Şekil 1.1: Leonardo da Vinci tarafından dizayn edilip çizilmiş ilkel bir rulman örneği.

Şekil 1.1’de en ilkel haliyle resmedilmiş olan rulmanlar esas itibari ile sürtünmeyi azaltarak dönme hareketini kolaylaştırmak için tasarlanmıştır. Çeşitli endüstri kollarında, imalat, hava-uzay, otomotiv, maden, enerji tesisleri ve yenilenebilir enerji üreten rüzgar santrallerinde kullanılırlar [Harris]. Rulman içeren döner aksamlı makineler, öngörülemeyen duruşları en aza indirmek için kestirimci bakım uygulamaları ile gözlenmeli ve olası hatalar erken aşamada teşhis edilmelidir [van Beek]. Bu türden bir arıza tespiti genel olarak mekanik dalgaların - titreşim, şok vurguları ve akustik gibi [Tandon-92] - analizinin sıcaklık ve devir hızı bilgisi ile tamamlanarak, hataların saptanmasını [Heng-08, Jardine-05] ve sınıflandırılmasını içerir. Yukarıda bahsedilen endüstri kollarında kestirimci bakım uygulamalarının gerekliliği ve faydaları halihazırda gözlenmiştir [Tandon-92, Tandon-94].

Başarılı bir durum esaslı bakım (condition monitoring) için ilk yapılması gereken uygulamanın ve gözlenecek olan makinenin koşullarına uygun bir sensör seçmektir. ArGe (araştırma-geliştirme) ve endüstriyel uygulamalarda fiyat, dayanıklılık ve çalışma aralığı özellikleri analog ve dijital ivmeölçerleri (akselerometre, accelerometer) uygun bir seçenek haline getirir. Dikkate alınması gereken parametreler güç tüketimi, boyut, sıcaklık ve ivme aralıkları, hassasiyet, çözünürlük, kullanılabilir frekans bant genişliği ve gürültü yoğunluğudur. Bunlara ilaveten, montaj metodu (mıknatıs, yapıştırıcı veya vidalama), sensör muhafazası ve analog-dijital dönüştürme işlemleri de önem arz etmektedir.

Herhangi bir kestirimci bakım uygulamasında tespiti hedeflenen hatalar, rulmanlarda yüzeylere dağılmış olarak gözlenebilen pürüzlülük, dalgalılık, hizasız/ayarsız rulman bilezikleri, ve belirli bir bölgede görülen çatlaklar/yarıklar, oyuklar ve kırıklardır [Tandon-99]. Bu tür hatalar rulmanın herhangi bir parçasında, örneğin iç bilezik, dış bilezik, bilyalar veya yatak kafesinde gözlenebilir. Fakat hataların %90’a yakını iç veya dış bilezikte oluşur [Rubini-00]; bu sebeple bu bileşenlerde oluşan hataların tespiti ana hedeftir. Bahsi geçen bu rulman hataları diğer metal yüzeyler ile temasa geçtiğinde titreşim dalgaları yaratırlar.

Genel olarak titreşimler, bir maddeyi oluşturan moleküllerin yer değiştirmesine karşı içsel olarak oluşan elastik dengeleyici tepki kuvvetinden açığa çıkar [Kinsler-99] (bir gitar telini düşünelim); rulmanlarda ise hata kaynaklı bu tür düzensizlikler metal metal etkileşimi dolayısıyla impulsif (ani ve güçlü vurgular şeklinde) titreşimler olarak ortaya çıkar.

Rulmandaki hatalara ilişkin bu vurgular periyodik olmalarından bağımsız olarak, içinde bulundukları sistemi dürterek (harekete geçirerek) rezonansların üretilmesine sebep olur. İvmeölçerler (akselerometre, accelerometer) ile algılanabilen bu tür titreşimler ve ortamda bulunan diğer gürültüler, mekanik bir sistemin durumu ve bu sistemde bulunabilecek hataların varlığı ve karakteristiği hakkında değerli ve işe yarar bilgiler taşıyan sinyalleri oluşturur.

Şekil 1.2: Hata tespiti süreçleri.

