Tillståndsövervakning

Syftet med tillståndsbaserat underhåll eller prediktivt underhåll (PdM) är att vidta underhållsåtgärder i rätt tid. Med ”i rätt tid” avses tillräckligt tidigt för att hålla reparationskostnaderna så låga som möjligt innan större skador uppstår som kräver större insatser, men ändå så sent som möjligt för att minimera maskinens driftstopp och maximera utnyttjandet av komponenterna fram till slutet av deras livscykel. Det är en stor utmaning att säkerställa den senast möjliga tidpunkten för säker användning. Därför används ofta den första strategin i praktiken. Syftet med den tillståndsbaserade strategin är därför att minimera underhållskostnaderna genom tidig felupptäckt och reparation. Att tidigt identifiera tecken på defekter är den viktigaste uppgiften för ultraljudsbaserade diagnostiska metoder. Tillståndsövervakning definieras generellt som användningen av lämplig teknik för att fastställa en maskins faktiska driftstillstånd. Driftsläget är en kombination av process- och maskinens tillstånd. Tidigare var operatören eller serviceteknikern tvungen att utföra tillståndsövervakning enbart med hjälp av sinnena, såsom hörsel, syn eller känsel. Idag, då många maskiner och processer körs obemannade och anläggningarna blir allt mer komplexa, behövs en övervakningsteknik.

Dessutom skulle en sådan teknik kunna erbjuda många nya möjligheter att övervaka parametrar dygnet runt, utan avbrott. Detta innebär att obemannade maskiner och system kan fjärrstyras relativt enkelt. Olika parametrar, såsom temperatur, tryck, flöde, oljekvalitet eller vibrationer, kan övervakas för att fastställa en maskins driftstatus. Dessa parametrar kan kompletteras med ytterligare parametrar, såsom drivspindelns ström eller kraft. De två sistnämnda parametrarna görs ofta tillgängliga för operatören av verktygsmaskiner redan när maskinen lämnar fabriken. Eftersom de flesta fel på maskiner med roterande delar leder till vibrationer kan det mesta av informationen om maskinens tillstånd (maskinens hälsa) samt processparametrarna (driftsegenskaperna) registreras genom tillståndsövervakning med hjälp av vibrationsmätning. Detta innebär att det är möjligt att övervaka både maskinens tillstånd och processens tillstånd med endast en teknik. Denna förmåga att samtidigt optimera produktiviteten och underhållet kan avsevärt förbättra anläggningarnas totala effektivitet.

Ultraljud inom underhållsområdet

Tack vare de tidigare beskrivna fördelarna är vibrationsmätning i praktiken det främsta valet när det gäller övervakning av maskiner med roterande delar. För att mäta vibrationer används vanligtvis vibrationssensorer med ett linjärt frekvenssvar på upp till 20 kHz. Eftersom de akustiska processer som kan användas för underhåll täcker ett ytterligare frekvensområde på upp till 1 MHz krävs särskilda sensorer. Dessa ultraljudssensorer används om de frekvenser som ska mätas är för höga, men även om avböjningarna är för små för vibrationssensorer. Dessutom erbjuder analysen inom ultraljudsområdet fördelen att det stora antalet maskinljud inom det hörbara frekvensområdet inte stör mätningen. Användningen av ultraljudsmetoder klassificeras av författarna som ett komplement till vibrationsanalys. Orsakerna till att ljudemissioner i ultraljudsområdet uppstår skiljer sig från orsakerna till att vibrationer uppstår. De viktigaste effekterna som måste registreras vid underhåll beror i slutändan på friktion. Sådana åtgärder är till exempel smörjningsövervakning eller detektering av torrkörning, läckageflöden och tekniska friktionsprocesser på glidlager eller bromsar. Andra orsaker till ljudemissioner, såsom turbulens, kavitation eller utströmningsprocesser, utvidgar dock tillämpningsområdet till processer som inte har sitt ursprung i maskiner med roterande delar. För alla dessa orsaker utnyttjas fördelarna med ultraljudsmetoder för att upptäcka skador eller processförändringar så tidigt som möjligt. Som framgår av figur 2 kan typen av signalavkänning och därmed användningen av ultraljud inom underhållet indelas i de två kategorierna luftburet ljud och strukturburet ljud.

