analysis of the performance of bearings by measuring...

54 Kasem Bundit Engineering Journal Vol.9 No.1 January-April 2019

การวเคราะหความเสยหายของตลบลกปนโดยการวดการสนสะเทอน

ANALYSIS OF THE PERFORMANCE OF BEARINGS BY MEASURING

VIBRATION

สมศกด สรโปราณานนท

อาจารยประจา สาขาวชาวศวกรรมไฟฟา บณฑตวทยาลย มหาวทยาลยเอเชยอาคเนย

19/1 ถนนเพชรเกษม เขตหนองแขม กรงเทพมหานคร 10160, somsaks@sau.ac.th

Somsak Siriporananon

Department of Electrical Engineering, Graduate School, Southeast Asia University

19/1 Phetkasam Rd., Nongkhaem, Bangkok 10160, Thailand, somsaks@sau.ac.th

บทคดยอ

บทความวจยนเปนการนาเสนอการวเคราะหความเสยหายของตลบลกปนในมอเตอรไฟฟา โดยใช

การวดคาความสนสะเทอนทเกดขนกบมอเตอรไฟฟา ขนาด 22 กโลวตต 1465 รอบตอนาท เพอ

หาคาความเสยหายของตลบลกปน การทดลองทาการวดคาจอเปรยบเทยบกบคาการสนสะเทอนท

เกดขนของตลบลกปนจานวน 10 ชด จากผลการทดสอบคาจอของตลบลกปนทสงขนสงผลใหคา

การสนสะเทอนสงขน และจากความสมพนธของคาจอกบคาการสนสะเทอน สามารถใชเปนขอมล

และแนวทางในการวเคราะหแนวโนมความเสยหายทเกดขนของตลบลกปน เพอใชในการวาง

แผนการบารงรกษามอเตอรไฟฟากอนทจะเกดผลกระทบกบการผลตตอไป

คาสาคญ: ตลบลกปน, ความสนสะเทอน, มอเตอรไฟฟา

ABSTRACT

This paper presents an analysis of the loss in bearings for electric motors. By measuring

and detecting the vibration of 22 kW 1465 rpm motor, In order to identify the efficiency of

bearings. This experiments measure the GE values against the vibration values of 10

bearings. The results reveal that higher of bearing geometry are resulting in higher vibration

values. In addition to, the relationship of GE values to vibration values can be used as

preliminary data and guidelines to analyze the tendency of bearing damage. Which can

adopt for planning maintenance of the electric motor before failure of the production process.

KEYWORDS: Bearing, Vibration, Electric Motor

Faculty of Engineering, Kasem Bundit University Research Article

วศวกรรมสารเกษมบณฑต ปท 9 ฉบบท 1 มกราคม-เมษายน 2562 55

1. บทนา

ตลบลกปน เปนอปกรณลดแรงเสยดทานทใชเปนสวนประกอบของเครองจกรและอปกรณ

ตางๆ อยางแพรหลายและถอเปนอปกรณทมความสาคญและสงผลโดยตรงกบการทางานและ

ประสทธภาพของเครองจกร การทตลบลกปนเกดความผดปกตหรอชารดเสยหายจะสงผลให

ตวเครองจกรเกดปญหาตางๆ ตามมาอยางมากมาย ทาใหเครองจกรตองหยดการทางาน เสยเวลา

และมลคาในการผลต ดงนนการวเคราะหความเสยหายทเกดขนกบตลบลกปน จงมความสาคญเปน

อยางมาก ความเสยหายทเกดขนกบตลบลกปนแสดงดงรปท 1

รปท 1 ความเสยหายทเกดขนกบตลบลกปน

2. ทฤษฎทเกยวของ

2.1 การชารดเสยหายเนองจากตลบลกปน (Bearing Faults)

