Durum İzleme

Durum temelli bakım veya öngörücü bakımın (PdM) amacı, zamanında bir bakım önlemi başlatmaktır. "Zamanında" derken, daha fazla çaba gerektiren büyük hasarlar meydana gelmeden onarım masraflarını olabildiğince düşük tutacak kadar erken, ancak makinenin duruş süresini en aza indirip parçaların kullanım ömrünü sonuna kadar en üst düzeye çıkaracak kadar geç bir zaman kastedilmektedir. Güvenli kullanımın en son anını sağlamak büyük bir zorluktur. Bu nedenle, uygulamada genellikle ilk strateji tercih edilir. Dolayısıyla, durum tabanlı stratejinin amacı, arızaların erken tespit edilmesi ve onarılması yoluyla bakım maliyetlerini en aza indirmektir. Arıza belirtilerinin erken tespit edilmesi, ultrason tabanlı teşhis yöntemlerinin temel görevidir. Durum izleme, genel olarak bir makinenin gerçek çalışma durumunu belirlemek için uygun teknolojilerin kullanılması olarak tanımlanır. Çalışma durumu, proses ve makine durumunun birleşimidir. Geçmişte, operatör veya servis teknisyeni durum izlemeyi yalnızca işitme, görme veya dokunma gibi duyularını kullanarak gerçekleştirmek zorundaydı. Günümüzde ise birçok makine ve proses insansız olarak çalıştığı ve tesisler giderek daha karmaşık hale geldiği için bir izleme tekniğine ihtiyaç duyulmaktadır.

Buna ek olarak, bu tür bir teknik, parametreleri kesintisiz olarak 24 saat boyunca izlemek için pek çok yeni imkân sunabilir. Bu, insansız makinelerin ve sistemlerin nispeten kolay bir şekilde uzaktan kontrol edilebileceği anlamına gelir. Bir makinenin çalışma durumunu tespit etmek amacıyla sıcaklık, basınç, akış, yağ kalitesi veya titreşim gibi çeşitli parametreler izlenebilir. Söz konusu parametreler, tahrik milinin akımı veya kuvveti gibi başka parametrelerle desteklenebilir. Bahsedilen son iki parametre, genellikle fabrikadan çıktığı anda takım tezgahı operatörünün kullanımına sunulur. Dönen parçaları olan makinelerdeki hataların çoğu titreşime yol açtığından, bir makinenin durumu (makinenin sağlığı) ve proses parametreleri (çalışma özellikleri) hakkındaki bilgilerin çoğu, titreşim ölçümü yoluyla durum izleme yöntemiyle elde edilebilir. Bu, tek bir teknolojiyle hem makinenin durumunu hem de proses durumunu izlemenin mümkün olduğu anlamına gelir. Verimliliği ve bakımı aynı anda optimize etme yeteneği, tesislerin genel verimliliğini önemli ölçüde artırabilir.

Bakım Alanında Ultrason

Yukarıda açıklanan avantajlar nedeniyle, titreşim ölçümü pratikte dönen parçaları olan makineleri izlemek için ilk tercih edilen yöntemdir. Titreşim ölçümünde genellikle 20 kHz’e kadar doğrusal frekans tepkisine sahip titreşim sensörleri kullanılır. Bakım amacıyla kullanılabilecek akustik süreçler 1 MHz'e kadar uzanan daha geniş bir frekans aralığını kapsadığından, özel sensörler gereklidir. Bu ultrasonik sensörler, test edilecek frekansların çok yüksek olduğu durumlarda olduğu kadar, sapmaların titreşim sensörleri için çok küçük olduğu durumlarda da kullanılır. Ayrıca, ultrason aralığındaki analiz, işitilebilir aralıktaki çok sayıda makine gürültüsünün ölçüme müdahale etmemesi avantajını sunar. Yazarlar, ultrason yöntemlerinin kullanımını titreşim analizine tamamlayıcı bir yaklaşım olarak sınıflandırmaktadır. Ultrason aralığında ses emisyonlarının oluşum nedenleri, titreşimlerin oluşum nedenlerinden farklıdır. Bakım sırasında kaydedilmesi gereken en önemli etkiler, nihai olarak sürtünmeye dayanmaktadır. Bu tür işlemler arasında örneğin yağlama izleme veya kuru çalışma tespiti, sızıntı akışları ve kaymalı yataklar veya frenlerdeki teknik sürtünme süreçleri sayılabilir. Bununla birlikte, türbülans, kavitasyon veya deşarj süreçleri gibi diğer ses emisyonu nedenleri de, kapsamı dönen parçalara sahip makinelerden kaynaklanmayan süreçlere kadar genişletmektedir. Tüm bu nedenler için, hasar veya proses değişikliğini mümkün olduğunca erken tespit etmek amacıyla ultrason yöntemlerinin avantajlarından yararlanılır. Şekil 2’de gösterildiği gibi, sinyal algılama türü ve dolayısıyla bakımda ultrason kullanımı, havadan yayılan ses ve yapıdan yayılan ses olmak üzere iki kategoriye ayrılabilir.

