Definisi: Apa itu Harmonik?

Dalam analisis getaran, harmonis adalah frekuensi yang merupakan kelipatan bilangan bulat yang tepat dari frekuensi fundamental. Pada mesin yang berputar, frekuensi fundamental biasanya adalah kecepatan putaran poros, disebut sebagai harmonik pertama atau 1×. Harmonik berikutnya adalah kelipatan bilangan bulat: 2× (dua kali kecepatan poros), 3× (tiga kali), dan seterusnya. Frekuensi ini juga disebut pesanan kecepatan lari, atau harmonik sinkron karena disinkronkan secara tepat dengan rotasi poros.

Sebagai contoh, jika motor beroperasi pada 1.800 RPM (30 Hz), harmoniknya muncul pada 60 Hz (2×), 90 Hz (3×), 120 Hz (4×), 150 Hz (5×), dan seterusnya. Deret harmonik secara teoritis tidak terbatas, tetapi dalam praktiknya, amplitudo menurun pada orde yang lebih tinggi dan hanya beberapa harmonik pertama yang membawa informasi diagnostik.

Definisi Frekuensi Harmonik
Fn = n × f1 = n × (RPM / 60)
di mana n = 1, 2, 3, 4... (urutan harmonik) dan f₁ = frekuensi rotasi poros dalam Hz

Harmonik vs Sub-Harmonik vs Puncak Non-Sinkron

Harmonik adalah kelipatan bilangan bulat dari kecepatan poros (2×, 3×, 4×…). Sub-harmonik adalah kelipatan pecahan (½×, ⅓×, ¼×) dan selalu mengindikasikan masalah mekanis yang parah. Puncak yang tidak sinkron adalah frekuensi yang tidak terkait dengan kecepatan poros - seperti frekuensi cacat bantalan, frekuensi roda gigi, frekuensi saluran (50/60 Hz), atau frekuensi alami — dan memerlukan pendekatan diagnostik yang berbeda. Puncak pada 3,57× RPM BUKAN merupakan harmonik; kemungkinan besar merupakan frekuensi cacat bantalan.

Mengapa Harmonisa Dihasilkan?

Dalam sistem linier sempurna yang dieksitasi oleh gaya sinusoidal murni (seperti rotor yang seimbang dan sejajar sempurna pada bantalan yang sempurna), hanya fundamental 1× yang akan muncul. Mesin yang sebenarnya tidak pernah linier sempurna. Harmonik muncul setiap kali bentuk gelombang getaran terdistorsi dari gelombang sinus murni - setiap kali respons sistem non-linier atau fungsi pemaksaan itu sendiri tidak sinusoidal.

Aspek Matematisnya: Teorema Fourier

Teorema Fourier menyatakan bahwa setiap bentuk gelombang periodik — tidak peduli seberapa rumitnya — dapat diuraikan menjadi jumlah gelombang sinus pada frekuensi dasar dan kelipatan bilangan bulatnya, masing-masing dengan amplitudo dan fase tertentu. Algoritma FFT (Fast Fourier Transform) yang digunakan oleh penganalisis getaran melakukan penguraian ini secara komputasi, sehingga mengungkapkan kandungan harmonik dari sinyal.

Gelombang sinus murni hanya memiliki satu komponen frekuensi. Gelombang persegi mengandung semua harmonisa ganjil (1×, 3×, 5×, 7×...) dengan amplitudo yang menurun seiring dengan 1/n. Gelombang gigi gergaji mengandung semua harmonisa dengan amplitudo yang menurun sebesar 1/n. Bentuk spesifik dari distorsi menentukan harmonisa mana yang muncul - inilah yang membuat analisis harmonik sangat kuat secara diagnostik.