ตลบลกปนประกอบไปดวยปลอกหรอรางวงดานใน (Inner Raceway), ปลอกหรอรางวงดาน

นอก (Outer Raceway) และลกปน (Ball) อยระหวางสองแหวนน วางบนรง (Cage) ของตลบลกปน

ดงรปท 1 ภายใตภาวะการทางานปกต อาจจะเกดความผดพลาดชารดเสยหาย อนเนองมาจาก

ความลาของตลบลกปนได นอกจากนนการชารดของตลบลกปน ยงอาจจะเกดมาจากการทใช

อนเวอรเตอรในการขบเคลอนมอเตอรเหนยวนากได ผลทตามมาคอรางวงเกดการเสยหาย ลกปน

เกดแตกสะเกดเลกๆ ได และมนจะเปนสาเหตใหเกดการสนและมเสยงรบกวน หากตลบลกปน

ไมไดรบการหลอลนทเพยงพอ และ/หรอไดรบการตดตงอยางไมถกตอง (Misalignment) กจะยงทา

ใหเกดปญหานยงมากขน

การเสยหายของตลบลกปนอาจแบงออกเปน 4 ประเภทคอ

1) รางวงนอกของแบรงชารดเสยหาย (Outer Raceway Defects)

2) รางวงในของแบรงชารดเสยหาย (Inner Raceway Defects)

คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเกษมบณฑต บทความวจย

56 Kasem Bundit Engineering Journal Vol.9 No.1 January-April 2019

3) ลกปนของแบรงชารดเสยหาย (Ball Defects)

4) รงของตลบลกปนชารดเสยหาย (Cage Defects)

รปท 2 โครงสรางของตลบลกปน

ความถของการสนเนองจากการชารดเสยหายของตลบลกปนทง 4 ประเภท แสดงไดดวย

สมการท (1) ถง สมการท (4) [1-4]

cos( )1

2b b

rc

N DBPFO fD

β = −

(1)

cos( )1

2b b

rc

N DBPFI fD

β = +

(2)

cos( )1

2br

c

DfFTFD

β = −

(3)

2cos( )1

D Dc bBSF frD Db c

β = −

(4)

เมอ

BPFO คอ Ball Pass Frequency Outer (Hz)

BPFI คอ Ball Pass Frequency Inner (Hz)

Faculty of Engineering, Kasem Bundit University Research Article

วศวกรรมสารเกษมบณฑต ปท 9 ฉบบท 1 มกราคม-เมษายน 2562 57

FTF คอ Fundamental Train Frequency (Hz)

BSF คอ Ball Spin Frequency (Hz)

rf คอ ความถการหมนของโรเตอร(Hz)

bN คอ จานวนของลกปน

bD คอ เสนผาศนยกลางลกปน(mm.)

cD คอ เสนผาศนยกลางพตชของลกปน(mm.)

β คอ มมสมผสของลกปนกบราง

รปท 3 สวนตางๆ ของตลบลกปนทเกดความชารดเสยหาย

การวดคาความสนสะเทอนของตลบลกปน โดยใชหลกการ “Acceleration Enveloping (gE)”

