rulman titreşim analizi

8/3/2019 Rulman Titreim Analizi

1/6

TOK.07 Bildiri ler KitablI stanbul , 5 -7 EylOI 2007

Rulman Tltresim Analizi ile Biilgesel Hatalarm incelenmesi

Cuneyt Aliustaoglu", Hasan Ocak", H Metin Ertunr/

1,2,3Mekatronik Muhendisligi BolumuKocaeli Universitesi { cuneyt .ali us taogl u, hocak , hmertunc}@kou. edu. t r

Ozetl;e

Bu cahsmada kestirimci bakim teknolojisine dayah, rulmanhata tespiti uzerine bir inceleme gerceklestirilmistir, Birelektrik motoruna bagh mil uzerinde bulunan rulmandanalman veriler titresim analizinde kullamlmak uzere toplanarak,titresimlere neden olan bolgesel hata kaynaklarmmbelirlenmesi amaclanrmstir, Bu amacla bir rulman testduzenegi kurulmus, rulmamn ic ve dl~ bileziklerinde yapaykusurlar olusturularak titresim sinyalleri toplanmistrr. Butitresim sinyallerinin frekans spektrumuna bakilarak hasarhrulmanm hata durumu ve gelisimi kestirilmeye cahsilrmstir,Sonuc olarak rulman hata frekanslanna ait genliklerin, hatanmgelisimiyle artma egilimine girdikleri gozlenmistir,

1. Giri

Gunumuz otomasyon sistemlerinde kullamlan makinalardahareket, biiyiik oranda donme kuvveti ilegerceklestirilmektedir, Rulmanlar, bu donme hareketinigerceklestiren motor sistemlerinde yaygm olarakkullamlmaktadir [1]. Donel makina elemanlanndakibozukluklann sebep oldugu iiretim kaybi ve bakim masraflanbiiyiik oranda rulman kaynakhdir [2]. Yapi lan a ra st irmal ar agore anzalar %41 oranmda rulman kaynakh olup bu oram%37 ile stator kaynakh hatalar, %10 ile rotor kaynakh hatalartakip etmektedir. Tespit edilen diger hatalann oram ise%12 olarak rapor edilmistir [3]. imalat veya montaj sirasmdaruhnan parcalan uzerinde cesitli hatalar olusabilecegi gibi,ruhnanlarm siirekli bir mekanik siirtiinme icerisinde olmasi dazaman icinde asmmasim kaermlmaz kilacaktir.

Hatah rulman bagh oldugu elektrik motorununanzalanarak yanmasma sebep olabilir. Motorun yanmasiuzerinde eahsilan parcanm da zarar gormesine sebep olacak veiiretim bir siire kesintiye ugrayabilecektir. Butun bu sonuclarmaliyetin katlanmasma neden olacaktir, Bu nedenle, olusanruhnan hatalanmn tehlikeli bir boyuta gehneden tespitedihnesi ve gerekli onlemlerin almmasi gerekmektedir.Ruhnan hatalanm tespit etme amach cesitli yontemlergelistirilmistir, Genel olarak kestirimci bakim olarak bilinenbu yontemler arasmda en etkili olani titresim analizidir [4].

Cahsan makinalarda titresimden kacinmak oldukca zordur.Bu titresimler sistem dinamiklerinin dogal bir etkisi olarakgerceklesmektedir, Sisteme ait parcalar iizerinde hata olusmasiveya parealann zamanla asmmasi , olusan titresimlerin genelkarakteristigi uzerinde hissedilir ve yorumlanabilir etkileryaranr.

