Témata
Zdroj: autor

Monitoring stavu
mazací vrstvy valivých ložisek

Jednou z cest ke zvyšování spolehlivosti ložisek je monitoring, umožňující průběžně sledovat stav ložiska a s dostatečným předstihem plánovat servisní zásahy. V současné době však není k dispozici žádný nástroj, který by dokázal průběžně monitorovat stav mazací vrstvy, jejíž problémy jsou jednou z nejčastějších příčin poškození ložisek.

Jakub Chmelař

Působí jako projektový manažer a výzkumný pracovník pro oblast elektromechanických aktuátorů ve společnosti Honeywell International, Brno. Zabývá vývojem technologií aktuace pro letecké a vesmírné aplikace. Je absolvent doktorského studijního programu Konstrukční a procesní inženýrství na Ústavu konstruování a částí strojů, Fakulty strojní, ČVUT v Praze. Během svého studia se zaměřoval na téma monitorování mazací vrstvy valivých ložisek, které řešil v rámci svého grantu. Profesně se oblasti ložisek, aplikace a jejich mazání věnuje i nadále.

Reklama

Tržní prostředí a konkurence tlačí výrobce strojů (a zařízení) ke splnění protichůdných požadavků. Na jedné straně vah je zvyšování hustoty přenášeného výkonu a na druhé pak maximalizace spolehlivosti a minimální nároky na údržbu. Vinou těchto trendů se součásti strojů dostávají až na samou hranici svých možností a stávají se slabým článkem. Typickým příkladem jsou ložiska.

Vzájemně propojené komponenty vytvořeného numerického modelu ložiska a jejich výstup. (Zdroj: autor)

Statistická data ukazují, že pouhých 0,35 % z celkového počtu ložisek v provozu nedosáhne své návrhové životnosti. V uvedeném objemu však figurují ložiska velkých energetických a průmyslových zařízení, jejichž selhání způsobují provozovatelům značné ekonomické ztráty. Statistiky americké Národní laboratoře pro obnovitelnou energii (NREL) pak ukazují, že poruchy těchto ložisek jsou ve více než 75 % případů spojeny s mazáním.

Reklama
Reklama

Jedním z předpokladů metodiky výpočtu únosnosti a trvanlivosti ložisek dle norem ISO 281 nebo AGMA 11 je prakticky dokonale mazané ložisko. Jestliže tento předpoklad není v provozu splněn, zvyšuje se riziko předčasného selhání. Obě normy řeší vliv podmínek mazání formou série koeficientů upravujících tzv. základní trvanlivost. Volba těchto koeficientů během návrhu závisí na zkušenostech inženýra a jejich dosahování v provozu na odpovědnosti provozovatele – na jeho ochotě dodržovat předepsané provozní podmínky. Trvanlivost podle koeficientů tedy ne vždy odpovídá skutečnosti.

Spolehlivost ložisek lze zvýšit prostřednictvím monitoringu jejich stavu. V současné době však není k dispozici žádný nástroj, který by umožňoval průběžně monitorovat stav mazací vrstvy, jejíž problémy jsou jednou z dominantních příčin poškození ložisek. Běžně používané metody, založené na vibrodiagnostice nejsou pro tento účel dostatečně citlivé a obvykle dokážou identifikovat poškození až ve stadiu iniciace. Právě monitoringu stavu mazání ložisek na úrovni kontaktů se věnuje dále popsaný výzkum.

Testovací zařízení postavené pro účely experimentu. (Foto: autor)

Jakub Chmelař z ČVUT v Praze se ve výzkumu, který prováděl v rámci své disertační práce, zaměřil na doposud málo prozkoumanou, avšak velmi aktuální problematiku monitorování stavu mazací vrstvy mezi valivými elementy a dráhou ložiska za provozu.

