پیشرفت تکنولوژی و به تبع آن ساخت تجهیزات پیشرفته و گران قیمت منجر به آن شده‌است که توجه بیشتری به مباحث مربوط به پایش وضعیت (Condition Monitoring) و تعمیرات پیشگیرانه (Predictive Maintenance) که تا 10 سال گذشته مهجور مانده بود، گردد. با استفاده از روش‌های نوین بازرسی و کنترل، این امکان بوجود می‌آید تا عیوب قبل از گسترش و بروز خرابی، شناسایی شوند. یکی از روش‌هایی که بصورت آنلاین قابلیت پایش وضعیت تجهیزات ثابت و دوار را دارد آزمون آکوستیک امیشن (Acoustic Emission) است.
مسأله‌ای که در این پروژه به دنبال دستیابی به راه حلی برای آن هستیم، پایش و مانیتورینگ سیستم رانش است که اطلاع از آغاز خرابی‌هایی که با بازدیدهای چشمی قابل تشخیص نیست، در آن، سبب کاهش هزینه‌ها و بهبود عملکرد نیروهای عملیاتی خواهد شد. در سیستم‌های رانش مختلف (Propulsion System)، یک رانش دهنده اصلی (Prime Mover) وجود دارد که قدرت تولید شده توسط آن بوسیله سیستم انتقال قدرت به پروانه (Propeller) منتقل می‌گردد. در شکل 1 شماتیکی از این سیستم نشان داده شده است.
شکل 1: شماتیک سیستم رانش
استفاده از آزمونی که بتواند به صورت آنلاین و در شرایط عملکردی مختلف، وضعیت تجهیزات اصلی سیستم رانش، یعنی گیربکس، شفت، یاتاقان‌ها و پروانه را پایش نموده و خرابی‌ها را ردیابی نماید، می‌تواند بسیار مورد اهمیت باشد. یکی از روش‌هایی که بصورت آنلاین قابلیت پایش وضعیت تجهیزات ثابت و دوار را دارد، آزمون آکوستیک امیشن (Acoustic Emission) است. آکوستیک امیشن پدیده‌ای است که در اثر ایجاد و انتشار یک موج الاستیک در محدوده مافوق صوت (1KHz-20MHz) رخ می‌دهد. بر همین اساس، تست به روش آکوستیک امیشن شامل دریافت سیگنالهای منتشر شده در جسم توسط سنسورهای مخصوص و برقراری ارتباط بین سیگنالهای دریافتی و تغییرات ایجاد شده بر روی منبع می‌باشد.
مزایایی که روش تست آکوستیک امیشن در مقایسه با سایر تکنیک‌های مورد استفاده برای تشخیص و ردیابی عیوب دارا می‌باشد را به صورت زیر می‌توان جمع بندی کرد:
- تشخیص و ردیابی عیوب بصورت آنلاین و دینامیک
- قابلیت ارزیابی اهمیت عیوب در کل سازه حین تست
- ردیابی و تشخیص عیوب میکرو
- تست سازه ها از فواصل دور
- پیشگویی خرابی ناگهانی در سیستم‌های دارای عیوب نامشخص
- تعیین دقیق محل عیوب بدون نیاز به سعی و خطا
- سرعت بسیار بالای انجام تست
- صرفه جویی اقتصادی بالا
شکل 2: شماتیک آزمون آکوستیک امیشن
در این مقاله نمونه پژوهش‌هایی که بر روی اجزای مختلف سیستم رانش انجام شده به اختصار آمده‌است.
پایش وضعیت آنلاین شفت با آزمون آکوستیک امیشن
تحقیقی که در این قسمت بررسی می‌شود در دانشکده مهندسی دریا دانشگاه پاتیمورا در اندونزی (Pattimura University) انجام گرفته‌است. در این تحقیق اثر ابعاد ترک ایجادشده بر روی شفت و تغییرات فرکانسی آن برروی سیگنالهای آکوستیک امیشن ارزیابی شده‌است. شکل 3 تجهیزات آزمایش را نمایش می‌دهد. طول شفت 800 میلی‌متر و قطر آن 28 میلی‌متر می‌باشد. سه عدد شفت برای این تحقیق در نظر گرفته شده‌است. شفت سالم، شفت با ترکی به ابعاد یک چهارم قطر شفت و شفتی با ترک به ابعاد نصف قطر شفت مورد ارزیابی با آزمون آکوستیک امیشن قرار گرفت.
شکل 3: تجهیزات آزمون پایش شفت
داده‌برداری آکوستیک امیشن در سرعت‌های 500 الی 1000 دور بر دقیقه انجام شده‌است. شکل 4 نمودار FFT سیگنالهای دریافتی از شفت سالم را نشان می‌دهد.
