Definisi: Apakah Harmonik?

Dalam analisis getaran, a harmonik adalah frekuensi yang merupakan kelipatan integer tepat dari frekuensi asas. Dalam mesin berputar, frekuensi asas biasanya adalah kelajuan putaran poros, dirujuk sebagai harmonik pertama atau 1×. Harmonik seterusnya adalah gandaan integer: 2× (dua kali kelajuan poros), 3× (tiga kali), dan seterusnya. Frekuensi ini juga dipanggil pesanan daripada kelajuan larian, atau harmonik serentak kerana ia diselaraskan dengan tepat mengikut putaran poros.

Sebagai contoh, jika sebuah 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. Rangkaian harmonik secara teori adalah tak terhingga, tetapi dalam praktik, amplitud menurun pada urutan yang lebih tinggi dan hanya beberapa harmonik pertama yang membawa maklumat diagnostik.

Definisi Frekuensi Harmonik
fn = n × f1 = n × (RPM / 60)
di mana n = 1, 2, 3, 4… (susunan harmonik) dan f₁ = frekuensi putaran poros dalam Hz
Harmonik vs. Sub-harmonik vs. Puncak tidak serentak

Harmonik adalah gandaan integer kelajuan poros (2×, 3×, 4×…). Sub-harmonik adalah ganda pecahan (½×, ⅓×, ¼×) dan sentiasa menunjukkan masalah mekanikal yang teruk. Puncak tidak serentak adalah frekuensi yang tidak berkaitan dengan kelajuan poros — seperti frekuensi kerosakan galas, frekuensi mesh gear, frekuensi talian (50/60 Hz), atau frekuensi semula jadi — dan memerlukan pendekatan diagnostik yang berbeza. Puncak pada 3.57× RPM bukanlah harmonik; ia mungkin frekuensi kerosakan galas.

Mengapa harmonik terhasil?

Dalam sistem yang sepenuhnya linear yang digerakkan oleh daya sinusoidal tulen (seperti rotor yang sepenuhnya seimbang dan sejajar sempurna dalam galas yang sempurna), hanya fundamental 1× akan muncul. Mesin sebenar tidak pernah sepenuhnya linear. Harmonik muncul setiap kali bentuk gelombang getaran terpesong daripada gelombang sinus tulen — setiap kali tindak balas sistem adalah tidak linear atau fungsi pemaksaan itu sendiri bukan sinusoidal.

Matematik: Teorem Fourier

Teorem Fourier menyatakan bahawa sebarang bentuk gelombang berkala — tidak kira betapa kompleksnya — boleh dipecahkan kepada jumlah gelombang sinus pada frekuensi asas dan gandaan bulatannya, setiap satu dengan amplitud dan fasa tertentu. Algoritma FFT (Fast Fourier Transform) yang digunakan oleh penganalisis getaran melaksanakan pemecahan ini secara komputasi, mendedahkan kandungan harmonik isyarat tersebut.

Gelombang sinus tulen hanya mempunyai satu komponen frekuensi. Gelombang segi empat sama mengandungi semua harmonik ganjil (1×, 3×, 5×, 7×…) dengan amplitud yang berkurangan mengikut 1/n. Gelombang gigi gerigi mengandungi semua harmonik dengan amplitud yang berkurangan mengikut 1/n. Bentuk distorsi yang khusus menentukan harmonik mana yang muncul — inilah yang menjadikan analisis harmonik begitu berkuasa dari segi diagnostik.

