Дефиниција: Што е хармоник?

Во анализата на вибрации, хармоник е фреквенција што претставува точен целоброен множител на основната фреквенција. Кај ротирачките машини, основната фреквенција вообичаено е брзината на вртење на вратилото, наречена прв хармоник или 1×. Следните хармоници се целоброени множители: 2× (двојна брзина на вратилото), 3× (тројна) и така натаму. Овие фреквенции се нарекуваат и редови од работната брзина, или синхрони хармоници бидејќи се прецизно синхронизирани со вртењето на вратилото.

На пример, ако мотор работи на 1.800 вртежи во минута (30 Hz), неговите хармоници се појавуваат на 60 Hz (2×), 90 Hz (3×), 120 Hz (4×), 150 Hz (5×) и така натаму. Хармониската серија теоретски е бесконечна, но во пракса амплитудата опаѓа кај повисоките редови и само првите неколку хармоници носат дијагностички информации.

Дефиниција на хармониска фреквенција
fn = n × f1 = n × (RPM / 60)
каде n = 1, 2, 3, 4… (ред на хармоник) и f₁ = ротациона фреквенција на вратилото во Hz

Хармоници наспроти суб-хармоници наспроти несинхрони врвови

Хармоници се целоброени множители на брзината на вратилото (2×, 3×, 4×…). Суб-хармоници се фракциони множители (½×, ⅓×, ¼×) и секогаш укажуваат на сериозни механички проблеми. Несинхрони врвови се фреквенции неповрзани со брзината на вратилото — како на пример фреквенции на дефекти на лежиштата, фреквенции на запченик (gear mesh), мрежна фреквенција (50/60 Hz), или сопствени фреквенции — и бараат поинакви дијагностички пристапи. Врв на 3,57× RPM НЕ е хармоник; тоа најверојатно е фреквенција на дефект на лежиштето.

Зошто се создаваат хармоници?

Во совршено линеарен систем возбуден со чиста синусоидна сила (како совршено избалансиран, совршено порамнет ротор во совршени лежишта), би се појавил само 1× основниот. Реалните машини никогаш не се совршено линеарни. Хармоници се појавуваат секогаш кога брановата форма на вибрацијата е искривена од чист синусоид — секогаш кога одѕивот на системот е нелинеарен или самата побудна функција е несинусоидна.

Математиката: теоремата на Фурие

Теоремата на Фурие наведува дека секоја периодична бранова форма — колку и да е сложена — може да се разложи на збир од синусоиди на основната фреквенција и нејзините целобројни множители, секоја со определена амплитуда и фаза. Алгоритмот FFT (Брза Фуриеова трансформација) што го користат вибрационите анализатори ја изведува ова разложување пресметковно, откривајќи ја хармониската содржина на сигналот.

Чист синусоид има само една фреквенциска компонента. Правоаголен бран содржи сите непарни хармоници (1×, 3×, 5×, 7×…) со амплитуди што опаѓаат како 1/n. Пилозабест бран содржи сите хармоници со амплитуди што опаѓаат како 1/n. Конкретната форма на искривувањето определува кои хармоници се појавуваат — токму тоа ја прави хармониската анализа толку моќна за дијагностика.

Физички механизми што создаваат хармоници

  • Отсекување / скратување на брановата форма: Кога движењето на вратилото е физички ограничено (куќиште на лежиштето, контакт при триење), добиената бранова форма е отсечена, што создава хармоници. Посилното отсекување создава повеќе хармоници.
  • Асиметрична крутост: Ако крутоста на системот се разликува меѓу позитивната и негативната половина од вибрациониот циклус (пукнато вратило што се отвора/затвора, неусогласеност што создава различна крутост на затегнување/притисок), се создаваат парни хармоници (2×, 4×, 6×).
  • Ударни настани: Периодичните удари (олабавени завртки, удари од дефект на лежиштето) создаваат остри, кратки бранови форми што се исклучително богати со хармониска содржина — слично на тоа како палката за тапан создава многу призвуци.
  • Нелинеарни повратни сили: Кога крутоста се менува со поместувањето (лежишта под променливо оптоварување, гумени носачи со прогресивна стапка), одѕивот на синусоидна сила содржи хармоници.
  • Параметарска побуда: Кога својствата на системот периодично се менуваат на фреквенција поврзана со брзината на вратилото, тие можат да создадат хармоници и подхармоници на побудната фреквенција.
Клучниот дијагностички принцип

Шемата на тоа кои хармоници се присутни, нивните релативни амплитуди и кои недостасуваат му кажува на аналитичарот кој физички механизам ја создава нелинеарноста. Искусните аналитичари ја разгледуваат целосната хармониска структура на спектарот — не само вкупното ниво на вибрации — за да ги идентификуваат конкретните механизми на дефект.