Hlavním výsledkem disertační práce je popis nově vyvinuté metody monitoringu ložisek, která je založena na vyhodnocování přenosových charakteristik tzv. povrchových akustických vln. Tato metoda umožňuje provádět hodnocení stavu mazací vrstvy mezi valivými elementy a dráhou ložiska, což doposud, kromě specializovaných laboratorních pracovišť, nebylo prakticky možné. Metoda staví na statistickém vyhodnocení pravidelných změn doby šíření aktivně buzených povrchových akustických vln. Tyto změny jsou způsobovány interakcemi vln, šířících se po povrchu valivé dráhy ložiska s valivými elementy a mazivem. Metoda byla autorem a jeho kolegy na začátku roku 2020 publikována v odborném časopise Tribology International, vydání 141.

Reklama

Od modelu k experimentu

V rámci prováděného výzkumu bylo vytvořeno digitální dvojče později testovaného válečkového radiálního ložiska. Jedná se o matematický model, který vychází z normy ISO/TS 16281. Nad její rámec je však rozšířen o komponentu numerického modelu elastohydrodynamické mazací vrstvy (EHL) v kontaktech, popsaného Reynoldsovou rovnicí. Ukázka modelu je na obrázku výše. Vstupy do modelu byly získány měřením parametrů geometrie ložiska, a to včetně podélného profilu valivých elementů a drsnosti povrchů. Výstupem modelu byla mapa režimů mazání ložiska, rozdělená dle Stribeckovy křivky na oblast mezního mazání, oblast smíšeného mazání a oblast plně rozvinuté EHL vrstvy. Vše v závislosti na provozních podmínkách, tedy na rychlosti otáčení a zatížení ložiska, na použitém oleji a jeho teplotě. Informace získané z modelu umožnily navrhnout podmínky experimentů tak, aby během jejich provádění bylo možné zachytit přechod ložiska mezi uvedenými mazacími režimy. Detaily modelu a příklady použití publikoval autor s kolektivem v časopise s otevřeným přístupem Acta Polytechnica, vydání 59.

Řez domkem testovaného ložiska a fotografie realizovaného konstrukčního řešení: (1) testované ložisko, (2) piezoelektrické elementy pro buzení a snímání povrchových akustických vln, (3) drážka pro zabudování snímače teploty v hřídeli, (4) přívod a odvod oběhového mazání, (5) rezervoár s konstantní hladinou maziva, (6) tyč aplikace vnějšího zatížení. (Zdroj: autor)

Experimentální měření probíhala na nově vyvinutém testovacím zařízení, jehož klíčové části byly následně ochráněny národním patentem CZ307380B6. Zařízení bylo uzpůsobeno tak, aby mimo simulace a záznamu provozního zatížení umožňovalo snímat teplotu testovaného ložiska. Kromě vnějšího kroužku ložiska byla teplota snímána odporovým snímačem i na vnitřním kroužku, což umožnilo získat kompletní obraz teplotního pole ložiska. Z rotující hřídele byl pak signál teploty vyveden prostřednictvím stíracích kroužků. Mazání ložiska bylo řešeno prostřednictvím oběhového okruhu s nastavitelným průtokem maziva a kontrolovanou teplotou oleje v nádrži. Všechna tato opatření byla prováděna kvůli velké citlivosti výsledků experimentů na teplotu. Cílem bylo přizpůsobit podmínky experimentů parametrům a předpokladům prováděných numerických simulací, aby bylo možné výsledky vzájemně porovnat.

Samo testování proběhlo na radiálním válečkovém ložisku typu N 306. Ložisko bylo testováno v typickém provozním rozsahu do 3 000 ot.min-1 při radiálním zatížení 10 kN, což odpovídalo 20 % jeho dynamické kapacity. Za těchto podmínek byly pro oleje o nominální viskozitě při 40 °C: 22 cSt, 46 cSt a 100 cSt predikovány přechody do plně rozvinutého mazacího režimu při rychlostech > 3 000 ot.min-1, 1 650 ot.min-1 a 700 ot.min-1. Pro buzení a snímání povrchových akustických vln bylo použito zařízení BeMoS One od německé firmy BestSens AG. BeMoS One se skládá ze dvou piezoelektrických členů, které umožňují budit a snímat vlny šířící se na povrchu materiálů, a dále z kontroléru, který provádí základní filtraci signálu a ukládání dat. Naměřená data byla vyhodnocována externě prostřednictvím algoritmů navržených v rámci disertační práce.