Hava yoluyla yayılan ses söz konusu olduğunda, basınçlı hava sistemlerinde sızıntı tespiti, kabin ve konteynerlerde aktif sızıntı testi veya kısmi deşarjların tespiti gibi uygulamalar halihazırda bilinmektedir. Buhar tuzağı testi, yatak tanılama ve vana testi gibi yapı yoluyla yayılan ses uygulamaları ise zaten yaygın olarak kullanılmaktadır. Piezoelektrik kompozit malzemelere dayalı ultrasonik sensörler geliştirilmiş ve proses izleme amaçlı yapı kaynaklı ses uygulamalarında kullanılmaktadır. Düz frekans tepkisi ve yüksek hassasiyete sahip bu yeni sensörler, geniş bant uygulamaları için uygundur.

2016 yılında SONOTEC Ultraschallsensorik Halle GmbH, yeni bir test cihazını piyasaya sürdü. Bu cihaz, bakım alanındaki ultrasonik inceleme görevleri için tasarlanmıştır. Bu cihaz ile daha önce piyasada bulunan cihazlar arasındaki temel farklar, sensörlerin geniş frekans aralığı ve dijital ölçüm cihazının modüler yapısıdır. Ayrıca, akıllı telefonlar ve tabletler gibi yaygın olarak kullanılan mobil cihazların tüm işlevleri, bu yeni el tipi ultrason dedektörüne entegre edilmiştir. Yeni SONAPHONE ile 20-100 kHz frekans aralığı algılanabilir ve değerlendirilebilir.

Cihaz, testler sırasında olduğu kadar veri değerlendirmesi ve test belgelemesi aşamalarında da bakım mühendisine yardımcı olacak, uygulamaya özel uygulamalarla donatılacaktır. SONAPHONE, yukarıda bahsedilen tüm bakım uygulamaları için mobil, el tipi bir test cihazı olarak geliştirilmiştir. Şu anda platform, iki sinyalin senkronize olarak kaydedilmesi ve işlenmesi için tasarlanmıştır: ultrason ve sıcaklık sinyali (yapı kaynaklı ses sensöründe uygulanmıştır) zaman senkronizasyonu sağlanarak kaydedilebilir.

Sızıntı tespiti, sızdırmazlık testi ve kısmi deşarj tespiti gibi hava yoluyla yayılan ses uygulamaları için, gereksinimlere uygun olacak şekilde hava yoluyla yayılan ses sensörü için çeşitli aksesuarlar (Şekil 3, sağ üst) geliştirilmiştir. Böylelikle, sensörün alım özellikleri, tespit menzili ve açılma açısı açısından değiştirilebilir. Buhar tuzağı testi veya yatak muayenesi gibi yapı kaynaklı uygulamalar için de aksesuarlar geliştirilmiştir (Şekil 3, sağ alt).

Yapı kaynaklı ses sensörü, manyetik bir tutucu veya farklı uzunluklarda dalga kılavuzları ile donatılabilir. Ayrıca test noktasına doğrudan vidalanabilir. Durum izleme uygulaması bağlamında, bu el tipi cihaz, karşılaştırma ölçümü veya çok sayıda ölçüm üzerinden eğilim analizi şeklinde, mobil ve tekrarlanan testler için kullanılmalıdır. Bu, durum izlemenin önceden belirlenmiş belirli zamanlarda gerçekleştirildiği ve bir anlık görüntü ile durum tahmini olarak tanımlanabileceği anlamına gelir.

