Asynchrone Vibration verstehen
Asynchrone Vibration (auch nichtsynchrone Schwingung genannt) ist Vibration bei Frequenzen, die nicht exakte ganzzahlige Vielfache - Ordnungen - der Rotationsgeschwindigkeit der Welle. Anders als synchrone Vibration aus Unwucht oder Fehlausrichtung (die immer bei 1×, 2×, 3× der Laufgeschwindigkeit landen), treten asynchrone Schwingungen bei Frequenzen auf, die durch die Bauteilgeometrie, elektromagnetische Effekte oder externe Quellen und nicht durch die Rotation der Welle selbst bestimmt werden.
Die Unterscheidung zwischen synchronen und asynchronen Inhalten ist eine der grundlegendsten Fähigkeiten im Maschinenbau Diagnose, Denn die Aufteilung schränkt die Suche nach der Ursache sofort ein. Synchrone Komponenten weisen auf rotierende Masse oder geometrische Probleme hin, die mit dem Rotor zusammenhängen; asynchrone Komponenten deuten stattdessen auf Wälzkörperdefekte, elektrische Fehler oder Einflüsse von außerhalb des Rotors hin. Eine frühzeitige Einstufung erspart dem Analysten beispielsweise das Auswuchten einer Maschine, deren eigentliches Problem ein defektes Lager ist.
1. Synchron vs. Asynchron: Der Hauptunterschied
Die Grenze wird vollständig durch die Ordnung - das Verhältnis zwischen einer Schwingungsfrequenz und der Frequenz der laufenden Drehzahl. Eine Spitze bei einer exakten ganzzahligen Ordnung ist synchron und mit der Wellendrehung verbunden; eine Spitze bei einer gebrochenen Ordnung ist asynchron und folgt einem anderen Takt.
- Synchron (ganzzahlige Ordnungen): 1,00×, 2,00×, 3,00× - Unwucht, Schieflage, a gebogene Welle, bestimmte Losigkeit Muster.
- Asynchron (nicht-ganzzahlige Ordnungen): 2,47×, 3,57×, 0,45× - Lagerdefekte, elektrische Leitungen, subsynchrone Instabilitäten und externe Quellen.
Eine nützliche Unterkategorie ist die subharmonisch - Energie unter 1× (z. B. ein 0,5× Spitzenwert bei starker Lockerung oder Reibung). Subharmonische Schwingungen sind eine Form von asynchronem Inhalt und stehen neben den weiter unten erörterten sub-synchronen Instabilitäten.
2. Häufige Quellen für asynchrone Schwingungen
Defekte an Wälzlagern (die häufigsten)
Die bei weitem wichtigste Quelle für asynchrone Schwingungen:
- Lagerfehlerfrequenzen: BPFO, BPFI, BSF und FTF werden durch die Lagergeometrie bestimmt und sind nie exakte Vielfache der Wellendrehzahl.
- Beispiel: Ein Motor mit 1800 Umdrehungen pro Minute (30 Hz) könnte einen BPFO bei 107 Hz aufweisen - das ist das 3,57-fache der Wellendrehzahl, also eindeutig keine ganze Zahl.
- Diagnostischer Wert: eine asynchrone Frequenz lässt sofort ein Lagerproblem vermuten.
- Erkennung: Hüllkurvenanalyse ist die wichtigste Technik, um diese Komponenten an die Oberfläche zu bringen, oft lange bevor sie im normalen Spektrum erscheinen.
Elektrische Frequenzen
Elektromagnetische Schwingungen, die nicht von der Wellendrehzahl abhängen:
- 2× Netzfrequenz: 120 Hz bei 60-Hz-Netzen oder 100 Hz bei 50-Hz-Netzen, unabhängig von der Motordrehzahl.
- Beispiel: Ein 2-poliger 60-Hz-Motor läuft mit etwa 3550 U/min (59,2 Hz), doch seine Zweifach-Linienfrequenzschwingung liegt bei 120 Hz - 2,03-fache Wellendrehzahl, asynchron.
- Poldurchgangsfrequenz: darf kein exaktes ganzzahliges Vielfaches sein.
- VFD-Oberschwingungen: Die Schaltfrequenzen der Antriebe stehen in keinem Verhältnis zur Wellendrehzahl.
Externe Quellen
- Benachbarte Geräte: Vibrationen, die von nahegelegenen Maschinen auf den Boden übertragen werden.
- Gebäude oder Fundament: Strukturresonanzen bei festen Frequenzen.
- Prozesspulsationen: Druckwellen, die sich in Rohrleitungen ausbreiten.
- Akustische Resonanzen: stehende Wellen in Kanälen oder Gehäusen.
Subsynchrone Instabilitäten
- Ölwirbel: typischerweise 0,42-0,48× Wellengeschwindigkeit (nicht genau die Hälfte).
- Ölpeitsche: rastet an der Rotorachse Eigenfrequenz, und nicht auf die Wellendrehzahl.
- Dichtungsinstabilitäten: oft mit Frequenzen, die durch die Strömungsdynamik bestimmt werden. Dies sind klassische Beispiele für Rotorinstabilität.
Zufällige Vibration
- Kavitation: zufälliges Platzen der Blase, Breitband.
- Turbulenz: zufällige Strömungsschwankungen.
- Reiben: chaotischer Kontakt, der nicht-periodische Schwingungen erzeugt.
3. Identifizierung in Spektren
Spektrumeigenschaften
- Feste Frequenz: Erscheint unabhängig von Geschwindigkeitsänderungen mit dem gleichen Hz-Wert
- Ordnungsverschiebungen: Wenn sich die Drehzahl ändert, ändert eine asynchrone Frequenz ihre Reihenfolge (denn die Reihenfolge ist Frequenz ÷ Drehzahl).