Výstupy a aplikace

Zpracovaný výstup z experimentálního měření ukazuje obrázek níže. Z grafů je patrná citlivost metody na stav mazacího filmu v závislosti na rychlosti otáčení ložiska. Přechody ložiska do režimu plně rozvinuté mazací vrstvy znázorněné linkou λ = 3, získané z výstupů numerických simulací, ve všech případech odpovídají charakteristickým změnám pozorovaným ve zpracovaném signálu. Zde je jako příklad ukázán parametr minima signálu. Hlubší analýza a interpretace pak byla prováděna prostřednictvím dalších statistických nástrojů, jako je srovnávání histogramů, rozptyl nebo statistická entropie signálu.

Srovnání měřeného a zpracovaného signálu s predikcemi přechodu ložiska mezi mazacími režimy pro oleje s odlišnými viskozitami. (Zdroj: autor)

Shrnutí a závěr

Metodu monitorování mazacího filmu je možné použít prakticky u všech valivých ložisek mazaných olejem. Vzhledem k relativně nízké vyspělosti metody vyvinuté v rámci akademického výzkumu je pro správnou interpretaci dat výhodné provést při nasazení referenční měření a odhad pracovního režimu ložiska, čímž se omezí riziko nesprávného vyhodnocení.

Z pohledu průmyslové aplikace má tato metoda velký potenciál. Umožňuje in-situ vyhodnocovat stav mazací vrstvy a včas odhalovat problémy dříve, než se projeví iniciací poškození na ložisku. Zároveň může pomoci optimalizovat strategie mazání nových zařízení s ohledem na provoz v režimech rozvinuté mazací vrstvy, a maximalizovat tak jejich účinnost a životnost. Vědě a výzkumu pak metoda nabízí nástroj, který umožňuje blíže monitorovat stav mazání v kontaktech.

Disertační práce
Využití povrchových akustických vln pro monitorování mazací vrstvy mezi valivými elementy a dráhou ložiska.
Autor: Ing. Jakub Chmelař, Ph.D. 
Školitel: Prof. Ing. Vojtěch Dynybyl, Ph.D.
Práce vznikla na ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav konstruování a částí strojů.

Související články
Diskutovaný Průmysl 4.0

Fenomén Průmysl 4.0, nastínění možných směrů vývoje a příprava společnosti na změny způsobené novými technologiemi – to jsou diskutovaná témata konferencí a seminářů současnosti. Podpora výzkumu a vývoje se musí soustřeďovat na technologicky významné oblasti vycházející z potřeb české průmyslové praxe. Odborníci zdůrazňují potřebu vzdělávání a zvyšování kvalifikace zaměstnanců.

Inovace. Co to vlastně je?

Vděčné sexy téma, o kterém rádi všichni mluví, ale nikdo pořádně neví, jak je skutečně realizovat. Celá řada hvězdiček, jimž se podařilo inovovat sebevětší pitominu a s ní nějak uspět na našem malém hladovém lokálním trhu se cítí být vyvoleni rozdávat moudra. Zasvěcený člověk se pak nestačí divit.

Podpory výzkumu, inovací a podnikání

Vývoj hospodářství v Evropě je v posledních letech charakterizován četnými ekonomickými problémy (finanční krize, dluhová krize), které ve svých důsledcích znamenají stagnaci či jen křehké oživení. Většina evropských ekonomik si uvědomuje, že disproporci mezi disponibilními kapacitami a místní poptávkou může dlouhodobě řešit pouze exportem.