[5] เปนเทคโนโลยเฉพาะของ SKF ทใชการวเคราะหสภาพตลบลกปนในภาพรวม ซงเทคนค

Envelope เปนการแยกเพอเอาความถของการกระแทกของลกกลงกบแหวน ออกจากความถ

ธรรมชาต โดยการกรองความถตาผานแบบดจตอล (Digital Low Pass Filter) ซงคาทไดเปนการ

บงชถง ปญหาในการหลอลน ฝ นผง การตดตงตลบลกปน รวมถงความลาของตวตลบลกปนเอง ซง

คาตางๆ ของ gE [6] ดงแสดงในรปท 4

3. การออกแบบและขนตอนการดาเนนงาน

ขนตอนการดาเนนงาน เรมจากการทดสอบมอเตอรไฟฟา ขนาด 22 กโลวตต ทมตลบลกปนท

ผานการใชงาน ปรบความเรวรอบตามพกด 1,465 รอบตอนาท ทาการวดการสนสะเทอน ดวย

เครองมอวด Spectrum Analysis & Field Balancing ยหอ ADASH รน A440-VA4 Pro พรอมตว

ตรวจจบสญญาณสนสะเทอน (Vibration Sensor) ดงรปท 5 จากนนจาแนกประเภทความเสยหาย

คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเกษมบณฑต บทความวจย

58 Kasem Bundit Engineering Journal Vol.9 No.1 January-April 2019

แลวทาการวเคราะหระดบความเสยหาย เพอทาแผนการบารงรกษา [7] ตอไป ดงแสดงขนตอนใน

รปท 6

รปท 4 คา gE

รปท 5 เครองวด Spectrum Analysis & Field Balancing

Faculty of Engineering, Kasem Bundit University Research Article

วศวกรรมสารเกษมบณฑต ปท 9 ฉบบท 1 มกราคม-เมษายน 2562 59

ทดสอบ

ในมอเตอรขนาด 22 kW

ปรบความเรวรอบตามพกด

1,465 รอบ/นาท

ตลบลกปนทผานการใชงาน

จาแนกประเภท

ความเสยหาย

จาแนกประเภท

ความเสยหาย

รงลกปน รางวงนอก รางวงในเมดลกปน

ตรวจวดการสนสะเทอน

เรม

ประเมนคาการสนสะเทอน

(อยในเกณฑหรอไม)

วเคราะหความเสยหาย

สรปผลการวเคราะห

วางแผนการบารงรกษา

ใช

ไม

จบ

รปท 6 ขนตอนการดาเนนงาน

คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเกษมบณฑต บทความวจย

60 Kasem Bundit Engineering Journal Vol.9 No.1 January-April 2019

4. การทดสอบและผลการทดสอบ

4.1 การคานวณ

ความถของการสนสะเทอนเนองจากการชารดเสยหายของตลบลกปนทง 4 ประเภท จาก

สมการท (1), (2), (3) และ (4) สามารถจาแนกความถการสนเนองจากการชารดเสยหายตาม โดยม

คาพารามเตอรตางๆ คอ rf = 1,465 rpm, bN = 8, bD = 35 mm., cD = 95 mm. และ β = 0

องศา

จากสมการท (1)-(4) สามารถคานวณไดผลดงน

BPFO = 61.68 Hz

BPFI = 133.65 Hz

FTF = 7.71 Hz

BSF = 57.28 Hz

4.2 ขนตอนการทดสอบ

4.2.1 ทาการปอนแรงดนไฟฟาใหกบมอเตอรไฟฟา จนไดความเรวรอบทพกดการทางานของ

มอเตอร (1,465 rpm)

4.2.2 ทาการวดคาความสนสะเทอน คา gE และ คากระแส ของมอเตอรไฟฟา

4.2.3 ทาการวดซาทกๆ 5 นาท รวม 30 นาท ซงเปนเวลาทมอเตอรไฟฟาทางานคงท

4.2.4 ทาการทดลองซา โดยเปลยนตลบลกปนทผานการใชงาน จานวนทงสน 10 ชด

ตามลาดบ

รปท 7 ภาพการทดลอง

Faculty of Engineering, Kasem Bundit University Research Article

วศวกรรมสารเกษมบณฑต ปท 9 ฉบบท 1 มกราคม-เมษายน 2562 61

รปท 8 มอเตอร

4.3 ผลการทดสอบ

ผลการทดสอบการวดความถของการสนสะเทอนของตลบลกปนแตละชด ทเวลาการทดลอง

ผานไป 30 นาท แสดงไดดงรปท 9 ถงรปท 18 ดงน

รปท 9 ผลการวดการสนสะเทอน ชดท 1 (30 นาท)

รปท 10 ผลการวดการสนสะเทอน ชดท 2 (30 นาท)

คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเกษมบณฑต บทความวจย

62 Kasem Bundit Engineering Journal Vol.9 No.1 January-April 2019

รปท 11 ผลการวดการสนสะเทอน ชดท 3 (30 นาท)

รปท 12 ผลการวดการสนสะเทอน ชดท 4 (30 นาท)

รปท 13 ผลการวดการสนสะเทอน ชดท 5 (30 นาท)

