Определение: Какво е хармоник?

При вибрационния анализ, хармоничен е честота, която е точно цяло число, кратно на основна честота. При въртящите се машини основната честота обикновено е скоростта на въртене на вала, наричана 1-ва хармонична или 1×. Следващите хармоници са целочислени кратни: 2× (двойната скорост на вала), 3× (три пъти) и т.н. Тези честоти се наричат още поръчки работна скорост или синхронни хармоници защото са прецизно синхронизирани с въртенето на вала.

Например, ако един двигател работи на 1800 об/мин (30 Hz), неговите хармоници се появяват при 60 Hz (2×), 90 Hz (3×), 120 Hz (4×), 150 Hz (5×) и т.н. Редицата от хармоници е теоретично безкрайна, но на практика амплитудата намалява при по-високи порядъци и само първите няколко хармоници носят диагностична информация.

Определение на хармонична честота
fn = n × f1 = n × (RPM / 60)
където n = 1, 2, 3, 4… (хармоничен ред) и f₁ = честота на въртене на вала в Hz

Хармоници срещу подхармоници срещу несинхронни пикове

Хармоници са целочислени кратни на скоростта на вала (2×, 3×, 4×…). Субхармоници са дробни кратни (½×, ⅓×, ¼×) и винаги показват сериозни механични проблеми. Несинхронни пикове са честоти, несвързани със скоростта на вала — като например честоти на дефектите в лагерите, честоти на зацепване на зъбните колела, мрежова честота (50/60 Hz) или собствени честоти — и изискват различни диагностични подходи. Пик при 3.57× RPM НЕ е хармоник; вероятно е честота на повреда на лагера.

Защо се генерират хармоници?

В идеално линейна система, възбудена от чиста синусоидална сила (като например идеално балансиран, идеално подравнен ротор в идеални лагери), би се появила само основната хармоника 1×. Реалните машини никога не са идеално линейни. Хармониците се появяват винаги, когато формата на вибрационната вълна е изкривена от чиста синусоидална вълна - винаги когато системният отговор е... нелинеен или самата форсираща функция е несинусоидална.

Математиката: Теорема на Фурие

Теорема на Фурие гласи, че всяка периодична форма на вълната – без значение колко сложна е – може да бъде разложена на сума от синусоиди на основната честота и нейните целочислени кратни, всяка със специфична амплитуда и фаза. Алгоритъмът FFT (бързо преобразуване на Фурие), използван от вибрационните анализатори, извършва това разлагане изчислително, разкривайки хармоничното съдържание на сигнала.

Чистата синусоида има само един честотен компонент. Квадратната вълна съдържа всички нечетни хармоници (1×, 3×, 5×, 7×…) с амплитуди, намаляващи с 1/n. Пилообразната вълна съдържа всички хармоници с амплитуди, намаляващи с 1/n. Специфичната форма на изкривяването определя кои хармоници ще се появят – това е, което прави хармоничния анализ толкова диагностично мощен.

Физически механизми, които генерират хармоници

  • Отрязване/скъсяване на вълновата форма: Когато движението на вала е физически ограничено (корпус на лагера, триещ се контакт), получената форма на вълната се „орязва“, генерирайки хармоници. По-силното „орязване“ води до повече хармоници.
  • Асиметрична твърдост: Ако твърдостта на системата се различава между положителната и отрицателната половина на вибрационния цикъл (отваряне/затваряне на напукан вал, несъосност, създаваща различна твърдост на опън/натиск), се генерират четни хармоници (2×, 4×, 6×).
  • Ударни събития: Периодичните удари (разхлабени болтове, удари от дефектни лагери) създават остри, краткотрайни вълнови форми, които са изключително богати на хармонично съдържание - подобно на начина, по който барабанната пръчка произвежда много обертонове.
  • Нелинейни възстановяващи сили: Когато твърдостта се променя с изместване (лагери под различно натоварване, гумени амортисьори с прогресивна скованост), реакцията на синусоидална сила съдържа хармоници.
  • Параметрично възбуждане: Когато свойствата на системата се променят периодично с честота, свързана със скоростта на вала, те могат да генерират хармоници и субхармоници на честотата на възбуждане.
Ключовият диагностичен принцип

Моделът на това кои хармоници присъстват, техните относителни амплитуди и кои липсват, показва на анализатора какъв физически механизъм генерира нелинейността. Опитните анализатори изследват цялата хармонична структура на спектъра - не само общото ниво на вибрации - за да идентифицират специфични механизми на повреда.

