Τα έδρανα κύλισης είναι στοιχεία μηχανών τα οποία χρησιμοποιούνται σε βιομηχανικές εφαρμογές και υφίστανται έντονη καταπόνηση. Ωστόσο, με τη βοήθεια των σύγχρονων μέσων και των τεχνολογιών αιχμής μπορούμε να προβλέψουμε έγκαιρα τις βλάβες που μπορούν να επηρεάσουν την ομαλή λειτουργία των ρουλεμάν.
Των κ. Νικολακόπουλου Παντελή και Γιάννη Τσέλιου*
Τα έδρανα κύλισης (ρουλεμάν) είναι μία από τις πιο διαδεδομένες κατηγορίες μηχανολογικών εξαρτημάτων που χρησιμοποιούνται καθημερινά. Πρόκειται για στοιχεία μηχανών που παραλαμβάνουν τα φορτία περιστρεφόμενων αξόνων και μηχανολογικών συστημάτων ελαχιστοποιώντας ταυτόχρονα την τριβή. Τα έδρανα κύλισης αποτελούνται από δύο δακτυλίους ανάμεσα στους οποίους βρίσκονται τα στοιχεία κύλισης. Ανάλογα με το είδος του εδράνουν τα στοιχεία κύλισης μπορούν να είναι σφαιρικά, κυλινδρικά, κωνικά ή βαρελοειδή.
Τα στοιχεία κύλισης εφάπτονται σε ειδικά διαμορφωμένες επιφάνειες των δακτυλίων και η κύλισή τους επιτρέπει τη σχετική περιστροφική κίνηση των δακτυλίων. Διαθέτουν επίσης κλωβό που συγκρατεί τα στοιχεία κύλισης σε ίσες αποστάσεις μεταξύ τους.
Ως στοιχεία μηχανών, τα έδρανα κύλισης εμφανίζουν αυξημένη πολυπλοκότητα στη μελέτη τους, λόγω του πλήθους των διαφορετικών μερών από τα οποία απαρτίζονται, καθώς και των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των μερών αυτών. Συνέπεια αυτών των αλληλεπιδράσεων είναι η σταδιακή συσσώρευση βλάβης στα διάφορα μέρη του εδράνου κύλισης, η οποία εκφράζεται είτε μέσω φθοράς των επιφανειών είτε μέσω ρωγμών στα μέρη του εδράνου.
Η αστοχία των ρουλεμάν μπορεί να προκύψει νωρίτερα από το αναμενόμενο, λόγω ακατάλληλης εγκατάστασης, κατασκευαστικών ατελειών, ακατάλληλης επιλογής εδράνων ή ξαφνικής αύξησης των φορτίων του συστήματος.
Η κατάλληλη εγκατάσταση των ρουλεμάν είναι πολύ σημαντική, διότι όχι μόνο εξασφαλίζει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και μείωση των τριβών αλλά διασφαλίζει και τη σωστή λειτουργία του συστήματος. Για αυτό το λόγο είναι απαραίτητο οι τεχνικοί να ακολουθούν τις προβλεπόμενες οδηγίες των κατασκευαστών και να χρησιμοποιούν εξειδικευμένα συστήματα θέρμανσης των ρουλεμάν (θέρμανση με ηλεκτρομαγνητικό τρόπο) για τη σωστή εγκατάσταση του εδράνου.
Κυρίαρχη τάση σε όλους τους τομείς της βιομηχανίας είναι η συνεχής εξοικονόμηση πόρων και η μείωση των απωλειών ισχύος και των τριβών που αναπτύσσονται μεταξύ των κινούμενων εξαρτημάτων. Καίριο ρόλο σε αυτή τη προσπάθεια έχουν τα έδρανα κύλισης, τα οποία καλούνται να λειτουργήσουν σε ολοένα και πιο ακραίες συνθήκες, με παράλληλη μείωση των διαστάσεών τους.
Από τα παραπάνω καθίσταται σαφές ότι τα ρουλεμάν αποτελούν πολύ σημαντικό στοιχείο για τη σωστή λειτουργία των περιστρεφόμενων συστημάτων (όπως είναι π.χ. ηλεκτροκινητήρες, κιβώτια ταχυτήτων, στρόβιλοι κ.ά.), καθώς και ότι πρέπει να παρακολουθείται η κατάσταση τόσο των περιστρεφόμενων συστημάτων εν γένει αλλά και των ρουλεμάν ξεχωριστά, ώστε να μπορούν να διαγνωστούν και να προβλεφθούν έγκαιρα και με ακρίβεια οι πιθανές βλάβες του συστήματος.