Mekanisme Fizikal yang Menghasilkan Harmonik

  • Pemotongan / pemendekan bentuk gelombang: Apabila pergerakan poros dihadkan secara fizikal (rumah bantalan, sentuhan geseran), bentuk gelombang yang terhasil dipotong, menghasilkan harmonik. Pemotongan yang lebih teruk menghasilkan lebih banyak harmonik.
  • Kekakuan tidak simetri: Jika kekakuan sistem berbeza antara separuh positif dan negatif kitaran getaran (pembukaan/penutupan poros retak, ketidaksejajaran yang menghasilkan kekakuan tegangan/mampatan berbeza), harmonik genap (2×, 4×, 6×) akan terhasil.
  • Acara impak: Impak berkala (impak bolt longgar, impak kecacatan galas) menghasilkan bentuk gelombang tajam dengan tempoh singkat yang sangat kaya dengan kandungan harmonik — seperti bagaimana kayu pemukul dram menghasilkan banyak nada tambahan.
  • Gaya pemulihan bukan linear: Apabila kekakuan berubah dengan pergeseran (galas di bawah beban yang berubah-ubah, dudukan getah kadar progresif), tindak balas terhadap daya sinusoidal mengandungi harmonik.
  • Pengagitan parametrik: Apabila sifat sistem berubah secara berkala pada frekuensi yang berkaitan dengan kelajuan poros, ia boleh menjana harmonik dan sub-harmonik frekuensi eksitasi.
Prinsip Diagnostik Utama

Corak harmonik yang hadir, amplitud relatifnya, dan harmonik yang tidak hadir memberitahu penganalisis mekanisme fizikal yang menjana bukan lineariti. Penganalisis berpengalaman meneliti struktur harmonik sepenuhnya dalam spektrum — bukan hanya tahap getaran keseluruhan — untuk mengenal pasti mekanisme kerosakan tertentu.

Signatur Kegagalan Terperinci — Corak Harmonik

1× Dominan — Tidak Seimbang

Satu puncak dominan pada 1× dengan harmonik lebih tinggi yang minimum adalah tanda tangan klasik bagi ketidakseimbangan jisim. Gaya tidak seimbang secara semula jadi bersifat sinusoidal (ia berputar bersama poros pada frekuensi 1×), menghasilkan satu puncak tunggal yang bersih dalam domain frekuensi.

Butiran Diagnostik

  • Amplitud: Secara berkadar dengan kelajuan kuasa dua (kelajuan berganda → amplitud 4 kali ganda) dan secara berkadar dengan jisim tidak seimbang
  • Phase: Stabil, boleh diulang, bernilai tunggal. Berubah secara boleh diramal apabila berat percubaan ditambah — ini adalah asas bagi semua prosedur penyeimbangan
  • Arah: Secara utama radial; 1× aksial adalah rendah melainkan rotor mempunyai overhang yang ketara.
  • Pengesahan: Respon terhadap berat ujian mengesahkan ketidakseimbangan. Jika 1× tidak memberi respons kepada berat ujian, pertimbangkan poros bengkok, eksentrisiti, atau resonans.
Tidak semua getaran 1× adalah tidak seimbang

Beberapa keadaan menghasilkan 1× yang tinggi yang TIDAK boleh diperbetulkan melalui penyeimbangan: poros bengkok, eksentrisiti poros, larian elektrik pada probe jarak dekat, lengkungan rotor akibat kesan terma, eksentrisiti kopling, dan resonans Penguatan. Sentiasa sahkan diagnosis sebelum cuba mengimbangkan.

2× Dominan — Ketidaksejajaran

Harmonik kedua yang kuat, sering kali setara atau melebihi amplitud puncak 1×, adalah petunjuk utama bagi salah jajaran aci. Ketidaksejajaran memaksa poros bergerak melalui laluan bukan sinusoidal pada setiap putaran, menghasilkan distorsi yang menjana harmonik 2× dan kadangkala harmonik yang lebih tinggi.

Ketidaksejajaran Bersudut vs. Selari

  • Ketidaksejajaran sudut: Garisan tengah poros bertembung pada sudut di penyambung. Menghasilkan getaran paksi 1× yang tinggi. Fasa merentasi penyambung menunjukkan pergeseran kira-kira 180° dalam arah paksi.
  • Ketidaksejajaran selari (geseran): Garisan tengah poros adalah selari tetapi tersasar. Menghasilkan getaran radial 2× yang tinggi, sering kali dengan 2× ≥ 1×. Kes teruk menghasilkan 3× dan 4×. Fasa radial merentasi kopling menunjukkan peralihan kira-kira 180°.
  • Jumlah: Dalam amalan, kedua-duanya biasanya wujud serentak, menghasilkan campuran tandatangan.