Bu konu pek 90k arastirmaci icin uzun yillar boyuncacahsma konusu olmustur, Arslan Yd. [1 ] radyal bilyahrulmanlardaki bolgesel yuzey kusurlanm titresim yontemi ileinceleyerek sistem icin teorik bir model olusturmuslar ve bumodele gore sistemin benzetimini gerceklestiren bilgisayarprogrami ge li st irmis lerd ir, McInerny ve Dai [5], isaretlerinzarf (envelope) analizini inceleyerek, rulman hatafrekanslannm genlik modiilasyonuJ demodiilasyonu ile olaniliskilerini aciklarmslardir, Orhan yd. [6] gercek bir sistemdehata olusan ruhnan uzerinde titresim davrarnsnnincelemislerdir, Ayaz yd. [7] titresim ve akim sinyallerinin,istatistiksel ve dalgacik analizi i le ozellik cikarma isleminetabi tutularak melez bir yapay zeka sistemi ile izlenmesiislemini gerceklestirmislerdir. Chow Yd. [2] ise yapay siniraglan tabanh bir sistem olusturmuslar ve bu sistemi benzetimsonuclanyla da destekleyerek rulman hata tespiti icinkullamlacak stratejilerini eniyileme yolunu secmislerdir, Dallasonra gercek ol9iimlerden alman isaretleri inceleyerek yapaysinir aglannm hata tespitindeki onemini vurgulamislardir. Louve Loparo [8] dalgacik donii~iimii ve sinirsel bulamk mantik(ANFIS) kullanarak rulman hata tamsmda bulunan bir sistemg erc ek le stirm is lerd ir, D alg ac ik d on us um tryle o zellik v ek to rucrkartarak, sistemi ANFIS kullanarak egitmisler ve egiti lmissistemi de hata tamlamak icin kullanmislardir. Ocak ve Loparo[9] titresim isaretlerini analiz ederek ruhnan ic bilezik donmehizim ve hata frekanslanm tahmin etmeyi basarmislardir. Birdiger cahsmalannda ise, Sakh Markov Modelleri (HMM)[10] kullanarak rulman hatalan basanh bir sekilde teshisedilmistir, Zarei ve Poshtan [11] ise stator akim verileriniDalgacik (Wavelet) Donii~iimii ile kullanarak hata tespitindebulunan bir cahsma yaprmslardir, Boylelikle hem motorakirmnm mil titresim verilerine bir altematif olarakkullamlabilecegini, hem de Dalgacik Donii~iimiiniin Fourieranalizine gore avantajlanm rapor etmislerdir,

Bu cahsmada paketten yeni 91km1~normal bir rulman ve

cesitli boyutlarda bolgesel hatalar olusturulmus rulmanlardanahnan titresim verileri uzerinde frekans analizi yontemikullamlarak hatamn tespiti ve gelisme durumunun kestirilmesiincelenmistir, Bu amacla, olusturulan mil-rulmanduzeneginden, ivme olcer ve veri toplama islemi ile titresimsinyalleri bilgisayara aktanlmisnr, Deney duzenegi dakikada1200,1600,2000 ve 2400 devir icin her biri 0.3 mm, 0.6 mm,1 mm ve 2 mm eapmda deliklere sahip i9bilezik ve dis bilezikhatah ruhnanlar 19m birbirinden bagrmsiz olarakcahstmlrmsnr, Hatalar elektriksel erozyon (ElectricalDischarge Machining - EDM) teknigi ile yapay olarakolusturulmustur, Toplanan veriler bilgisayarda MATLABiizerinde frekans analizi teknikleri ile islenmistir.


2/6

2. Frekans Analizi

2.1. Rulman Hata Karakteristikler i ve Hatamn Tespiti

Ru1man, uzerinde bir hata olustugunda veya sfutiinmenin

dogal bir etkisi olarak asmdigmda, cesitli frekanslarda titresimiiretir. i~ bilezik, dJ.~bilezik ve yuvarlanma elemanlan (bilya)uzerinde ru1manm fiziksel ve geometrik yapisma bagh olarakbirbirinden bagimsiz frekans bilesenleri olusur. Bu bilesenlerolusan hatanm tiiri i ve gelisimi hakkmda cok onemli bilgileriihtiva eder. Genlik spektrumunda titresim frekansi hatanmtiiriinii, genligi ise gelisimini belirtmektedir. Rata frekanslanmotorun devriyle dogrusal bir iliski icerisindedir. Motor devriarttikea (veya azaldikca) yuvarlanma elemanlarmm hatahbolge uzerinden gecis sikhklan artar (veya azalrr) . Buna bagholarak da hata frekanslan degisir,

Geometrik yapisi Sekil l 'de verilen rulman icin genel hatafrekanslan denklem 1,2,3 ve 4'te verilmistir,

,...----, ..

. . : : : : : .8 : : ]n,

....8 !. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . ... .

~ = = = + . .....- .

w

Seidl 1: Temas acist 0, bilya sayisi 9 olan rulmana aittemel ozellikler, (6205).

Tablo 1: Kullanilan rulmana ait temel ol~iiler.

Parametre D eger Imm)D 52Rb 7,895d .n 38,95w 15

Temel frekans (TF) ~J, [1 -R h 1 (1)2 dm

Bilya donme frekansi (BD) ~ J, d. [1 - (Rh J ](2)2 s, :

Dl~ bilezik frekansi (DB) =N(TF) (3)i~ bilezik frekansi (iB) = N(f,-TF) (4)

Denklem 1-4'te verilen f" R, ve d .nsrrasiyla, Sekil l 'de degoriildiigu uzere donme frekansi, bilya capi ve bilyamerkezleri arasi uzakhk olarak hesaplanmaktadrr.