- Wasserfalldiagramm: asynchrone Komponenten erscheinen als vertikal Leitungen, synchrone Komponenten wie diagonal Linien — der intuitivste Weg, sie zu unterscheiden.
- Ordnungsspektrum: asynchrone Spitzenwerte liegen bei nicht ganzzahligen Ordnungen (2,47×, 3,57× usw.).
Diagnoseverfahren
- Laufgeschwindigkeit ermitteln von der 1×-Spitze oder, zuverlässiger, einer Drehzahlmesser.
- Ordnungen berechnen indem man jede Spitzenfrequenz durch die Frequenz der Laufgeschwindigkeit dividiert.
- Ganzzahlige Ordnungen (1,00×, 2,00×, 3,00×) sind synchron.
- Nicht-ganzzahlige Ordnungen (2,47×, 3,57×) sind asynchron.
- Anpassung an Fehlertypen durch Vergleich der berechneten Frequenzen mit Lagerfrequenzen, elektrischen Leitungen und dergleichen.
Bei Maschinen mit variabler Drehzahl ist diese Trennung sauberer unter Ordnungsanalyse, die die Frequenzachse auf ein Vielfaches der laufenden Geschwindigkeit bezieht, so dass synchrone Spitzen stillstehen, während sich asynchrone bewegen.
4. Diagnostische Signifikanz
Lagerdefekte
- Asynchrone Spitzen bei BPFO, BPFI oder BSF deuten sofort auf eine Lagerproblem.
- Berechnen Sie die theoretischen Lagerfrequenzen und vergleichen Sie sie mit den beobachteten Spitzenwerten.
- Eine Übereinstimmung innerhalb von etwa ±5% bestätigt einen Lagerfehler.
- Harmonische und Seitenbänder der Fehlerhäufigkeit sind eine weitere Bestätigung.
Sie können die Arithmetik kurzschließen mit einem Rechner für Lagerdefektfrequenzen, das BPFO, BPFI, BSF und FTF direkt aus der Lagergeometrie und der Wellendrehzahl ermittelt.
Elektromagnetische Probleme
- Eine 2×-Linien-Frequenzlinie bei 100/120 Hz zeigt auf Stator oder Luftspalt Probleme.
- Die Frequenz bleibt unabhängig von Geschwindigkeitsschwankungen konstant.
- Die Motorstromanalyse bestätigt die elektrische Ursache.
Externe Vibration
- Spitzenwerte, die weder der Maschinengeschwindigkeit noch den Lagerfrequenzen entsprechen.
- Sie können mit der Laufgeschwindigkeit von Geräten in der Nähe übereinstimmen.
- Eine Untersuchung der Quelle ist erforderlich, gefolgt von einer Isolierung oder Korrektur.
5. Analysetechniken für asynchrone Schwingungen
Hüllkurvenanalyse
- Die wichtigste Technik zur Erkennung von Lagerfehlern.
- Verbessert die sich wiederholenden Auswirkungen, die asynchrone Inhalte produzieren.
- Unterdrückt starke synchrone niederfrequente Komponenten.
- Zeigt die Lagerfrequenzen deutlich in der resultierenden Hüllkurvenspektrum.
Hochfrequenzbeschleunigung
- Asynchrone Lagerdefekte treten häufig im Hochfrequenzbereich (über 1 kHz) auf.
- Verwenden Sie Beschleunigungsaufnehmer mit einer hohen Fmax-Einstellung.
- Dadurch werden die Stöße und hochfrequenten Resonanzen erfasst, die bei niederfrequenten Geschwindigkeitsmessungen fehlen.
Cepstrum-Analyse
- Cepstrum-Analyse ist wirksam bei der Suche nach periodischen Mustern, die in asynchronen Signalen verborgen sind.
- Es erkennt ganze Familien von Oberschwingungen oder Seitenbändern auf einmal.
- Besonders nützlich für komplexe Lager und Zahnrad Signaturen.
6. Praktische Beispiele
Motor mit einem Lagerdefekt
- Laufgeschwindigkeit: 1750 RPM (29,17 Hz).
- Synchrone Komponenten: 1× bei 29,17 Hz, 2× bei 58,34 Hz.
- Asynchrone Komponente: eine Spitze bei 107 Hz (3,67-fache Wellendrehzahl).
- Diagnose: 107 Hz entspricht dem berechneten BPFO → Außenspurdefekt.
- Bestätigung: Die Asynchronität bestätigt, dass es sich um ein Lagerproblem und nicht um ein Rotorproblem handelt.
VFD-Motor mit variabler Drehzahl
- Die Motordrehzahl reicht von 1200 bis 1800 RPM.
- Die 1×-Spitze bewegt sich mit der Geschwindigkeit (synchron).
- Die 120 Hz-Spitze bleibt erhalten (asynchron, 2× Netzfrequenz).
- Diagnose: eine elektromagnetische Komponente aus der 60-Hz-Versorgung.
In der Praxis ist diese Trennung die tägliche Arbeit eines tragbaren Analysators. Da ein Gerät wie das Balanset-1A Da der optische Tachometer die Drehzahl gleichzeitig mit dem Schwingungsspektrum abliest, kann er auf der Stelle erkennen, ob ein bestimmter Peak synchron oder asynchron ist - und dem Techniker sofort sagen, ob der Rotor ausgewuchtet oder ein Lager ausgetauscht werden muss. Das Erkennen von asynchronen Inhalten durch nicht-ganzzahlige Ordnungen, eine gleichbleibende Frequenz trotz Drehzahländerungen oder die vertikale Signatur auf einem Wasserfalldiagramm ermöglicht die genaue Identifizierung von Lagerdefekten, elektrischen Problemen und externen Einflüssen - und weist den Weg zu den richtigen Korrekturmaßnahmen.