Faculty of Engineering, Kasem Bundit University Research Article

วศวกรรมสารเกษมบณฑต ปท 9 ฉบบท 1 มกราคม-เมษายน 2562 63

รปท 14 ผลการวดการสนสะเทอน ชดท 6 (30 นาท)

รปท 15 ผลการวดการสนสะเทอน ชดท 7 (30 นาท)

รปท 16 ผลการวดการสนสะเทอน ชดท 8 (30 นาท)

คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเกษมบณฑต บทความวจย

64 Kasem Bundit Engineering Journal Vol.9 No.1 January-April 2019

รปท 17 ผลการวดการสนสะเทอน ชดท 9 (30 นาท)

รปท 18 ผลการวดการสนสะเทอน ชดท 10 (30 นาท)

จากรปท 9 ถงรปท18 สามารถเขยนความสมพนธคาสงสดในชวงเวลา 30 นาท ของ คา gE

คา FTF คา BSF คา BPFO และ คา BPFI ของตลบลกปนแตละชด ดงตารางท 1

ตารางท 1 คาสงสดทวดไดของตลบลกปนในแตละชดในชวงเวลา 30 นาท

Bearing No. gE FTF BSF BPFO BPFI

1 1.47 0.0062331 0.00070775 0.00085019 0.00847251

2 1.31 0.0056672 0.00973892 0.00538961 0.01166743

3 5.56 0.8542906 0.63485111 0.73908106 0.3153304

Faculty of Engineering, Kasem Bundit University Research Article

วศวกรรมสารเกษมบณฑต ปท 9 ฉบบท 1 มกราคม-เมษายน 2562 65

ตารางท 1 คาสงสดทวดไดของตลบลกปนในแตละชดในชวงเวลา 30 นาท (ตอ)

Bearing No. gE FTF BSF BPFO BPFI

4 4.4 0.4391657 0.10760689 0.26712514 0.74503494

5 3.92 0.3332633 0.07229253 0.09364454 0.75249537

6 1.74 0.0140693 0.01998036 0.01772987 0.01921302

7 2.39 0.3715968 0.19987997 0.17899954 0.35547712

8 3.71 0.6523368 0.2546485 0.23242975 0.8135428

9 2.95 0.5004741 0.39798266 0.29140443 0.58551087

10 3.06 0.6620521 0.66253871 0.48075983 0.66507974

4.4 วเคราะหผลการทดสอบ

จากคา gE ทเปนมาตรฐานในการกาหนดความเสยหายของตลบลกปนในภาพรวม ดงรปท 4

จากงานวจยน ไดใชมอเตอรขนาด 22 กโลวตต ความเรวรอบตามพกดท 1,465 รอบตอนาท จะม

ระดบความเสยหายของตลบลกปน สามารถแบงไดตามตารางท 2

ตารางท 2 การแบงระดบความเสยหายของตลบลกปนจากตารางมาตรฐานในรปท 4

ระดบ คา gE ระดบความเสยหาย

1 ไมเกน 0.60 ปกต

2 0.61-1.50 เรมตน

3 1.51-4.00 ปานกลาง

4 4.01 ขนไป เปลยน

จากตารางท 2 เทยบกบคาการสนสะเทอนสงสดของตลบลกปนแตละชดในตารางท 1 สามารถ

แบงระดบความเสยหายของตลบลกปนแตละชด ดงตารางท 3

คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเกษมบณฑต บทความวจย

66 Kasem Bundit Engineering Journal Vol.9 No.1 January-April 2019

ตารางท 3 ระดบความเสยหายของตลบลกปนแตละชด

ระดบความเสยหาย Bearing No. คา gE (gE) ระดบการสนสะเทอนสงสด (mm/s)

