Definīcija: Kas ir harmoniska?

Vibrāciju analīzē, harmonisks ir frekvence, kas ir precīzs pamatfrekvences vesela skaitļa daudzkārtnis. Rotējošās mašīnās pamatfrekvence parasti ir vārpstas griešanās ātrums, ko sauc par 1. harmoniku jeb 1×. Turpmākās harmonikas ir veselu skaitļu daudzkārtņi: 2× (divreiz lielāks vārpstas ātrums), 3× (trīs reizes lielāks) utt. Šīs frekvences sauc arī par pasūtījumi darba ātruma vai sinhronās harmonikas jo tie ir precīzi sinhronizēti ar vārpstas rotāciju.

Piemēram, ja motors darbojas ar ātrumu 1800 apgr./min (30 Hz), tā harmonikas parādās pie 60 Hz (2×), 90 Hz (3×), 120 Hz (4×), 150 Hz (5×) un tā tālāk. Harmoniku sērija teorētiski ir bezgalīga, bet praksē amplitūda samazinās pie augstākām kārtām, un tikai pirmās vairākas harmonikas satur diagnostikas informāciju.

Harmoniskās frekvences definīcija
fn = n × f1 = n × (apgr./min. / 60)
kur n = 1, 2, 3, 4… (harmoniskā kārta) un f₁ = vārpstas rotācijas frekvence Hz

Harmonikas pret subharmonikām pret nesinhroniem pīķiem

Harmonikas ir vārpstas ātruma veseli skaitļu daudzkārtņi (2×, 3×, 4×…). Subharmonikas ir daļskaitļu daudzkārtņi (½×, ⅓×, ¼×) un vienmēr norāda uz nopietnām mehāniskām problēmām. Nesinhronās virsotnes ir frekvences, kas nav saistītas ar vārpstas ātrumu, piemēram, gultņu defektu frekvences, zobratu sazobes frekvences, līnijas frekvence (50/60 Hz) vai dabiskās frekvences — un tām ir nepieciešamas dažādas diagnostikas pieejas. Maksimums pie 3,57 × apgr./min NAV harmonika; tā, visticamāk, ir gultņa defekta frekvence.

Kāpēc rodas harmonikas?

Perfekti lineārā sistēmā, ko ierosina tīrs sinusoidāls spēks (piemēram, perfekti līdzsvarots, perfekti noregulēts rotors perfektos gultņos), parādītos tikai 1× pamatfrekvence. Reālas mašīnas nekad nav perfekti lineāras. Harmonikas parādās ikreiz, kad vibrācijas viļņa forma ir izkropļota no tīra sinusoidāla viļņa — ikreiz, kad sistēmas reakcija ir nelineārs vai arī pati piespiedu funkcija nav sinusoidāla.

Matemātika: Fūriera teorēma

Furjē teorēma apgalvo, ka jebkuru periodisku viļņu formu — lai cik sarežģīta tā būtu — var sadalīt sinusoidālu viļņu summā pie pamatfrekvences un tās veselu skaitļu daudzkārtņiem, katram ar noteiktu amplitūdu un fāzi. Vibrāciju analizatoru izmantotais FFT (ātrās Furjē transformācijas) algoritms veic šo sadalīšanu skaitļošanas ceļā, atklājot signāla harmonisko saturu.

Tīram sinusoidālam vilnim ir tikai viena frekvences komponente. Taisnstūra vilnis satur visas nepāra harmonikas (1×, 3×, 5×, 7×…), kuru amplitūda samazinās par 1/n. Zāģzobains vilnis satur visas harmonikas, kuru amplitūda samazinās par 1/n. Konkrētā kropļojuma forma nosaka, kuras harmonikas parādās — tas padara harmonisko analīzi tik diagnostiski spēcīgu.