Rulman Titresim Analizi ile Bolgesel Hatalartn Incelenmesi

2.2. Yiiksek Frekans Demodiilasyonu

Fiziksel bir sistern, zamana bagh olarak bir degisimgostermiyorsa dengededir. Aneak sistem bozueu bir etkiyemaruz birakihrsa, denge konumu etrafmda bir titresim hareketiolusur, Oz titresim frekansi, bir diirtii kuvveti ile uyanlan

sistemin kendi yapisma bagh olarak titresimine denir. Sistemeperiyodik bir uyan yapihrsa iki durumdan soz edilebilir. Uyanfrekansi, oz titresim frekansmdan farkh olursa sistem uzerindefarkh bir frekans bileseni olusur, Aneak uyan frekansi ve oztitresim frekansi birbirine esit olursa bu durumda titresimfrekansmm genligi maksimum olur. Bu duruma rezonansdenir.

Ru1man uzerinde (i~ bilezik, dl~ bilezik, bilya vs.) hataolustugu zaman, donen elemanlann hatanm tlzerinden gecmesisonueu ani darbeler iiretilir. Bu ani darbeler sistemde titresimeyol acar, Sekil Z'de dJ.~bilezik hatasma sahip rulmanm urettigiani darbeler ve bu darbelerin sebep oldugu titresim verilerineait benzetim sonuclan gorulmektedir. Bu benzetim icinmekanik sistemin transfer fonksiyonu denklem 5'te verilmistir.Darbelerin frekansi ru1manm di s bilezik hata frekansi olan 108Hz'e e~ dusmektedir. Titresim sinyalleri, mekanik sisteminrezonans frekansmi olusturan, genlik modiilasyonlu isareti vetasiyici frekansi olarak dusunulebilir. Bu nedenle modulasyonisaretini tasryici frekanstan ayirmak gerekir. Bu islem zarfanalizi (envelope analysis) olarak da bilinen yiiksek frekansdemodiilasyonu ile gerceklestirilrnektedir.

H(s)

(5 )2400 rpm.de g erq ek le sa n dOr lO le ,

. .

:!!~ 0.5

0.05 0.1 0.15Zaman (SIl)

0.2 0.25

2400 r pm .d e c al ls an mak ln an ln t lt re slml er l

i t + ~ , , ~ ~0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

Zaman ( se c)

$ekil 2 : Tit re simle rin o lu sma si,

Demodiilasyon U9 asamadan olusur: 1. Adim: Bant geeiren fitre 2. Adim : Yanm-dalga dogrultmac 3. Adim: Alcak geciren filtre

Bant geciren filtrenin merkez frekansi sistemin rezonansfrekansi olarak secilmelidir, Alcak geciren filtre, yuksekfrekansh bilesenleri eleme ve ru1manm anzasi ile ilgili bilgileri


3/6

Cuneyt Aliustaoglu, Hasan Ocak, H Metin Ertunc

tasryan dii~iik frekansh bilesenleri koruma amach olarak icraedilir. Sekil 3 'te benzetim yoluyla olusturulmus titresimisaretlerinin her bir adimdaki demodiilasyonu gertllmektedir.Makinanm donmesiyle meydana gelen ani darbelerinolusturdugu titresim verilerine 1. adimda bant geciren filtre, 2.adimda yanm dalga dogrultmac ve son olarak 3. adimda alcakgeeiren filtre uygulanarak elde edilen isarete zarf analizi denir.

zaman (on)

Sekil 3: Zarf analizi,

3. Deney Duzenegl

Deneyler, Sekil 4'te gorulen bir AC elektrik motonma baghmil ru1rnan duzenegi iizerinde gereeklestirilmistir, Elde edilentitresim verileri ivme olcer sensorle veri toplama sistemi

iizer inden toplanarak bilgisayarda islenmistir. . Deneydekullamlan malzemeler, ORS firmasma ait 6205 tipi polyamidkafesli sabit bilyah ruiman, ve National Instruments firmasmaait 6211 model veri toplama karti olarak secilmistir,

$ekil4: Deney duzenegi,

Deneyler, saglam ve her biri 0.3 mm, 0.6 mm, 1 mm ve 2mm biiyiikliigiinde ilj)bilezik ve dl~ bilezik hatah rulmanlaricin 1600 RPM hizmda verilerin elde edilmesiylegerceklestirilmistir.

Hatalan olusturmak icin oncelikle rulman kafeslericikartilarak ilj)b ilezik, dl~ bilezik, kafes ve bilyalar olmak

iizere parcalara aynlnnstir. Sokulen bu elemanlardan ilgiliolanlarda EDM yoluyla hata olusturulduktan sonra rulmanlaryeniden monte edilerek esit miktarlarda yaglanrrustir.

