التعريف: ما هو التوافقي؟

في تحليل الاهتزاز، متناسق التردد هو مضاعف صحيح دقيق للتردد الأساسي. في الآلات الدوارة، يكون التردد الأساسي عادةً هو سرعة دوران العمود، ويُشار إليه بالتردد التوافقي الأول أو 1×. التوافقيات اللاحقة هي مضاعفات صحيحة: 2× (ضعف سرعة العمود)، 3× (ثلاثة أضعاف)، وهكذا. تُسمى هذه الترددات أيضًا الرُّتَب سرعة التشغيل، أو التوافقيات المتزامنة لأنها متزامنة بدقة مع دوران العمود.

على سبيل المثال، إذا كان المحرك يعمل بسرعة 1800 دورة في الدقيقة (30 هرتز)، فإن توافقياته تظهر عند 60 هرتز (×2)، و90 هرتز (×3)، و120 هرتز (×4)، و150 هرتز (×5)، وهكذا. نظريًا، سلسلة التوافقيات لا نهائية، ولكن عمليًا، تتناقص السعة عند الرتب الأعلى، ولا تحمل سوى التوافقيات الأولى معلومات تشخيصية.

تعريف التردد التوافقي
فن = ن × و1 = n × (RPM / 60)
حيث n = 1، 2، 3، 4… (الرتبة التوافقية) و f₁ = تردد دوران العمود بالهرتز

التوافقيات مقابل التوافقيات الفرعية مقابل القمم غير المتزامنة

التوافقيات هي مضاعفات صحيحة لسرعة العمود (2×، 3×، 4×…). التوافقيات الفرعية هي مضاعفات كسرية (½×، ⅓×، ¼×) وتشير دائمًا إلى مشاكل ميكانيكية خطيرة. قمم غير متزامنة هي ترددات لا علاقة لها بسرعة العمود - مثل ترددات أعطال المحامل, ترددات تعشيق التروس، تردد الخط (50/60 هرتز)، أو الترددات الطبيعية — وتتطلب أساليب تشخيصية مختلفة. إن الذروة عند 3.57 × سرعة الدوران ليست توافقية؛ بل من المرجح أنها تردد عطل في المحمل.

لماذا يتم توليد التوافقيات؟

في نظام خطي تمامًا مُثار بقوة جيبية خالصة (مثل دوار متوازن تمامًا ومُحاذى تمامًا في محامل مثالية)، يظهر التردد الأساسي 1× فقط. لكن الآلات الحقيقية لا تكون خطية تمامًا أبدًا. تظهر التوافقيات كلما انحرف شكل موجة الاهتزاز عن الموجة الجيبية الخالصة - أي كلما كانت استجابة النظام غير خطي أو أن دالة الإجبار نفسها غير جيبية.

الرياضيات: نظرية فورييه

نظرية فورييه تنص هذه النظرية على أن أي شكل موجي دوري، مهما بلغت درجة تعقيده، يمكن تحليله إلى مجموع موجات جيبية عند التردد الأساسي ومضاعفاته الصحيحة، لكل منها سعة وطور محددين. وتقوم خوارزمية تحويل فورييه السريع (FFT)، المستخدمة في أجهزة تحليل الاهتزازات، بإجراء هذا التحليل حسابيًا، كاشفةً عن المحتوى التوافقي للإشارة.

تتكون الموجة الجيبية النقية من مُركّب تردد واحد فقط. أما الموجة المربعة فتحتوي على جميع التوافقيات الفردية (1×، 3×، 5×، 7×، ...) بسعات تتناقص بنسبة 1/n. بينما تحتوي الموجة المنشارية على جميع التوافقيات بسعات تتناقص بنسبة 1/n. ويُحدد الشكل المحدد للتشويه التوافقيات الظاهرة، وهذا ما يجعل التحليل التوافقي أداة تشخيصية بالغة الأهمية.