Mekanisme Fisik yang Menghasilkan Harmonik

  • Pemotongan/pemenggalan bentuk gelombang: Ketika gerakan poros dibatasi secara fisik (rumah bantalan, kontak gosok), bentuk gelombang yang dihasilkan terpotong, menghasilkan harmonisa. Pemotongan yang lebih parah menghasilkan lebih banyak harmonisa.
  • Kekakuan asimetris: Jika kekakuan sistem berbeda antara bagian positif dan negatif dari siklus getaran (pembukaan/penutupan poros yang retak, ketidaksejajaran yang menciptakan kekakuan tegangan/kompresi yang berbeda), harmonik genap (2×, 4×, 6×) pun dihasilkan.
  • Peristiwa dampak: Benturan periodik (baut longgar, benturan cacat bantalan) menciptakan bentuk gelombang yang tajam dan berdurasi pendek, yang sangat kaya akan kandungan harmonik — seperti bagaimana stik drum menghasilkan banyak nada atas.
  • Gaya pemulihan non-linear: Ketika kekakuan berubah dengan perpindahan (bantalan di bawah beban yang bervariasi, dudukan karet dengan laju progresif), respons terhadap gaya sinusoidal mengandung harmonisa.
  • Eksitasi parametrik: Ketika properti sistem bervariasi secara berkala pada frekuensi yang terkait dengan kecepatan poros, mereka dapat menghasilkan harmonik dan sub-harmonik dari frekuensi eksitasi.
Prinsip Diagnostik Utama

Pola harmonik mana yang ada, amplitudo relatifnya, dan mana yang tidak ada memberi tahu analis mekanisme fisik apa yang menghasilkan non-linearitas. Analis yang berpengalaman memeriksa struktur harmonik lengkap dari spektrum - bukan hanya tingkat getaran keseluruhan - untuk mengidentifikasi mekanisme gangguan tertentu.

Tanda Kerusakan Terperinci — Pola Harmonik

1× Dominan — Ketidakseimbangan

Puncak dominan pada 1× dengan harmonik minimal yang lebih tinggi adalah ciri khas klasik ketidakseimbangan massa. Gaya ketidakseimbangan secara inheren bersifat sinusoidal (berputar dengan poros pada frekuensi 1×), menghasilkan puncak tunggal yang bersih dalam domain frekuensi.

Rincian Diagnostik

  • Amplitudo: Sebanding dengan kecepatan² (kecepatan ganda → amplitudo 4×) dan sebanding dengan massa tidak seimbang
  • Fase: Stabil, dapat diulang, dan bernilai tunggal. Berubah secara prediktabel dengan penambahan bobot percobaan — ini adalah dasar dari semua prosedur penyeimbangan
  • Arah: Terutama radial; aksial 1 × rendah kecuali rotor memiliki overhang yang signifikan
  • Konfirmasi: Respon terhadap beban percobaan mengonfirmasi ketidakseimbangan. Jika 1× tidak merespons beban percobaan, pertimbangkan poros bengkok, eksentrisitas, atau resonansi
Tidak Semua Getaran 1× adalah Ketidakseimbangan (Unbalance)

Beberapa kondisi menghasilkan 1× tinggi yang TIDAK dapat dikoreksi dengan penyeimbangan: poros bengkok, eksentrisitas poros, runout listrik pada probe proksimiti, lendutan rotor akibat efek termal, eksentrisitas kopling, dan resonansi amplifikasi. Selalu verifikasi diagnosis sebelum mencoba menyeimbangkan.

2× Dominan — Ketidaksejajaran

Harmonik ke-2 yang kuat, sering kali amplitudonya sebanding dengan atau melebihi puncak 1×, adalah indikator utama ketidaksejajaran poros. Ketidaksejajaran memaksa poros melalui jalur non-sinusoidal selama setiap putaran, menciptakan distorsi yang menghasilkan harmonisa 2× dan terkadang lebih tinggi.

Ketidaksejajaran Sudut vs. Paralel

  • Ketidaksejajaran sudut: Garis tengah poros berpotongan pada suatu sudut pada kopling. Menghasilkan getaran aksial 1× yang tinggi. Fase melintasi kopling menunjukkan pergeseran ~ 180 ° dalam arah aksial.
  • Ketidaksejajaran paralel (offset): Garis tengah poros sejajar tetapi bergeser. Menghasilkan getaran radial 2× yang tinggi, sering kali dengan 2× ≥ 1×. Kasus yang parah menghasilkan 3× dan 4×. Fase radial di seluruh kopling menunjukkan pergeseran ~180°.
  • Gabungan: Dalam praktiknya, keduanya biasanya hidup berdampingan, menghasilkan perpaduan pola sinyal.

