Innovatsioon tööstusseadmete ennetavas hoolduses ehk ultraheli ulatab abikäe

Ultraheli kui seadmete ja masinate seisundi monitoorimise tehnoloogia sisaldab rohkeid kasutusvõimalusi ja on hõlpsasti rakendatav. Selle innovaatilise ja ennetavas hoolduses kasutatava tehnoloogia võimalustest kirjutab insener Alvar Parvelo.

Ultraheli teke ja analüüs

Ultraheli tekkeallikateks on hõõrdumine, turbulents ja löögid. Neid esineb pea igal pool ja see võimaldab läheneda ultraheli mõõtmisele loominguliselt. Võib koguni väita, et tööstusseadmed suhtlevad meiega oma probleemidest ultraheli keeles, tuleb vaid seadme dialektist aru saada.

Ultraheli on inimkõrvale kuuldamatu heli. Õhurõhu lained paikevad üksteise suhtes liiga lähestikku või teisisõnu, nende leviku sagedus on liiga suur, et inimkõrv eristaks kahte erinevat lainet. Inimene kuuleb heli kuni 18–20 kHz ja see sõltub nii vanusest, soost kui paljudest teistest kõrva või sellega seotud mõjuteguritest ja mutatsioonidest.

Ultraheli kuulmiseks kasutatakse pieso-elektriliste kristallide baasil ehitatud mikrofone. Kristallid tunnetavad kõrgsageduslikke õhurõhu laineid ning muundavad need elektriliseks pingeks. Tööstussüsteemide kuulamisel on tähtis mikrofonide sõltumatus keskkonnast – helilaineid on võimalik lugeda ehk kuulda ka tahketes kehades, näiteks laagripukkides.

Tähtis on, et kristallide tekitatud elektriline signaal muudetaks kuuldavaks heliks, mis sarnaneks esialgse ultraheliga maksimaalselt. Iga kuuldud sahin või löök, mis erineb tavalisest, võib indikeerida tekkivat tõrget kuulatavas tööstussüsteemis. Inimesed kuulevad helisid erinevalt. Põhjendatud tööstussüsteemide analüüsiks on seega vaja numbrilisi näidikuid kuuldava heli kohta ja kujutada kuuldav ultraheli graafikuna. Ultraheli numbrilistel alusel saab teha järeldusi binaarselt või siis ka ultraheli trendide kohta. Esimene viitab sellele, kas defekt on olemas või puudub, teine mõõdetava seadme oleku halvenemisele.

Gaasilekete avastamine

Gaasilekkel tekib ultraheli hõõrdumisel gaasimolekulide ja lekkeava vahel ning gaasi turbulentsil, liikudes süsteemi rõhuga keskkonnast atmosfääri rõhuga keskkonda. Lekke ultraheli intensiivsuse mõõtmisel saab määrata võimaliku lekke mahu ehk selle rahalise kulu. Gaasilekete tuvastamine toimub binaarselt. Lekke olemasolu indikeerib tavalisest oluliselt tugevam susisev ultraheli, mis sarnaneb kuuldava heli spektris madalal lendava lennuki reaktiivmootori heliga.

Ultraheli tekib juba mikrolekete esinemisel. Tänu sellele on võimalik avastada mürgiste või tervistkahjustavate gaaside lekkeid enne, kui need muutuvad inimesele ohtlikuks. Tavaliselt kaardistatakse gaasilekkeid suruõhu ja vaakumisüsteemides, et ennetada täiendavat rahalist kulu ehk kompressorite suurenenud energiatarvet. Lekkepunkte, mille ava läbimõõt on 0,5 mm, on igas tootmises. Kusjuures neid võib olla suisa sadu. Kui arvestada kompressori tööpäeva pikkuseks 16 tundi, on ühe sellise lekkepunkti aastane kulu ligikaudu 90 eurot. Suuremate lekete, mida kuuleb kõrvaga, kuid mille täpset asukohta on keeruline määrata, kulu võib ulatuda kuni 800 euroni aastas. Euroopa keskmise järgi kulub 34 protsenti toodetud suruõhust leketesse.