Perkadaran 2×/1× sebagai Penunjuk Diagnostik

Nisbah 2×/1×Kondisi yang mungkinTindakan
kurang daripada 0.25Normal; 2× hadir pada tahap rendah dalam kebanyakan mesinTiada tindakan diperlukan
0.25 – 0.50Ketidaksejajaran ringan mungkin berlaku; normal bagi sesetengah jenis penyambung.Semak penjajaran; bandingkan dengan garis dasar
0.50 – 1.00Ketidaksejajaran ketara mungkinMelakukan penjajaran laser berketepatan tinggi
1.00Ketidaksejajaran teruk; 2× melebihi 1×Segera — selaras semula; periksa sambungan dan ketegangan paip

Harmonik Berganda — Kelonggaran Mekanikal

Siri harmonik kelajuan larian yang kaya (1×, 2×, 3×, 4×, 5×… hingga 10× atau lebih) menunjukkan kelonggaran mekanikal. Impak, gegaran, dan kitaran sentuhan/pemisahan bukan linear menghasilkan distorsi bentuk gelombang yang melampau yang terurai kepada banyak komponen harmonik.

Tiga Jenis Kelonggaran

  • Jenis A — Struktur: Penyambungan longgar antara mesin dan asas (kaki longgar, asas retak, bolt sauh longgar). Menghasilkan arah 1× (lebih tinggi pada arah kelonggaran). Ujian utama: ketatkan/lemparkan setiap bolt sambil memantau amplitud 1×.
  • Jenis B — Komponen: Lapisan galas longgar dalam topi, topi longgar pada rumah, celah galas yang berlebihan. Menghasilkan satu keluarga harmonik, sering dengan sub-harmonik (½×). Sub-harmonik adalah pembeza utama daripada ketidaksejajaran.
  • Jenis C — Dudukannya: Impeller longgar pada poros, hab kopling longgar, celah galas yang berlebihan membenarkan rotor memantul. Menghasilkan banyak harmonik dengan peningkatan paras hingar jalur lebar.
Sub-Harmonik: Cap Jejak Kelonggaran

Kehadiran sub-harmonik (½×, ⅓×) adalah pembeza paling boleh dipercayai antara kelonggaran dan ketidaksejajaran. Ketidaksejajaran menghasilkan 2× dan 3× tetapi jarang menghasilkan sub-harmonik. Kelonggaran (Jenis B dan C) secara ciri menghasilkan ½× kerana rotor menyentuh satu sisi galas pada satu setengah pusingan dan memantul ke sisi lain pada pusingan seterusnya — mewujudkan corak yang berulang setiap dua pusingan, oleh itu ½×.

Syarat-syarat lain penjanaan harmonik

Aci Bengkok

Menghasilkan getaran 1× dan 2× dengan komponen aksial yang tinggi. Tidak seperti ketidaksejajaran, poros bengkok menunjukkan getaran 1× yang tidak dapat diperbetulkan melalui penyeimbangan (eksentrisiti geometri, bukan pengagihan jisim) dan perbezaan fasa aksial kira-kira 180° antara hujung poros. Getaran 2× berpunca daripada kekakuan tidak simetri apabila lekukan terbuka dan tertutup semasa putaran.

Mesin Pergerakan Bolak-Balik

Enjin, pemampat, dan mesin reciprocating secara semula jadi menghasilkan spektrum harmonik yang kaya kerana gerakan piston/poros engkol pada dasarnya tidak sinusoidal. Corak harmonik bergantung pada bilangan silinder, susunan penembakan, dan jenis langkah (2-langkah berbanding 4-langkah).

Gosok pemutar

Goresan separa (kontak pada sebahagian setiap putaran) menghasilkan banyak harmonik orde tinggi — kadang-kadang sehingga 10×, 20×, atau lebih. Goresan annular penuh (kontak 360° berterusan) menjana sub-harmonik dominan (½×, ⅓×, ¼×) melalui mekanisme presesi songsang.

Masalah Elektrikal dalam Motor

Motor AC menghasilkan getaran pada kelipatan frekuensi talian (50 atau 60 Hz) tanpa mengira kelajuan poros. Yang paling biasa ialah 2× frekuensi talian (100 Hz dalam sistem 50 Hz, 120 Hz dalam sistem 60 Hz). Ini BUKAN harmonik kelajuan poros — ia adalah harmonik frekuensi talian, yang menjadi kunci untuk membezakan getaran elektrik daripada getaran mekanikal. ujian pemadaman kuasa Adalah muktamad: getaran elektrik berhenti serta-merta apabila kuasa ditarik balik, manakala getaran mekanikal berterusan semasa meluncur perlahan.