الآليات الفيزيائية التي تولد التوافقيات

  • قص/اقتطاع شكل الموجة: عندما تكون حركة العمود مقيدة مادياً (بسبب غلاف المحمل أو الاحتكاك)، فإن شكل الموجة الناتج يكون مشوهاً، مما يؤدي إلى توليد توافقيات. ويؤدي التشوه الشديد إلى إنتاج المزيد من التوافقيات.
  • الصلابة غير المتناظرة: إذا اختلفت صلابة النظام بين النصفين الموجب والسالب لدورة الاهتزاز (فتح/إغلاق العمود المتشقق، وعدم المحاذاة الذي يخلق صلابة شد/ضغط مختلفة)، فسيتم توليد التوافقيات الزوجية (2×، 4×، 6×).
  • أحداث مؤثرة: تؤدي الصدمات الدورية (البراغي المفكوكة، وصدمات عيوب المحامل) إلى إنشاء أشكال موجية حادة وقصيرة المدة غنية للغاية بالمحتوى التوافقي — مثلما تُنتج عصا الطبل العديد من النغمات الفوقية.
  • قوى الاسترداد غير الخطية: عندما تتغير الصلابة مع الإزاحة (المحامل تحت حمل متغير، حوامل مطاطية ذات معدل تدريجي)، فإن الاستجابة لقوة جيبية تحتوي على توافقيات.
  • الإثارة البارامترية: عندما تتغير خصائص النظام بشكل دوري بتردد مرتبط بسرعة العمود، فإنها يمكن أن تولد توافقيات وتوافقيات فرعية لتردد الإثارة.
المبدأ التشخيصي الرئيسي

يُحدد نمط التوافقيات الموجودة، وسعاتها النسبية، والتوافقيات الغائبة، الآلية الفيزيائية التي تُولد اللاخطية. ويقوم المحللون ذوو الخبرة بفحص البنية التوافقية الكاملة للطيف - وليس فقط مستوى الاهتزاز الكلي - لتحديد آليات العطل المحددة.

بصمات الأعطال التفصيلية - الأنماط التوافقية

1× مهيمن — عدم التوازن

تُعدّ الذروة المهيمنة عند 1× مع الحد الأدنى من التوافقيات الأعلى السمة الكلاسيكية لـ اختلال التوازن الكتلي. إن قوة عدم التوازن هي بطبيعتها جيبية (تدور مع العمود بتردد 1×)، مما ينتج عنه ذروة واحدة نظيفة في مجال التردد.

تفاصيل التشخيص

  • السعة: يتناسب مع مربع السرعة (ضعف السرعة ← 4 أضعاف السعة) ويتناسب مع كتلة عدم التوازن
  • مرحلة: ثابت، قابل للتكرار، ذو قيمة واحدة. يتغير بشكل متوقع مع إضافة الوزن التجريبي - هذا هو أساس كل إجراءات الموازنة
  • اتجاه: يكون التأثير شعاعيًا في المقام الأول؛ أما التأثير المحوري فيكون منخفضًا ما لم يكن للدوار بروز كبير.
  • تأكيد: تؤكد الاستجابة لأوزان التجربة عدم التوازن. إذا لم يستجب المقياس 1× لأوزان التجربة، فضع في اعتبارك احتمال وجود انحناء في العمود، أو عدم مركزية، أو رنين.
ليس كل اهتزاز بمقدار 1× سببه عدم الاتزان

تتسبب عدة ظروف في ارتفاع قيمة 1× التي لا يمكن تصحيحها عن طريق الموازنة: انحناء العمود، وعدم مركزية العمود، والانحراف الكهربائي في مجسات التقارب، وانحناء الدوار الناتج عن التأثيرات الحرارية، وعدم مركزية الوصلة، و الرنين التضخيم. تحقق دائمًا من التشخيص قبل محاولة الموازنة.

2× مسيطر — عدم المحاذاة

يُعد التوافقي الثاني القوي، والذي غالبًا ما يكون مماثلًا في سعته أو يتجاوز ذروة 1×، المؤشر الرئيسي لـ عدم محاذاة العمود. يؤدي عدم المحاذاة إلى إجبار العمود على المرور عبر مسار غير جيبي خلال كل دورة، مما يخلق التشوه الذي يولد توافقيات 2× وأحيانًا أعلى.