Στο Εργαστήριο Υπολογισμού και Σχεδιάσεως Στοιχείων Μηχανών, του Τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών, πραγματοποιείται έρευνα για συστήματα διάγνωσης – πρόγνωσης βλαβών περιστρεφόμενων συστημάτων με τη χρήση μεθόδων τεχνητής νοημοσύνης.
Επιπρόσθετα, έρευνα πραγματοποιείται και για τη βαθύτερη κατανόηση των μηχανισμών αστοχίας των εδράνων κύλισης, με σκοπό την ακριβέστερη εκτίμηση της διάρκειας ζωής των εδράνων, χάρη στην οποία εκτίμηση θα επιτευχθεί επιμήκυνση του χρόνου ζωής τους, βελτιστοποίηση του προγραμματισμού της συντήρησης και έγκαιρη αντικατάστασή τους. Παράλληλα, χάρη στην έγκαιρη πρόγνωση και την αποφυγή καταστροφικών αστοχιών ενισχύεται και η ασφαλής χρήση τους.
Από πειραματικές μετρήσεις έχουν προκύψει εμπειρικά δεδομένα που αφορούν τη λειτουργία των εδράνων σε εξειδικευμένες συνθήκες (όπως είναι χαμηλή ταχύτητα, απλή στατική ακτινική ή αξονική φόρτιση, επαρκής λίπανση, χαμηλές θερμοκρασίες, σωστή τοποθέτηση εδράνου).
Ωστόσο, για την πλειοψηφία των μηχανολογικών εφαρμογών, οι παραπάνω συνθήκες δεν υφίστανται. Ειδικότερα, κατά τη ταχύστροφη λειτουργία των εδράνων κύλισης, οι φυγόκεντρες δυνάμεις και τα γυροσκοπικά φαινόμενα που αναπτύσσονται στα στοιχεία κύλισης επιβάλλουν επιπλέον φορτίσεις και προάγουν την ολίσθηση μεταξύ των στοιχείων κύλισης και των δακτυλίων του εδράνου.
Ως συνέπεια, παρατηρείται ραγδαία μείωση της διάρκειας ζωής του εδράνου λόγω της αύξησης της τριβής και της φθοράς των εξαρτημάτων του. Επομένως, η εκτίμηση της αντοχής και της απόδοσης των εδράνων κύλισης σε αυτή την περίπτωση απαιτεί βαθύτερη γνώση και πιο σύνθετες αναλύσεις των μηχανολογικών, υδροδυναμικών, μεταλλουργικών, θερμικών, χημικών και άλλων φαινομένων.
Με την τοποθέτηση κατάλληλων αισθητήρων για τη μέτρηση των ταλαντώσεων (όπως είναι επιταχυνσιόμετρα, αισθητήρες μετατόπισης και επιμηκυνσιόμετρα), είναι εφικτό να καταγραφούν οι ταλαντώσεις που προκαλούνται από τις βλάβες του ρουλεμάν (τις ρωγμές και τις φθορές).
Στη σημερινή εποχή, λοιπόν, της 4ης Βιομηχανική Επανάστασης τα έδρανα είναι εξοπλισμένα με αισθητήρες οι οποίοι μπορούν να παρέχουν συνεχή δεδομένα για τις ταλαντώσεις και ως εκ τούτου για την κατάσταση του συστήματος. Και είναι εφικτό, με τη χρήση μεθόδων μηχανικής μάθησης και με την καλύτερη κατανόηση της λειτουργίας και των αστοχιών του ρουλεμάν, να επιτευχθεί ακριβής εκτίμηση και πρόγνωση των βλαβών.
Βασικά στοιχεία της 4ης Βιομηχανικής Επανάστασης είναι τα ψηφιακά δίδυμα. Υπάρχει, λοιπόν, το ψηφιακό δίδυμο της πραγματικής μηχανής, το οποίο αναβαθμίζεται συνεχώς με τη χρήση «έξυπνων αισθητήρων» και μεθοδολογιών τεχνητής νοημοσύνης.
Η μείωση των ενεργειακών απωλειών των εδράνων κύλισης θα έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του αποτυπώματος των ανθρώπινων δραστηριοτήτων στο περιβάλλον. Επίσης, η βαθύτερη κατανόηση της λειτουργίας των περιστρεφόμενων συστημάτων και των εδράνων κύλισης μπορεί να οδηγήσει σε βελτιστοποίηση του σχεδιασμού των συστημάτων αυτών, με σκοπό την ικανοποίηση των απαιτήσεων της Ευρωπαϊκής Πράσινης Συμφωνίας (Green deal) σε σχέση με το περιβάλλον.
*Ο κ. Παντελής Νικολακόπουλος είναι αναπληρωτής καθηγητής του Τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πάτρας. Ο κ. Ιωάννης Τσέλιος είναι υποψήφιος διδάκτορας του Τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πάτρας