Rasio 2×/1× sebagai Indikator Diagnostik

Rasio 2×/1× Kondisi Kemungkinan Tindakan
< 0,25 Normal; 2× hadir pada level rendah di sebagian besar mesin Tidak ada tindakan yang diperlukan
0.25 - 0.50 Kemungkinan ketidaksejajaran ringan; normal untuk beberapa jenis kopling Periksa kelurusan; bandingkan dengan garis dasar
0.50 - 1.00 Kemungkinan terjadi ketidaksejajaran yang signifikan Melakukan penyelarasan laser secara presisi
> 1,00 Ketidaksejajaran yang parah; 2× melebihi 1× Mendesak - menyetel ulang; periksa kopling dan regangan pipa

Beberapa Harmonik - Kelonggaran Mekanis

Serangkaian yang beragam kecepatan operasi harmonics (1×, 2×, 3×, 4×, 5×… to 10× or more) indicate kelonggaran mekanis. Dampak, gemeretak, dan siklus kontak/pemisahan non-linear menghasilkan distorsi bentuk gelombang ekstrem yang terurai menjadi banyak komponen harmonik.

Tiga Jenis Kelonggaran

  • Tipe A - Struktural: Sambungan mesin-ke-pondasi yang longgar (kaki yang lunak, alas yang retak, baut jangkar yang longgar). Menghasilkan arah 1× (lebih tinggi pada arah yang longgar). Tes utama: kencangkan/kendurkan baut satu per satu sambil memantau amplitudo 1×.
  • Tipe B - Komponen: Lapisan bantalan longgar di tutup, tutup longgar di rumahan, kelonggaran bantalan berlebihan. Menghasilkan keluarga harmonik, sering dengan sub-harmonik (½×). Sub-harmonik adalah pembeda kunci dari ketidakselarasan (kekenduran, bukan ketidakselarasan, menghasilkan sub-harmonik).
  • Tipe C - Dudukan Bantalan: Impeler longgar pada poros, hub kopling longgar, jarak bebas bantalan yang berlebihan memungkinkan rotor memantul. Menghasilkan banyak harmonisa dengan elevasi lantai kebisingan pita lebar.
Sub-Harmonik: Sidik Jari Kelonggaran

Kehadiran sub-harmonik (½×, ⅓×) adalah pembeda yang paling dapat diandalkan antara kelonggaran dan ketidaksejajaran. Misalignment menghasilkan 2× dan 3× tetapi jarang menghasilkan sub-harmonik. Kelonggaran (Tipe B dan C) secara khas menghasilkan ½ × karena rotor menyentuh satu sisi bantalan pada satu setengah putaran dan memantul ke sisi lain pada putaran berikutnya - menciptakan pola yang berulang setiap dua putaran, karenanya ½ ×.

Kondisi Penghasil Harmonik Lainnya

Poros Bengkok

Menghasilkan getaran 1× dan 2× dengan komponen aksial yang tinggi. Berbeda dengan ketidaksejajaran, sebuah poros bengkok menunjukkan faktor 1× yang tidak dapat diperbaiki dengan penyeimbangan (eksentrisitas geometris, bukan distribusi massa) dan selisih fase aksial sekitar 180° antara kedua ujung poros. Faktor 2× tersebut disebabkan oleh kekakuan asimetris saat lekukan terbuka dan tertutup selama rotasi.

Mesin Bolak-balik

Mesin, kompresor, dan mesin bolak-balik secara inheren menghasilkan spektrum harmonik yang kaya karena gerakan piston/poros engkol pada dasarnya tidak sinusoidal. Pola harmonik tergantung pada jumlah silinder, urutan pembakaran, dan jenis langkah (2-tak vs. 4-tak).

Gesekan Rotor

Gosokan parsial (kontak untuk sebagian dari setiap putaran) menghasilkan banyak harmonisa orde tinggi - terkadang hingga 10×, 20×, atau lebih. Gosokan annular penuh (kontak 360° terus menerus) menghasilkan sub-harmonik yang dominan (½×, ⅓×, ¼×) melalui mekanisme presesi terbalik.

Masalah Kelistrikan pada Motor

Motor AC menghasilkan getaran pada kelipatan frekuensi saluran (50 atau 60 Hz) secara independen dari kecepatan poros. Yang paling umum adalah frekuensi saluran 2× (100 Hz dalam sistem 50 Hz, 120 Hz dalam sistem 60 Hz). Ini BUKAN harmonik dari kecepatan poros - ini adalah harmonik dari frekuensi saluran, yang merupakan kunci untuk membedakan getaran listrik dari getaran mekanis. Itu... uji pemadaman listrik bersifat definitif: getaran listrik turun seketika saat daya dilepas, getaran mekanis tetap ada selama coast-down.