1.2 Durum Esaslı Bakım (Condition Based Maintenance) Sisteminde Ölçülecek Parametreler

Döner ekipmanlarda kullanılan rulmanların mevcut durumunu değerlendirmek için kullanılabilecek çeşitli göstergeler bulunmaktadır. Bu göstergeler, parametreye has sensörler ile ölçülmüş kimi sinyaller ile ilişkilendirilebilir. En genel kapsamı ile, akustik, titreşim ve sıcaklık ölçümleri ile kapalı devre yağ döngülerinde aşınma kalıntısı analizi sıralanabilir [Tandon-99]. Günümüz endüstrisinde rulmanların, dişlilerin, şaftların ve dönen diğer tüm aksamların durum analizinde kullanımı en yaygın olan bilgi bu döner ekipmanların oluşturdukları titreşimlerdir [Tandon-99]. Ölçülebilecek diğer parametreler arasında hız, şok darbeleri, akustik yayım ve bu akustik dalgaların belirli bir eşiği verili sürede aşma sayısı sıralanabilir [Tandon-92]. Titreşim ölçümleri ve bunların analizi, endüstride üretim aşamalarında kullanılan döner ekipmanların rulman, dişli, şaft gibi bileşenlerinin mevcut sağlık durumunu değerlendirmek için kullanıldığı gibi, rulmanların üretimi esnasında kalite, dayanıklılık kontrolü ve ömür testleri için de referans alınmaktadır.

Bu noktadan sonra tartışılacak çoğu yöntemde dönüş hızı (rpm, devir/dakika) ve sıcaklık sürekli gözlenmesi gereken parametreler arasındadır. Bu parametreler sinyal analizlerinde, belirli mekanik hatalara özel frekansların hesaplanmasında ve rulmanın mevcut sağlık durumu tesptinde gerekli ve tamamlayıcı rol oynamaktadır. Bu yüzden, akustik ve titreşim gibi ana parametrelerin yanında sıcaklık ve devir sensörleri de gerekebilmektedir. Sonuç olarak, bir durum esaslı bakım sistemi genellikle birden fazla sensörden oluşur.

1.3 Fiziksel Analiz

Döner ekipmanlardan alınacak titreşim ölçümleri ve bunların analizi mekanik bileşenlerin mevcut durumları hakkında eksiksiz bilgi verebilmek için yeterli değildir. Rulmanların ve dişlilerin geometrisi, oturdukları yatakların tipi, rulmanların şafta göre izafi konumları (orbit analizi), yükün ekseni ve büyüklüğü – Şekil 1.4’de gösterildği üzere yük bölgesini ve dağılımını belirler – olası bir arızanın tipi, arızanın gelişkinlik seviyesi ve analiz ediliecek işlenmiş veri arasında kurulacak matematiksel ilişki güvenilir bir durum esaslı bakım sisteminin kurulabilmesi için hayati öneme sahiptir.

Bu metinlerde tartışılacak konuların esasını mekanik dalga teorisinden ve bunların fiziksel yorumlamasından çok, ölçülen titreşimlerin analizi ve bunların matematiksel modellemeleri oluşturacaktır. Rulmanların ve diğer döner ekipman bileşenlerinin mekanik dizaynlarındaki gelişmelerin ileri düzeye ulaşmış olduğu, triboloji araştırmalarının yoğunluğu, sonuçta fiziksel modellerin yarım yüz yıldan fazladır incelendiği ve sayısız mühendislik yayınına konu olduğu düşünüldüğünde; sorunun matematiksel, mekanik titreşimlerin modellenmesi ve bunların analiz edilmesi boyutunun özellikle Türkçe olarak incelenmesi önem arz etmekte ve bu metinlerin temel amacını oluşturmaktadır.

Şekil 1.4: Rulman bileşenleri, uygulanan kuvvet, yük bölgesi ve dağılımı ile birlikte gösterilmektedir [sawalhi-07].

1.3.1 Rulman arızalarının sınıflandırılması

Döner ekipmanların kritik bileşenlerinden rulmanlarda oluşabilecek arızalar, genel hatları ile yüzeye yayılmış halde bulunan yüzey pürüzlülüğü, yüzey dalgalılığı, bilezikler arası hizasızlık/kaçıklık; ayrıca bölgesel olarak gözlenebilen kırık ve çatlaklar, oyuklar ve çapak/kıymık atması olarak sınıflandırılabilir [Tandon-99]. Olası arızanın rulmandaki konumuna göre – iç bilezik, dış bilezik, bilya, kafes – ve arızanın ürettiği sinyalin neredeyse periyodik olduğu varsayılırsa, bu arıza titreşimlerinin karakteristik frekansları (oluşma sıklıkları/periyotları) rulman geometrisine ve rulmanın oturduğu şaftın dönüş hızına bağlı olarak hesaplanabilir [Harris]. Örnek vermek gerekirse, bir bilya hatası oluştuğunda, bilya üzerindeki kırık dönme ve kısmi kayma hareketi esnasında diğer metal yüzeyler ile belirli bir süre temas etmeyebilir ve bu durum arıza titreşimlerinin periyodik olarak (hep aynı aralıklar ile) oluşmasını engelleyebilir [Tandon-92]. Buna karşın, rulmanlarda gözlenen hataların yaklaşık %90’ı iç veya dış bilezikte oluşmaktadır ve hata sinyallerinin (arıza titreşimlerinin) yine bu olasılık ile neredeyse periyodik olduğu varsayılabilir.

