Düz dişlilerdeki aşınma ve kırık diş hatalarının tespit edilmesinde titreşim verileri kullanılarak istatistiksel proses kontrol uygulaması

Dişli çarklar güç ve hareket iletimi için endüstrinin her alanında, değişik ortam ve koşullarda kullanılan makine elemanlarıdır. Makinelerin bu önemli elemanlarının zorlayıcı şartlar altında çalışması sonucu, dişilerde hasarlar meydana gelmekte ve daha büyük olumsuzlukları önleyebilmek için bu hasarların bilinmesi ve oluşum nedenlerinin tespit edilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada amaç, dişli arızalarının sebep olduğu titreşimlerin istatistiksel proses kontrol grafiklerinde analiz edilerek düz dişli hata tespitini gerçekleştirmektir. Bu amaçla bir deney düzeneği kurulmuş, önce sağlam dişlilerin kullanılması ile farklı yükleme ve devir sayıları durumları için rulmanlı yataklar üzerinden radyal yöndeki titreşimler kaydedilerek referans spektrumları elde edilmiştir. Daha sonra sağlam dişliler üzerinde yapılan işlemlerle suni olarak aşınma ve kırık hasarları oluşturulmuştur. Düzenek çeşitli ön yük ve devir sayılarında çalıştırılarak rulman yataklarındaki titreşimler kaydedilmiştir. Bu titreşimlerin frekans spektrumları ve istatistiksel proses kontrol grafikleri çizdirilmiştir. Sağlam ve hasarlı dişli durumları için oluşturulan grafikler karşılaştırıldığında aşınmış dişli, tek dişi kırık pinyon dişli ve tek dişi kırık pinyon ve tekerlek dişli hasarlarının varlığı tespit edilebilmiştir.

Application of statistical process control method to monitor wear and broken tooth faults in spur gears using vibration data

Gears are machine elements used extensively in many areas of industry to transmit power and motion. Damage occurs due to working under compulsive conditions effective gear fault detection is crucial to prevent greater drawbacks and economic losses. The objective of this study is to monitor the existence of different types of gear defects by examining changes in the vibrations of spur gears due to faults using vibrations analysis and statistical process control methods. For this purpose, a closed-loop test rig was constructed. Firstly, good gears were attached to the test assembly and vibrations data which received at radial direction via sensors on the bearings were recorded by operating the system at various loading and number of cycle’s conditions. Thus, a reference spectrum was obtained. Then the system was operated with artificial wear and fracture which were created on the surfaces of spur gears at various loading and number of cycles conditions. Vibrations data which were received from the bearings were recorded. These data were plotted on statistical control carts and frequency spectrum. Graphs of data obtained from good gears and defective gears were compared with each other. Thus it was possible to detect the existence of worn gear, one tooth broken pinion gear and one tooth broken from each pinion and wheel gears.

PDF

___

T. Fakhfakh, F. Chaari and M. Haddar, ‘‘Numerical and experimental analysis of a gear system with teeth defects’’, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 25, no. 5-6, pp. 542-550, 2005.
S. Ai and H. Li, ‘‘Gear fault detection based on ensemble empirical mode decomposition and Hilbert-Huang transform’’, 5th International Conference on Fuzzy Systems and Knowledge Discovery, 2008, pp. 173- 177.
H. Öztürk, İ. Yeşilyurt ve M. Sabuncu, ‘‘Dişli çark oyukçuk arızasının titreşim analizi ile tespiti’’, Makine Teknolojileri Dergisi, Aralık, pp. 72-79, 2005.
N. Baydar and A. Ball, ‘‘A comparative study of acoustic and vibration signals in detection of gear failures using Wigner-Ville distribution’’, Mechanical Systems and Signal Processing, vol. 15, no. 6, pp. 1091-1107, 2001.
C. Park and J.M. Lee, ‘‘Experimental ınvestigation of the effect of lead errors on helical gear and bearing vibration transmission characteristics’’, KSME International Journal, vol. 16, no. 11, pp. 1395-1403, 2002.
S.J. Loutridis, ‘‘Damage detection in gear systems using empirical mode decomposition’’, Engineering Structures, vol. 26, no. 12, pp. 1833-1841, 2004.
W. Wang, ‘‘Early detection of gear tooth cracking using the resonance demodulation technique’’, Mechanical Systems and Signal Processing, vol. 15, no. 5, pp. 887-903, 2001.
A. Parey and N. Tandon, ‘‘Impact velocity modelling and signal processing of spur gear vibration for the estimation of defect size’’, Mechanical Systems and Signal Processing, vol. 21, no. 1, pp. 234–243, 2007.
C.K. Sung, H.M. Tai and C.W. Chen, ‘‘Locating defect of a gear system by the technique of wavelet transform’’, Mechanism and Machine Theory, vol. 35, no. 8, pp. 1169- 1182, 2000.
M. Amabili and A. Fregolent, ‘‘A method to ıdentify modal parameters and gear errors by vibrations of a spur gear pair’’, Journal of Sound and Vibration, vol. 214, no. 2, pp. 339- 357, 1998.
F.A. Andrade, L.L. Esat, and M.M. Badi, “Gear condition monitoring by a new application of the Kolmogorov-Smirnov test”, Journal of Mechanical Engineering Science, vol. 215, no. 6, pp. 653-661, 2001.
B. Birgören, ve B. Koçer, “İstatistiksel proses kontrol çizelgelerinde hata teşhisine yönelik yaklaşımlar”, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, cilt. 17, no. 4, pp. 59-69, 2004.
Y. Zhan, V. Makis and A.K.S. Jardine, “Adaptive state detection of gearbox under varying load conditions based on parametric modelling”, Mechanical Systems and Signal Processing, vol. 20, no. 1, pp. 188-221, 2006.
W.Q.Wang, F. Ismail and M.F. Golnaraghi, “Assessment of gear damage monitoring techniques using vibrations measurements”, Mechanical Systems and Signal Processing, vol. 15, no. 5, pp. 905-922, 2001.
F. Djeddou and R. Zegadi, “Practical statistical methods for predicting life reliability of fine pitch gear pairs”, Journal of Engineering and Applied Sciences, vol. 2, no. 3, pp. 494-500, 2007.
S. Yimin and C.K. Mechefske, “Gearbox vibration monitoring using extended kalman filters and hypothesis tests”, Journal of Sound and Vibration, vol. 325, no. 3, pp. 629–648, 2009.
S. Orhan, ve N. Aktürk "Aktarma organı dişlilerinde oluşan fiziksel hataların titreşim analizi ile belirlenmesi", Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlik Fakültesi Dergisi, cilt. 18, no. 3, pp. 97-106, 2003.
J.I. Taylor, The Vibration Analysis Handbook, Vibration Consultant Inc., Florida, 1994.
M. Örümlü, “Üretim sürecinde istatistiksel proses kontrol ve işletme uygulamaları”, Yüksek Lisans Tezi, Celal Bayar Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2006.
D.C. Montgomery, Introduction to Statistical Quality Control”, John Wiley & Sons, Inc., New York, 2013.