Детални потписи на дефекти — хармониски шеми

Доминантен 1× — дебаланс

Доминантен врв на 1× со минимални повисоки хармоници е класичниот потпис на масен дебаланс. Силата на дебалансот е инхерентно синусоидна (таа ротира со вратилото на фреквенција 1×), создавајќи чист единечен врв во фреквенцискиот домен.

Дијагностички детали

  • Амплитуда: Пропорционален на брзината² (двојна брзина → 4× амплитуда) и пропорционален на масата на дебалансот
  • Фаза: Стабилна, повторлива, еднозначна. Се менува предвидливо со додавање на пробен тег — тоа е основата на сите постапки за балансирање
  • Насока: Претежно радијален; аксијалниот 1× е низок освен ако роторот има значителен препуст
  • Потврда: Одѕивот на пробните тегови го потврдува дебалансот. Ако 1× не реагира на пробните тегови, разгледајте свиткано вратило, ексцентричност или резонанца
Не е секоја 1× вибрација дебаланс

Неколку состојби создаваат висок 1× што НЕ може да се коригира со балансирање: свиткано вратило, ексцентричност на вратилото, електричен runout на приближувачките сонди, свиткување на роторот од термички ефекти, ексцентричност на спојката и резонанца засилување. Секогаш потврдете ја дијагнозата пред да се обидете да балансирате.

Доминантен 2× — неусогласеност

Силен 2. хармоник, честопати споредлив по амплитуда со врвот 1× или поголем од него, е основниот показател на несоосност на вратилото. Неусогласеноста го присилува вратилото да поминува по несинусоидна патека при секое вртење, создавајќи го искривувањето што генерира 2×, а понекогаш и повисоки хармоници.

Аголна наспроти паралелна неусогласеност

  • Аголна неусогласеност: Централните оски на вратилата се сечат под агол кај спојката. Создава висока аксијална вибрација 1×. Фазата преку спојката покажува поместување од ~180° во аксијалната насока.
  • Паралелна (изместена) неусогласеност: Централните оски на вратилата се паралелни, но изместени. Создава висока радијална вибрација 2×, честопати со 2× ≥ 1×. Во тешки случаи создава 3× и 4×. Радијалната фаза преку спојката покажува поместување од ~180°.
  • Комбинирана: Во практика, обете обично коегзистираат, создавајќи мешавина од потписите.

Односот 2×/1× како дијагностички показател

Однос 2×/1× Веројатна состојба Акција
< 0.25 Нормално; 2× присутно на ниско ниво кај повеќето машини Не е потребна акција
0.25 – 0.50 Можно е благо несоосно поставување; нормално за некои типови на спојки Проверете го порамнувањето; споредете со референтната вредност
0.50 – 1.00 Веројатно значајно несоосно поставување Извршете прецизно ласерско порамнување
> 1.00 Тешко несоосно поставување; 2× го надминува 1× Итно — повторно порамнете; проверете ги спојката и напрегањето на цевките

Повеќекратни хармоници — механичка лабавост

Богата серија на работна брзина хармоници (1×, 2×, 3×, 4×, 5×… до 10× или повеќе) укажуваат на механичко разлабавување. Ударите, чегртањето и нелинеарните циклуси на контакт/разделување генерираат екстремно изобличување на брановата форма што се разложува на многу хармонични компоненти.

Три типа на лабавост

  • Тип А — структурна: Лабава врска машина-темел (мека нога, испукана основа, лабави анкер-завртки). Произведува насочена 1× вибрација (повисока во насоката на лабавоста). Клучен тест: затегнување/олабавување на поединечни завртки додека се следи амплитудата на 1×.
  • Тип Б — компонента: Лабава лежишна облога во капакот, лабав капак на куќиштето, преголем зазор на лежиштето. Произведува фамилија на хармоници, често со суб-хармоници (½×). Суб-хармониците се клучниот разликувач од несоосноста (лабавоста, а не несоосноста, произведува суб-хармоници).
  • Тип В — лежиште на седиштето: Лабаво работно коло на вратилото, лабаво главче на спојката, преголем зазор на лежиштето што му дозволува на роторот да отскокнува. Произведува многу хармоници со подигнат праг на широкопојасен шум.
Суб-хармоници: отпечатокот на лабавоста

Присуството на суб-хармоници (½×, ⅓×) е најпоузданиот разликувач помеѓу лабавоста и несоосноста. Несоосноста генерира 2× и 3×, но ретко произведува суб-хармоници. Лабавоста (типови Б и В) карактеристично генерира ½× бидејќи роторот контактира со едната страна на лежиштето при едно полу-вртење и отскокнува на другата при следното — создавајќи шема што се повторува на секои две вртења, оттука ½×.

