خرابی بیرینگ یکی از دلایل اصلی کاهش تولید در صنایع محسوب می‌شود. بیرینگ‌های غلتشی در بسیاری از تجهیزات صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند و بسیاری از مشکلات مربوط به ماشین‌آلات، مستقیماً به خرابی بیرینگ‌ها مربوط می‌شود. به منظور کاهش زمان توقف تولید و حفظ کیفیت محصولات در یک کارخانه با سطح بالای اتوماسیون، تشخیص وضعیت بیرینگ‌ها ضروری است. آسیب به بیرینگ‌ها معمولاً نشانه‌ای از خرابی‌های جدی‌تر در سیستم است و شناسایی زودهنگام آن می‌تواند از ایجاد خسارت‌های بزرگ‌تر جلوگیری کند.
بیرینگ‌های غلتشی (Rolling Bearings) در انواع مختلف ماشین‌آلات صنعتی، تجهیزات حمل و نقل، موتورها، توربین‌ها و غیره استفاده می‌شوند. این قطعات مکانیکی وظیفه دارند تا حرکت نسبی بین دو یا چند قطعه را به شکلی روان، با حداقل اصطکاک و سایش ممکن کنند.
بیرینگ‌ها معمولاً از اجزای زیر تشکیل شده‌اند:
- حلقه داخلی (Inner Ring)
- حلقه بیرونی (Outer Ring)
- اجزای غلتنده (مانند ساچمه یا رولر)
- قفسه نگهدارنده (Cage)
اهمیت تشخیص خرابی بیرینگ‌ها
در بسیاری از صنایع، بیرینگ‌ها نقشی حیاتی در عملکرد پیوسته و بدون وقفه ماشین‌آلات ایفا می‌کنند. خرابی بیرینگ ممکن است منجر به توقف ناگهانی ماشین، کاهش کیفیت محصول، افزایش مصرف انرژی و هزینه‌های تعمیراتی بالا شود. بنابراین، تشخیص به موقع و دقیق خرابی‌ها یک موضوع کلیدی در نگهداری پیش‌بینی‌شده (Predictive Maintenance) و افزایش بهره‌وری سیستم‌های صنعتی است.
انواع خرابی در بیرینگ‌ها
مطالعات مختلف نشان داده‌اند که خرابی‌های رایج در بیرینگ‌ها به دلایل زیر اتفاق می‌افتند:
- خستگی سطحی (Surface Fatigue):
خستگی سطحی یکی از رایج‌ترین اشکال خرابی در بیرینگ‌ها است که معمولاً در نتیجه اعمال بارهای مکرر و تناوبی روی سطوح تماس رخ می‌دهد. این نوع تنش‌های مکانیکی باعث ایجاد ترک‌های بسیار ریز در سطح می‌شود. با تکرار سیکل‌های بارگذاری، این ترک‌ها به مرور زمان رشد کرده و تکه‌هایی از سطح بیرینگ جدا می‌شود که به آن «پوسته‌پوسته شدن» یا Spalling می‌گویند. این فرآیند باعث ایجاد لرزش، صدا و افت شدید عملکرد بیرینگ می‌شود. - سایش (Wear):
سایش در بیرینگ‌ها زمانی اتفاق می‌افتد که لایه روانکار بین اجزای متحرک به‌درستی عمل نکند یا آلودگی‌هایی مانند ذرات ریز فلزی وارد سیستم شوند. در نتیجه، تماس مستقیم فلز با فلز صورت گرفته و به تدریج ماده از سطح بیرینگ برداشته می‌شود. این فرسایش مداوم باعث از بین رفتن دقت ابعادی قطعات و ایجاد لقی در سیستم می‌گردد، که در نهایت عملکرد یکنواخت بیرینگ را مختل می‌کند. - خراشیدگی (Scuffing):
خراشیدگی زمانی رخ می‌دهد که روانکاری کافی بین سطوح تماس وجود نداشته باشد و اصطکاک بیش از حد افزایش یابد. در چنین شرایطی، دما به سرعت بالا می‌رود و فلزات ممکن است به‌صورت موضعی به یکدیگر بچسبند و سپس از هم جدا شوند، که این فرایند موجب کشیده شدن سطوح و تخریب ناگهانی سطح تماس می‌شود. خراشیدگی اغلب با ظاهر موج‌دار و تغییر رنگ در سطح همراه است. - خوردگی (Corrosion):
خوردگی بیشتر در اثر ورود رطوبت، مواد اسیدی یا گازهای خورنده به داخل بیرینگ اتفاق می‌افتد. این مواد می‌توانند به سطح فلز حمله کرده و آن را تخریب کنند. نتیجه این فرایند، زنگ‌زدگی و کاهش مقاومت مکانیکی سطح است. خوردگی معمولاً با ایجاد لکه‌های قهوه‌ای، سطح خشن و کاهش عمر مفید بیرینگ مشخص می‌شود. - شکست مکانیکی:
شکست مکانیکی زمانی رخ می‌دهد که بیرینگ در معرض بارهایی فراتر از ظرفیت طراحی خود قرار گیرد یا به صورت نادرست نصب شده باشد. همچنین، نقص در مواد اولیه مانند ترک‌های داخلی یا ناخالصی در ساختار می‌تواند مقاومت بیرینگ را کاهش دهد. این نوع خرابی معمولاً به صورت شکست ناگهانی و کامل قطعه ظاهر می‌شود و ممکن است منجر به توقف کامل ماشین‌آلات شود. شکست مکانیکی یکی از خطرناک‌ترین انواع خرابی‌هاست که نیاز به بررسی دقیق طراحی و شرایط بهره‌برداری دارد.