Kõrg- ja keskpinge elektrisüsteemide kontroll

Kõrg- ja keskpinge elektrisüsteemides esineb koroonat ehk elektri iseeneslikku gaaslahendust, kus pinge ioniseerib õhuhapniku osooniks ning tekib ultraheli. Koroona intensiivistumisel võib niiske ilma puhul näha ultraviolettvalgust ning kuulda kõrgepinge liinide läheduses ümisemist või undamist. Lisaks indikeerib koroona esinemist elektrikappides valge pulber, mis tekib kummist isolatsioonimaterjalide kahjustumisel osooni toimel.

Koroona pole ohtlikum kui muud kõrgepingesüsteemidega seotud aspektid, kuid selle olemasolu viitab süsteemi seisundi halvenemisele. Koroona võib areneda pindlahenduseks, mille puhul kahjustuvad isolatsioonimaterjalid ja juhtivad osad veelgi enam. See aga loob eeldused ülelöögiks ehk kogu kõrgepingesüsteemi süttimiseks ja plahvatamiseks. Nende nähtuste arenemisel muutub ka ultraheli intensiivsemaks ja agressiivsemaks. See ultraheli sarnaneb teataval määral kuuldava heliga, mis tekib keevitamisel.

Ultraheli eeliseks koroona avastamisel on selle võimekus teha täpselt kindlaks koroonat tekitav ühendus või elektrisüsteemi osa, erinevalt raadioanalüüsidest ja osooni detektoritest. Pindlahendusi on võimalik avastada kasutades termograafiat, kuid soojusleviku kaootilisuse tõttu pole defektse koha määramine nii täpne. Samadel põhimõtetel saab kontrollida elektriühenduste kvaliteeti.

Mehaanilised süsteemid

Mehaaniliste süsteemide oleku mõõtmine taandub tavaliselt süsteemi kandvate laagrite mõõtmisele. Ultraheli abil on kuulda laagrite hõõrdumist ning mehaanilisi lööke laagrites. Perioodilisel mõõtmisel on näha laagrite hõõrdumise suurenemist, mis viitab kulumisele või määrimisvajadusele. Mõõtmiste põhjal on aga võimalik planeerida hooldustöid vastavalt laagrite kulumisele. Ultraheli üheks tähtsamaks rakenduseks on laagrite või muude süsteemiosade määrimise kontrollimine. Laagri hõõrdumine ja sellest tingitud ultraheli väheneb, kuni on lisatud õige kogus määret. Just ülemäärimine on peamine põhjus, miks 90 protsenti laagritest ei kesta projekteeritud eluea lõpuni, sest ülemäärimisel hakkab ultraheli intensiivsus uuesti tõusma.

Ultraheli löögid laagrites esinevad juba nn katkise laagri või valesti paigaldatud süsteemi osa puhul. Sarnaselt vibratsioonianalüüsidele on võimalik avastada, millises laagri osas on defekt. Kui võrrelda ultrahelianalüüsi vibratsioonianalüüsiga, pole ultraheli abil võimalik leida radiaal- või aksiaalhälvete või muid disbalansi põhjuseid. Seevastu on vibratsiooniga keerukas, kui mitte võimatu, mõõta madalsageduslike pöörlevate süsteemide defekte või avastada mehaaniliste süsteemide kulumisprotsesside algust, mis ultraheli jaoks pole probleem.