1.3.2 Modelleme

Parçalarının en az birinde herhangi bir arıza içeren rulmanlardan ortaya çıkan titreşim sinyallerinin modellenmesi çalışmaları, kestirimci bakım metotlarının araştırılmasına başlandığı zamanlara kadar uzanır. Rulman arızalarından ortaya çıkan sinyallerin (titreşimlerin) genel olarak incelenmesi amacı ile, ekipmanın mekanik özellikleri (geometrisi, tipi, montajı, hızı, vs) ile ilişkilendirilmiş arızalara özel titreşimler çalışılmış ve belirli bir bileşeninde kırık bulunan rulmanların titreşim simulasyonları tasarlanmıştır [Braun-80, White-84]. Bu modellerin içerisinde iç bileziğinde noktasal bir kırık bulunan [McFadden-84], birden fazla noktasal kırık bulunan [McFadden-85] ve ilerleyen yıllarda nihayetinde herhangi bir bölgesinde bir veya birden çok noktasal kırık bulunan [Su-91] rulman titreşimleri incelenmiş ve detaylı şekilde çalışılmıştır. Bahsi geçen titreşim modellerinin tamamı rulmanın bir bölgesinde bulunan arızanın/kırığın bir diğer metal yüzey ile temasa geçmesi ile oluşan bir vuruş/vurgu/impulse (ya da belirli bir genliği olan darbe) tarafından dürtülmüş (harekete geçirilmiş – excited) bir özgül titreşim modunu esas alır. Bu araştırmalara ilaveten sinyallerin daha detaylı temsili için rulmanın oluşturabileceği olası tüm titreşim modlarını mod şekli, darbe şekli, yükün açısı [Tandon-97] ve geçmişte kullanılan olası diğer değişkenler ile birleştirerek içeren modeller de çalışılmıştır.

Titreşim sinyallerinin matematiksel olarak daha iyi temsil edilebilmesi adına dış bilezikteki deformasyonu içeren [Tadina-2011] ve hasarlı yüzeylerdeki metal-metal etkileşiminin yarattığı darbe sinyallerindeki olası hafif faz kaymalarını dikkate alan [Ho-2000] modeller geliştirilmiştir. Bunun yanı sıra, rulman arızasına ait titreşimlerin oluşum mekanizmasının daha iyi anlaşılabilmesi ve titreşimlerden arıza boyutunun tahmin edilebilmesi için, metal-metal temasının dürtüsü ile ortaya çıkan tepki titreşimleri incelenmiş [Sawalhi-2010], bilyanın bilezikteki bir kırığa giriş ve çıkış simulasyonu tasarlanmıştır [Sawalhi-2010-Fault-Size].

Rulmanların sıklıkla kullanıldığı redüktörlerdeki dişlilerden ortaya çıkan titreşimler (vurgu/darbe titreşimleri) ile bu rulmanlardaki olası arızaların oluşturduğu titreşimlerin birbiri ile çakışması ihtimali yüksek olduğundan, farklı mekanik ekipmanlardan ortaya çıkan bu sinyallerin birlikte yer aldığı durumlar özellikle konunun uzmanı araştırmacıların ilgi odağı olmuştur. Yataklama rulmanları ve dişli titreşimlerinin etkileşimlerinin incelenmesi [Sawalhi-2007, Sawalhi-2008-Part 1], redüktör rulmanlarında oluşabilecek gelişkin hatalara ait titreşimlerin analizi [Sawalhi-2008-Part 2], dişlilerdeki ve rulmanlarındaki arızaların erken aşamada tespiti [McFadden-86] ve rulman ve dişli sinyallerinin istatistiksel özellikleri [Randall-2010] detaylı şekilde çalışılmıştır. Burada örnekler ile desteklenecek yöntemler halihazırda arızalı dişlilerin titreşim analizinde de kullanılmaktadır.

1.4 Titreşim Analizi

Döner ekipmanlardan üretim esnasında ve olağan çalışma koşullarında ölçülen titreşimlerin (ham verinin), rulmanların işlevsel durumu hakkında bilgi edinebilmek adına detaylı olarak analiz edilmesi gerekmektedir. Bu amaçla, rulmanlarda olası hasarların tespitine yönelik çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. İzleyen bölümlerde bu yöntemler detaylı olarak ele alınacaktır. Burada nihai hedef, titreşim analizlerinin insan yorumu (öznellik) olmadan otonom şekilde gerçekleşmesini sağlayarak Endüstri 4.0 uyumlu bir kestirimci bakım sisteminin oluşturulmasıdır.