Други состојби што генерираат хармоници

Свиткано вратило

Произведува и 1× и 2× вибрации со висока аксијална компонента. За разлика од несоосноста, свиткано вратило покажува 1× што не може да се коригира со балансирање (геометриска ексцентричност, а не распределба на масата) и разлика во аксијалната фаза од ~180° меѓу краевите на вратилото. 2× произлегува од асиметричната крутост додека виткањето се отвора и затвора при ротацијата.

Клипни машини

Моторите, компресорите и клипните машини инхерентно генерираат богати хармонични спектри бидејќи движењето на клипот/коленестото вратило е фундаментално несинусоидно. Хармоничната шема зависи од бројот на цилиндри, редоследот на палење и типот на такт (2-тактен наспроти 4-тактен).

Триење на роторот

Делумно триење (контакт во дел од секое вртење) произведува многу хармоници од висок ред — понекогаш до 10×, 20× или повеќе. Целосно прстенесто триење (континуиран контакт од 360°) генерира доминантни суб-хармоници (½×, ⅓×, ¼×) преку механизми на обратна прецесија.

Електрични проблеми кај моторите

Наизменичните (AC) мотори генерираат вибрации на умножоци од мрежната фреквенција (50 или 60 Hz) независно од брзината на вратилото. Најчеста е 2× мрежната фреквенција (100 Hz кај системи од 50 Hz, 120 Hz кај системи од 60 Hz). Ова НЕ е хармоник на брзината на вратилото — тоа е хармоник на мрежната фреквенција, што е клучот за разликување на електричните од механичките вибрации. тестот со прекин на напојувањето е дефинитивен: електричните вибрации моментално опаѓаат кога ќе се отстрани напојувањето, а механичките вибрации опстојуваат при заостанувањето на моторот.

Дефектите на роторните прачки произведуваат странични ленти околу 1× распоредени на фреквенцијата на минување на половите (фреквенција на лизгање × број на полови). Овие странични ленти се многу блиску до 1× (во опсег од 1–5 Hz), што бара високорезолуциска zoom FFT анализа за да се разрешат.

Несинхрони фреквенции — не се вистински хармоници

Неколку важни фреквенции понекогаш се мешаат со хармоници, но всушност се независни од брзината на вратилото:

Тип на фреквенција Формула Однос со вртежите во минута (RPM) Забелешки
Фреквенции на дефект на лежиштето BPFO, BPFI, BSF, FTF Нецелобројни умножоци (на пр. 3.57×, 5.43×) Секогаш несинхрони; зависат од геометријата на лежиштето
Фреквенција на запченување GMF = #заби × RPM Целоброен, но со многу висок ред Технички е хармоник, но се анализира одделно
Премин на лопатки/перки BPF = бр. на лопатки × вртежи Целоброен умножок Нормално; преголемата амплитуда укажува на проблем
Мрежна фреквенција FL = 50 или 60 Hz Не е поврзано со RPM Електрично; исчезнува при прекин на напојувањето
Сопствени фреквенции fn = √(k/m)/2π Фиксно; не е поврзано со RPM Константна фреквенција независно од промените во брзината
Фреквенции на ременот fремен = RPM×π×D/L Под-синхроно (< брзина на вратилото) Фреквенција на ременот и нејзините хармоници 2×, 3×, 4× BF

Водич за анализа — Како да се толкуваат хармониските обрасци

Чекор 1: Идентификувајте ја основната фреквенција (1×)

Лоцирајте го врвот 1× што одговара на ротациската брзина на вратилото. Проверете со помош на тахометар или плочката на моторот. Кај машините со променлива брзина, 1× мора прецизно да се идентификува за секое мерење.

Чекор 2: Каталогизирајте ги сите врвови

За секој значаен врв, определете: дали е точен цел множител на 1× (вистински хармоник)? Дробен множител (под-хармоник)? Неповрзан со брзината на вратилото (несинхрон)? За ефикасност користете ги функциите на хармонискиот курсор на анализаторот.

Чекор 3: Испитајте го обликот на амплитудата

  • Кој хармоник е доминантен? → Укажува на конкретен дефект
  • Колку хармоници се присутни? → Повеќе = посериозно изобличување
  • Дали 2× ја надминува 1×? → Веројатно неусогласеност
  • Дали се присутни под-хармоници? → Разлабавеност, триење или маслен вител
  • Дали амплитудата опаѓа со редот (опаѓање 1/n)? → Типично за разлабавеност

Чекор 4: Проверете ја насоченоста

  • Висока радијална, ниска аксијална: Небаланс или разлабавеност
  • Висока аксијална: Неусогласеност (особено аголна) или свиткано вратило
  • Насочена радијална: Структурна разлабавеност (повисока во разлабавената насока)