När det gäller luftburet ljud finns det redan kända tillämpningar såsom läckagedetektering i tryckluftssystem, aktiv läckagetestning av hytter och containrar samt detektering av partiella urladdningar. Tillämpningar för strukturburet ljud, såsom testning av ångavledare, lagerdiagnostik och ventiltestning, är redan etablerade. Ultraljudssensorer baserade på piezoelektriska kompositmaterial har utvecklats och används för tillämpningar med strukturljud inom processövervakning. Med ett jämnt frekvenssvar och hög känslighet är dessa nya sensorer lämpliga för bredbandiga tillämpningar.

År 2016 lanserade SONOTEC Ultraschallsensorik Halle GmbH en ny testutrustning. Utrustningen är avsedd för ultraljudsinspektioner inom underhållsområdet. De främsta skillnaderna jämfört med tidigare tillgängliga enheter är sensornas breda frekvensområde och den digitala mätutrustningens modulära uppbyggnad. Dessutom är alla funktioner hos etablerade mobila enheter, såsom smartphones och surfplattor, integrerade i den nya handhållna ultraljudsdetektorn. Med den nya SONAPHONE kan ett frekvensområde på 20–100 kHz detekteras och utvärderas.

Enheten kommer att förses med tillämpningsspecifika appar som underlättar underhållsteknikerns arbete både under provning och vid utvärdering av data samt dokumentation av provningen. SONAPHONE har utvecklats som en mobil, handhållen testenhet för alla ovannämnda underhållstillämpningar. För närvarande är plattformen utformad för synkron inspelning och bearbetning av två signaler: ultraljud och temperatursignal (implementerad i den strukturburna ljudsensorn) kan registreras tidssynkroniserat.

För tillämpningar med luftburet ljud, såsom läckagedetektering, täthetsprovning och detektering av partiella urladdningar, har olika tillbehör (figur 3, uppe till höger) utvecklats för sensorn för luftburet ljud för att uppfylla kraven. På så sätt kan sensorns mottagningsegenskaper anpassas vad gäller detekteringsavstånd och upptagningsvinkel. Även för strukturljudstillämpningar, såsom testning av ångfällor eller lagerinspektion, har tillbehör utvecklats (figur 3, nedre högra hörnet).

Sensorn för strukturljud kan förses med en magnethållare eller vågledare i olika längder. Den kan också skruvas fast direkt på mätpunkten. När det gäller tillämpningen av tillståndsövervakning ska den handhållna enheten användas för en mobil, återkommande testning i form av en jämförelsemätning eller trendanalys över många mätningar. Detta innebär att tillståndsövervakningen sker vid specifika, förutbestämda tidpunkter och kan beskrivas som en tillståndsbedömning genom en ögonblicksbild.

Motivationen och bakgrunden till utvecklingen av den nya sensortekniken beskrivs ingående i flera artiklar, till exempel. Nya ultraljudsgivare för tillståndsövervakning har utvecklats med utgångspunkt i piezokompositmaterial, vilket är centralt för den komplementära användningen av lägre och högre frekvenser inom en integrerad tillämpningsfilosofi.

Flera fördelar kan uppnås genom användningen av tekniken. Sensorns frekvensresponskurva är relativt jämn och oönskade resonanser dämpas. Detta innebär att frekvensegenskaperna i viss utsträckning kan lineariseras, vilket möjliggör utnyttjande av signalernas spektrala egenskaper och tillämpning av avancerad tids-frekvensanalys i realtid. En ytterligare viktig aspekt härrör från det ökade antalet frihetsgrader i givarutformningen; till exempel blir flexibla eller speciellt krökta givare möjliga.

I figur 4 visas två elektriska impedanskurvor. Den blå kurvan representerar en konventionell givare av piezokeramisk typ och den röda kurvan representerar en ny givare av piezokomposit-typ. Skillnaden mellan de två kurvorna illustrerar dämpningen av oönskade resonanser för piezokompositgivarna. Däremot uppvisar den piezokeramiska typen många resonanser som orsakas av olika vibrationslägen hos en keramisk skiva, som utgör huvuddelen av givaren.

