska generuje drgania i dźwięk przenoszony przez konstrukcję. Rysunek 12 przedstawia przebieg pracy w trybie „w górę i w dół” na nowym łożysku kulkowym (po lewej) oraz na łożysku przygotowanym (po prawej). Uszkodzone łożysko można odróżnić od nowego na podstawie różnicy poziomu hałasu, a także poprzez wizualną ocenę spektrogramu. W przypadku łożyska przygotowanego wykrywane są nawet fale ultradźwiękowe w całym zakresie częstotliwości urządzenia SONAPHONE, sięgającym do 100 kHz.

Rysunek 11 przedstawia zrzuty ekranu z oprogramowania Data-Viewer działającego na komputerze PC. Poziom dźwięku jest wyświetlany u góry, a spektrogramy z okresu pomiaru – u dołu. W niniejszym przykładzie dotyczącym diagnostyki łożysk można również wykazać niezawodność technologii ultradźwiękowej szerokopasmowej. Na spektrogramach widać, że istnieją zakresy częstotliwości, w których prawie nie emitowana jest energia akustyczna.

Wnioski

Zastosowanie ultradźwięków w konserwacji zostało na początku niniejszego artykułu zaklasyfikowane w kontekście nowoczesnych metod konserwacji. Szczególnie w dziedzinie monitorowania stanu technicznego technika ultradźwiękowa wnosi znaczący wkład we wczesne wykrywanie usterek. Krótko przedstawiono opracowanie nowego urządzenia pomiarowego oraz pierwsze przykłady jego zastosowania. Opisano zalety szerokopasmowego procesu pomiarowego, w tym wykorzystanie nowatorskich czujników ultradźwiękowych z materiałem piezokompozytowym stanowiącym rdzeń przetworników. Podkreślono znaczenie szerokopasmowej analizy danych oraz wynikającą z niej zwiększoną niezawodność wyników badań.

Podziękowania

Część niniejszej pracy została sfinansowana przez Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań Naukowych UMKlaD (BMBF, program: kMU-innovativ, projekt: 01IS15051A).