Анықтама: Гармоника дегеніміз не?

Тербеліс талдауында, harmonic — негізгі жиіліктің бүтін еселігіне тең жиілік. Айналмалы машиналарда негізгі жиілік әдетте біліктің айналу жылдамдығы болып табылады және 1-ші гармоника немесе 1×. The subsequent harmonics are integer multiples: 2× (twice shaft speed), 3× (three times), and so on. These frequencies are also called orders жұмыс жиілігінің немесе синхронды гармоникалар өйткені олар білік айналысымен дәл синхрондалған.

For example, if a motor operates at 1,800 RPM (30 Hz), its harmonics appear at 60 Hz (2×), 90 Hz (3×), 120 Hz (4×), 150 Hz (5×), and so forth. The harmonic series is theoretically infinite, but in practice, amplitude decreases at higher orders and only the first several harmonics carry diagnostic information.

Гармоникалық жиілікті анықтау
fn = n × f1 = n × (RPM / 60)
where n = 1, 2, 3, 4… (harmonic order) and f₁ = shaft rotational frequency in Hz

Гармоникалар, субгармоникалар және синхронды емес шыңдар

Harmonics are integer multiples of shaft speed (2×, 3×, 4×…). Sub-harmonics are fractional multiples (½×, ⅓×, ¼×) and always indicate severe mechanical problems. Синхронды емес шыңдар — білік айналу жиілігімен байланысы жоқ жиіліктер, мысалы підіс ақау жиілігі, тісті дөңгелек торабының жиіліктері, желілік жиілік (50/60 Гц) немесе табиғи жиіліктерін — және олар үшін әртүрлі диагностикалық әдістер қолданылады. 3,57× RPM-дегі шың гармоника ЕМЕС; бұл, әдетте, подшипник ақаулығының жиілігі.

Гармоникалар неліктен пайда болады?

Таза синусоидалды күшпен қозатын мінсіз сызықтық жүйеде (мінсіз балансталған, мінсіз тегістелген ротор мінсіз подшипниктерде) тек 1× негізгі жиілік пайда болар еді. Нақты машиналар ешқашан мінсіз сызықтық болмайды. Гармоникалар тербелме толқынының пішіні таза синустан бұрмаланған кезде, яғни жүйенің жауабы non-linear немесе қоздырушы функцияның өзі синусоидалды емес болған кезде пайда болады.

Математика: Фурье’нің теоремасы

Фурье’нің теоремасы кез келген периодтық толқын пішінін — қаншалықты күрделі болса да — негізгі жиілік пен оның бүтін санды еселіктеріндегі синус толқындарының қосындысы ретінде белгілі амплитуда мен фазамен жіктеуге болатынын тұжырымдайды. Тербелме анализаторлары қолданатын ЖФТ (Жылдам Фурье түрлендіруі) алгоритмі бұл жіктеуді есептеу жолымен орындайды және сигналдың гармоникалық құрамын анықтайды.

A pure sine wave has only a single frequency component. A square wave contains all odd harmonics (1×, 3×, 5×, 7×…) with amplitudes decreasing as 1/n. A sawtooth wave contains all harmonics with amplitudes decreasing as 1/n. The specific shape of the distortion determines which harmonics appear — this is what makes harmonic analysis so diagnostically powerful.

Гармоникалар тудыратын физикалық механизмдер

  • Толқын пішінін кесу / қысқарту: Білік қозғалысы физикалық шектеулерге тап болғанда (подшипник корпусы, үйкеліс байланысы), нәтижесінде пайда болған толқын пішіні кесіліп, гармоникалар туындайды. Кесу неғұрлым күшті болса, соғұрлым көп гармоникалар пайда болады.
  • Асимметриялы қатаңдық: If system stiffness differs between positive and negative halves of the vibration cycle (cracked shaft opening/closing, misalignment creating different tension/compression stiffness), even harmonics (2×, 4×, 6×) are generated.
  • Impact events: Мерзімді соқпалар (босаған бұрандалар, подшипник ақауларынан туындаған соқпалар) гармоникалық мазмұны өте бай қысқа мерзімді өткір толқын пішіндерін жасайды — барабан таяқшасының көптеген обертондар шығаруына ұқсас.
  • Сызықтық емес қалпына келтіруші күштер: Қаттылық ығысуға байланысты өзгергенде (өзгермелі жүктеме астындағы подшипниктер, прогрессивті серпімді тіреулер), синусоидалды күшке жауап гармоникалар туғызады.
  • Параметрлік қоздыру: Жүйенің қасиеттері білік жылдамдығымен байланысты жиілікте мерзімді өзгергенде, олар қоздыру жиілігінің гармоникалары мен субгармоникаларын тудыруы мүмкін.
Негізгі диагностикалық принцип