Cacat pada batang rotor menghasilkan pita samping di sekitar 1× yang berjarak pada frekuensi lintasan kutub (frekuensi slip × jumlah kutub). Pita samping ini sangat dekat dengan 1× (dalam rentang 1–5 Hz), sehingga memerlukan resolusi tinggi zoom FFT analisis untuk menyelesaikannya.

Frekuensi Non-Sinkron — Bukan Harmonisa Sejati

Beberapa frekuensi penting terkadang dikacaukan dengan harmonik, tetapi sebenarnya tidak tergantung pada kecepatan poros:

Jenis Frekuensi Rumus Hubungan dengan RPM Catatan
Frekuensi kerusakan bantalan BPFO, BPFI, BSF, FTF Kelipatan bukan bilangan bulat (misalnya 3,57 ×, 5,43 ×) Selalu tidak sinkron; tergantung pada geometri bantalan
Frekuensi Jala Roda Gigi GMF = # gigi × RPM Bilangan bulat tetapi urutan sangat tinggi Secara teknis merupakan harmonik tetapi dianalisis secara terpisah
Lintasan bilah/baling-baling BPF = jumlah bilah × putaran per menit Kelipatan bilangan bulat Normal; amplitudo yang berlebihan mengindikasikan masalah
Frekuensi jala-jala FL = 50 atau 60 Hz Tidak terkait dengan RPM Kelistrikan; menghilang saat pemadaman listrik
Frekuensi alami Fn = √(k/m)/2π Tetap; tidak terkait dengan RPM Frekuensi konstan terlepas dari perubahan kecepatan
Frekuensi sabuk Fsabuk = RPM × π × D / L Sub-sinkron (< kecepatan poros) Frekuensi sabuk dan harmoniknya 2 ×, 3 ×, 4 × BF

Panduan Analisis — Cara Menafsirkan Pola Harmonik

Langkah 1: Identifikasi Fundamental (1×)

Temukan puncak 1× yang sesuai dengan kecepatan putaran poros. Periksa dengan menggunakan sebuah takometer atau pelat nama motor. Pada mesin berkecepatan variabel, nilai 1× harus ditentukan secara tepat untuk setiap pengukuran.

Langkah 2: Katalog Semua Puncak

Untuk setiap puncak yang signifikan, tentukan: apakah puncak tersebut merupakan kelipatan bilangan bulat yang tepat dari 1× (harmonik sejati)? Kelipatan pecahan (sub-harmonik)? Tidak terkait dengan kecepatan poros (tidak sinkron)? Gunakan fitur kursor harmonik penganalisis untuk efisiensi.

Langkah 3: Periksa Pola Amplitudo

  • Harmonik mana yang dominan? → Menunjuk ke kerusakan tertentu
  • Berapa banyak harmonisa yang ada? → Lebih banyak = distorsi yang lebih parah
  • Apakah 2× melebihi 1×? → Kemungkinan tidak sejajar
  • Apakah terdapat sub-harmonik? → Kelonggaran, gesekan, atau pusaran minyak
  • Apakah amplitudo menurun dengan orde (peluruhan 1/n)? → Khas untuk kelonggaran

Langkah 4: Periksa Arah

  • Radial tinggi, aksial rendah: Ketidakseimbangan atau kelonggaran
  • Aksial tinggi: Ketidaksejajaran (terutama sudut) atau poros bengkok
  • Radial terarah: Kelonggaran struktural (lebih tinggi ke arah yang longgar)

Langkah 5: Tren dari Waktu ke Waktu

  • Apakah amplitudo harmonik meningkat? → Kerusakan sedang berkembang
  • Apakah ada harmonik baru yang muncul? → Mekanisme kerusakan baru yang sedang berkembang
  • Apakah tingkat kebisingan meningkat? → Keausan umum atau kegagalan tahap akhir

Langkah 6: Korelasikan dengan Data Fase

  • Ketidakseimbangan: Fase 1× stabil dan dapat diulang
  • Ketidakselarasan: Fase 1× atau 2× menunjukkan ~180° di seluruh kopling
  • Kelonggaran: Fase tidak stabil, dapat bergeser secara acak di antara pengukuran

Dalam praktiknya, keenam langkah tersebut dapat dilakukan di lokasi menggunakan alat portabel dua saluran seperti Keseimbangan-1a: pasang akselerometer, rekam spektrum dan fase 1× saat mesin beroperasi, lalu bandingkan pola harmoniknya secara langsung dengan tabel diagnostik di atas — kemudian perbaiki ketidakseimbangan sisa tanpa perlu melepas rotor.