روش‌های تشخیص خرابی بیرینگ
برای پیش‌بینی و تشخیص خرابی بیرینگ‌ها، روش‌های مختلفی در صنایع به کار گرفته می‌شود. این روش‌ها به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:
روش‌های سنتی
بررسی دیداری:
یکی از ابتدایی‌ترین اما همچنان کاربردی‌ترین روش‌های تشخیص خرابی در بیرینگ‌ها، بررسی دیداری است. این روش شامل بازرسی چشمی مستقیم اجزای بیرینگ از جمله حلقه‌های داخلی و خارجی، قفسه و اجزای غلتشی می‌شود. اپراتورها به دنبال علائم ظاهری مانند ترک‌های ریز، پوسته‌پوسته شدن، زنگ زدگی یا تغییر رنگ ناشی از دمای بالا هستند. این علائم معمولاً هشدار اولیه‌ای برای شروع خرابی هستند و در صورت تشخیص زودهنگام، می‌توان با تعویض یا تعمیر به موقع از گسترش آسیب جلوگیری کرد. هرچند این روش نیازمند توقف دستگاه و باز کردن قطعات است، اما همچنان در بسیاری از صنایع، به‌ویژه در بازدیدهای دوره‌ای یا تعمیرات برنامه‌ریزی‌شده، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
بررسی دمایی:
افزایش غیرمعمول دمای بیرینگ معمولاً نشان‌دهنده بروز مشکلی در عملکرد آن است. دمای بالا می‌تواند ناشی از روانکاری نامناسب، اعمال بار بیش از حد، اصطکاک غیرطبیعی یا حتی تراز نادرست اجزای متحرک باشد. در روش بررسی دمایی، دماسنج‌های تماسی یا غیرتماسی برای اندازه‌گیری دمای بدنه بیرینگ استفاده می‌شود. اپراتورها معمولاً از تغییرات ناگهانی یا پیوسته دما در طول زمان به‌عنوان نشانه‌ای از آغاز فرآیند خرابی استفاده می‌کنند. این روش ساده و کم‌هزینه، پایه بسیاری از سیستم‌های پایش وضعیت ابتدایی است و می‌تواند به‌سرعت وضعیت بحرانی را هشدار دهد.
بررسی صدا:
شنیدن صداهای غیرمعمول مانند خش‌خش، ضربه یا صدای سوت، می‌تواند نشانه‌ای از آسیب یا اصطکاک درون بیرینگ باشد. در روش بررسی صوتی، از گوشی مکانیکی یا حسگرهای صوتی ساده برای گوش دادن به صدای تولیدشده در حین کار دستگاه استفاده می‌شود. این صداها معمولاً در فرکانس‌های خاصی رخ می‌دهند که با تجربه یا با مقایسه با حالت طبیعی دستگاه قابل تشخیص هستند. در بسیاری از مواقع، صداهای غیرعادی زودتر از علائم ظاهری یا دمایی ظاهر می‌شوند، بنابراین می‌توانند در شناسایی اولیه خرابی‌ها بسیار مؤثر باشند.
روش‌های پیشرفته
آنالیز ارتعاشات (Vibration Analysis):
آنالیز ارتعاشات یکی از دقیق‌ترین و پرکاربردترین روش‌های مدرن برای تشخیص خرابی در بیرینگ‌ها محسوب می‌شود. در این روش، با استفاده از حسگرهای شتاب‌سنج یا سرعت‌سنج، داده‌های ارتعاشی اجزای در حال چرخش ثبت و تحلیل می‌شود. هرگونه تغییر در الگوهای ارتعاش، به‌ویژه در دامنه یا فرکانس‌های خاص، می‌تواند نشانه وجود ترک، سایش یا عدم تراز باشد. این تکنیک امکان پایش پیوسته در حین کار دستگاه را فراهم کرده و به دلیل حساسیت بالا، معمولاً در سیستم‌های پایش وضعیت پیشرفته استفاده می‌شود.