Қандай гармоникалардың бар екені, олардың салыстырмалы амплитудалары және қайсысы жоқ екені — осының бәрі аналитикке сызықтық еместікті туғызатын физикалық механизмді анықтауға мүмкіндік береді. Тәжірибелі аналитиктер нақты ақаулық механизмдерін анықтау үшін жалпы тербеліс деңгейін ғана емес — спектрдің толық гармоникалық құрылымын зерттейді.

Ақаулық белгілерінің толық сипаттамасы — гармоникалық үлгілер

1× үстемдігі — теңгерімсіздік

Жоғары гармоникалары аз болған кездегі 1× жиілігіндегі үстем шың — mass unbalance. Теңгерімсіздік күші табиғаты бойынша синусоидалды болады (ол 1× жиілігімен біліктің айналуымен бірге айналады), нәтижесінде жиілік облысында таза бір ғана шың пайда болады.

Диагностикалық мәліметтер

  • Amplitude: Proportional to speed² (double speed → 4× amplitude) and proportional to unbalance mass
  • Кезең: Тұрақты, қайталанатын, бір мәнді. Сынақ салмағын қосқанда болжамды түрде өзгереді — бұл барлық балансировкалау рәсімдері
  • Direction: Негізінен радиалды бағытта; ротордың айтарлықтай шығыңқылығы болмаса, осьтік 1× төмен болады
  • Confirmation: Сынақ салмақтарына жауап теңгерімсіздікті растайды. Егер 1× сынақ салмақтарына жауап бермесе, білік майысуын, эксцентриситетін немесе резонансты қарастырыңыз
1× тербелістің барлығы теңгерімсіздік емес

Бірнеше жағдай теңгерімдеу арқылы жою МҮМКІН ЕМЕС жоғары 1× тудырады: білік майысуы, білік эксцентриситеті, жақындату зондтарындағы электрлік дөңгелексіздік, жылу әсерінен болатын ротор иілімі, муфта эксцентриситеті және resonance күшейту. Теңгерімдеуге кіріспес бұрын диагнозды әрқашан тексеріңіз.

2× үстемдігі — осьтер сәйкессіздігі

Күшті 2-ші гармоника, жиі 1× шыңымен салыстырымды немесе одан асатын амплитудамен, — валик орындау қателігі. Осьтер сәйкессіздігі әр айналым кезінде білікті синусоидалды емес траектория бойынша жүруге мәжбүрлейді, бұл 2× және кейде жоғары гармоникаларды туғызатын бұрмалануды тудырады.

Бұрыштық және параллель дұрыс емес туралау

  • Бұрыштық дұрыс емес туралау: Shaft centerlines intersect at an angle at the coupling. Produces high 1× axial vibration. Phase across coupling shows ~180° shift in the axial direction.
  • Параллель (ауытқымалы) дұрыс емес туралау: Shaft centerlines are parallel but offset. Produces high 2× radial vibration, often with 2× ≥ 1×. Severe cases generate 3× and 4×. Radial phase across coupling shows ~180° shift.
  • Combined: Іс жүзінде екеуі де бір мезгілде кездеседі, нәтижесінде спектрлік белгілердің аралас үлгісі пайда болады.