Yeni sensör teknolojisinin geliştirilmesindeki motivasyon ve arka plan, örneğin çeşitli makalelerde ayrıntılı olarak açıklanmaktadır. Durum izleme uygulamaları için yeni ultrason dönüştürücüler, bütünleştirici bir uygulama felsefesi çerçevesinde düşük ve yüksek frekansların birbirini tamamlayıcı şekilde kullanılmasında merkezi bir rol oynayan piezokompozit malzeme temelinde geliştirilmiştir.

Bu teknolojinin kullanımıyla birçok fayda elde edilebilir. Sensörün frekans yanıt eğrisi nispeten düzgündür ve istenmeyen rezonanslar bastırılır. Bu, frekans özelliklerinin belirli bir dereceye kadar doğrusallaştırılabileceği anlamına gelir; böylece sinyallerin spektral özelliklerinden yararlanılabilir ve gelişmiş zaman-frekans analizi gerçek zamanlı olarak uygulanabilir. Bir diğer önemli husus ise dönüştürücü tasarımındaki serbestlik derecesinin artmasından kaynaklanmaktadır; örneğin, esnek veya özel kavisli dönüştürücüler artık mümkün hale gelmiştir.

Şekil 4’te iki elektriksel empedans eğrisi gösterilmiştir. Mavi eğri geleneksel piezoseramik tip bir dönüştürücüyü, kırmızı eğri ise yeni bir piezokompozit tip dönüştürücüyü temsil etmektedir. İki eğri arasındaki fark, piezokompozit dönüştürücülerde istenmeyen rezonansların bastırıldığını göstermektedir. Buna karşılık, piezoseramik tipte, dönüştürücünün ana parçası olan seramik diskin farklı titreşim modlarının neden olduğu birçok rezonans görülmektedir.

Bu çalışmada kullanılan piezokompozit malzeme, “dice-and-fill” teknolojisi kullanılarak üretilmiştir (Şekil 5). Bu zorlu üretim tekniği, 2008 yılında SONOTEC’te geliştirilmiştir. Piezoseramik plakalar (örneğin kurşun zirkonat titanat (PZT)), bir yonga kesme makinesi ile 90°'lik bir açı altında iki yönde kısmen kesilir. Boşluklar poliüretan veya epoksi reçine ile doldurulur. Sertleşmenin ardından plaka, nihai kalınlığına kadar taşlanır. Son olarak, kompozit metalize edilir ve polarize edilir.

Bu üretim süreci karmaşıktır ve farklı zorluk derecelerine sahip birkaç aşamadan oluşur. Bu da çeşitli olanaklar sunarak yeni dönüştürücü özelliklerinin ortaya çıkmasını sağlar. Piezoseramik türü, plastik matris türü, piezoseramik sütunların aralığı ve dizilişi, boşluk genişliği, plakanın kalınlığı, plakanın şekli ve dönüştürücü elemanlarının makroskobik aralığı gibi değişiklikler yoluyla varyasyonlar mümkündür.

Piezokompozit malzemelere dayalı yeni sensörlerin avantajları, basit deneylerle de gösterilebilir. Şekil 6, bir sürtünme deneyi sırasında elde edilen spektrogramları ve frekans spektrumlarını göstermektedir.

Deney, çelik bir boruya sabitlenmiş iki farklı sensörden oluşuyordu. Geleneksel bir yüksek frekanslı titreşim sensörü, yeni geniş bantlı ultrasonik sensörlerden biriyle karşılaştırıldı. Yapı kaynaklı ses kaynağı olarak zımpara kağıdı ile yapılan bir uyarım kullanıldı. Spektrogramlarda, bu ileri-geri hareket iki ile yedi saniye arasında fark edilebilir. Frekans spektrumlarının her biri, bu zaman aralığı içindeki bir zaman penceresinden hesaplanmıştır. Hem spektrogramlar hem de spektrumlar, iki sensör türü arasındaki farkları açıkça göstermektedir.