Чекор 5: Тренд низ времето

  • Дали амплитудите на хармониците се зголемуваат? → Дефектот напредува
  • Дали се појавуваат нови хармоници? → Се развива нов механизам на дефект
  • Дали се крева нивото на шум? → Општо абење или доцна фаза на дефект

Чекор 6: Корелирајте со фазните податоци

  • Дебаланс: Фазата на 1× е стабилна и повторлива
  • Несоосност: Фазата на 1× или 2× покажува ~180° преку спојката
  • Разлабавеност: Фазата е нестабилна, може случајно да се менува меѓу мерењата

Во пракса, сите шест чекори може да се извршат на самото место со преносен двоканален инструмент како што е Balanset-1A: монтирајте ги акцелерометрите, снимете го спектарот и фазата на 1× додека машината работи, и отчитајте го хармонискиот образец директно според дијагностичката табела погоре — потоа корегирајте го остаточниот небаланс без да го вадите роторот.

Студии на случај — Хармониска анализа од реалниот свет

Случај 1: Мотор-пумпа — Дали е небаланс или неусогласеност?

Машина: Мотор од 30 kW што погонува центрифугална пумпа на 2960 RPM преку флексибилна спојка. Вкупна вибрација: 6.2 mm/s на лежиштето од погонскиот крај на моторот.

Спектар: 1× = 4.1 mm/s, 2× = 3.8 mm/s, 3× = 1.2 mm/s. Односот 2×/1× = 0.93.

Насока: Висока радијална 2× кај двете лежишта од погонскиот крај. Аксијална 1× кај спојката: мотор = 2.8 mm/s, пумпа = 3.1 mm/s со фазна разлика од 165°.

Дијагноза: Комбинирана аголна и паралелна неусогласеност. Односот 2×/1× што се приближува кон 1.0, високите аксијални отчитувања и ~180° фаза преку спојката, сето тоа го потврдуваат. НЕ е небаланс — иако 1× е зголемена, вистинската приказна е обликот на 2×.

Дејство: Извршено е ласерско порамнување. По порамнувањето: 1× = 0.8 mm/s, 2× = 0.3 mm/s. Вкупно падна на 1.1 mm/s — намалување од 82%.

Случај 2: Вентилатор — Зошто не функционира балансирањето?

Машина: Центрифугален вентилатор на 1480 RPM. Вибрација: 8.5 mm/s. Претходниот обид за балансирање ја намали 1× но вкупната вибрација остана висока.

Спектар: 1× = 2.1 mm/s (ниска по балансирањето), 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.

Дијагноза: Механичка разлабавеност (Тип B). Потписот е фамилијата хармоници со под-хармоник ½×. Балансирањето ја корегираше 1× но не можеше да ги отстрани хармониците генерирани од разлабавеноста што доминираат во вкупната вибрација.

Дејство: Инспекцијата откри дека лежиштето на носачот е олабавено за 0,08 mm во отворот на постаментот. Куќиштето е препробиено и е вграден нов лежај. По поправката: сите хармоници паднаа на почетното ниво. Вкупно: 1,4 mm/s.

Случај 3: Мотор на компресор — електричен или механички проблем?

Машина: 4-полен индукциски мотор на 50 Hz при 1485 вртежи/мин што погонува завојен компресор. Вибрациите пораснаа од 2,0 на 5,5 mm/s во текот на 3 месеци.

Спектар: Доминантен врв на 100 Hz (= 2FL). Исто така: 1× на 24,75 Hz = 1,2 mm/s, странични ленти околу 1× со растојание од ±1,0 Hz.

Клучен тест: Прекин на напојувањето — врвот на 100 Hz падна на нула во рамките на еден вртеж. Страничните ленти на 1× опстанаа при слободното запирање.

Дијагноза: Два проблема: (1) Електричен — ексцентричност на статорот што предизвикува 2FL. (2) Механички — странични ленти на 1× при ±1,0 Hz (= фреквенција на минување на половите за 4-полен мотор со 1,0% лизгање) укажуваат на дефект на роторска прачка во развој.

Дејство: Моторот е испратен на премотување. Потврдено: 2 скршени роторски прачки + ексцентричност на статорот поради слегнување на основата. По премотувањето и подложувањето: вибрации 1,6 mm/s.

Опрема на Vibromera за анализа на хармоници

Тоа Balanset-1A и Balanset-4 обезбедуваат во реално време FFT анализа на спектарот со следење на хармонискиот курсор, овозможувајќи идентификација на терен на шаблоните 1×, 2×, 3× и дијагностика на дефекти. Уредите комбинираат анализа на вибрации за дијагностика и прецизно балансирање за корекција — идентификување на проблемот и негово решавање со еден инструмент.

← Назад кон индексот на речникот