Fiziskie mehānismi, kas rada harmonikas

  • Viļņu formas apgriešana/saīsināšana: Kad vārpstas kustība ir fiziski ierobežota (gultņa korpuss, berzes kontakts), iegūtā viļņu forma tiek nogriezta, radot harmonikas. Spēcīgāka nogriešana rada vairāk harmoniku.
  • Asimetriskā stingrība: Ja sistēmas stingrība atšķiras starp vibrācijas cikla pozitīvajiem un negatīvajiem puscikliem (plaisas atvēršanās/aizvēršanās vārpstā, asu nesakritība, kas rada atšķirīgu stiepes/saspiedes stingrību), rodas pāra harmonikas (2×, 4×, 6×).
  • Ietekmes notikumi: Periodiski triecieni (vaļīgas skrūves, gultņu defektu triecieni) rada asas, īslaicīgas viļņu formas, kas ir ārkārtīgi bagātas ar harmonisku saturu — līdzīgi kā bungu nūja rada daudz virstoņu.
  • Nelineāri atjaunojošie spēki: Kad stingrība mainās līdz ar pārvietojumu (gultņi mainīgas slodzes apstākļos, progresīvas stingrības gumijas stiprinājumi), reakcija uz sinusoidālu spēku satur harmonikas.
  • Parametriskā ierosme: Kad sistēmas īpašības periodiski mainās frekvencē, kas saistīta ar vārpstas ātrumu, tās var ģenerēt ierosmes frekvences harmonikas un apakšharmonikas.
Galvenais diagnostikas princips

Harmoniku klātbūtnes modelis, to relatīvās amplitūdas un to neesamība norāda analītiķim, kāds fizikālais mehānisms rada nelinearitāti. Pieredzējuši analītiķi pārbauda visu spektra harmonisko struktūru — ne tikai kopējo vibrācijas līmeni —, lai identificētu konkrētus defektu mehānismus.

Detalizētas kļūmju pazīmes — harmoniskie modeļi

1× Dominējošais — Nelīdzsvarotība

Dominējošais maksimums pie 1× ar minimālām augstākām harmonikām ir klasiska pazīme masas disbalanss. Nelīdzsvarotības spēks pēc savas būtības ir sinusoidāls (tas rotē ar vārpstu ar frekvenci 1×), radot tīru vienu pīķi frekvences apgabalā.

Diagnostikas detaļas

  • Amplitūda: Proporcionāli ātrumam² (divkāršs ātrums → 4× amplitūda) un proporcionāli nelīdzsvarotības masai
  • Fāze: Stabils, atkārtojams, ar vienu vērtību. Mainās paredzami, pievienojot izmēģinājuma svaru — tas ir visa pamatā. balansēšanas procedūras
  • Virziens: Galvenokārt radiāls; aksiālais 1× ir zems, ja vien rotoram nav ievērojama pārkare
  • Apstiprinājums: Reakcija uz izmēģinājuma atsvariem apstiprina nelīdzsvarotību. Ja 1× nereaģē uz izmēģinājuma atsvariem, apsveriet saliektu vārpstu, ekscentricitāti vai rezonansi.
Ne visa 1× vibrācija ir nelīdzsvarotība

Vairāki apstākļi rada augstu 1×, ko NAV iespējams labot ar balansēšanu: saliekta vārpsta, vārpstas ekscentricitāte, elektriskā novirze tuvuma zondēs, rotora izliekums termisko efektu dēļ, savienojuma ekscentricitāte un rezonanse pastiprinājums. Pirms balansēšanas mēģinājuma vienmēr pārbaudiet diagnozi.

2× Dominējošā — Nesasvietojums

Spēcīga otrā harmonika, kuras amplitūda bieži vien ir salīdzināma ar 1× maksimumu vai lielāka, ir galvenais indikators vārpstas nobīde. Nepareiza izlīdzināšana katra apgrieziena laikā spiež vārpstu pa nesinusoidālu ceļu, radot kropļojumu, kas rada 2× un dažreiz augstākas harmonikas.

Leņķiskā un paralēlā nobīde

  • Leņķiskā nobīde: Vārpstas centra līnijas krustojas leņķī pie savienojuma. Rada augstu 1× aksiālo vibrāciju. Fāze pāri savienojumam uzrāda ~180° nobīdi aksiālajā virzienā.
  • Paralēlā (nobīdes) asu nesakritība: Vārpstas centra līnijas ir paralēlas, bet nobīdītas. Rada augstu 2× radiālo vibrāciju, bieži vien ar 2× ≥ 1×. Smagos gadījumos rodas 3× un 4×. Radiālā fāze pāri savienojumam uzrāda ~180° nobīdi.
  • Apvienots: Praksē abi parasti pastāv līdzās, radot abu pazīmju sajaukumu.

