Endüstride ve günlük hayatımızın birçok alanında döner makineler doğrudan ve dolaylı olarak kullanılmaktadır. Döner makinelerdeki en önemli makine elemanlarından birisi ise rulmanlardır. Rulmanlar, makine yataklamalarında radyal ve eksenel yükleri taşıyan, parçalar arasında sürtünmeyi azaltan önemli bir makine elemanıdır. Rulmanlar üretici firmaların veri setlerinde de yer alan dinamik ve statik yük oranı, yorulma yük oranı, çalışma ömrü gibi çeşitli değerler yer alıyor. Fakat uygulamada gerçeklenen çalışma ömürleri, teoride verilen çalışma ömründen erken oluyor. Bu durum, rulmanın montaj şekli, çalışma hızı, çalışma yükü, yağ durumu vb. gibi birçok etkenden kaynaklanabilmektedir.
Rulman Arızası
Döner makinelerin en önemli elemanlarından olan rulmanların arızalanması, tüm makinenin ve hatta üretim hattının uzun süreli duruşlarına sebebiyet verebilir. Elektrik motorlarının arıza modlarının % 41’ini rulman arızalarının oluşturması ve tahmin edilen çalışma ömürlerinden çok daha önce arızalanması nedeniyle de, rulmanların sürekli izlenmesi ve arıza kestirimi yapılması büyük ihtiyaç haline gelmektedir.
Makinelerin çalışması sırasında makine bileşenlerinin hareketi her zaman titreşim üretir. Rulman arızaları genellikle normal makine titreşiminin değişmesine neden olur. Bu titreşimler, makinenin doğru noktalarına montajlanmış sensörler ile ölçülebilir. Ölçülen titreşim sinyalleri sayısallaştırılır ve işlenir. Çeşitli sinyal analiz teknikleri aracılığıyla, ilgili arıza sinyal bileşenleri çıkarılabilir ve incelenebilir. Bu şekilde rulman arızaları ve kusurları tespit edilebilir ve izole edilebilir.
Titreşim analizinde aslolan harmonik analizdir. Yani tahrik frekansı ve harmonikleri, bu harmoniklerin yanbantları analiz edilir. Fakat rulman arızalarında tahrik frekansının tam katlarına denk gelmemektedir. Yetersiz yağlama, yanlış montaj, fluting gibi nedenlerden kaynaklı rulmanlarda oluşan aşınmalar kendine has frekanslarda titreşimler oluşturur. Rulmanların dış bilezik, bilya, kafes ve iç bilezik olarak 4 temel mekanik parçası olduğunu bildiğimize göre her parçanın kendine özel arıza frekansı vardır. Bu arıza frekansları BPFO(Dış Bilezik Arıza Frekansı), BSF(Bilya Arıza Frekansı), FTF(Kafes Arıza Frekansı) ve BPFI(İç Bilezik Arıza Frekansı)’dır.
Zarf Analizi
Bazen “genlik demodülasyonu” olarak da adlandırılan zarf algılama, elektronik ve telekomünikasyon alanında kullanılan iyi bilinen bir sinyal işleme tekniğidir. Rulman arızaları için zarf algılama, rulmanlar tarafından üretilen sürtünme kuvvetlerini kullanır. Bu kuvvetler, yüzey ve yağlama kalitesinden etkilenir ve geniş bant rastgele titreşim oluşturur. Bir arıza meydana geldiğinde, kuvvetlerdeki periyodik değişiklikler nedeniyle titreşim genlik modülasyonlu hale gelir. Bu, sürtünmedeki değişikliklerden, yatak yüzeylerindeki basınçtaki değişikliklerden veya yerel yüzey kusurları nedeniyle tekrarlayan darbe kuvvetlerinden kaynaklanabilir.
Hem modüle edici kuvvetlerden (geometrik hatalar) kaynaklanan genlik modülasyonu hem de sürtünme değişimlerinden kaynaklanan rastgele durağan kuvvetlerdeki bir artış (yağlama problemi) zarf spektrumunda görünecektir. Bu kuvvetlerin oluşturduğu frekanslar orijinal spektrumda da görünürler, ancak çıkarılması ve tanımlanması çok daha zordur.
Band Seçimi
Rulman arızasının gerçekleştiği titreşim spektrumunda bir frekans aralığının seçilmesi ve bandın dışındaki tüm bileşenlerin çıkarılması gereklidir. Bu seçilen frekans aralığının diğer makine arızalarıyla değil, yalnızca rulman arızalarıyla ilgili olduğu varsayımı altındadır. Bu rulman arızasının karakteristik frekansını sistemlerin yapısal rezonansı ile birleştiren frekans bandının optimum aralığı manuel seçilerek Ters Fourier Dönüşümüne de sokulabilir, spektral kurtosis, EMD(Empirical Mode Decomposition) ve diğer optimizasyon algoritmaları ile otomatize de edilebilir.
Zarf Spektrumu
Rulman arızasının karakteristik frekansını sistemlerin yapısal rezonansı ile birleştiren band aralığı seçilip Ters Fourier Dönüşümü alınarak sinyal modüle edilir. Daha sonra zaman-dalga formundaki modüle edilmiş sinyalin Hilbert Dönüşümü ile zarfı alınır. Zarfı alınan sinyalin tekrar Fourier Dönüşümü alınarak Zarf Spektrumu elde edilir. Yukarıda belirttiğimiz rulman arıza frekanslarındaki titreşimlerin Zarf Spektrumunda baskın bir şekilde varlığı rulman arızasının gösteriyor olacaktır.
Şekil 1. Hata Modu Şeması
Sonuç
Rastgele titreşim ve yapısal rezonansın genlik modülasyonunun değerlendirilmesine dayanarak, zarf analizinin bir rulmanın durumunu tespit etmek ve değerlendirmek için etkili yollardan birisidir. Zarf tespitinde filtreleme ve düzeltme yerine Hilbert Dönüşümü kullanılması, rulman arıza teşhisi için genlik demodülasyonunda yaygın olarak kullanıldığı gib, aynı zamanda faz demodülasyonu ve frekans demodülasyonu da sağlar. Frekans demodülasyonu, dişli kutusu arıza teşhisi ve burulma titreşimlerinden kaynaklı sorunların arıza tespitinin önünü açar.