Ventiilide, kraanide ja hüdrosilindrite kontroll

Igasuguste vedelike ja gaasisüsteemide sisemiste lekete kontroll on ultraheliga pea ainuvõimalik, kuna aitab vältida demontaaži. Kontroll taandub valdavalt binaarsetele järeldustele, mis sõltub kraani või ventiili asendist. Lekkiva n-ö suletud ventiili puhul esineb ultraheli, mida tekitab süsteemi aine hõõrdumine läbi ventiili lekkepunkti. Sarnaselt on võimalik järeldada ventiili blokeerimist, kui puudub aine liikumisest tekkinud ultraheli. Nii on ka võimalik kontrollida hüdrosilindrite sisemisi lekkeid.

Antud lekete avastamine on hüdrosüsteemides vajalik süsteemi õige talituse kontrollimiseks ning täiturite efektiivsuse säilitamiseks. Teisest küljest võib keemia- ja toiduainetööstuses väheneda lõpptoote kvaliteet, kui mõnda toorainet satub tootmisprotsessi valel ajal või vales koguses.

Aurukondensaadi eemaldite kontroll

Kondensaadi eemaldid on eelduseks aurusüsteemide efektiivseks ning pikaajaliseks tööks. Üldistades töötavad need tsükliliselt – auru ning kondensaadi süsteemist eemaldamiseks avatakse klapp, kui kondensaati on eemaldisse kogunenud piisavalt. Kondensaadi ja auru välja liikumisel tekib hõõrdumine, mille tulemusena on kuulda tunduvalt intensiivsem ultraheli.

Peamised kaks tõrkeliiki kondensaadi eemalditel on nende suletud blokeerimine ja avatud blokeerimine. Suletud asendisse blokeerinud kondensaadi eemaldite puhul väheneb aurusüsteemi soojusülekanne ning tekib oht hüdrolöökideks. Sellisel juhul on tekkivat ultraheli vähe ning eemaldit peaks lisaks kontrollima ka termograafia abil. Avatult blokeerinud ventiili puhul on ultraheli tase püsivalt kõrge. Sel juhul lastakse auru läbi kondensaadi eemaldi süsteemist välja ehk et raisatakse energiat. Antud kulu sõltub süsteemi temperatuurist, rõhust, kondensaadi eemaldi väljalaskeava suurusest ning aurukatla efektiivsusest. Keskmiselt võib kulu ühe avatult blokeerinud kondensaadi eemaldi kohta ulatuda 4200 euroni aastas.

Suletud süsteemide hermeetilisuse kontroll   

Suletud süsteemideks loetakse igasuguseid anumaid ja ruume, mille välispindade eesmärk on eraldada süsteemisisesed osad väliskeskkonnast. Selleks võivad olla maja välispiirded, autokere, konteinerlaevade kaubaruumid, kütusemahutid jne. Ultraheli võimaldab testida süsteemide ilmastikukindlust, õhukindlust ja niiskuskindlust ilma süsteeme vedeliku- või gaasitestideks ümber ehitamata, testimisel kahjustamata ja süsteemi osasid demonteerimata. Süsteemi sisse, näiteks autosalongi, paigutatakse ultraheli transmitter. Kui transmitteri tekitatud ultraheli pääseb salongist välja, on see kuuldav vastavas lekkepunktis. Nii saab väita, et selles kohas on auto uksetihend väsinud või halvasti paigaldatud, maja akna paigalduses on õhuvahe ning mahuti keevisõmblus pole veekindel.

Kokkuvõte

Nagu eespool mainitud, on ultraheli küllaltki universaalne vahend erinevate tõrgete varajaseks kuulmiseks. Lisaks puuduvad ultraheli rakendamisel otsesed piirangud, eelnevalt välja toodud kasutusvaldkonnad on vaid jäämäe tipp. Enamus tõrked muutuvad nende intensiivistumisel lõpuks kuuldavaks ka inimkõrvale. Ultraheli abil on neid aga võimalik kuulda enne, kui seadmetele ja süsteemidele on tekitatud pöördumatuid vigastusi. Loogikat rakendades saab ultraheli kasutusvaldkondasid laiendada vastavalt iga töömehe või tööstuse vajadustele.