2×/1× attiecība kā diagnostikas indikators

2×/1× attiecība Iespējamais stāvoklis Darbība
< 0,25 Normāli; 2× atrodas zemā līmenī lielākajā daļā iekārtu Nav nepieciešama darbība
0,25–0,50 Iespējama neliela nescentrēšanās; dažiem savienojumu veidiem tā ir normāla parādība. Pārbaudiet izlīdzināšanu; salīdziniet ar bāzes līniju
0,50–1,00 Iespējama būtiska nepareiza izlīdzināšana Veiciet precīzu lāzera izlīdzināšanu
> 1,00 Ievērojama asu nesakritība; 2× pārsniedz 1× Steidzami — jāveic atkārtota izlīdzināšana; jāpārbauda savienojums un cauruļvadu spriegums

Vairākas harmonikas — mehāniskais vaļīgums

Bagāta sērija darba ātrums harmonics (1×, 2×, 3×, 4×, 5×… to 10× or more) indicate mehānisks vaļīgums. Triecieni, grabēšana un nelineārie kontakta/atdalīšanas cikli rada ārkārtēju viļņu formas kropļojumu, kas sadalās daudzās harmoniskās komponentēs.

Trīs vaļīguma veidi

  • A tips — Konstrukcija: Vaļīgs mašīnas savienojums ar pamatu (mīksta pēda, saplaisājusi pamatne, vaļīgas enkura skrūves). Rada virziena 1× vibrāciju (augstāka vaļīgajā virzienā). Galvenais tests: pievelciet/atslābiniet atsevišķas skrūves, vienlaikus uzraugot 1× amplitūdu.
  • B tips — Sastāvdaļa: 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).
  • C tips — Gultņa ligzda: Vaļīgs lāpstiņritenis uz vārpstas, vaļīgs savienojuma rumba, pārmērīga gultņa spēle, kas ļauj rotoram lēkāt. Rada daudzas harmonikas ar platjoslas trokšņa līmeņa paaugstināšanos.
Subharmonikas: vaļīguma pirkstu nospiedums

Subharmoniku klātbūtne (½×, ⅓×) ir visuzticamākais atšķirības rādītājs starp vaļīgumu un nobīdi. Nobīde rada 2× un 3×, bet reti rada subharmonikas. Vaļīgums (B un C tips) raksturīgi rada ½×, jo rotors viena pusapgrieziena laikā pieskaras gultņa vienai pusei un nākamā pusapgrieziena laikā atlec uz otru, radot modeli, kas atkārtojas ik pēc diviem apgriezieniem, tātad ½×.

Citi harmonikas ģenerējošie apstākļi

Izliekta vārpsta

Rada gan 1×, gan 2× vibrāciju ar lielu aksiālo komponenti. Atšķirībā no neprecīzas sastatīšanas, a izliekta vārpsta norāda uz 1× lielu novirzi, ko nevar novērst ar balansēšanu (ģeometriska ekscentricitāte, nevis masas sadalījums), un aptuveni 180° lielu ass fāžu starpību starp vārpstas galiem. 2× lielā novirze rodas no asimetriskas stingrības, jo liece atveras un aizveras rotācijas laikā.

Virzuļmašīnas

Dzinēji, kompresori un virzuļmašīnas pēc savas būtības ģenerē bagātīgus harmoniskos spektrus, jo virzuļa/kloķvārpstas kustība principiāli nav sinusoidāla. Harmoniskais modelis ir atkarīgs no cilindru skaita, aizdedzes secības un gājiena veida (2 taktu vai 4 taktu).

Rotora berzēšana

Daļēja berzēšana (saskarsme katra apgrieziena daļā) rada daudzas augstākas kārtas harmonikas — dažreiz līdz 10×, 20× vai vairāk. Pilnīga gredzenveida berzēšana (nepārtraukts 360° kontakts) ģenerē dominējošās apakšharmonikas (½×, ⅓×, ¼×), izmantojot apgrieztās precesijas mehānismus.

Elektriskās problēmas motoros

Maiņstrāvas motori ģenerē vibrāciju tīkla frekvences daudzkārtņos (50 vai 60 Hz) neatkarīgi no vārpstas ātruma. Visizplatītākā ir 2 × tīkla frekvence (100 Hz 50 Hz sistēmās, 120 Hz 60 Hz sistēmās). Šī NAV vārpstas ātruma harmonika — tā ir tīkla frekvences harmonika, kas ir galvenais, lai atšķirtu elektrisko vibrāciju no mehāniskās. strāvas padeves pārtraukuma tests ir noteicošs: elektriskā vibrācija uzreiz izzūd, atvienojot strāvu, mehāniskā vibrācija saglabājas brīvgājiena laikā.

