O originální patentované řešení diagnostiky lineárních valivých vedení založené na měření vibrací mají zájem významní, nejen tuzemští výrobci. Originální řešení diagnostiky lineárních valivých vedení, které na objednávku společnosti Škoda Auto vyvinula Ing. Radka Jírová pod vedením profesora Lubomíra Pešíka ve své disertační práci Zařízení pro diagnostiku valivých vedení na Katedře částí a mechanismu strojů Fakulty strojní Technické univerzity v Liberci (FS TUL), úspěšně proniká do praxe. Je založeno na měření a separaci vibrací a spočívá ve využití diagnostické části, která sdílí valivé elementy i vodicí profil s nosnou částí tělesa lineárního valivého vedení a která je integrována do jeho konstrukce. Originální řešení je chráněno evropským patentovým spisem. Zájem o něj mají významné firmy, v dubnu přijeli do Liberce zástupci firmy Bosch Rexroth a jednali o možném využití originálního patentu.
Téma z technické praxe
Každý úspěch v řešení technického problému spočívá podle Radky Jírové v detailním odhalení jeho příčiny. Konstatuje, že včasná identifikace poškození jakékoli strojní součásti je vysoce aktuální problematikou technické praxe, neboť umožňuje předcházet závažným ztrátám ve výrobních procesech. Měření vibrací se již pro diagnostiku valivých ložisek běžně v širokém rozsahu používá. K tomu účelu existují zavedené postupy pro měření a zpracování vibračních signálů založené zejména na komparaci frekvenčních spekter. Tyto metody však nelze z podstaty konstrukčního provedení použít pro lineární valivá vedení. To přinášelo řadu problémů, a proto se společnost Škoda Auto obrátila na Technickou univerzitu v Liberci s požadavkem na zdokonalení diagnostiky těchto konstrukčních prvků. Ve svařovně firmy byla již dříve nasazena jiná diagnostika lineárních valivých vedení, která se ale ve svém důsledku prokázala být neúčinná, tudíž se neosvědčila. „Jen náhodnou nedošlo k velké havárii robustního manipulátoru, jehož lineární valivá vedení se při plánované opravě ukázala jako totálně zdevastovaná, aniž byl uživatel předem varován. Společně s odborníky mladoboleslavské automobilky jsme na základě kinematického a silového rozboru konstatovali, že při provozu zařízení s velkými setrvačnými silami od přepravovaných objektů jsou vibrace způsobené poškozením lineárního valivého vedení tlumeny do takové míry, že jsou prakticky neměřitelné,“ říká profesor Pešík. A Radka Jírová doplňuje, že dosud používané diagnostické systémy nejsou schopny včas odhalit poškození zvláště u manipulačních strojů, kde přepravované objekty vykazují velkou hmotnost. „V těchto případech nelze vibrace způsobené poškozením lineárního valivého vedení, ke kterému je přepravovaný objekt velké hmotnosti připojen, objektivně identifikovat. Položili jsme si proto otázku, jakým způsobem je možné docílit zjistitelných hodnot vibrací souvisejících s poškozením i při zachování základní funkce lineárního vedení, a to transportu hmotných objektů,“ popsala problém Radka Jírová, která před dvěma lety svou disertační práci na téma diagnostiky lineárních valivých vedení úspěšně obhájila.
Nepostradatelná, ale dosud nepřesná diagnostika
Lineární valivá vedení se velmi často využívají jako normalizované konstrukční prvky nejen u výrobních strojů a manipulačních zařízení, ale také u robotů užívaných v sériové výrobě. V těchto provozech může mít pozdě odhalená destrukce lineárního valivého vedení vážné následky spočívající v poškození dalších připojených strojních komponent, funkčních celků, hnacích agregátů apod. Výpadek jakékoliv součástky ve výrobní lince, kdy se může celá linka i zastavit, pak znamená obrovské ztráty. Podle vedoucího uvedené disertační práce profesora Lubomíra Pešíka, který se na řešení problému také podílel, je diagnostika nepostradatelnou součástí výroby a firmy do diagnostiky investují značné vlastní prostředky. Současná řešení jsou ale podle něj v tomto směru oproti návrhu doktorky Jírové provozně nekomfortní, těžkopádná a ne zcela spolehlivá. Ve všech používaných a dosud známých metodách totiž chybí exaktní, a přitom efektivní proces identifikace poškození valivého vedení, což dokládají zkušenosti uživatelů lineárních valivých vedení v různých oblastech průmyslové praxe. Na světě existuje mnoho velkovýrobců ložisek, pohyblivých spojů a velkých koncernů, jako je například SKF, světový lídr v oblasti ložisek, nebo firmy Schaeffler, Bosch Rexroth a celá řada japonských firem. „V tomto směru je ve světě velká konkurence, a proto firmy a uživatelé lineárních valivých vedení zvyšují požadavky na diagnostiku. Nemohou čekat, až se něco poškodí, ale chtějí co možná nejspolehlivěji predikovat, co bude potřeba v rámci pravidelné údržby vyměnit. Existuje řada diagnostických metod, které jsou založeny například na deformaci některé součásti lineárního valivého vedení nebo na zvýšení valivého odporu apod. Tyto principy ale nejsou dostatečně spolehlivé, protože například výrazně zvýšený třecí odpor lineárního valivého vedení se projevuje až při významné progresi únavového poškození, které je často blízké jeho totální destrukci,“ vysvětluje profesor Pešík s tím, že zavedení diagnostiky lineárních valivých vedení do systému trvalé kontroly a údržby výrobních linek se stalo nezbytnou potřebou prakticky ve všech vyspělých průmyslových podnicích, zejména v podnicích automobilového průmyslu. Systém založený na separaci vibrací Vibrace lineárního valivého vedení vznikají nejen v důsledku poškození jeho součástí, tedy tělesa valivých elementů nebo vodicího profilu, ale i v důsledku provozních podmínek, přičemž provozní vibrace přenášející se na těleso lineárního valivého vedení do značné míry pohlcují a převyšují vibrace způsobené jeho poškozením. „Jedná se o vibrace různých amplitud, fázových posunutí a frekvencí. Nalezení hledaných vibrací způsobených poškozením lineárního valivého vedení je proto často nemožné,“ přibližuje problém Radka Jírová. Tyto defekty se projevují pittingem [jamková degradace — vylamování materiálu a tvorba důlků s lasturovým lomem — pozn. red.], který se v dynamické soustavě projevuje zejména jako kinematické buzení. S ohledem na konstrukci lineárního valivého vedení však dojde ke kinematickému buzení až při rozsahu poškození, které zpravidla odpovídá jeho velmi pokročilé fázi předcházející úplné destrukci. Při řešení tohoto problému došli liberečtí vědci k závěru, že diagnostikované těleso lineárního valivého vedení musí mít minimální hmotnost a nesmí být připojeno k setrvačným hmotám. Kromě toho nesmí být v bezprostředním spojení s pracovními mechanismy stroje jako zdroji dynamických sil a vibrací. „Doktorka Jírová ve své disertační práci dynamickými výpočty dokázala, že poškození lze v případě absence silového zatížení nebo připojení setrvačné hmoty identifikovat poměrně snadno,“ konstatuje profesor Pešík.
