Definisi: Apakah Harmonik?

Dalam analisis getaran, sebuah harmonik adalah frekuensi yang merupakan kelipatan integer tepat dari frekuensi asas. Dalam mesin berputar, frekuensi asas biasanya adalah kelajuan putaran aci, 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’s menyatakan bahawa sebarang bentuk gelombang berkala — tidak kira betapa kompleksnya — boleh dipecahkan kepada jumlah gelombang sinus pada frekuensi asas dan gandaan bulatnya, 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 aci dihadkan secara fizikal (rumah galas, 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 aci retak, ketidaksejajaran yang menghasilkan kekakuan tegangan/mampatan berbeza), harmonik genap (2×, 4×, 6×) akan terhasil.
  • Kejadian 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 ketaklinearan. 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 — Ketidakseimbangan

Satu puncak dominan pada 1× dengan harmonik lebih tinggi yang minimum adalah tanda tangan klasik bagi ketakseimbangan 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
  • Fasa: 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 julur 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× Berpunca daripada Ketidakseimbangan

Beberapa keadaan menghasilkan 1× yang tinggi yang TIDAK boleh diperbetulkan melalui penyeimbangan: aci bengkok, eksentrisiti aci, run-out 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 aci 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 aci bertembung pada sudut di kopling. Menghasilkan getaran paksi 1× yang tinggi. Fasa merentasi kopling menunjukkan pergeseran kira-kira 180° dalam arah paksi.
  • Ketidaksejajaran selari (ofset): Garisan tengah aci 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 mungkin Tindakan
kurang daripada 0.25 Normal; 2× hadir pada tahap rendah dalam kebanyakan mesin Tiada tindakan diperlukan
0.25 – 0.50 Ketidaksejajaran ringan mungkin berlaku; normal bagi sesetengah jenis penyambung. Semak penjajaran; bandingkan dengan garis dasar
0.50 – 1.00 Ketidaksejajaran ketara mungkin Melakukan penjajaran laser berketepatan tinggi
1.00 Ketidaksejajaran teruk; 2× melebihi 1× Segera — selaras semula; periksa sambungan dan ketegangan paip

Harmonik Berganda — Kelonggaran Mekanikal

Satu siri kaya kelajuan kendalian harmonics (1×, 2×, 3×, 4×, 5×… to 10× or more) indicate kelonggaran mekanikal. Impak, ketukan, 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 lembut, asas retak, bolt sauh longgar). Menghasilkan arah 1× (lebih tinggi pada arah kelonggaran). Ujian utama: ketatkan/longgarkan setiap bolt sambil memantau amplitud 1×.
  • Jenis B — Komponen: 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).
  • Jenis C — Tempat Duduk Galas: Impeller longgar pada aci, 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 paksi tinggi. Tidak seperti kesalahaan selaras, satu poros bengkok menunjukkan 1× yang tidak dapat diperbaiki dengan mengimbangi (eksentrisiti geometri, bukan pengedaran jisim) dan perbezaan fasa paksi ~180° antara hujung poros. 2× datang daripada kekakuan tidak simetri apabila lengkungan terbuka dan tertutup semasa putaran.

Mesin Pergerakan Bolak-Balik

Enjin, pemampat, dan mesin ulang-alik secara semula jadi menghasilkan spektrum harmonik yang kaya kerana gerakan omboh/aci engkol pada dasarnya tidak sinusoidal. Corak harmonik bergantung pada bilangan silinder, susunan penembakan, dan jenis lejang (2-lejang berbanding 4-lejang).

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 sidebands di sekitar 1× berjarak pada frekuensi pas kutub (kekerapan gelincir × bilangan kutub). Sidebands ini sangat dekat dengan 1× (dalam 1–5 Hz), memerlukan resolusi tinggi zoom FFT analisis untuk menyelesaikan.

Frekuensi Asinkron — Bukan Harmonik Sebenar

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

Jenis Kekerapan Formula Hubungan dengan RPM Nota
Kekerapan kerosakan galas BPFO, BPFI, BSF, FTF Ganda bukan integer (contohnya 3.57×, 5.43×) Sentiasa tidak serentak; bergantung pada geometri galas.
Frekuensi Jaringan Gear GMF = #gigi × RPM Bulat tetapi berperingkat sangat tinggi Secara teknikalnya ia adalah harmonik tetapi dianalisis secara berasingan.
Laluan bilah/sirip BPF = #bilah × RPM Ganda integer Normal; amplitud yang berlebihan menunjukkan masalah
Frekuensi talian FL = 50 atau 60 Hz Tidak berkaitan dengan RPM Elektrikal; hilang semasa pemadaman kuasa
Frekuensi semula jadi fn = √(k/m)/2π Tetap; tidak berkaitan dengan RPM Frekuensi tetap tanpa mengira perubahan kelajuan
Frekuensi tali sawat fpita pinggang = RPM×π×D/L Sub-sinkron (< kelajuan poros) Frekuensi tali sawat dan harmoniknya 2×, 3×, 4× BF

Panduan Analisis — Cara Menafsirkan Corak Harmonik

Langkah 1: Kenal pasti Asas (1×)

Cari puncak 1× yang sepadan dengan kelajuan putaran poros. Sahkan menggunakan a takometer atau papan nama motor. Dalam mesin kelajuan berubah-ubah, 1× mesti dikenal pasti dengan tepat untuk setiap pengukuran.

Langkah 2: Katalog Semua Puncak

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

Langkah 3: Periksa corak amplitud

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

Langkah 4: Semak arah

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

Langkah 5: Tren Sepanjang Masa

  • Adakah amplitud harmonik meningkat? → Kerosakan sedang berkembang
  • Adakah harmonik baru muncul? → Mekanisme kerosakan 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 gandingan.
  • Kelonggaran: Fasa tidak stabil, mungkin berubah secara rawak antara pengukuran.

Dalam praktik, keenam-enam langkah boleh dilaksanakan di lokasi dengan instrumen dua saluran mudah alih seperti Balanset-1A: pasang akselerometer, tangkap spektrum dan fasa 1× semasa mesin beroperasi, dan baca corak harmonic terus lawan jadual diagnostik di atas — kemudian betulkan sebarang ketidakseimbangan sisa tanpa mengeluarkan rotor.

Kajian Kes — Analisis Harmoni Dunia Sebenar

Kes 1: Motor-Pam — Adakah ia Ketidakseimbangan atau Ketidaksejajaran?

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-kutub, 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 lendutan 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 tapak bagi corak 1×, 2×, 3× dan diagnosis kerosakan. Peranti-peranti ini menggabungkan analisis getaran untuk diagnostik dan ketepatan menyeimbangkan untuk pembetulan — mengenal pasti masalah dan membetulkannya dengan satu instrumen.

← Kembali ke Indeks Glosari