Mil-rulman duzenegi AC servo motora bagh olarakcahstmlmaktadrr, Kullamlan servo motor sayesinde motortitresimi minimize edilerek ollj)iilentitresimin sadece rulmankaynakh olmasi hedeflenmistir,

4. Deneysel Sonuelar

Genel formu Denklem 1-4' d e verilen, dis bilezik kusurubulunan rulmanlarda, bilyalann her birinin hatanm iizerindengecmesi 1600 rpm'de cahsan makinanm titresiminde 96 Hz'likbir bilesen olusturur, Aym sekilde ilj)bilezik hatasi 144 Hz'lik,bilya hatasi ise 126 Hz'lik bir bilesen olusturur, Hatafrekanslan dismda, rulmanm bagh oldugu milin donmefrekansi rulman hata frekanslan ile birleserek yan bantlarolusturur, Titresimler diizenli olarak izlenirse, rulmanbilezikleri ve yuvarlanma elemanlanndaki asmmamngelisimine bagh olarak, hata frekanslan ve yan bantlanndakibilesenlerin genliginde bir artis gorulur. Bu artisgozlemlenerek, hata tehlikeli boyutlara ulasmadan rulmanmdegistirilmesi saglanabilir,

Uretimden yeni cikmis bir rulmanda bile cok az da olsabolgesel hata karakteristiklerine rastlanabilir. Bu durumrulman yiizeyinin kusursuz bir piiriizsiizliikte o1mamasmdankaynaklamr, Sekil 5'te de goriildiigu gibi saglam birrulmandan elde edilen titresim verilerinde de rulman hatafrekanslanna rastlanmistir. Rulman ilj) ve dis bilezigindebulunan piiriizler dusuk genlikli frekans bilesenleriolusturmustur, Hasar gelisimi belirlenirken bu genlikler bazahnmahdir, Sekil 5'te gorulen ve frekans eksenini dik keseneizgiler, bolgesel hata frekanslannm gorulmesi beklenenbileseni belirleme amaciyla kullamlrmstir. Bu cizgilerin hatafrekanslanyla ortii~mesi bahsi gecen piiriizlerin varhgmiispatlamaktadtr. Bu nedenle titresimsiz bir mekanik sistemdusunulemez denilebilir.

Hatasiz Normal Rulman50

45 Disi~Bilezik

40

\Bilya Bilezik

35 \ /30

: ! ! :'E 25

~20

50 100 150 200

Frekans (Hz)250 300

Sekil 5: Yuksek frekans demodiilasyonuna tabi tutulmusnormal rulman titresim verilerinin frekans spektrumu

(1600 rpm hizmda),


4/6

Hatasiz ruhnanlar, yapay bolgesel kusurlar olusturulduktansoma dakikada 1200, 1600, 2000 ve 2400 devir hiz ileeahstmlmis ve titresimler kaydedilmistir. Sekil e ve 1'de 1600rpm donme hizi rem hesaplanan yiiksek frekansdemodulasyonu sonuclan verilmektedir. Bu hizdaki dis ve iybilezik hata frekanslan strasiyla 96 Hz ve 144 Hz olarakhesaplanrmstir.

Sekil 6'da 0.3 mm, 0.6 mm, 1 mm ve 2 mm capmdaki dl~bilezik hatalan icin elde edilen yiiksek frekans demodnlasyonisaretlerinin frekans spektrumlan gosterilmektedir. DI~ bilezikhata frekansi (DB) olan 96 Hz bileseni cok net bir sekildegozlenmekredir, Bu bilesenin genligi sekilden de gOrUldugugibi hata bUyUklugu arttikca artmaktadrr. Gozlemlenen 96 Hzfrekans dismda bu bilesenin harmonikleri ve 26.6 Hz olan mildonme hizi da belirgin olarak gorulmektedir. Bununla beraberhata frekansi kadar belirgin olmamakla beraber hata frekansietrafinda donme hizi yan bantlan da (DBH" DB2.f" '"2.DBH" 2.DB2.f, ,) gcrtt lmektedir. Hata frekansmm ikinciharmoniginden itibaren genligin azaldigr belirlenmistir,

Dis bilezik hatasi: 0.3 mm1000DB-fs DB


5/6

CuneytAliustaoglu, Hasan Ocak, H Metin Ertunc

Ie bilezik hatasi : 0 .3 mm1000~--.----- ..-.-.-..--.---.------.-----~

Ie bilezik hatasi: 0.6 mm1000~-''-----''-'-'-''--'---'------'-2"'''iB~~

\00 iB+fs/iB

Ie bilezik hatasi: 1 mm

1000~--.-----nr-r.-,,--.---.------.-----'

fs

/'iB+fs

/"iB 2*iB

~00

0~~~~~~~~1~50~~~~~~~~~

Ie bilezik hatasi: 2 mm

500

iB iB+fs

s-:

Sekil B:Dis bilezik hatafrekanslart (2000 rpm).