Vytvoření nezatížené diagnostické části
Konstrukční řešení, které uvedené požadavky splňuje, spočívá ve vytvoření diagnostické části v prostoru tělesa lineárního valivého vedení, která sdílí valivé elementy, těleso i vodicí profil s nosnou částí tělesa lineárního valivého vedení a která je integrována do jeho konstrukce. Má minimální hmotnost a vykazuje minimální délku danou obvykle dvěma průměry valivých elementů. Tato diagnostická část je volná a nezatížená vnějšími silovými účinky, a proto se poškození v jejím vibračním signálu projeví velmi intenzivně. Za účelem identifikace vibrací způsobených poškozením vodicího profilu nebo valivých elementů je diagnostická část opatřena vhodným snímačem vibrací. Součástí konstrukčního návrhu za-řízení pro diagnostiku poškození lineárního valivého vedení je rovněž stanovení optimálního uchycení a umístění snímače zrychlení vibrací po vyhodnocení provozního stavu. Zatímco volba způsobu uchycení snímače definuje frekvenční charakter měřeného zrychlení, návrh umístění snímače a směru měření ovlivňuje bezprostředně velikost zjištěných amplitud, a tím i citlivost diagnostického zařízení. „Diagnostika stavu strojních součástí obecně umožňuje včasně naplánovat opravu nebo výměnu komponentu před jejich úplným selháním, obvykle na dobu plánované preventivní údržby ve výrobě,“ popisuje Radka Jírová podstatnou výhodu své inovace.
Princip diagnostického systému
Princip diagnostického systému znázorňuje schéma (vlevo). Při identifikaci poškození vodicího profilu nebo valivých elementů diagnostickou částí je rozhodující vznik kinematického buzení, které na diagnostické části vybudí měřitelné vibrace. Kinematické buzení zde vzniká přejetím diagnostické části po nerovném povrchu poškozeného profilu nebo valivých elementů. Samotná analýza měřených dat je založena na vyhodnocení vibrací diagnostické části v kontextu vzdálenosti dopředného a zpětného lineárního pohybu stroje. Poškození je detekováno v případě, kdy se špičky vibrací vyskytují ve stejné poloze ujeté dráhy. Stručná tabulka pak znázorňuje pravděpodobnost odhalení poškození vodicího profilu nebo valivých elementů při jednom dopředném a zpětném pohybu stroje při laboratorních podmínkách a na prototypu v provozu Škoda Auto, kde jsou měřené vibrace vystaveny ruchům od pracovních mechanismů okolních strojů.
Ověřeno praxí, patent je k dispozici a je o něj zájem
Funkční vzorky diagnostického systému byly již ověřeny ve výrobních zařízeních svařovací linky společnosti Škoda Auto, kde zároveň probíhala spolupráce s výrobci lineárních valivých vedení společností Schaeffler a Bosch Rexroth na výrobě prototypu. Inovativní diagnostické zařízení pro diagnostiku lineárních valivých vedení již po přísných zkouškách spolehlivě funguje v některých provozech mladoboleslavské automobilky, která je vlastníkem evropského patentu a nabízí jej i dalším uživatelům. A jak jsme se dozvěděli v údržbě Škoda Auto, nasazené prototypy, které využívají základních principů mechaniky, pracují velmi spolehlivě. Pracovníci údržby také oceňují, že toto relativně jednoduché řešení není náročné na instalaci. A to je podle nich i důvod, proč už zaznamenávají zájem z řady firem. Začátkem dubna přijeli na libereckou fakultu strojní pracovníci výzkumu a vývoje firmy Bosch Rexroth z německého Schweinfurtu. V rámci podrobných teoretických a laboratorních prezentacích se seznámili s prototypovým řešením diagnostického zařízení a v dalších dnech budou rozhodovat o zařazení diagnostiky lineárního valivého vedení do výzkumných a vývojových projektů firmy. „Náš dojem je velmi kladný, řešení má nepochybný potenciál i v současném, pro průmysl nelehkém období. V příštích dnech zahájíme jednání se svými odběrateli o specifikách diagnostiky lineárních valivých vedení a aplikaci řešení dr. Jírové v našich výrobních podmínkách,“ konstatoval pan Matthias Wolf z firmy Bosch Rexroth AG.
/Jaroslava Kočárková/