Bu örneğin amacı, hassas yonga kesme makineleri kullanılarak seramik parçaların işlenmesinde durum izleme için yeni ultrason sensörlerinin kullanılma imkânını sunmaktır. Bu çalışmanın ardındaki motivasyon, kesme süreçlerinin genel olarak optimize edilmesi, özellikle de “kesilmesi zor” olarak adlandırılan malzemelerin işlenmesinde veya çok pahalı parçaların işlenmesinde durum izlemesidir. Kesme makinesinin tahrik mili, piezokompozitlere dayalı ultrason sensörleriyle donatılmıştır. Bu sensörlerin kalınlık rezonans frekansı yaklaşık 1 MHz’dir. Sinyaller, DT 9847-2-2 (Data Translation) veri toplama kartı ile kaydedilmiş ve Mathworks’ün MATLAB yazılımı kullanılarak analiz edilmiştir.

216 kHz’lik bir örnekleme hızı uygulandı. Şekil 7’de, bu yeni sensörlerden ikisi ile sensörlerle donatılmış dilimleme makinesinin tahrik mili gösterilmektedir. Yonga dilimleme makinesi örneği, bu makinelerde kullanılan özel tahrik milleri nedeniyle ilgi çekici bir uygulamadır. Dönme hızı 60.000 dev/dk'ya kadar çıkan bu yüksek hızlı miller, fırçasız motorlara sahip hava yataklı millerdir. Dolayısıyla, işlem sırasında dönen ve sabit parçalar arasında doğrudan bir mekanik bağlantı bulunmamaktadır. Ayrıca, hava yatağı, hava püskürmesi nedeniyle sürekli olarak akustik emisyon oluşturur.

Tek sıra halinde sabitlenmiş üç seramik diskten oluşan standart bir kesme işlemi analiz edildi (Şekil 8). İşlem, her kesim çizgisi için yaklaşık altı saniye sürer. İlk olarak, tahrik mili aşağı doğru hareket eder (z ekseni yönünde). İkinci adım olarak ise asıl kesme işlemi gerçekleştirilir. İlk bakışta, zaman sinyali işlem kontrolü için herhangi bir değerli bilgi sağlamamaktadır.

Bu nedenle, zaman-frekans sinyal işleme yöntemi uygulanmalıdır. Spektrogramda (Şekil 8, sağda) tüm dilimleme süreci gösterilmektedir. Bazı sabit düşük frekanslar sürekli olarak ölçülmüştür. Bunlar, 30.000 dev/dk sabit dönme hızına sahip dönen milin etkisi ile soğutma suyu püskürtmesinden kaynaklanan etkilerin üst üste bindiği hava yatağı çıkışındaki türbülansların bir sonucudur.

Kesimin başında ve sonunda (1. ve 3. adım), z eksenindeki çok yüksek ivme, maksimum 5 kHz’lik geniş bir frekans aralığında yüksek genliklere yol açmaktadır. Kesim sırasında (2. adım), üç diskin işlenmesi, farklı frekanslarda spektrumda tekrarlanabilir değişikliklere neden olmaktadır. En yüksek genlikler 20 kHz civarında elde edilmiştir; bu da ultrasonik frekans aralığında durum izlemenin iyi sonuç verebileceğinin önemli bir göstergesidir. Bu sonuç sayesinde işleme parametrelerindeki değişiklikleri izlemek mümkündür – örneğin, ilerleme hızı ne kadar yüksekse, ultrasonik frekans aralığındaki genlik de o kadar yüksek olur.

Aşağıdaki örnekte, ilerleme hızının optimizasyonu için yapılan bir test serisinin sonuçları gösterilmektedir. Bir kesim hattından bir sonrakine ilerleme hızı artırılırken bir seramik plaka işlenmiştir. Şu anda, işleme durumuna ilişkin tek bilgi kaynağı iş mili tahrik akımının değeridir. İlerleme hızındaki değişikliklere kıyasla iş mili tahrik akımındaki değişikliklerin çok küçük olması nedeniyle izleme sonuçları yetersiz kalmaktadır. Tahrik miline yerleştirilen ultrasonik sensörler sayesinde çok daha fazla bilgi elde edilebilir.