2 2 1.31 0.01166743

1 1.47 0.00847251

3

6 1.74 0.01998036

7 2.39 0.37159680

9 2.95 0.58551087

10 3.06 0.66507974

8 3.71 0.81354280

5 3.92 0.75249537

4 4 4.4 0.74503494

3 5.56 0.85429060

จากตารางท 3 สามารถแสดงกราฟความสมพนธของคา gE กบคาการสนสะเทอนแสดง ไดดง

รปท 19

รปท 19 กราฟความสมพนธระหวางคา gE กบ คาการสนสะเทอน

gE

mm/s

Faculty of Engineering, Kasem Bundit University Research Article

วศวกรรมสารเกษมบณฑต ปท 9 ฉบบท 1 มกราคม-เมษายน 2562 67

จากกราฟความสมพนธระหวางคา gE กบ คาการสนสะเทอน สามารถเขยนสมการ ไดดงน

y = 0.0101x5-0.1296x4+0.5427x3-0.7782x2+0.3401x+0.0012 (5)

R2 = 0.994 (6)

โดยท y คอ คาการสนสะเทอน

x คอ คา gE

R2 คอ สมประสทธการตดสนใจ (The Coefficient of Determination)

สมการท 5 เปนสมการโพลโนเมยลกาลง 5 ซงมคาความผดพลาดเทากบ 0.37%

5. สรปผล

จากงานวจยนทาใหสามารถนาผลการวดคาความสนสะเทอน ณ ความถตางๆ ตามสมการท

(1), (2), (3) และ (4) มาเปรยบเทยบเปนคา gE กบคาการสนสะเทอน ไดดงสมการท (5) ซง

สามารถใชคาการสนสะเทอนเปนขอมลอางองไปใชในการวเคราะหความเสยหายของตลบลกปน

ในมอเตอรไฟฟาไดตอไป

กตตกรรมประกาศ

ผวจยขอขอบพระคณ บรษทชพนธ อนดสเทรยล จากด ทสนบสนนอปกรณ เครองมอสาหรบ

ทดสอบงานวจยจนสาเรจลลวงดวยด

References

[1] Li B, Chow MY, Tipsuwan Y, Hung JC. Neural-network-based motor rolling bearing fault

diagnosis. IEEE transactions on industrial electronics 2000;47:1060-9.

[2] Blödt M, Granjon P, Raison B, Rostaing G. Models for bearing damage detection in

induction motors using stator current monitoring. IEEE transactions on industrial

electronics 2008;55:1813-22.

[3] Gautier G, Serra R, Mencik JM. Roller bearing monitoring by new subspace- based

damage indicator. Shock and Vibration 2015:1-11.

คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเกษมบณฑต บทความวจย

68 Kasem Bundit Engineering Journal Vol.9 No.1 January-April 2019

[4] Suechoey B, Siriporananon S, Pringsakul N, and Chupun P. Analysis of the performance

bearings in electric motors. The 3rd SAU National Interdisciplinary Conference 2016;

2016 June 23; Nonthaburi, Thailand. p. 69-73. (In Thai)

[5] SKF Reliability Systems@ptitudeXchange. Vibration monitoring envelope signal processing.

San Diego: SKF Reliability Systems All Rights Reserved; 2004.

[6] ITM Instruments Inc. X-viber instrument manual ver.1.01. Canada: 2007.

[7] NTN Bearing Corporation. Care and maintenance of bearing. n.p.: 2017.

ประวตผเขยนบทความ

สมศกด สรโปราณานนท อาจารยประจา สาขาวชาวศวกรรมไฟฟา

บณฑตวทยาลย มหาวทยาลยเอเชยอาคเนย 19/1 ถนนเพชรเกษม เขต

หนองแขม กรงเทพมหานคร 10160. E-mail: somsaks@sau.ac.th

วนเกด: 9 กรกฎาคม 2513

การศกษา: วศ.บ. สาขาวชาวศวกรรมอเลกทรอนกส คณะวศวกรรมศาสตร

มหาวทยาลยเอเชยอาคเนย ป 2537 และ วศ.ม. สาขาวชาวศวกรรมไฟฟา

คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร ป 2543

งานวจยทสนใจ: Analysis of The Electric Motor and Transformer.

Article History:

Received: December 23, 2018

Revised: February 11, 2019

Accepted: March 13, 2019

Faculty of Engineering, Kasem Bundit University Research Article