Tillståndsövervakning av kullagers friktionsmoment med trådtöjningsgivare

Sammanfattning: Fram tills idag har stor del av kullagers tillståndsövervakning skett genom att analysera vibrationer som ökar i takt med att kullager slits. Tillståndsövervakning av maskinella komponenter är en viktig del för att åstadkomma hög tillgänglighet i maskiner där underhåll kan planeras in först när komponenter är slitna men innan de går sönder. I insamlingen av vibrationsdata är risken stor för att omgivningens vibrationer följer med i insamlingen vilket ställer krav på filtreringsmetoder som är beroende av att känna till omgivningens vibrationer. Studier har visat på att övervakning av kullagers friktionsmoment kan tillhandahålla samma värde utan att kräva input från den externa miljön. Tidigare studier har huvudsakligen studerat kullagers friktionsmoment i testriggar vilketmedför att aktuella metoder inte är tillämpbara i kullagrets verkliga kontext. Syftet med studien var att åstadkomma en kullagerinfästning som möjliggör för tillståndsbaserat underhåll genom mätning av friktionsmoment. Forskningsfrågan som därför avsågs besvaras löd: Hur kan en infästning för kullager konstrueras för att möjliggöra friktionsmätning av kullager i sin tänkta kontext? Det första målet för studien var att åstadkomma en fungerande prototyp för mätning av friktionsmoment, och det andra målet var att identifiera testmetoder av felkällor och uppnå likvärdig prestanda gentemot liknande studier för mätning av vridmoment.  Studiens metod utgjorde sig av en litteraturgranskning som huvudsakligen undersökte trådtöjningsgivare(töjningssensor), optiska sensorer, lastceller, Wheatstonebryggor och felkällor, samt en fallstudie. Fallstudien utgjorde sig av fyra produktutvecklingsfaser: planering, konceptutveckling, utveckling på detaljnivå och testning och vidareutveckling. Baserat på planeringsfasens benchmarking av sensorer och litteraturgranskningen valde studien implementera trådtöjningsgivare i en lastcell som bestod av ett kullagernav med ekrar. (En trådtöjningsgivare kan liknas vid en klisterlapp med metalltrådar som mäter töjningar i en lastcell genom att resistansen i metalltrådarna förändras). I konceptutvecklingen upprättades kravspecifikationer och ett flertal olika lastceller utvärderades genom 3D-utskrivna modeller. Utvecklingen på detaljnivå bestod av beräkningar och simuleringar av diverse hållfasthetsaspekter samt simulering av vridmotstånd för att uppnå rätt upplösning och mätområde. Lastcellen har på uppdrag av fallföretaget dimensionerats mot att ge ett sensorutslag på 1mV vid ett vridmoment på 0,146 Nm. Angivet vridmoment motsvarar i det här fall det största vridmomentet som tvåfriska kullager bör uppvisa. I den här fasen undersöktes ekrar som bestod av tunna flänsar eller olika hålgeometrier där de tunna flänsar uppvisade störst töjningar. Den resulterande lastcellen bestod av tre eker-par med tunna flänsar och hade en simulerad känslighet på 6,85 mV/Nm. I testning och vidareutvecklingsfasenanpassades lastcellen för implementering till en av fallföretagets produkter. Konceptet simulerades mot egensvängningar, axiella krafter, radiella krafter och vibrationer samt testades fysiskt mot mätområde,upplösning, linjäritet, hysteres, repeterbarhet och drift.  Studien har resulterat i en lastcell med två trådtöjningsgivare i en halv Wheatstonebrygga som kan mäta kullagers friktionsmoment med en upplösning noggrannare än 0,001 Nm. Det primära mätområdet är 0 - 0,146 Nm och inom intervallet uppvisar lastcellen en känslighet på 7,8 mV/Nm, ett linjäritetsfel på 0,65%, en hysteres på 2,32% och ett repeterbarhetsfel på 1,12%, där den största felkällan ger upphov till ett fel på 0,0034 Nm. Jämfört med liknande studier har fallstudiens lastcell uppnått en väsentligt högre hysteres då den bästa erhöll en hysteres på 0,15%. Den största skillnaden gentemot liknande studier var att ekrarna i aktuell studie bestod av tunna flänsar med hög flexibilitet, medan liknande studier bestod av styvare ekrar med hålgeometrier. En styv eker kan i teorin uppvisa samma töjning som en tunn fläns förutsatt att hålgeometrin kan göras tillräckligt stor,alternativt att ekerns djup kan göras tillräckligt litet. På grund av tillverkningstekniska aspekter i fallstudien kunde inte hålgeometrins väggar göras tunnare än 0,7mm. Hålgeometriernas estimerade töjningarna bedömdes därför bli för låga vilket resulterade i att studien gick vidare med tunna flänsar. En av de huvudsakliga fördelarna med hålgeometrier var däremot att de uppvisade väsentligt lägre deformation givet samma töjning. Baserat på resultatet för fallstudien drogs slutsatsen att stora deformationer medför en större hysteres. Fenomenet kan förklaras genom att en flexibel eker har en större deformation att återhämta sig ifrån jämfört med en styv. (Hysteres kan beskrivas som kvarliggande deformation/spänningar efter en lastcykel). En av de huvudsakliga slutsatserna från studien var därför att en lastcell bör implementera fler trådtöjningsgivare för att öka känsligheten framför att öka känsligheten genom att öka töjningarna. Ytterligare en slutsats var att en lastcell avsedd för mätning av kullagers friktionsmoment endast lämpar sig för applikationer där externa laster inte överstiger kullagrets utmattningsgräns.