عدم المحاذاة الزاوية مقابل عدم المحاذاة المتوازية

  • عدم محاذاة الزاوية: تتقاطع محاور العمود بزاوية عند الوصلة، مما ينتج عنه اهتزاز محوري عالي (1×). ويُظهر الطور عبر الوصلة إزاحة مقدارها 180 درجة تقريبًا في الاتجاه المحوري.
  • عدم المحاذاة المتوازية (الإزاحة): محاور العمود متوازية ولكنها مُزاحة. ينتج عن ذلك اهتزاز شعاعي مرتفع بتردد 2×، وغالبًا ما تكون قيمة 2× أكبر من أو تساوي 1×. في الحالات الشديدة، يظهر اهتزاز بتردد 3× و4×. يُظهر الطور الشعاعي عبر الوصلة إزاحة بمقدار 180 درجة تقريبًا.
  • مجموع: في الواقع العملي، يتعايش كلاهما عادةً، مما ينتج عنه مزيج من التوقيعات.

نسبة 2×/1× كمؤشر تشخيصي

نسبة 2×/1× الحالة المحتملة إجراء
< 0.25 عادي؛ يوجد بمستوى منخفض في معظم الأجهزة (2×) لا يتطلب أي إجراء
0.25 - 0.50 قد يحدث انحراف طفيف في المحاذاة؛ وهو أمر طبيعي لبعض أنواع الوصلات. تحقق من المحاذاة؛ قارنها بالخط الأساسي
0.50 - 1.00 من المحتمل حدوث اختلال كبير في المحاذاة قم بإجراء محاذاة دقيقة بالليزر
> 1.00 اختلال شديد في المحاذاة؛ 2× تتجاوز 1× عاجل - إعادة المحاذاة؛ فحص المقرنة وإجهاد الأنابيب

التوافقيات المتعددة - ارتخاء ميكانيكي

سلسلة غنية من سرعة التشغيل التوافقيات (1×، 2×، 3×، 4×، 5×… إلى 10× أو أكثر) تشير إلى الارتخاء الميكانيكي. تؤدي الصدمات والطقطقة ودورات التلامس/الانفصال غير الخطية إلى توليد تشوه شديد في شكل الموجة يتحلل إلى العديد من المكونات التوافقية.

ثلاثة أنواع من الارتخاء

  • النوع أ - الهيكلي: وصلة غير محكمة بين الآلة والقاعدة (القدم اللينة، قاعدة متشققة، براغي تثبيت مفكوكة). ينتج عنها اهتزاز اتجاهي 1× (أعلى في اتجاه الارتخاء). الاختبار الرئيسي: شدّ/فك البراغي بشكل فردي مع مراقبة سعة 1×.
  • النوع ب - المكون: رقاقة محمل مفكوكة في الغطاء، غطاء مفكوك على الصندوق، خلوص محمل مفرط. ينتج عائلة من التوافقيات، غالباً مع توافقيات فرعية (½×). التوافقيات الفرعية هي المميز الرئيسي عن عدم المحاذاة (الارتخاء وليس عدم المحاذاة ينتج عنه توافقيات فرعية).
  • النوع ج - مقعد المحمل: مروحة غير مثبتة بإحكام على العمود، وصلة توصيل غير محكمة، خلوص زائد في المحامل يسمح للدوار بالارتداد. ينتج عن ذلك العديد من التوافقيات مع ارتفاع مستوى الضوضاء واسع النطاق.
التوافقيات الفرعية: بصمة الارتخاء

يُعدّ وجود التوافقيات الفرعية (½×، ⅓×) المؤشر الأكثر موثوقية للتمييز بين الارتخاء وعدم المحاذاة. يُولّد عدم المحاذاة توافقيات فرعية من النوعين 2× و3×، ولكنه نادرًا ما يُنتج توافقيات فرعية. أما الارتخاء (النوعان B وC) فيُولّد عادةً توافقيات فرعية من النوع ½×، لأن الدوّار يلامس أحد جانبي المحمل في نصف دورة، ثم يرتد إلى الجانب الآخر في النصف التالي، مما يُنشئ نمطًا يتكرر كل دورتين، ومن هنا جاءت تسمية ½×.