شکل 4: نمودار – FFT سیگنال دریافتی از شفت سالم
شکل‌های 5 و 6 نمودار FFT شفت‌های ترک‌دار را نشان می‌دهد. همانطور که ملاحظه می‌شود با افزایش اندازه ترک و دور، دامنه سیگنال افزایش می‌یابد که نشان دهنده‌ی توانایی آزمون آکوستیک امیشن جهت ردیابی ایجاد تغییر در وضعیت شفت است.
شکل 5: نمودار – FFT سیگنال دریافتی از شفت با ترک 0.25D
شکل 6: نمودار – FFT سیگنال دریافتی از شفت با ترک 0.5D
پایش وضعیت آنلاین گیربکس با آزمون آکوستیک امیشن
در سال‌های اخیر تحقیقات زیادی در زمینه پایش وضعیت و عیب‌یابی گیربکس با آزمون آکوستیک امیشن انجام پذیرفته‌است. یکی از آنها تحقیقی است که در سال 2014 در دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه ایلینویز شیکاگو (University of Illinois) انجام شده‌است. در این تحقیق قابلیت آزمون آکوستیک امیشن در پایش وضعیت گیربکس با آزمون آنالیز ارتعاش مقایسه شده‌است.
شکل 7: تجهیزات آزمون پایش وضعیت گیربکس
شکل 8: مقایسه نتایج آزمون آکوستیک امیشن و آنالیز ارتعاشی در پایش گیربکس
همانگونه که از شکل مشخص است هر دو آزمون تغییراتی را در میزان RMS نسبت به حالت سالم را ثبت نموده‌اند. ولی آزمون آکوستیک امیشن علاوه بر حساسیت بیشتر در تشخیص خرابی، شدت خرابی را نیز مشخص می‌نماید.
پایش وضعیت آنلاین یاتاقان با آزمون آکوستیک امیشن
یاتاقان را می‌توان به مثابه قلب ماشین‌آلات در تمام صنایع در نظر گرفت. در اثر خرابی پیش از موعد (زودرس) یاتاقان‌ها و نیاز به تعویض آنها، اجزای جانبی ماشین دچار فرسایش و آسیب می‌شود و خرابی به بقیه قسمت‌های ماشین سرایت می‌کند. برخی از عوامل معیوب شدن یاتاقان‌ها عبارتند از:
- کاربرد ناصحیح یاتاقان
- نگهداری نادرست
- روغن‌کاری نکردن
- ازدیاد بار
- سرعت بالا
- ناهم محوری
- شرایط محیطی (دما، رطوبت، گرد و خاک، آلودگی و …)
تحقیقات بسیار زیادی در زمینه پایش یاتاقان ها با آزمون آکوستیک امیشن انجام گرفته‌است. یکی از تحقیقات انجام‌شده، بررسی سیگنالهای آکوستیک امیشن ناشی از شرایط مختلف روانکاری در یاتاقان است که توسط آقای صادق حسینی (از اعضای تیم علمی شرکت تحقیق و توسعه ایرانیان) در دانشگاه صنعتی امیرکبیر انجام شده‌است. مشخصات یاتاقان مورد استفاده در جدول یک آمده‌است.
جدول 1 : مشخصات یاتاقان
شکل 9: شماتیک تجهیزات آزمون شرایط مختلف روانکاری یاتاقان
پارامترهای مختلفی که تحت آن عملکرد یاتاقان با آزمون آکوستیک امیشن مورد پایش قرار گرفته‌است در جدول 2 آمده‌است.
جدول 2 پارامترهای آزمون
در این تحقیق داده‌های آزمون با روش آنالیز موجک و هوش عصبی تحلیل شده‌است و پژوهشگر توانسته با دقت بالای 95% سیگنالهای ناشی از حالات مختلف روانکاری را از ویژگی‌های خاص سیگنال شناسایی نماید.
نتیجه‌گیری
از مجموعه مباحث مطروحه می‌توان نتیجه گرفت که آزمون آکوستیک امیشن می‌تواند به عنوان ابزاری قدرتمند در پایش سلامت سیستم رانش شناورهای تندرو مورد استفاده قرار گیرد. با توجه به اینکه آگاهی از سلامت پروانه شناورهای تندرو سبب کاهش توقف در فعالیت نیروهای عملیاتی و کاهش هزینه‌های ناشی از گسترش خرابی می‌گردد، آزمون آکوستیک امیشن می‌تواند تشکیل ترک را در پروانه قایق‌های تندرو ردیابی نماید.