The 2×/1× Ratio as a Diagnostic Indicator

2×/1× Ratio Болжамды жағдай Action
< 0.25 Норма; 2× компоненті көптеген машиналарда төмен деңгейде болады Ешқандай шара қажет емес
0.25 – 0.50 Жеңіл дұрыс емес туралау мүмкін; кейбір муфта түрлері үшін норма Туралауды тексеру; базалық мәнмен салыстыру
0.50 – 1.00 Айтарлықтай дұрыс емес туралау ықтимал Лазерлік дәл туралауды жүргізу
> 1.00 Severe misalignment; 2× exceeds 1× Шұғыл — туралауды жөндеу; муфта мен құбыр кернеуін тексеру

Бірнеше гармоника — механикалық бос жүріс

Кең running speed harmonics (1×, 2×, 3×, 4×, 5×… to 10× or more) indicate механикалық ыршыл. Соқтығыстар, дірілдеу және сызықтық емес жанасу/айырылу циклдары толқын пішінінің экстремалды бұрмалануын туғызады, ол көптеген гармоникалық компоненттерге ыдырайды.

Бос жүрістің үш түрі

  • А түрі — Конструктивтік: Loose machine-to-foundation connection (soft foot, cracked base, loose anchor bolts). Produces directional 1× (higher in the loose direction). Key test: tighten/loosen individual bolts while monitoring 1× amplitude.
  • Б түрі — Компоненттік: Loose bearing liner in cap, loose cap on housing, excessive bearing clearance. Produces a family of harmonics, often with sub-harmonics (½×). Sub-harmonics are the key differentiator from misalignment (looseness, not misalignment, produces sub-harmonics).
  • В түрі — Подшипник ұясы: Біліктегі бос жатқан импеллер, бос муфта ступицасы, ротордың серпілуіне мүмкіндік беретін тіректегі артық саңылау. Кең жолақты шу деңгейінің көтерілуімен бірге көптеген гармоникалар тудырады.
Субгармоникалар: Механикалық босаңдықтың белгісі

The presence of sub-harmonics (½×, ⅓×) is the most reliable differentiator between looseness and misalignment. Misalignment generates 2× and 3× but rarely produces sub-harmonics. Looseness (Types B and C) characteristically generates ½× because the rotor contacts one side of the bearing on one half-revolution and bounces to the other on the next — creating a pattern that repeats every two revolutions, hence ½×.

Гармоникалар тудыратын басқа жағдайлар

Bent Shaft

Produces both 1× and 2× vibration with high axial component. Unlike misalignment, a bent shaft shows 1× that cannot be corrected by balancing (geometric eccentricity, not mass distribution) and ~180° axial phase difference between shaft ends. The 2× comes from asymmetric stiffness as the bend opens and closes during rotation.

Кривошипті механизмдер

Қозғалтқыштар, компрессорлар және кривошипті машиналар поршень/иінді білік қозғалысы түбегейлі синусоидалды емес болғандықтан, табиғи түрде бай гармоникалық спектр тудырады. Гармоникалық үлгі цилиндрлер санына, ысыру тәртібіне және жүріс түріне (2 жүрісті немесе 4 жүрісті) байланысты болады.

Rotor Rub

A partial rub (contact for a portion of each revolution) produces many high-order harmonics — sometimes to 10×, 20×, or more. A full annular rub (continuous 360° contact) generates dominant sub-harmonics (½×, ⅓×, ¼×) through reverse precession mechanisms.

Электр қозғалтқыштарындағы электрлік ақаулар

Айнымалы ток қозғалтқыштары білік жылдамдығынан тәуелсіз желі жиілігінің (50 немесе 60 Гц) еселіктерінде тербеліс тудырады. Ең жиі кездесетіні — желі жиілігінің 2 еселігі (50 Гц жүйелерінде 100 Гц, 60 Гц жүйелерінде 120 Гц). Бұл білік жылдамдығының гармоникасы ЕМЕС — бұл желі жиілігінің гармоникасы, ал бұл электрлік тербелісті механикалық тербелістен ажыратудың негізгі белгісі. power cut test шешуші болып табылады: электрлік тербеліс қуат өшірілген кезде бірден тоқтайды, ал механикалық тербеліс айналу инерциясы кезеңінде жалғасады.

Ротор шыбықтарының ақаулары полюс өту жиілігі аралығымен 1× жиілігінің айналасында жанжолақтар тудырады (slip frequency × number of poles). These sidebands are very close to 1× (within 1–5 Hz), requiring high-resolution zoom FFT ажырату үшін талдау жасау қажет.