Kecacatan bar rotor menghasilkan jalur sisi sekitar 1× yang terpisah pada frekuensi lulus kutub (frekuensi selip × bilangan kutub). Jalur sisi ini sangat hampir dengan 1× (dalam lingkungan 1–5 Hz), memerlukan analisis FFT zum beresolusi tinggi untuk menyelesaikannya.

Frekuensi Asinkron — Bukan Harmonik Sebenar

Beberapa frekuensi penting kadangkala dikelirukan dengan harmonik tetapi sebenarnya tidak bergantung pada kelajuan poros:

Jenis KekerapanFormulaHubungan dengan RPMNotes
Kekerapan kerosakan galasBPFO, BPFI, BSF, FTFGanda bukan integer (contohnya 3.57×, 5.43×)Sentiasa tidak serentak; bergantung pada geometri galas.
Kekerapan mesh gearGMF = #teeth × RPMBulat tetapi berdarjat yang sangat tinggiSecara teknikalnya ia adalah harmonik tetapi dianalisis secara berasingan.
Pasa bilah/siripBPF = #blades × RPMGanda integerNormal; amplitud yang berlebihan menunjukkan masalah
Frekuensi talianFL = 50 atau 60 HzTidak berkaitan dengan RPMElektrikal; hilang semasa pemadaman kuasa
Frekuensi semula jadifn = √(k/m)/2πDiperbaiki; tidak berkaitan dengan RPMFrekuensi tetap tanpa mengira perubahan kelajuan
Frekuensi tali pinggangfpita pinggang = RPM×π×D/LSub-sinkron (< kelajuan poros)Frekuensi tali pinggang dan harmoniknya 2×, 3×, 4× BF

Panduan Analisis — Cara Menafsirkan Corak Harmonik

Langkah 1: Kenal pasti Asas (1×)

Lokasi puncak 1× yang sepadan dengan kelajuan putaran poros. Sahkan menggunakan takometer atau plat nama motor. Pada mesin berkelajuan boleh ubah, 1× mesti dikenal pasti dengan tepat bagi setiap pengukuran.

Langkah 2: Katalog Semua Puncak

Untuk setiap puncak harmonik yang ketara, tentukan: adakah ia gandaan integer tepat 1× (harmonik sebenar)? Gandaan pecahan (sub-harmonik)? Tidak berkaitan dengan kelajuan poros (tidak selari)? Gunakan ciri kursor harmonik penganalisis untuk kecekapan.

Langkah 3: Periksa corak amplitud

  • Harmonik mana yang dominan? → Menunjuk kepada ralat tertentu
  • Berapa banyak harmonik yang hadir? → Lebih banyak = distorsi yang lebih teruk
  • Adakah 2× melebihi 1×? → Kemungkinan penjajaran yang salah
  • Adakah sub-harmonik hadir? → Kelonggaran, geseran, atau pusaran minyak
  • Adakah amplitud berkurang dengan pesanan (peluruhan 1/n)? → Lazim bagi kelonggaran

Langkah 4: Semak arah

  • Radial tinggi, aksial rendah: Ketidakseimbangan atau kelonggaran
  • Aksial tinggi: Ketidaksejajaran (terutamanya sudut) atau poros bengkok
  • Radial arah: Kelonggaran struktur (lebih tinggi dalam arah kendur)

Langkah 5: Tren Sepanjang Masa

  • Adakah amplitud harmonik meningkat? → Rekahan sedang berkembang
  • Adakah harmonik baru muncul? → Mekanisme ralat baru sedang berkembang
  • Adakah paras hingar meningkat? → Keausan umum atau kerosakan peringkat akhir

Langkah 6: Korelasikan dengan Data Fasa

  • Tidak seimbang: Fasa 1× adalah stabil dan boleh diulang.
  • salah jajaran: Fasa 1× atau 2× menunjukkan kira-kira 180° merentasi pengikatan.
  • Kelonggaran: Fasa tidak stabil, mungkin berubah secara rawak antara pengukuran.