Rotora stieņa defekti rada sānu joslas ap 1×, kuru intervāls atbilst polu pārejas frekvencei (slīdēšanas frekvence × polu skaits). Šīs sānu joslas ir ļoti tuvu 1× (1–5 Hz robežās), tāpēc ir nepieciešama augsta izšķirtspēja tālummaiņas FFT analīze, lai atrisinātu.

Nesinhronās frekvences — tās nav īstas harmonikas

Vairākas svarīgas frekvences dažreiz tiek sajauktas ar harmonikām, bet patiesībā tās nav atkarīgas no vārpstas ātruma:

Frekvences tips Formula Saistība ar RPM Piezīmes
Gultņu defektu frekvences BPFO, BPFI, BSF, FTF Neveselu skaitļu daudzkārtņi (piemēram, 3,57×, 5,43×) Vienmēr nesinhroni; atkarīgs no gultņu ģeometrijas
Zobratu sazobes frekvence GMF = #zobi × RPM Vesels skaitlis, bet ļoti augsta kārta Tehniski harmonika, bet analizēta atsevišķi
Asmens/lāpstiņas caurlaide BPF = lāpstiņu skaits × RPM Vesels daudzkārtnis Normāli; pārmērīga amplitūda norāda uz problēmu
Tīkla frekvence FL = 50 vai 60 Hz Nav saistīts ar RPM Elektriska; pazūd strāvas padeves pārtraukuma gadījumā
Dabiskās frekvences fn = √(k/m)/2π Fiksēts; nav saistīts ar RPM Nemainīga frekvence neatkarīgi no ātruma izmaiņām
Siksnas frekvences fjosta = RPM × π × D/L Subsinhrons (< vārpstas ātrums) Siksnas frekvence un tās harmonikas 2×, 3×, 4× BF

Analīzes ceļvedis — kā interpretēt harmoniskos modeļus

1. darbība: identificējiet fundamentālo komponentu (1×)

Atrodiet 1× maksimumu, kas atbilst vārpstas rotācijas ātrumam. Pārbaudiet, izmantojot tahometrs vai motora tipa plāksnīte. Mašīnās ar maināmu apgriezienu skaitu katram mērījumam precīzi jānosaka 1×.

2. solis: Katalogizējiet visas virsotnes

Katram nozīmīgajam maksimumam nosakiet: vai tas ir precīzs 1× vesela skaitļa daudzkārtnis (patiesā harmonika)? Daļskaitļa daudzkārtnis (subharmonika)? Nav saistīts ar vārpstas ātrumu (nesinhrons)? Efektivitātes labad izmantojiet analizatora harmonikas kursora funkcijas.

3. solis: amplitūdas modeļa pārbaude

  • Kura harmonika ir dominējošā? → Norāda uz konkrētu defektu
  • Cik harmoniku ir klāt? → Vairāk = smagāks kropļojums
  • Vai 2× pārsniedz 1×? → Iespējams neizlīdzinājums
  • Vai ir novērojamas subharmonikas? → Vaļīgums, berze vai eļļas virpulis
  • Vai amplitūda samazinās ar kārtu (1/n kritums)? → Tipiski vaļīgumam

4. darbība: Pārbaudiet virzienu

  • Augsts radiālais, zems aksiālais: Nelīdzsvarotība vai vaļīgums
  • Augsta aksiālā: Nescentrēšanās (īpaši leņķiska) vai saliekta vārpsta
  • Virziena radiālais: Strukturālais vaļīgums (lielāks vaļīgā virzienā)

5. solis: tendence laika gaitā

  • Vai harmoniskās amplitūdas palielinās? → Defekts progresē.
  • Vai parādās jaunas harmonikas? → Attīstās jauns kļūmju mehānisms
  • Vai trokšņa līmenis paaugstinās? → Vispārējs nodilums vai vēlīnas stadijas atteice

6. darbība: korelācija ar fāzes datiem

  • Nelīdzsvarotība: 1× fāze ir stabila un atkārtojama
  • Neatbilstība: 1× vai 2× fāze rāda ~180° pāri savienojumam
  • Vaļīgums: Fāze ir nestabila, var nejauši mainīties starp mērījumiem

Praksē visus sešus posmus var veikt uz vietas, izmantojot pārnēsājamo divkanālu mērinstrumentu, piemēram, Balanset-1A: uzstādiet akselerometrus, reģistrējiet spektru un 1× fāzi, kamēr iekārta darbojas, un nosakiet harmonisko raksturu, salīdzinot ar iepriekš minēto diagnostikas tabulu — pēc tam novēršiet jebkādu atlikušo disbalansu, neizņemot rotoru.