Синхронды емес жиіліктер — шынайы гармоникалар емес

Бірнеше маңызды жиілік кейде гармоникалармен шатастырылады, бірақ олар шын мәнінде білік жылдамдығынан тәуелсіз:

Frequency Type Formula Айналым жиілігімен байланысы Notes
Істемелік ақталу жиіліктері BPFO, BPFI, BSF, FTF Non-integer multiples (e.g. 3.57×, 5.43×) Always non-synchronous; depends on bearing geometry
Тісті зацеп жиілігі GMF = тіс саны × АЖМ Бүтін сан, бірақ өте жоғары ретті Техникалық тұрғыдан гармоника, бірақ жеке талданады
Қалақша/пышақ өту жиілігі ҚӨЖ = қалақша саны × айн/мин Бүтін сан еселігі Қалыпты; артық амплитуда ақаулықтың белгісі
Line frequency FL = 50 немесе 60 Гц АЙН/МИН санына байланысты емес Электрлік; қуат өшірілгенде жоғалады
Табиғи жиіліктер fn = √(k/m)/2π Тұрақты; АЙН/МИН санына байланысты емес Жылдамдықтың өзгеруіне қарамастан тұрақты жиілік
Белдік жиіліктері fbelt = RPM×π×D/L Синхронды жиіліктен төмен (< біліктің айналу жылдамдығы) Belt frequency and its harmonics 2×, 3×, 4× BF

Талдау нұсқаулығы — Гармоникалық үлгілерді қалай интерпретациялау керек

1-қадам: Негізгі гармоникті анықтаңыз (1×)

Біліктің айналу жылдамдығына сәйкес келетін 1× шыңын табыңыз. Мыналарды пайдаланып тексеріңіз: tachometer немесе электр қозғалтқышының техникалық тақтайшасы. Айнымалы жылдамдықты машиналарда 1× әр өлшем үшін дәл анықталуы тиіс.

2-қадам: Барлық шыңдарды каталогтаңыз

Әрбір маңызды шың үшін анықтаңыз: ол 1×-тің нақты бүтін еселігі ме (шынайы гармоник)? Бөлшек еселік пе (субгармоник)? Біліктің айналу жылдамдығына байланысты емес пе (синхронды емес)? Тиімділік үшін анализатордың гармоникалық курсор мүмкіндіктерін пайдаланыңыз.

3-қадам: Амплитуда үлгісін зерттеңіз

  • Қандай гармоник басым? → Нақты ақаулықты көрсетеді
  • Қанша гармоник бар? → Саны артқан сайын бұрмалану ауырлығы жоғары
  • Does 2× exceed 1×? → Likely misalignment
  • Субгармониктер бар ма? → Ілмек, үйкеліс немесе oil whirl
  • Амплитуда реттілікпен азаяды ма (1/n төмендеу)? → Ілмеліктің типтік белгісі

4-қадам: Бағыттылықты тексеріңіз

  • Радиалды бағытта жоғары, осьтік бағытта төмен: Балансталмаушылық немесе ілмелік
  • High axial: Дисбаланс (әсіресе бұрыштық) немесе майысқан білік
  • Бағытты радиалды: Конструктивті босаңсу (босаң бағытта жоғарырақ)

5-қадам: Уақыт бойынша үрдіс

  • Гармоникалық амплитудалар өсуде ме? → Ақау дамып барады
  • Жаңа гармоникалар пайда болуда ма? → Жаңа ақау механизмі дамып жатыр
  • Шу деңгейі көтерілуде ме? → Жалпы тозу немесе соңғы сатыдағы істен шығу

6-қадам: Фазалық деректермен салыстыру

  • Unbalance: 1× фаза тұрақты және қайталанымды
  • Misalignment: 1× or 2× phase shows ~180° across coupling
  • Looseness: Фаза тұрақсыз, өлшемдер арасында кездейсоқ ауысуы мүмкін

Іс жүзінде алты қадамның барлығын нысанда екіканалды портативті аспаппен орындауға болады, мысалы Балансет-1А: акселерометрлерді орнатыңыз, машина жұмыс істеп тұрған кезде спектр мен 1× фазаны жазыңыз, және гармоникалық үлгіні жоғарыдағы диагностикалық кестемен тікелей салыстырыңыз — содан кейін роторды шешпей қалдық дисбалансты жойыңыз.