ظروف أخرى لتوليد التوافقيات

عمود منحني

تنتج اهتزازات بمعدل 1× و2× مع مكون محوري عالٍ. وعلى عكس حالات عدم المحاذاة، فإن عمود مثني يُظهر انحرافًا بمقدار 1× لا يمكن تصحيحه عن طريق الموازنة (انحراف هندسي، وليس توزيع الكتلة) وفرق طور محوري يبلغ حوالي 180 درجة بين طرفي العمود. أما الانحراف بمقدار 2× فينتج عن الصلابة غير المتماثلة مع فتح الانحناء وإغلاقه أثناء الدوران.

الآلات الترددية

تُنتج المحركات والضواغط والآلات الترددية بطبيعتها أطيافًا توافقية غنية لأن حركة المكبس/عمود المرفق غير جيبية في الأساس. ويعتمد النمط التوافقي على عدد الأسطوانات وترتيب الإشعال ونوع الشوط (ثنائي الأشواط مقابل رباعي الأشواط).

فرك الدوار

ينتج الاحتكاك الجزئي (التلامس لجزء من كل دورة) العديد من التوافقيات عالية الرتبة - أحيانًا تصل إلى 10 أضعاف أو 20 ضعفًا أو أكثر. أما الاحتكاك الحلقي الكامل (التلامس المستمر بزاوية 360 درجة) فيولد توافقيات فرعية سائدة (نصف ضعف، ثلث ضعف، ربع ضعف) من خلال آليات الدوران العكسي للمحور.

مشاكل كهربائية في المحركات

تُولّد محركات التيار المتردد اهتزازات بمضاعفات تردد التيار الكهربائي (50 أو 60 هرتز) بغض النظر عن سرعة عمود الدوران. الأكثر شيوعًا هو ضعف تردد التيار الكهربائي (100 هرتز في أنظمة 50 هرتز، و120 هرتز في أنظمة 60 هرتز). هذا ليس توافقًا لسرعة عمود الدوران، بل هو توافق لتردد التيار الكهربائي، وهو المفتاح للتمييز بين الاهتزاز الكهربائي والميكانيكي. اختبار انقطاع التيار الكهربائي هذا أمر حاسم: الاهتزاز الكهربائي ينخفض فورًا عند إزالة الطاقة، بينما يستمر الاهتزاز الميكانيكي أثناء التباطؤ.

تؤدي عيوب قضبان الدوار إلى ظهور نطاقات جانبية حول التردد 1×، متباعدة بمقدار تردد المرور القطبي (تردد الانزلاق × عدد الأقطاب). وتقع هذه النطاقات الجانبية قريبة جدًا من 1× (في نطاق 1–5 هرتز)، مما يتطلب دقة عالية التكبير/التكبير/التصغير التحليل اللازم للحل.

الترددات غير المتزامنة - ليست توافقيات حقيقية

يتم الخلط أحيانًا بين العديد من الترددات المهمة والتوافقيات، ولكنها في الواقع مستقلة عن سرعة العمود:

نوع التردد صيغة العلاقة مع سرعة الدوران ملاحظات
ترددات أعطال المحامل BPFO، BPFI، BSF، FTF المضاعفات غير الصحيحة (مثل 3.57×، 5.43×) غير متزامنة دائمًا؛ تعتمد على هندسة المحمل
تردد شبكة التروس GMF = عدد الأسنان × عدد الدورات في الدقيقة عدد صحيح ولكنه ذو رتبة عالية جدًا من الناحية الفنية، هو توافقي، ولكن يتم تحليله بشكل منفصل
تمريرة الشفرة/الريشة BPF = عدد الشفرات × عدد الدورات في الدقيقة مضاعفات الأعداد الصحيحة طبيعي؛ تشير السعة المفرطة إلى وجود مشكلة
تردد الخط FL = 50 أو 60 هرتز لا علاقة له بـ RPM كهرباء؛ تختفي عند انقطاع التيار الكهربائي
الترددات الطبيعية فن = √(ك/م)/2 π ثابت؛ لا علاقة له بعدد الدورات في الدقيقة تردد ثابت بغض النظر عن تغيرات السرعة
ترددات الحزام فحزام = عدد الدورات في الدقيقة × π × القطر / الطول دون التزامن (< سرعة المحور) تردد الحزام وتوافقياته 2×، 3×، 4× BF

دليل التحليل - كيفية تفسير الأنماط التوافقية

الخطوة 1: تحديد الأساسي (1×)

حدد القمة ذات القيمة 1× التي تتوافق مع سرعة دوران العمود. تحقق من ذلك باستخدام عداد سرعة الدوران أو لوحة بيانات المحرك. في الآلات ذات السرعة المتغيرة، يجب تحديد القيمة 1× بدقة لكل قياس.