Kajian Kes — Analisis Harmoni Dunia Sebenar

Kes 1: Motor-Pam — Adakah ia tidak seimbang atau terselaras?

Mesin: Motor 30 kW memacu pam sentrifugal pada 2960 RPM melalui kopling fleksibel. Getaran keseluruhan: 6.2 mm/s pada galas hujung pemacu motor.

Spektrum: 1× = 4.1 mm/s, 2× = 3.8 mm/s, 3× = 1.2 mm/s. Nisbah 2×/1× = 0.93.

Arah: Getaran radial tinggi 2× pada kedua-dua galas hujung pemacu. Getaran aksial 1× pada kopling: motor = 2.8 mm/s, pam = 3.1 mm/s dengan perbezaan fasa 165°.

Diagnosis: Ketidaksejajaran sudut dan selari gabungan. Nisbah 2×/1× yang hampir 1.0, bacaan paksi yang tinggi, dan fasa kira-kira 180° merentasi penyambung mengesahkannya. BUKAN ketidakseimbangan — walaupun 1× meningkat, corak 2× adalah cerita sebenar.

Tindakan: Penjajaran laser telah dilakukan. Selepas penjajaran: 1× = 0.8 mm/s, 2× = 0.3 mm/s. Secara keseluruhan menurun kepada 1.1 mm/s — pengurangan 82%.

Kes 2: Kipas — Mengapa Penyeimbangan Tidak Berfungsi?

Mesin: Kipas sentrifugal pada 1480 RPM. Getaran: 8.5 mm/s. Cubaan penyeimbangan sebelum ini mengurangkan 1× tetapi getaran keseluruhan kekal tinggi.

Spektrum: 1× = 2.1 mm/s (rendah selepas 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.

Diagnosis: Kelonggaran mekanikal (Jenis B). Keluarga harmonik dengan sub-harmonik ½× adalah ciri utamanya. Penyeimbangan telah membetulkan 1× tetapi tidak dapat menangani harmonik yang dihasilkan oleh kelonggaran yang menguasai getaran keseluruhan.

Tindakan: Pemeriksaan mendedahkan rumah galas longgar sebanyak 0.08 mm dalam lubang pedestal. Rumah galas telah dibor semula dan galas baru dipasang. Selepas pembaikan: semua harmonik kembali ke paras asas. Keseluruhan: 1.4 mm/s.

Kes 3: Motor Pemampat — Elektrikal atau Mekanikal?

Mesin: Motor induksi 4-kutu, 50 Hz pada 1485 RPM yang memacu pemampat skru. Getaran meningkat daripada 2.0 hingga 5.5 mm/s dalam tempoh 3 bulan.

Spektrum: Puncak dominan pada 100 Hz (= 2FL). Juga: 1× pada 24.75 Hz = 1.2 mm/s, jalur sisi sekitar 1× pada selang ±1.0 Hz.

Ujian Utama: Pemotongan kuasa — puncak 100 Hz turun kepada sifar dalam satu pusingan. Sisihan sisi 1× berterusan semasa pelambatan.

Diagnosis: Dua masalah: (1) Elektrikal — eksentrisiti stator menyebabkan 2FL. (2) Mekanikal — jalur sisi 1× pada ±1.0 Hz (= frekuensi lulus kutub untuk motor 4-kutub dengan selip 1.0%) mencadangkan kecacatan bar rotor yang sedang berkembang.

Tindakan: Motor dihantar untuk digulung semula. Disahkan: 2 bar rotor patah + keeksentrikan stator akibat kelenturan asas. Selepas digulung semula dan pemasangan shim: getaran 1.6 mm/s.

Peralatan Vibromera untuk Analisis Harmoni

The Balanset-1A and Balanset-4 menyediakan secara masa nyata Analisis spektrum FFT dengan penjejakan kursor harmonik, membolehkan pengecaman medan corak 1×, 2×, 3× dan diagnosis ralat. Peranti-peranti ini menggabungkan analisis getaran untuk diagnostik dan ketepatan balancing untuk pembetulan — mengenal pasti masalah dan membetulkannya dengan satu instrumen.

← Kembali ke Indeks Glossari