Det piezokompositmaterial som användes i detta arbete tillverkades med hjälp av ”dice-and-fill”-tekniken (figur 5). Denna krävande tillverkningsteknik etablerades hos SONOTEC år 2008. Piezokeramiska plattor (till exempel blyzirkonattitanat (PZT)) skärs delvis av en skivskärningsmaskin i två riktningar i en vinkel på 90°. Mellanrummen fylls med polyuretan eller epoxiharts. Efter härdning slipas plattan till sin slutliga tjocklek. Slutligen metalliseras och polariseras kompositen.

Denna tillverkningsprocess är komplex och består av flera steg med olika svårighetsgrader. Detta ger upphov till en mängd olika möjligheter, vilket möjliggör nya egenskaper hos givarna. Variationer är möjliga genom förändringar av typen av piezokeramik, typen av plastmatris, avståndet mellan och placeringen av de piezokeramiska pelarna, spaltbredden, plattans tjocklek, plattans form och givareelementens makroskopiska avstånd.

Fördelarna med de nya sensorerna baserade på piezokompositmaterial kan också illustreras med enkla experiment. Figur 6 visar spektrogram och frekvensspektra som genererades under ett friktionsexperiment.

Experimentet bestod av två olika sensorer, vilka var fästa på ett stålrör. En konventionell högfrekvent vibrationssensor jämfördes med en av de nya bredbandsultraljudssensorerna. En stimulering med sandpapper användes som källa till strukturljud. I spektrogrammen kan denna fram- och återgående rörelse urskiljas mellan två och sju sekunder. Frekvensspektren beräknas var för sig utifrån ett tidsfönster inom detta tidsintervall. Både spektrogrammen och spektren visar tydligt skillnaderna mellan de två sensortyperna.

Syftet med detta exempel är att visa på möjligheten att använda nya ultraljudssensorer för tillståndsövervakning vid bearbetning av keramiska detaljer med hjälp av precisionsmaskiner för skärning av skivor. Motivet är en allmän optimering av skärprocesserna, särskilt när det gäller så kallade ”svårskurna” material, eller tillståndsövervakning vid bearbetning av mycket dyra detaljer. Skärmaskinens drivspindel utrustades med ultraljudssensorer baserade på piezokompositer. Dessa sensorer har en tjockleksresonansfrekvens på cirka 1 MHz. Signalerna registrerades med datainsamlingskortet DT 9847-2-2 (Data Translation) och analyserades med hjälp av MATLAB från MathWorks.

En samplingsfrekvens på 216 kHz användes. Figur 7 visar två av de nya sensorerna samt drivspindeln på skärmaskinen som är utrustad med sensorerna. Exemplet med skärmaskinen för kiselskivor är en intressant tillämpning på grund av de speciella drivspindlar som används i dessa maskiner. De höghastighetsspindlarna, med en rotationshastighet på upp till 60 000 varv per minut, är luftlagerspindlar med borstlösa motorer. Det finns därför ingen direkt mekanisk koppling mellan de roterande och de stillastående delarna i processen. Dessutom orsakar luftlagret kontinuerligt akustisk emission genom utblåsning av luft.

En standardiserad skärprocess med tre keramiska skivor placerade i en rad analyserades (figur 8). Processen tar cirka sex sekunder per skärlinje. Först rör sig drivspindeln nedåt (i z-axelns riktning). Den egentliga skärprocessen följer som ett andra steg. Vid första anblicken ger tidssignalen ingen värdefull information för processstyrningen.

Därför måste tidsfrekvensbaserad signalbehandling tillämpas. I spektrogrammet (figur 8, till höger) visas hela skärningsprocessen. Vissa fasta lågfrekvenser mättes kontinuerligt. Dessa beror på den roterande spindeln med ett fast varvtal på 30 000 r/min och turbulensen vid luftlagrets utlopp, överlagrad med effekter från kylvattensprutningen.

I början och slutet av skärningen (steg 1 och steg 3) leder den mycket höga accelerationen längs z-axeln till stora amplituder över ett frekvensområde på högst 5 kHz. Under skärningen (steg 2) ger bearbetningen av de tre skivorna upphov till reproducerbara förändringar i spektrumet vid olika frekvenser. De högsta amplituderna genererades runt 20 kHz, vilket är en god indikation på att tillståndsövervakning inom ultraljudsfrekvensområdet skulle kunna fungera väl. Med detta resultat är det möjligt att övervaka förändringar i bearbetningsparametrarna – ju högre matningshastighet, desto högre amplitud inom ultraljudsfrekvensområdet.