الخطوة الثانية: فهرسة جميع القمم

لكل قمة مهمة، حدد ما إذا كانت مضاعفًا صحيحًا للعدد 1 (توافقي حقيقي) أم مضاعفًا كسريًا (توافقي فرعي) أم غير مرتبطة بسرعة العمود (غير متزامنة)؟ استخدم ميزات مؤشر التوافقيات في المحلل لتحقيق الكفاءة.

الخطوة 3: فحص نمط السعة

  • أي نغمة توافقية هي السائدة؟ → يشير إلى عطل محدد
  • كم عدد التوافقيات الموجودة؟ ← كلما زاد العدد، زاد التشوه بشكل ملحوظ
  • هل يتجاوز 2× 1×؟ → احتمال وجود خلل في المحاذاة
  • هل توجد ترددات فرعية؟ → ارتخاء، احتكاك، أو دوامة زيتية
  • هل تتناقص السعة مع الرتبة (تناقص 1/n)؟ → هذا أمر شائع في حالات التراخي

الخطوة الرابعة: التحقق من الاتجاه

  • شعاعي مرتفع، محوري منخفض: اللاتوازن أو الارتخاء
  • محوري مرتفع: عدم محاذاة (خاصة الزاوية) أو انحناء العمود
  • الاتجاه الشعاعي: التراخي الهيكلي (أعلى في اتجاه التراخي)

الخطوة 5: الاتجاه بمرور الوقت

  • هل تتزايد سعة التوافقيات؟ → العطل يتفاقم
  • هل تظهر توافقيات جديدة؟ → آلية عطل جديدة قيد التطوير
  • هل يرتفع مستوى الضوضاء؟ → تآكل عام أو عطل في مرحلة متأخرة

الخطوة 6: الربط ببيانات المرحلة

  • عدم الاتزان: المرحلة 1× مستقرة وقابلة للتكرار
  • عدم المحاذاة: تُظهر المرحلة 1× أو 2× فرقاً في الطور يبلغ حوالي 180° عبر الوصلة.
  • الارتخاء: الطور غير مستقر، وقد يتغير عشوائياً بين القياسات

في الواقع، يمكن تنفيذ الخطوات الست جميعها في الموقع باستخدام جهاز محمول ثنائي القنوات مثل Balanset-1A: قم بتركيب أجهزة قياس التسارع، وقم بتسجيل الطيف والطور عند 1× أثناء تشغيل الآلة، ثم قارن نمط التوافقيات مباشرةً بالجدول التشخيصي أعلاه — ثم قم بتصحيح أي اللاتوازن المتبقي دون الحاجة إلى إزالة الدوار.

دراسات حالة - تحليل التوافقيات في العالم الحقيقي

الحالة 1: المحرك والمضخة - هل هو عدم توازن أم عدم محاذاة؟

آلة: محرك بقوة 30 كيلوواط يُشغّل مضخة طرد مركزي بسرعة 2960 دورة في الدقيقة عبر وصلة مرنة. الاهتزاز الكلي: 6.2 مم/ثانية عند محمل طرف الإدارة للمحرك.

نطاق: 1× = 4.1 مم/ث، 2× = 3.8 مم/ث، 3× = 1.2 مم/ث. نسبة 2×/1× = 0.93.

اتجاه: اهتزاز شعاعي عالي 2× عند كلا محملي طرفي القيادة. اهتزاز محوري 1× عند الوصلة: المحرك = 2.8 مم/ث، المضخة = 3.1 مم/ث مع فرق طور 165 درجة.