Şekil 9, kısmen kesilmiş plakanın bir fotoğrafını göstermektedir. Son kesim hattının ortasında kırık bir seramik lameli görülmektedir. Bundan altı kesim hattı önce, kesme oluklarının dibinde ilk hasar izleri gözlemlenebilir; bu da dilimleme işleminin zaten kritik bir durumda olduğu anlamına gelir.

Kritik proses durumunda artan sürtünme ve özellikle lamelin kırılması, sinyallerin frekans spektrumunda değişikliklere neden olur. 2,3 saniyelik ölçüm anında bazı rezonans çizgileri kesintiye uğrar. Bu geçici olay sensörler tarafından tespit edilmiştir ve Şekil 9'da gösterildiği gibi seramik lamelin kırılmasından kaynaklanmış olabilir. Kırılmanın geometrik konumu, spektrogramda görülen geçici olaya yaklaşık olarak eşleştirilebilir.

Şu anda, ölçüm zaman eksenini senkronize etmek için kullanılabilecek, hareketli makine ekseninden gelen bir tetikleme sinyali bulunmadığından, kesin bir eşleştirme yapılamamaktadır. Ayrıca, fiziksel ve teknik etkilerin ayrıntılı bir yorumu, ileriki çalışmaların bir parçası olmalı ve gelecekteki makalelerde yayınlanacaktır. Sonuç olarak, piezokompozitlere dayalı yeni ultrason sensörlerinin, dilimleme süreçlerinin durum izlemesi için çok etkili bir şekilde kullanılabileceği belirtilebilir.

Yeni SONAPHONE ultrasonik dedektör ile rulman teşhisi araştırmaları için bir rulman test standı kullanılmıştır. Hasar simülasyonu amacıyla 6002 tipi bilyalı rulmanlar, çeşitli test arızaları içerecek şekilde hazırlanmıştır.

Şekil 11, dış halkanın bilyalı yuvasında taralı alanın bir örneğini göstermektedir. Hem iç halkanın yuvası hem de bilyeler lazer kazıma ile hazırlanabilir. Bu yöntemin amacı, tekrarlanabilir bir hazırlama tekniği kullanmaktır. Bu, amaçlanan aşınmanın başlangıcındaki durumun gerektiği kadar sık oluşturulabilmesi açısından önemlidir.

Çalışma sırasında, bu simüle edilmiş rulman hasarı titreşimler ve yapı kaynaklı ses üretir. Şekil 12, yeni bir bilyalı rulmanda (solda) ve hazırlanmış bir rulmanda (sağda) yapılan bir yukarı-aşağı testini göstermektedir. Arızalı rulman, ses seviyesi farkının yanı sıra spektrogramın optik değerlendirmesi yoluyla yeni rulmandan ayırt edilebilir. Hazırlanmış rulman durumunda, SONAPHONE'un 100 kHz'e kadar olan tüm frekans aralığında ultrason bile tespit edilir.

Şekil 11, bir PC üzerinde çalışan Data-Viewer yazılımının ekran görüntülerini göstermektedir. Ses seviyesi üstte, ölçüm süresine ait spektrogramlar ise altta gösterilmektedir. Geniş bant ultrason teknolojisinin sağlamlığı, bu rulman teşhisi örneğinde de gösterilebilir. Spektrogramlarda, neredeyse hiç ses enerjisi yayılmayan frekans aralıkları olduğu görülmektedir.

Sonuçlar

Bu makalenin başında, ultrasonun bakım alanındaki kullanımı modern bakım yöntemleri kapsamında ele alınmıştı. Özellikle durum izleme alanında, ultrason tekniği arızaların erken tespitine önemli bir katkı sağlamaktadır. Yeni bir test cihazının geliştirilmesi ve ilk uygulama örnekleri kısaca sunulmuştur. Dönüştürücülerin kalbinde piezokompozit malzeme kullanılan yeni ultrason sensörlerinin kullanımı da dahil olmak üzere, geniş bantlı ölçüm sürecinin avantajları açıklanmıştır. Geniş bantlı veri analizi ve bunun sonucunda test sonuçlarının artan güvenilirliği vurgulanmıştır.

Teşekkürler

Bu çalışmanın bazı bölümleri, Federal Eğitim ve Araştırma Bakanlığı UMKlaD (BMBF, program: kMU-innovativ, proje: 01IS15051A) tarafından desteklenmiştir.