آنالیز سیگنال زمان-فرکانس:
برای تحلیل دقیق‌تر داده‌های ارتعاشی، از روش‌های پردازش سیگنال مانند تبدیل فوریه (FFT) یا تبدیل موجک استفاده می‌شود. این روش‌ها امکان نمایش رفتار سیگنال در هر دو بعد زمان و فرکانس را فراهم می‌کنند که برای شناسایی خرابی‌های زودرس بسیار مفید است. تبدیل موجک به‌ویژه در آشکارسازی خرابی‌هایی که به‌صورت مقطعی رخ می‌دهند، مانند ضربات یا تماس‌های موقت، کارایی بالایی دارد. این روش در سیستم‌های پیشرفته پایش، نقش مهمی در تشخیص و پیش‌بینی خرابی‌های پیچیده ایفا می‌کند.
آنالیز روغن (Oil Analysis):
بررسی کیفیت روانکار و وجود ذرات فلزی در آن، راهکاری مؤثر برای تشخیص سایش داخلی در بیرینگ‌هاست. در این روش، نمونه‌ای از روغن دستگاه جمع‌آوری و تحت آنالیز قرار می‌گیرد تا میزان، نوع و اندازه ذرات فلزی موجود در آن مشخص شود. وجود ذرات آهنی یا غیرآهنی می‌تواند نشان‌دهنده شروع فرآیند خرابی یا فرسایش قطعات باشد. این تحلیل همچنین می‌تواند اطلاعاتی درباره آلودگی روغن، دمای عملکرد، و افت خاصیت روانکاری ارائه دهد. آنالیز روغن روشی غیرمخرب و بسیار کاربردی در برنامه‌های نگهداری پیش‌بینانه محسوب می‌شود.
ترموگرافی مادون قرمز (Infrared Thermography):
در این روش از دوربین‌های حرارتی برای شناسایی نقاط داغ (Hot Spots) در اطراف بیرینگ استفاده می‌شود. این نقاط معمولاً در اثر اصطکاک زیاد، روانکاری ضعیف یا خرابی‌های داخلی ایجاد می‌شوند. دوربین‌های مادون قرمز قادرند تفاوت‌های جزئی دما را نیز به‌وضوح نمایش دهند که تشخیص زودهنگام مناطق در معرض آسیب را امکان‌پذیر می‌سازد. این روش به دلیل غیرتماسی بودن، ایمنی بالا و سرعت عمل زیاد، در صنایع بزرگی مانند نیروگاه‌ها و پتروشیمی کاربرد گسترده‌ای دارد.
تکنیک‌های نگهداری و پیشگیری
نگهداری مناسب و اصولی می‌تواند عمر بیرینگ‌ها را به طور چشمگیری افزایش دهد. اقدامات پیشگیرانه شامل موارد زیر است:
- روانکاری منظم و مناسب: انتخاب نوع و مقدار مناسب روانکار با توجه به دمای کاری، سرعت دوران و میزان بار، باعث کاهش اصطکاک و جلوگیری از سایش زودرس می‌شود. روانکاری مناسب یکی از ساده‌ترین ولی مؤثرترین راه‌ها برای افزایش عمر بیرینگ است.
- نصب صحیح: نصب بیرینگ با ابزارهای تخصصی و دقیق از وارد آمدن فشارهای ناهمگون یا ضربه جلوگیری کرده و مانع آسیب‌دیدگی زودهنگام می‌شود. نصب اشتباه یکی از عوامل اصلی شکست مکانیکی بیرینگ‌هاست.
- تنظیم بار کاری مناسب: اطمینان از اینکه بیرینگ در محدوده مجاز بارگذاری کار می‌کند، از خستگی سطحی و شکست مکانیکی جلوگیری می‌کند. بارگذاری بیش از حد یا بسیار پایین هر دو می‌توانند باعث خرابی زودرس شوند.
- پایش دوره‌ای: استفاده منظم از ابزارهایی مانند آنالیز ارتعاش، دما و صدا برای بررسی سلامت بیرینگ کمک می‌کند تا خرابی‌ها پیش از وقوع شناسایی و مدیریت شوند. این روش، مکملی کلیدی برای اقدامات پیشگیرانه در نگهداری پیشرفته است.
بیرینگ‌ها نقش بسیار حیاتی در عملکرد صحیح ماشین‌آلات صنعتی ایفا می‌کنند. خرابی آن‌ها می‌تواند موجب توقف تولید، هزینه‌های بالا و کاهش کیفیت شود. استفاده از روش‌های دقیق تشخیص و نگهداری پیشگیرانه، به ویژه آنالیز ارتعاشات و سیگنال، می‌تواند از بروز این خرابی‌ها جلوگیری کند. علاوه بر این، تحقیقات جدید در زمینه تحلیل داده و هوش مصنوعی افق‌های تازه‌ای در تشخیص خودکار و پیش‌بینی خرابی‌ها ایجاد کرده است.
مراجع
Moundekar, Nikhil D., and B. D. Deshmukh. “Study of failure modes of rolling bearings: a review.” International Journal of Modern Engineering Research (IJMER) 4.1 (2014): 139.