Şekil 1.5: Genel Titreşim Seviyesi (mm/s), ISO 10816-3.

1.4.1 Ham Veri Analizi ve Göstergeleri

Döner ekipmanlardan ölçülen titreşimler, zaman bölgesinde (time domain), frekans bölgesinde (frequency domain) veya her ikisinde de analiz edilebilir [Yang-03]. Ekipman şasesinden ölçülen titreşimlerden rulmanların genel sağlık durumu hakkında yorum yapabilmek için kullanılan ilk yöntemler ham verinin (ilk ölçülen titreşimlerin) RMS (ISO 10816-3 genel titreşim seviyesi, [mm/s], Şekil 1.5) değerleri, tepe/uç değer (peak value), tepe faktörü (crest factor), güç (power) ve kepstrum hesaplamalarından ibarettir. Ham veri üzerinde uygulanan bu yöntemlerin temel dayanağı, rulmanlar sağlam iken hesaplanan değerlerin olası arızalar ile zaman içerisindeki değişimini (görece değer) tespit ederek ekipman dağılmadan (en az üretim kaybı ile) müdahele edebilmektir. Elbette bu görece karşılaştırmaların yanında, ölçüm esnasında ekipman üzerinde yapılan gözlemler, yükselen ses (örneğin çınlamalar-rezonanslar) ve sıcaklık seviyesi, el ile yapılan kontroller, genel anlamı ile tecrübeye dayalı öznel yorumlar başat rol oynamaktadır. Bahsi geçen hesaplamaların uygulamadaki amacı ise veriye dayalı analiz ile arızaları erken aşamada öngörmek değil, yapılan gözlemler üzerinden tahmin yürütülerek tespit edilmeye çalışılan arızalara kimi rakamsal (ve çoğunlukla gürültüler nedeni ile yanıltıcı) dayanaklar sağlamaktır. Ekipman çalışırken yapılan bu tür fiziksel durum gözlemleri temel olarak o üretimi ve değişen koşullarını çok iyi bilen ve günden güne algıları değişmeyecek tecrübeli teknisyenlerin varlığını gerektirmektedir. Bu ise insan faktörünün ve öznel yorumunun yüksek olduğu bir sistem anlamına gelmektedir. Sonuç olarak, akademik çalışmaların da [Tandon-94, Heng-97, Williams-2001] detaylı olarak gösterdiği üzere, ham veri üzerinde yapılan bu genel hesaplamalar durum esaslı bir bakım sistemi için sağlam dayanaklar sağlamamaktadır.

Gelişen ve biriken akademik çalışmalar ve saha gözlemleri ile, rulman titreşimlerinin istatistiksel analizleri tartışılmaya başlanmış ve bu durum yüksek-mertebe istatistiklerinin (higher order statistics, yüksek-mertebe momentler, örneğin 3. ve 4. dereceden momentlerin) rulmanların hasar tespitinde kullanımını gündeme getirmiştir. Hasarlı bir rulmandan ortaya çıkan titreşimlerin (mekanik dalgaların) sensöre ulaşana kadarki yolculuğunda maskelenmesi, düzensiz hale gelmesi ve gürültü ile bastırılarak bozulmaya uğraması – ki bu durum ölçülen titreşimlerin olasılık yoğunluğu fonksiyonunu (PDF) Gaussian tipine yaklaştırır [Papoulis] – akıllara doğası gereği Gaussian olmayan impulsif arıza titreşimlerinin diğer tüm bileşenlerden frekans dağılımında (ayrıksı bantlarda) kurtosis (dördüncü dereceden moment) değeri hesaplanarak tespit edilebileceğini getirmiştir [Dwyer-84]. Buna ek olarak, kurtosis hesaplamalarının güvenilirliği rulmandaki arızanın gelişmişliğine [Tandon-99, Abdullah-2006, Dron-2002] ve şaft dönüş hızına [Heng-97] bağlı olarak incelenmiştir. Bahsi geçen çalışmalar ayrıca bir diğer yüksek-mertebe fonksiyonu, skewness hesaplamalarını da ele almıştır. Kestirimci bakım ve özelinde titreşim analizi literatürünün hemen hemen tamamında, ham veriden yakınsanacak bu istatistiki değerlerin tek başlarına güvenilir ölçütler olmadığı ve ekipmanların sağlığı hakkında yeterli dayanak sağlamayacakları tespit edilmiştir [Heng-2008]. Buna karşın, bu hesaplamalar halen rulmanların hasar durumları ile ilgili göstergeler olarak ve hatta kimi metotların performanslarını değerlendirmede kullanılmaktadır. Bu tutumun teorik açıklamaları ve deneysel değerlendirmeleri halen daha çalışılmayı beklemektedir.