Кейс-зерттеулер — Нақты гармоникалық талдау мысалдары

1-кейс: Мотор-сорғы — Дисбаланс па, әлде дисбаланстыру ма?

Machine: Икемді муфта арқылы 2960 айн/мин жылдамдықпен орталықтан тепкіш сорғыны айналдыратын 30 кВт мотор. Жалпы тербеліс: мотордың жетек жақ подшипнигінде 6,2 мм/с.

Spectrum: 1× = 4.1 mm/s, 2× = 3.8 mm/s, 3× = 1.2 mm/s. The 2×/1× ratio = 0.93.

Direction: High radial 2× at both drive-end bearings. Axial 1× at coupling: motor = 2.8 mm/s, pump = 3.1 mm/s with 165° phase difference.

Diagnosis: Combined angular and parallel misalignment. The 2×/1× ratio approaching 1.0, high axial readings, and ~180° phase across coupling all confirm. NOT unbalance — even though 1× is elevated, the 2× pattern is the real story.

Action: Laser alignment performed. Post-alignment: 1× = 0.8 mm/s, 2× = 0.3 mm/s. Overall dropped to 1.1 mm/s — an 82% reduction.

2-кейс: Желдеткіш — Неліктен теңгеру нәтиже бермейді?

Machine: 1480 айн/мин жылдамдықтағы орталықтан тепкіш желдеткіш. Тербеліс: 8,5 мм/с. Алдыңғы теңгеру әрекеті 1× деңгейін төмендетті, бірақ жалпы тербеліс жоғары күйінде қалды.

Spectrum: 1× = 2.1 mm/s (low after balancing), 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.

Diagnosis: Mechanical looseness (Type B). The harmonic family with ½× sub-harmonic is the signature. Balancing corrected 1× but couldn’t address the looseness-generated harmonics that dominate overall vibration.

Action: Тексеру барысында подшипник корпусының тіреуіш тесігінде 0,08 мм босаңсуы анықталды. Корпус қайта өңделді және жаңа подшипник орнатылды. Жөндеуден кейін: барлық гармоникалар базалық деңгейге дейін төмендеді. Жалпы: 1,4 мм/с.

3-кейс: Компрессор моторы — Электрлік пе, механикалық па?

Machine: Бұрандалы компрессорды айналдыратын 4 полюсті, 50 Гц индукциялық мотор 1485 айн/мин. Тербеліс 3 ай ішінде 2,0-ден 5,5 мм/с-ке дейін өсті.

Spectrum: Dominant peak at 100 Hz (= 2FL). Also: 1× at 24.75 Hz = 1.2 mm/s, sidebands around 1× at ±1.0 Hz spacing.

Key Test: Қуат үзілді — 100 Гц жиіліктегі шың бір айналым ішінде нөлге дейін түсті. Бастапқы жылдамдықтан баяулау кезінде 1× бүйірлік жолақтар сақталды.

Diagnosis: Two problems: (1) Electrical — stator eccentricity causing 2FL. (2) Mechanical — 1× sidebands at ±1.0 Hz (= pole pass frequency for 4-pole motor with 1.0% slip) suggest developing rotor bar defect.

Action: Қозғалтқыш қайта орамға жіберілді. Расталды: 2 сынған ротор шыбығы + негіз шөгуінен туындаған статор эксцентриситеті. Қайта оралғаннан және прокладкалардан кейін: тербелім 1,6 мм/с.

Гармоникалық талдауға арналған Vibromera жабдығы

The Балансет-1А and Баланс-4 нақты уақытта қамтамасыз ету БҚХ спектрлік талдау with harmonic cursor tracking, enabling field identification of 1×, 2×, 3× patterns and fault diagnosis. The devices combine vibration analysis for diagnostics and precision теңгеру түзету үшін — мәселені анықтап, оны бір аспаппен шешу.

← Глоссарий индексіне қайту