Подробни сигнатури на повреди — хармонични модели

1× Доминиращ — Дисбаланс

Доминиращ пик при 1× с минимални висши хармоници е класическата характеристика на масов дисбаланс. Силата на дисбаланса по своята същност е синусоидална (тя се върти с вала с честота 1×), което създава чист единичен пик в честотната област.

Диагностични подробности

  • Амплитуда: Пропорционално на скорост² (двойна скорост → 4× амплитуда) и пропорционално на масата на дисбаланса
  • Фаза: Стабилен, повтаряем, еднозначен. Променя се предвидимо с добавянето на пробно тегло — това е основата на всичко процедури за балансиране
  • Посока: Предимно радиално; аксиалното 1× е ниско, освен ако роторът няма значителен надвес
  • Потвърждение: Реакцията на пробните тежести потвърждава дисбаланс. Ако 1× не реагира на пробните тежести, помислете за огънат вал, ексцентричност или резонанс.
Не всички вибрации от 1× са дисбаланс

Няколко условия водят до висок 1×, който НЕ може да се коригира чрез балансиране: огънат вал, ексцентрицитет на вала, електрическо биене на сондите за близост, извивка на ротора от термични ефекти, ексцентрицитет на съединителя и резонанс усилване. Винаги проверявайте диагнозата, преди да се опитате да балансирате.

2× Доминиращо — Несъосност

Силна втора хармоника, често сравнима по амплитуда с или надвишаваща 1× пика, е основният индикатор за несъосност на вала. Несъосността принуждава вала да преминава през несинусоидална траектория по време на всяко завъртане, създавайки изкривяване, което генерира 2× и понякога по-високи хармоници.

Ъглово срещу паралелно несъосие

  • Ъглово несъосие: Централните линии на вала се пресичат под ъгъл при съединителя. Това генерира силна 1× аксиална вибрация. Фазата в съединителя показва ~180° изместване в аксиална посока.
  • Паралелно (офсетно) несъосност: Централните линии на валовете са успоредни, но изместени. Това генерира високи 2× радиални вибрации, често с 2× ≥ 1×. В тежки случаи се генерират 3× и 4×. Радиалната фаза в съединителя показва изместване от ~180°.
  • Комбинирано: На практика и двете обикновено съществуват едновременно, давайки смесица от признаци.

Съотношението 2×/1× като диагностичен индикатор

Съотношение 2×/1× Вероятно състояние Действие
< 0,25 Нормално; 2× присъства на ниско ниво в повечето машини Не се изисква действие
0,25 – 0,50 Възможно е леко несъосност; нормално за някои видове съединители Проверете подравняването; сравнете с базовата линия
0,50 – 1,00 Вероятна е значителна несъосност Извършете прецизно лазерно подравняване
> 1,00 Сериозно несъосие; 2× надвишава 1× Спешно — извършете центровка; проверете съединителя и опъването на тръбата

Множество хармоници — механична хлабавост

Богата поредица от работна скорост harmonics (1×, 2×, 3×, 4×, 5×… to 10× or more) indicate механична хлабина. Ударите, тракането и нелинейните цикли на контакт/разделяне генерират екстремни изкривявания на формата на вълната, които се разлагат на множество хармонични компоненти.

Три вида разхлабеност

  • Тип А — Структурен: Разхлабена връзка между машината и фундамента (мека опора, напукана основа, разхлабени анкерни болтове). Създава насочен 1× (по-висок в хлабавата посока). Ключов тест: затягане/разхлабване на отделни болтове, като същевременно се наблюдава амплитудата 1×.
  • Тип Б — Компонент: Хлабав съединител на лагерния вкладиш в капака, хлабав капак на корпуса, чрезмерен люфт на лагера. Произвежда семейство хармоници, често със субхармоници (½×). Субхармониците са ключовия разграничител от неправилното подравняване (хлабавост, не неправилно подравняване, произвежда субхармоници).
  • Тип C — Лагерно гнездо: Разхлабено работно колело на вала, разхлабена главина за съединяване, прекомерна хлабина в лагера, позволяваща на ротора да подскача. Генерира много хармоници с повишен широколентов шумов праг.
Субхармоници: Отпечатъкът на разхлабеността

Наличието на субхармоници (½×, ⅓×) е най-надеждният диференциатор между хлабина и несъосност. Несъосността генерира 2× и 3×, но рядко води до субхармоници. Хлабината (тип B и C) характерно генерира ½×, защото роторът контактува с едната страна на лагера при един полуоборот и отскача към другата при следващия – създавайки модел, който се повтаря на всеки два оборота, следователно ½×.