تشخبص: عدم محاذاة زاوي ومتوازي مُجتمع. نسبة 2×/1× التي تقترب من 1.0، والقراءات المحورية العالية، وفرق الطور الذي يبلغ حوالي 180 درجة عبر الاقتران، كلها تؤكد ذلك. ليس عدم توازن - على الرغم من ارتفاع قيمة 1×، إلا أن نمط 2× هو العامل الحاسم.

إجراء: تم إجراء محاذاة الليزر. بعد المحاذاة: 1× = 0.8 مم/ث، 2× = 0.3 مم/ث. انخفض الإجمالي إلى 1.1 مم/ث - أي بانخفاض قدره 82%.

الحالة 2: المروحة — لماذا لا يعمل التوازن؟

آلة: مروحة طرد مركزي بسرعة 1480 دورة في الدقيقة. الاهتزاز: 8.5 مم/ث. محاولة الموازنة السابقة خفّضت مركّبة 1× (مرة الدورة) إلا أن الاهتزاز الإجمالي ظل مرتفعًا.

نطاق: 1× = 2.1 مم/ث (منخفض بعد الموازنة)، ½× = 1.8 مم/ث، 2× = 3.2 مم/ث، 3× = 2.5 مم/ث، 4× = 1.8 مم/ث، 5× = 1.1 مم/ث، 6× = 0.7 مم/ث.

تشخبص: ارتخاء ميكانيكي (النوع ب). تُعدّ مجموعة التوافقيات ذات التوافقيات الفرعية ½× السمة المميزة. وقد صحّح التوازن التوافقيات الفرعية 1×، لكنه لم يتمكن من معالجة التوافقيات الناتجة عن الارتخاء والتي تُهيمن على الاهتزاز الكلي.

إجراء: أظهر الفحص وجود ارتخاء في علبة المحمل بمقدار 0.08 مم في تجويف قاعدة التركيب. أُعيد تجويف القاعدة ورُكّب محمل جديد. بعد الإصلاح: انخفضت جميع التوافقيات إلى المستوى الأساسي. الإجمالي: 1.4 مم/ث.

الحالة الثالثة: محرك الضاغط - كهربائي أم ميكانيكي؟

آلة: محرك حثي رباعي الأقطاب بتردد 50 هرتز وسرعة 1485 دورة في الدقيقة يقوم بتشغيل ضاغط لولبي. ازداد الاهتزاز من 2.0 إلى 5.5 ملم/ثانية خلال 3 أشهر.

نطاق: ذروة مهيمنة عند 100 هرتز (= 2FL). كذلك: 1× عند 24.75 هرتز = 1.2 مم/ث، نطاقات جانبية حول 1× بتباعد ±1.0 هرتز.

اختبار رئيسي: انقطاع التيار الكهربائي - انخفضت ذروة التردد 100 هرتز إلى الصفر خلال دورة واحدة. واستمرت النطاقات الجانبية 1× أثناء التباطؤ.

تشخبص: مشكلتان: (1) كهربائية - انحراف الجزء الثابت يسبب 2FL. (2) ميكانيكية - وجود نطاقات جانبية واحدة عند ±1.0 هرتز (= تردد مرور القطب لمحرك رباعي الأقطاب بانزلاق 1.0%) يشير إلى عيب محتمل في قضيب الدوار.

إجراء: تم إرسال المحرك لإعادة لفه. تم التأكد من وجود كسرين في قضيبَي الدوّار بالإضافة إلى انحراف في الجزء الثابت نتيجة انحناء القاعدة. بعد إعادة اللف والتعديل: بلغت سرعة الاهتزاز 1.6 مم/ث.

معدات فيبروميرا لتحليل التوافقيات

ال Balanset-1A و Balanset-4 توفير الوقت الفعلي تحليل طيف تحويل فورييه السريع مع تتبع المؤشر التوافقي، مما يتيح التعرف الميداني على أنماط 1× و2× و3× وتشخيص الأعطال. تجمع الأجهزة بين تحليل الاهتزازات للتشخيص والدقة موازنة للتصحيح - تحديد المشكلة وإصلاحها باستخدام أداة واحدة.

← العودة إلى فهرس المصطلحات