Gadījumu izpēte — reālās pasaules harmoniskā analīze

1. gadījums: Motors-sūknis — vai tas ir disbalanss vai nesacentrēšana?

Mašīna: 30 kW motors, kas darbina centrbēdzes sūkni ar ātrumu 2960 apgr./min, izmantojot elastīgu savienojumu. Kopējā vibrācija: 6,2 mm/s pie motora piedziņas gala gultņa.

Spektrs: 1× = 4,1 mm/s, 2× = 3,8 mm/s, 3× = 1,2 mm/s. Attiecība 2×/1× = 0,93.

Virziens: Augsts radiālais 2× pie abiem piedziņas puses gultņiem. Aksiālais 1× pie savienojuma: motors = 2,8 mm/s, sūknis = 3,1 mm/s ar 165° fāzes starpību.

Diagnoze: Kombinēta leņķiskā un paralēlā nobīde. 2×/1× attiecība, kas tuvojas 1,0, augsti aksiālie rādījumi un ~180° fāze savienojumā — tas viss apstiprina diagnozi. NEVIS disbalanss — pat ja 1× ir paaugstināts, patiesais rādītājs ir 2× spektra raksts.

Darbība: Veikta lāzera izlīdzināšana. Pēc izlīdzināšanas: 1× = 0,8 mm/s, 2× = 0,3 mm/s. Kopumā samazinājās līdz 1,1 mm/s — 82% samazinājums.

2. gadījums: Ventilators — kāpēc balansēšana nedarbojas?

Mašīna: Centrbēdzes ventilators ar ātrumu 1480 apgr./min. Vibrācija: 8,5 mm/s. Iepriekšējais balansēšanas mēģinājums samazināja 1×, bet kopējā vibrācija saglabājās augsta.

Spektrs: 1× = 2,1 mm/s (zems pēc balansēšanas), 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.

Diagnoze: Mehāniskais vaļīgums (B tips). Harmoniku saime ar ½× subharmoniku ir raksturīgākā. Balansēšana tika koriģēta 1×, bet neizdevās novērst vaļīguma radītās harmonikas, kas dominē kopējā vibrācijā.

Darbība: Pārbaudes laikā tika atklāts, ka gultņa korpuss ir 0,08 mm vaļīgs kājstata urbumā. Korpuss ir atkārtoti urbts un uzstādīts jauns gultnis. Pēc remonta: visas harmonikas nokrita līdz sākotnējam līmenim. Kopā: 1,4 mm/s.

3. gadījums: kompresora motors — elektriska vai mehāniska problēma?

Mašīna: 4 polu, 50 Hz indukcijas motors ar 1485 apgr./min, kas darbina skrūves kompresoru. Vibrācija 3 mēnešu laikā palielinājās no 2,0 līdz 5,5 mm/s.

Spektrs: Dominējošais maksimums pie 100 Hz (= 2FL). Arī: 1× pie 24,75 Hz = 1,2 mm/s, sānu joslas ap 1× ar ±1,0 Hz atstarpi.

Galvenais tests: Strāvas padeves pārtraukums — 100 Hz maksimums nokrita līdz nullei viena apgrieziena laikā. 1× sānu joslas saglabājās arī brīvgaitas laikā.

Diagnoze: Divas problēmas: (1) Elektriska — statora ekscentricitāte, kas izraisa 2FL. (2) Mehāniska — 1× sānu joslas pie ±1,0 Hz (= pola caurlaides frekvence 4 polu motoram ar 1,0% slīdi) liecina par rotora stieņa defekta attīstību.

Darbība: Motors nosūtīts pārtīšanai. Apstiprināts: 2 salauzti rotora stieņi + statora ekscentricitāte no pamatnes noslīdējuma. Pēc pārtīšanas un starpliku ievietošanas: vibrācija 1,6 mm/s.

Vibromera aprīkojums harmoniskai analīzei

Portāls Balanset-1A un balansēšanas komplekts-4 nodrošināt reāllaika FFT spektra analīze ar harmoniskā kursora izsekošanu, kas ļauj identificēt 1×, 2×, 3× modeļus uz vietas un veikt bojājumu diagnostiku. Ierīces apvieno vibrācijas analīzi diagnostikai un precizitātei līdzsvarošana korekcijai — problēmas identificēšanai un novēršanai ar vienu instrumentu.

← Atgriezties pie glosārija rādītāja