Други условия, генериращи хармоници

Извит вал

Генерира както 1×, така и 2× вибрации с висока аксиална компонента. За разлика от несъосността, а огънат вал показва 1×, което не може да бъде коригирано чрез балансиране (геометрична ексцентричност, а не разпределение на масата), и ~180° аксиална фазова разлика между двата края на вала. Компонентът 2× се дължи на асиметричната твърдост, тъй като извивката се отваря и затваря по време на въртенето.

Бутални машини

Двигателите, компресорите и буталните машини по своята същност генерират богат хармоничен спектър, тъй като движението на буталото/коляновия вал е фундаментално несинусоидално. Хармоничният модел зависи от броя на цилиндрите, реда на запалване и вида на хода (2-тактов срещу 4-тактов).

Роторно триене

Частичното триене (контакт за част от всяко завъртане) произвежда много хармоници от висок порядък — понякога до 10×, 20× или повече. Пълното пръстеновидно триене (непрекъснат 360° контакт) генерира доминиращи подхармоници (½×, ⅓×, ¼×) чрез механизми на обратна прецесия.

Електрически проблеми в двигателите

Променливотоковите двигатели генерират вибрации с честота, кратна на мрежовата честота (50 или 60 Hz), независимо от скоростта на вала. Най-често срещаната е 2× мрежова честота (100 Hz в 50 Hz системи, 120 Hz в 60 Hz системи). Това НЕ е хармоник на скоростта на вала — това е хармоник на мрежовата честота, което е ключът към разграничаването на електрическите от механичните вибрации. тест за прекъсване на захранването е окончателно: електрическите вибрации намаляват мигновено при прекъсване на захранването, механичните вибрации продължават по време на движение по инерция.

Дефектите в роторната пръчка предизвикват странични ленти около 1×, разположени на честотата на преминаване на полюсите (честота на приплъзване × броя на полюсите). Тези странични ленти са много близки до 1× (в рамките на 1–5 Hz), което изисква висока разделителна способност мащабиране на FFT анализ за разрешаване на проблема.

Несинхронни честоти — неистински хармоници

Няколко важни честоти понякога се бъркат с хармоници, но всъщност са независими от скоростта на вала:

Тип честота Формула Връзка с RPM Бележки
Честоти на дефектите в лагерите BPFO, BPFI, BSF, FTF Нецелочислени кратни (напр. 3,57×, 5,43×) Винаги несинхронно; зависи от геометрията на лагера
Честота на зацепване на зъбните колела GMF = брой зъби × RPM Цяло число, но от много висок порядък Технически хармоник, но анализиран отделно
Проход на лопатката/перката BPF = # лопатки × RPM Цялочислено кратно Нормално; прекомерната амплитуда показва проблем
Мрежова честота FL = 50 или 60 Hz Не е свързано с RPM Електрически; изчезва при прекъсване на тока
Собствени честоти fn = √(k/m)/2π Фиксирано; не е свързано с RPM Постоянна честота, независимо от промените в скоростта
Честоти на ремъците fколан = обороти/мин × π × диаметър/дължина Субсинхронен (< скорост на вала) Честота на ремъка и неговите хармоници 2×, 3×, 4× BF

Ръководство за анализ — Как да интерпретираме хармонични модели

Стъпка 1: Определете фундаменталното (1×)

Намерете пика 1×, съответстващ на скоростта на въртене на вала. Проверете чрез тахометър или табелката на двигателя. При машините с променлива скорост за всяко измерване трябва да се определи точно кое е 1×.

Стъпка 2: Каталогизиране на всички върхове

За всеки значим пик определете: дали е точно цяло число, кратно на 1× (истинска хармонична стойност)? Дробно кратно (субхармонично)? Не е свързан със скоростта на вала (несинхронен)? Използвайте функцията за хармоничен курсор на анализатора за по-голяма ефективност.

Стъпка 3: Разглеждане на амплитудния модел

  • Кой хармоник е доминиращ? → Посочва конкретна повреда
  • Колко хармоници са налични? → Повече = по-силно изкривяване
  • 2× превишава ли 1×? → Вероятно разцентровка
  • Има ли субхармоници? → Разхлабеност, триене или маслен вихър
  • Амплитудата намалява ли с порядъка (1/n затихване)? → Типично за разхлабване

Стъпка 4: Проверете насочеността

  • Високо радиално, ниско аксиално: Дисбаланс или хлабавост
  • Висока аксиална: Несъосност (особено ъглова) или огънат вал
  • Насочен радиален: Структурна разхлабеност (по-висока в посока на разхлабване)

Стъпка 5: Тенденция във времето

  • Увеличават ли се амплитудите на хармониците? → Дефектът прогресира
  • Появяват ли се нови хармоници? → Развива се нов механизъм на дефект
  • Повишава ли се нивото на шума? → Общо износване или повреда в късен етап