Dis bi lezik hatasi : 0 .3 mm1000 . . .

DB-fs DB


6/6

Di~ ve i9 bilezik hatalan ile bu hatalann yan bantlanmakinanm cahsma devrine gore hesaplanarak frekansspektrumundaki yerleri onceden isaretlenmistir. Titresimisaretinin frekans cevabmm, aym grafikte, oncedenhesaplanarak isaretlenen frekans bilesenleriyle ortii~tiigugozlemlenmistir,

Deneyler laboratuar ortammda gerceklestiginden cevreetkilesimi goz ardi edilmis ve sistem tek rulmanh makinelericin kurulmustur, l leriye yonelik cahsmalarda sistemin dahakarmasik yapilar icin olusturulmasmm saglanmasiamaclanacaknr .

Sonuc olarak, ti tresim isaretlerine ait frekans spektrumuincelendiginde, hata frekans bilesenlerinin hatanm varhgim;bu bilesenlere ait genliklerin ise hatamn gelisme durumunugosterdigi ispatlanrmstir.

6. Tesekktlr

Bu cahsma Kocaeli Dniversitesi Mekatronik MuhendisligiBolumu tarafindan yurutulen 106M208 no'lu Tubitak projesikapsarnmda yapilmaktadir, Bu bildirinin yazarlan,katkilarmdan dolayi Tubitak kurumuna tesekkur ederler.

7. Kaynakea

[1] Arslan H., Orhan S. ve Akturk N., "Bilyah RulmanHasarlannm Neden Oldugu Titresimlerin Modellenmesi",Gazi Univ, Moo. Mim. Fak. Der., Cilt: 18, No: 4, s:123-146,2003.

[2] Chow M., Tipsuwan Y. ve Hung J. C. "Neural-Network-Based Motor Rolling Bearing Fault Diagnosis", IEEETransactions Industrial Electronics, Vol 47, No.5, 2000.

[3] Seker S. ve Ayaz E., "Endustriyel Sureclerde DurumIzleme ve Ongortilu Bakim Teknolojileri", istanbulUniversitesi Elektik-Elektronik Dergisi , Cilt 1, Say! 1,140-142,2002.

[4] Purushotham V., Narayanan S. ve Suryanarayana A.N.Prasad., "Multi-fault Diagnosis of Rolling BearingElements Using Wavelet Analysis and Hidden MarkovModel Based Fault Recognition", NDT&E International38, s:654-664, 2005.

[5] McInerny S. A. ve Dai Y. "Basic Vibration SignalProcessing for Bearing Fault Detection", IEEETransactions on Education, Vol:. 46, No:. 1, Subat 2003.

[6] Orhan S., Arslan H. ve Aktiirk N., "Titresim AnaliziyleRulman Anzalanmn Belirlenmesi", Gazi Univ, Moo.Mim. Fak. Der., Cilt : 18, No: 2, s: 39-48,2003.

[7] Ayaz E. ve Seker S., "ileri lsaret lsleme Yontemleri ileElektrik Motorlarmda Rulman Ariza Tamsi," itiidergisildmuhendislik Cilt: 1,No: 1,2002

[8] Lou X. ve Loparo K.A., "Bearing Fault Diagnosis BasedOn Wavelet Transform and Fuzzy Inference" ,Mechanical Systems and Sigmal Processing, 18 (2004) s:1077-1095,2003.

[9] Ocak H. ve Loparo K.A., "Estimation of the runningspeed and bearing defect frequencies of an inductionmotor from vibration data", Mechanical Systems andSignal Processing 18, s: 515-533, 2004.

[10] H. Ocak and K.A. Loparo, "A new bearing fault detectionand diagnosis scheme based on hidden Markov modelingof vibration signals" IEEE International Conference on

Rulman Titresim Analizi ile Bolgesel Hatalartn Incelenmesi

Acoustics, Speech, and Signal Processing (ICASSP) 5 s:3141-3144,2001.

[11] Zarei. J. ve Poshtan J., "Bearing fault detection usingwavelet packet transform of induction motor statorcurrent", Tribology International 40, s: 763-769,2007.

rulman titreşim analizi

Documents