Harmonische in der Schwingungsanalyse verstehen

Definition: Was ist eine Harmonische?

Bei der Schwingungsanalyse wird ein harmonisch ist eine Frequenz, die ein ganzzahliges Vielfaches einer Grundfrequenz ist. Die Grundfrequenz ist typischerweise die primäre Antriebsfrequenz eines Systems, beispielsweise die Drehzahl einer Welle. Diese Grundfrequenz wird als 1. Harmonische oder 1xDie nachfolgenden Harmonischen sind:

• Die 2. Harmonische (2x) ist die Frequenz, die genau doppelt so hoch ist wie die Grundfrequenz.
• Die 3. Harmonische (3x) ist die Frequenz, die genau dreimal so hoch ist wie die Grundfrequenz.
• Und so weiter (4x, 5x, 6x…).

Wenn ein Motor beispielsweise mit 1.800 U/min (30 Hz) läuft, erscheinen seine Harmonischen im Schwingungsspektrum bei 60 Hz (2x), 90 Hz (3x), 120 Hz (4x) usw.

Warum werden Oberschwingungen erzeugt?

In einem perfekt linearen System mit einer rein sinusförmigen Antriebsfunktion (wie einem perfekt ausgewuchteten Rotor) würde nur die einfache Grundfrequenz erzeugt. Maschinen in der realen Welt sind jedoch nicht perfekt linear. Oberschwingungen entstehen, wenn die Bewegung einer Komponente verzerrt oder nicht sinusförmig ist. Diese Verzerrung kann durch eine Vielzahl mechanischer und elektrischer Bedingungen verursacht werden. Das Vorhandensein und die Amplitude bestimmter Oberschwingungen sind daher aussagekräftige Diagnoseindikatoren.

Häufige Ursachen und diagnostischer Wert von Oberschwingungen

Das Muster der Oberwellen in einem Schwingungsspektrum liefert wertvolle Hinweise auf die Grundursache eines Maschinenfehlers.

Hohe 1x Amplitude (Grundwelle)

Ein dominanter Peak bei 1x wird am häufigsten assoziiert mit Unwucht. Exzentrizität und gebogene Wellen erzeugen ebenfalls ein starkes 1x-Signal.

Hohe 2x Amplitude (2. Harmonische)

Eine starke 2. Harmonische, oft vergleichbar in der Amplitude mit der 1x Spitze, ist ein klassischer Indikator für WellenversatzDurch die Fehlausrichtung wird die Welle bei jeder Umdrehung zweimal gebogen, wodurch eine starke 2x-Frequenzkomponente entsteht. Starke parallele Fehlausrichtungen können auch 3x- und 4x-Harmonische erzeugen.

Eine „Familie“ von Obertönen (1x, 2x, 3x, 4x, 5x…)

Wenn Sie eine Reihe von vielen Laufgeschwindigkeitsharmonischen sehen, ist dies die primäre Signatur von mechanische Lockerheit. Die Stöße und nichtlinearen Bewegungen, die durch lose Komponenten (wie z. B. ein loses Lager im Gehäuse oder eine lose Schraube an einem Maschinenfuß) verursacht werden, verzerren das Vibrationssignal und erzeugen ein reichhaltiges Muster an Oberwellen. Je größer die Lockerheit, desto mehr Oberwellen sind vorhanden.

Andere Ursachen für Oberschwingungen

• Überhängende Rotoren: Eine gebogene Welle an einer Maschine mit einem fliegend hängenden Rotor (wie einer vertikalen Pumpe) kann starke 1x-, 2x- und 3x-Oberschwingungen erzeugen.
• Kolbenmaschinen: Die nicht sinusförmige Bewegung von Kolben und Kurbelwellen in Motoren und Kompressoren erzeugt natürlich ein reiches Spektrum an Obertönen.
• Elektrische Probleme: Probleme in Wechselstrommotoren können Oberwellen der Netzfrequenz erzeugen (z. B. 120 Hz in einem 60-Hz-System).
• Reibt: Eine leichte, teilweise Reibung kann eine Reihe von Obertönen höherer Ordnung erzeugen, manchmal bis zu 10x, 20x oder sogar mehr.

Überlegungen zur Analyse

Bei der Analyse von Oberschwingungen ist Folgendes zu berücksichtigen:

• Welche Harmonische ist dominant? Die Antwort weist auf verschiedene mögliche Fehler hin.
• Wie viele Obertöne sind vorhanden? Eine große Zahl deutet auf Lockerheit oder starke Verzerrung hin.
• Wie ist der Amplitudentrend? Eine Zunahme der Amplitude der Oberschwingungen im Laufe der Zeit weist auf eine Verschlechterung des Zustands hin.
• Sind sie radial oder axial? So ist beispielsweise bei einer Fehlausrichtung häufig eine starke axiale Vibration zu beobachten, während die Unwucht vorwiegend radial ist.

Durch die Untersuchung des vollständigen Musters der Grund- und Oberfrequenzen kann ein Schwingungsanalytiker Maschinenprobleme mit einem hohen Maß an Sicherheit diagnostizieren.

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