Studi Kasus - Analisis Harmonik Dunia Nyata

Kasus 1: Motor-Pompa – Apakah Ketidakseimbangan atau Misalignment?

Mesin: Motor 30 kW yang menggerakkan pompa sentrifugal pada 2960 RPM melalui kopling fleksibel. Getaran keseluruhan: 6,2 mm/dtk pada bantalan ujung penggerak motor.

Spektrum: 1× = 4,1 mm/s, 2× = 3,8 mm/s, 3× = 1,2 mm/s. Rasio 2×/1× = 0,93.

Arah: Radial tinggi 2 × pada kedua bantalan ujung penggerak. Aksial 1 × pada kopling: motor = 2,8 mm/dtk, pompa = 3,1 mm/dtk dengan perbedaan fase 165°.

Diagnosa: Gabungan ketidaksejajaran sudut dan paralel. Rasio 2×/1× yang mendekati 1,0, pembacaan aksial yang tinggi, dan fase ~180° di seluruh kopling, semuanya mengonfirmasi. BUKAN ketidakseimbangan rotor — meskipun amplitudo 1× tinggi, pola 2× adalah gambaran yang sebenarnya.

Tindakan: Penyelarasan laser dilakukan. Pasca-penyelarasan: 1× = 0,8 mm/s, 2× = 0,3 mm/s. Secara keseluruhan turun ke 1,1 mm/s - pengurangan 82%.

Kasus 2: Kipas — Mengapa Penyeimbangan Tidak Berhasil?

Mesin: Kipas sentrifugal pada 1480 RPM. Getaran: 8,5 mm/detik. Upaya penyeimbangan sebelumnya telah mengurangi 1× tetapi getaran secara keseluruhan tetap tinggi.

Spektrum: 1× = 2,1 mm/s (rendah setelah penyeimbangan), 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.

Diagnosa: Kelonggaran mekanis (Tipe B). Keluarga harmonik dengan sub-harmonik ½× adalah ciri khasnya. Penyeimbangan mengoreksi 1× tetapi tidak dapat mengatasi harmonik yang dihasilkan oleh kelonggaran yang mendominasi getaran secara keseluruhan.

Tindakan: Inspeksi menunjukkan rumah bantalan longgar 0,08 mm di lubang alas. Rumah dibor ulang dan bantalan baru dipasang. Pasca perbaikan: semua harmonisa turun ke garis dasar. Secara keseluruhan: 1,4 mm/detik.

Kasus 3: Motor Kompresor - Listrik atau Mekanik?

Mesin: Motor induksi 4 kutub, 50 Hz pada 1485 RPM yang menggerakkan kompresor ulir. Getaran meningkat dari 2,0 hingga 5,5 mm/s selama 3 bulan.

Spektrum: Puncak dominan pada 100 Hz (= 2FL). Juga: 1× pada 24,75 Hz = 1,2 mm/s, sideband sekitar 1× pada jarak ±1,0 Hz.

Tes Kunci: Pemadaman listrik - puncak 100 Hz turun ke nol dalam satu putaran. Sideband 1× tetap bertahan selama penurunan kecepatan.

Diagnosa: Dua masalah: (1) Kelistrikan - eksentrisitas stator yang menyebabkan 2FL. (2) Mekanis - 1 × sideband pada ± 1,0 Hz (= frekuensi lintasan kutub untuk motor 4-kutub dengan slip 1,0%) menunjukkan adanya cacat batang rotor.

Tindakan: Motor dikirim untuk penggulungan ulang. Dikonfirmasi: 2 batang rotor patah + eksentrisitas stator dari penurunan dasar. Setelah penggulungan ulang dan shimming: getaran 1,6 mm/dtk.

Peralatan Vibromera untuk Analisis Harmonik

The Keseimbangan-1a dan Balanset-4 menyediakan waktu nyata Analisis spektrum FFT dengan pelacakan kursor harmonik, memungkinkan identifikasi lapangan pola 1×, 2×, 3× dan diagnosis kesalahan. Perangkat ini menggabungkan analisis getaran untuk diagnostik dan presisi menyeimbangkan untuk koreksi - mengidentifikasi masalah dan memperbaikinya dengan satu instrumen.

← Kembali ke Indeks Glosarium