Стъпка 6: Съпоставяне с фазови данни

  • Дисбаланс: 1× фазата е стабилна и повтаряема
  • Несъответствие: Фазата при 1× или 2× показва ~180° през съединителя
  • Разхлабеност: Фазата е нестабилна, може да се променя произволно между измерванията

На практика всичките шест стъпки могат да бъдат изпълнени на място с помощта на преносим двуканален уред, като например Балансет-1а: монтирайте акселерометрите, запишете спектъра и фазата 1× по време на работа на машината и сравнете хармоничния профил директно с диагностичната таблица по-горе — след това коригирайте остатъчния дисбаланс, без да демонтирате ротора.

Казуси — Хармоничен анализ в реалния свят

Случай 1: Мотор-помпа — Дисбаланс или несъосност?

Машина: 30 kW двигател, задвижващ центробежна помпа при 2960 об/мин чрез гъвкава муфа. Обща вибрация: 6,2 mm/s при лагера на задвижващата страна на двигателя.

Спектър: 1× = 4,1 mm/s, 2× = 3,8 mm/s, 3× = 1,2 mm/s. Съотношението 2×/1× = 0,93.

Посока: Високо радиално 2× и при двата лагера от страната на задвижването. Аксиално 1× при съединителя: двигател = 2,8 мм/с, помпа = 3,1 мм/с с фазова разлика 165°.

Диагноза: Комбинирано ъглово и паралелно разцентроване. Съотношението 2×/1×, приближаващо се до 1.0, високите аксиални показания и ~180° фаза на свързването потвърждават, че НЕ е дисбаланс — въпреки че 1× е повишено, картината при 2× е решаващата.

Действие: Извършено е лазерно подравняване. След подравняване: 1× = 0,8 мм/с, 2× = 0,3 мм/с. Общо спадна до 1,1 мм/с — намаление 82%.

Пример 2: Вентилатор — защо балансирането не дава резултат?

Машина: Центробежен вентилатор при 1480 об/мин. Вибрация: 8,5 мм/с. Предишният опит за балансиране намаля 1×, но общата вибрация остана висока.

Спектър: 1× = 2,1 mm/s (ниско след балансиране), ½× = 1,8 mm/s, 2× = 3,2 mm/s, 3× = 2,5 mm/s, 4× = 1,8 mm/s, 5× = 1,1 mm/s, 6× = 0,7 mm/s.

Диагноза: Механична хлабавост (тип B). Характерен е хармоничният състав с ½× субхармоник. Балансирането е коригирано 1×, но не е успяло да се справи с генерираните от хлабавостта хармоници, които доминират в общата вибрация.

Действие: Проверката разкри, че корпусът на лагера е разхлабен с 0,08 мм в отвора на пиедестала. Корпусът е разточен отново и е монтиран нов лагер. След ремонта: всички хармоници са спаднали до изходното ниво. Общо: 1,4 мм/с.

Случай 3: Компресорен двигател — електрически или механичен?

Машина: 4-полюсен, 50 Hz асинхронен двигател с 1485 об/мин, задвижващ винтов компресор. Вибрацията се е увеличила от 2,0 на 5,5 мм/с за 3 месеца.

Спектър: Доминиращ пик при 100 Hz (= 2FL). Също така: 1× при 24,75 Hz = 1,2 mm/s, странични ленти около 1× при разстояние ±1,0 Hz.

Ключов тест: Прекъсване на захранването — пикът от 100 Hz спадна до нула в рамките на един оборот. Страничните ленти от 1× се запазиха по време на движение по инерция.

Диагноза: Два проблема: (1) Електрически — ексцентричност на статора, причиняваща 2FL. (2) Механичен — 1× странични ленти при ±1.0 Hz (= честота на преминаване на полюсите за 4-полюсен двигател с приплъзване 1.0%) предполагат развитие на дефект на роторния прът.

Действие: Двигателят е изпратен за пренавиване. Потвърдено: 2 счупени роторни пръта + ексцентрицитет на статора от провисване на основата. След пренавиване и поставяне на подложки: вибрация 1,6 мм/сек.

Оборудване Vibromera за хармоничен анализ

Сайтът Балансет-1а и Balanset-4 предоставят в реално време FFT спектрален анализ с хармонично проследяване на курсора, което позволява полева идентификация на модели 1×, 2×, 3× и диагностика на неизправности. Устройствата комбинират вибрационен анализ за диагностика и прецизност балансиране за корекция — идентифициране на проблема и отстраняването му с един инструмент.

← Обратно към индекса на речника