I följande exempel visas resultat från en testserie för optimering av matningshastigheten. En keramisk platta bearbetades samtidigt som matningshastigheten ökades från en skärlinje till nästa. För närvarande ger värdet på spindeldrivströmmen den enda informationen om processens tillstånd. På grund av de mycket små förändringarna i spindeldrivströmmen jämfört med förändringarna i matningshastigheten är övervakningsresultaten otillräckliga. Mycket mer information kan erhållas med de ultraljudssensorer som är placerade vid drivspindeln.

Figur 9 visar ett fotografi av den delvis skurna plattan. En trasig keramisk lamell syns mitt i den sista skärlinjen. Sex skärlinjer före denna kan de första tecknen på skador observeras längst ner i skärspåren, vilket innebär att skärprocessen redan befann sig i ett kritiskt tillstånd.

Den högre friktionen vid det kritiska processtillståndet, och framför allt lamellbrottet, orsakar förändringar i signalernas frekvensspektrum. Vid mättidpunkten 2,3 s avbryts vissa resonanslinjer. Denna övergående händelse detekterades av sensorerna och kan ha orsakats av att den keramiska lamellen brast, vilket framgår av figur 9. Den geometriska positionen för brottet kan ungefärligt kopplas till den övergående händelsen som syns i spektrogrammet.

En exakt bestämning är för närvarande inte möjlig eftersom det saknas en triggersignal från maskinens rörelseaxel som kan användas för att synkronisera mätningens tidsaxel. Dessutom måste en detaljerad tolkning av de fysiska och tekniska effekterna ingå i vidare studier och kommer att publiceras i kommande artiklar. Sammanfattningsvis kan man konstatera att de nya ultraljudssensorerna baserade på piezokompositer kan användas mycket effektivt för tillståndsövervakning av skärprocesser.

Ett provbänk för lager användes för undersökningar av lagerdiagnostik med den nya ultraljudsdetektorn SONAPHONE. Kullager av typ 6002 förbereddes med olika testfel för att simulera skador.

Figur 11 visar ett exempel på det schraffurerade området i kulbanan på ytterringen. Både innerringens kulbana och kulorna kan förberedas genom lasergravering. Syftet med denna metod är att använda en reproducerbar prepareringsteknik. Detta är viktigt för att det tillstånd som råder vid början av det avsedda slitaget ska kunna återskapas så ofta som behövs.

Under drift genererar denna simulerade lagerskada vibrationer och strukturburet ljud. Figur 12 visar en upp-och-ner-körning på ett nytt kullager (till vänster) samt på ett preparerat lager (till höger). Det defekta lagret kan särskiljas från det nya lagret både genom skillnaden i ljudnivå och genom en visuell utvärdering av spektrogrammet. När det gäller det preparerade lagret detekteras till och med ultraljud över hela SONAPHONE:s frekvensområde upp till 100 kHz.

Figur 11 visar skärmdumpar från programvaran Data-Viewer som körs på en PC. Ljudnivån visas längst upp och spektrogrammen för mättiden visas längst ner. Robustheten hos bredbandsultraljudstekniken kan också visas i det här exemplet på lagerdiagnostik. I spektrogrammen kan man se att det finns frekvensområden där nästan ingen ljudenergi avges.

Slutsatser

Användningen av ultraljud inom underhåll klassificerades i början av denna artikel som en del av moderna underhållsmetoder. Särskilt inom tillståndsövervakning bidrar ultraljudstekniken i betydande grad till tidig upptäckt av fel. Utvecklingen av en ny testanordning och de första tillämpningsexemplen presenterades kortfattat. Fördelarna med bredbandsmätningen, inklusive användningen av nya ultraljudssensorer med piezokompositmaterial i transduktorns kärna, beskrevs. Bredbandsdataanalysen och den därmed ökade robustheten hos testresultaten lyftes fram.

Tack

Delar av detta arbete har finansierats av det federala ministeriet för utbildning och forskning UMKlaD (BMBF, program: kMU-innovativ, projekt: 01IS15051A).