Související články
Další ročník Akademicko-průmyslového fóra

Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně přikládá spolupráci s průmyslovou praxí velkou váhu a mimo jiné již několik let po sobě pořadá Akademicko-průmyslové forum (APF). Na toto setkání jsou pravidelně zváni představitelé jihomoravských firem, aby společně se zástupci fakulty nacházeli společnou řeč pro vzájemný efektivní dialog vedoucí k upevnění vazeb mezi univerzitou a praxí. Značný důraz ze strany organizátorů je kladen na zmapování nedostatků, které firmy spatřují ve spolupráci s nimi.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Fórum děkanů strojních fakult

Zanedlouho začne nový akademický rok, který s sebou, v souvislosti reflexe poznání předchozího covidového období, přinese mnoho změn v přístupu nejen ve výuce, ale i ve fungování vzdělávacích institucí jako takových. Mohli byste prosím uvést, na které novinky a inovace se mohou studenti vaší fakulty těšit?

Fórum děkanů strojních fakult

Jak současná doba ovlivňuje realizaci smluvního výzkumu na již hotových projektech, resp. při akvizici nových? Zaznamenáváte aktuálně pokles zájmu firem o spolupráci?

Fórum děkanů strojních fakult

Pokud byste byl jmenován ministrem školství, jaký první krok byste ve své funkci realizoval směrem k technickému vzdělávání?

Průkopníci využití umělé inteligence v počítačové bezpečnosti

S Miroslavem Trnkou se známe dlouhou dobu – od dob Invexu, kde jeho přednášky v rámci akcí o počítačových virech a ochraně proti nim patřily vždy k těm nejlepším na této akci. Jeho vždy velmi pečlivě připravené příspěvky vedly k zamyšlení o problematice ochrany uživatelů proti napadení počítačů.

Ujíždí nám vlak digitalizace?

Rozhovor s Martinem Peňázem ze společnosti Autodesk, nám dává možnost nahlédnout na současnou digitální transformaci optikou, jejichž rámec a obzory se vytvářely dalece před tím, než nás doba covidová naučila přemýšlet a konat jinak a pružněji, než bylo standardem.

Způsob myšlení definuje naši úspěšnost

Ekonomické změny způsobené pandemií vyžadují nové přístupy v oblasti lidských zdrojů a leadershipu. O své zkušenosti a náměty, jak v tomto turbulentním čase efektivně využít lidský potenciál, včetně svého, se s námi podělila Lucie Teisler, vedoucí partnerka poradenské společnosti Anderson Willinger.

Fórum děkanů strojních fakult

Jak se vaší fakultě a jejím výzkumným pracovištím dařilo realizovat smluvní výzkum a spolupráci s praxí během pandemie covid-19 a jak se aktuálně staví průmyslová praxe ke společným projektům pro následující období (jak již běžící projekty, tak i nové výzvy)?

Fórum děkanů strojních fakult

Jak se vám osvědčila bezkontaktní on-line výuka, zkoušení, případně státní závěrečné zkoušky na vaší fakultě? Myslíte, že v některých případech dokáže tento formát plnohodnotně nahradit "klasický", historicky zakořeněný, způsob výuky a zkoušení a vydáte se touto cestou v nacházejícím semestru (bez ohledu na uvolnění hygienických požadavků)?

Život podle profesora Kassaye

Profesor Štefan Kassay se řadí mezi klíčové osobnosti podnikatelského a vědeckého života, a to nikoliv pouze na Slovensku, ale i v okolních evropských zemích. Vyučil se jako soustružník a díky své neskonalé touze po poznání se vypracoval mezi evropskou elitu a nenašli byste zde jemu rovnému, který by dokázal v takové míře integrovat podnikatelské, ekonomické, vědecké, pedagogické a diplomatické znalosti, jako právě profesor Kassay. V oblasti vědy a vzdělávání vidí zásadní impuls pro rozvoj jednotlivce a společnosti a proto mj. založil svoji nadaci, která tyto kroky podporuje.

Závěrečné oponentní řízení CK-SVT

V dubnu 2012 byl na půdě Fakulty strojní ČVUT v Praze oficiálně zahájen osmi letý projekt Centrum kompetence - Strojírenská výrobní technika v rámci dotačního programu Technologické agentury ČR. Projekt byl úspěšně ukončen ke konci roku 2019 a v červnu 2020 proběhlo Závěrečné oponentní řízení ve firmě TOS Varnsdorf, jednoho ze spoluřešitelů.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit