Forstå asynkron vibrasjon
Asynkron vibrasjon (også kalt ikke-synkron vibrasjon) er vibrasjon ved frekvenser som er ikke heltallige multipler — bestillinger — av akselens rotasjonshastighet. I motsetning til synkron vibrasjon fra ubalanse eller feiljustering (som alltid ender på 1×, 2× eller 3× kjørehastigheten), oppstår asynkron vibrasjon ved frekvenser som bestemmes av komponentens geometri, elektromagnetiske effekter eller eksterne kilder, snarere enn av selve akselens rotasjon.
Å skille mellom synkront og asynkront innhold er en av de mest grunnleggende ferdighetene innen maskinteknikk diagnostikk, fordi denne inndelingen umiddelbart avgrenser søket etter årsaken. Synkrone komponenter tyder på roterende masse eller geometriske problemer knyttet til rotoren; asynkrone komponenter tyder derimot på feil i rullelagrene, elektriske feil eller påvirkninger som stammer fra utenfor rotoren. Å få denne klassifiseringen riktig på et tidlig tidspunkt sparer en analytiker for eksempel for å balansere en maskin der det egentlige problemet er et defekt lager.
1. Synkron vs. asynkron: Det viktigste skillet
Grensen defineres utelukkende av bestille — forholdet mellom en vibrasjonsfrekvens og frekvensen til driftshastigheten. En topp ved en heltallig orden er synkron og låst til akselrotasjonen; en topp ved en brøkdel av en orden er asynkron og følger en annen klokke.
- Synkron (heltallige rekkefølger): 1,00×, 2,00×, 3,00× — ubalanse, feilinnretting, a bøyd aksel, certain løshet patterns.
- Asynkron (bestillinger som ikke er heltall): 2,47×, 3,57×, 0,45× — lagerfeil, elektriske ledninger, subsynkrone ustabiliteter og eksterne kilder.
En nyttig underkategori er subharmonic — energy nedenfor 1× (for eksempel en 0,5×-topp forårsaket av kraftig slark eller gnidning). Subharmoniske svingninger er en form for asynkront innhold, og de inngår i de subsynkrone ustabilitetene som blir nærmere omtalt nedenfor.
2. Vanlige årsaker til asynkron vibrasjon
Feil ved rullelager (de vanligste)
Den klart dominerende kilden til asynkron vibrasjon:
- Frekvenser for lagerfeil: BPFO, BPFI, BSF og FTF bestemmes av lagerets geometri og er aldri eksakte multipler av akselhastigheten.
- Eksempel: En motor med 1800 o/min (30 Hz) kan vise en BPFO på 107 Hz – det er 3,57 ganger akselhastigheten, noe som åpenbart ikke er et heltall.
- Diagnostisk verdi: En uregelmessig frekvens gir umiddelbart grunn til mistanke om et lagerproblem.
- Oppdagelse: konvoluttanalyse er den viktigste metoden for å synliggjøre disse komponentene, ofte lenge før de blir synlige i det vanlige spekteret.
Elektriske frekvenser
Elektromagnetiske vibrasjoner som ikke har noe med akselhastigheten å gjøre:
- 2× nettfrekvens: 120 Hz ved 60 Hz-nettforsyning eller 100 Hz ved 50 Hz-nettforsyning, uavhengig av motorhastigheten.
- Eksempel: En 2-polet 60 Hz-motor går med omtrent 3550 o/min (59,2 Hz), men dens vibrasjon, som er dobbelt så høy som nettfrekvensen, ligger på 120 Hz – 2,03 ganger akselhastigheten, asynkron.
- Polpassfrekvens: er kanskje ikke et heltallig multiplum.
- VFD harmonics: Drivverkets skiftefrekvenser har ingen sammenheng med akselhastigheten.
Eksterne kilder
- Tilstøtende utstyr: vibrasjoner som overføres gjennom gulvet fra maskiner i nærheten.
- Bygning eller fundament: strukturelle resonanser ved faste frekvenser.
- Prosesspulseringer: trykkbølger som beveger seg gjennom rørledninger.
- Akustiske resonanser: stående bølger i kanaler eller lukkede rom.
Sub-synkrone ustabiliteter
- Oljevirvel: vanligvis 0,42–0,48 ganger akselhastigheten (ikke akkurat halvparten).
- Oil whip: fester seg til rotorens naturlig frekvens, ikke til akselhastigheten.
- Ustabiliteter i forseglingen: ofte ved frekvenser som bestemmes av strømningslære. Dette er klassiske eksempler på rotorinstabilitet.
Tilfeldig vibrasjon
- Kavitasjon: tilfeldig boblebrudd, bredbånd.
- Turbulens: tilfeldige strømningssvingninger.
- Gniding: kaotisk kontakt som forårsaker ikke-periodiske svingninger.
3. Identifisering i spektra
Spektrumkarakteristikker
- Fast frekvens: Vises med samme Hz-verdi uavhengig av hastighetsendringer
- Order shifts: Hvis hastigheten varierer, endres rekkefølgen for den asynkrone frekvensen (siden rekkefølgen er frekvens ÷ akselhastighet).
- Fossefallsplot: asynkrone komponenter vises som vertical linjer, synkrone komponenter som diagonal linjer — den mest intuitive måten å skille dem fra hverandre på.
- Ordnespektrum: asynkrone topper oppstår ved ikke-heltallige ordener (2,47×, 3,57× og så videre).
Diagnostisk prosedyre
- Bestem løpehastigheten fra 1×-toppen eller, mer pålitelig, en turteller.
- Beregn ordrer ved å dividere hver toppfrekvens med kjørefrekvensen.
- Integer orders (1,00×, 2,00×, 3,00×) er synkrone.
- Bestillinger som ikke er heltall (2,47×, 3,57×) er asynkrone.
- Sammenlign med feiltyper ved å sammenligne de beregnede frekvensene med frekvenser fra lagre, elektriske ledninger og lignende.
På maskiner med variabel hastighet blir denne separasjonen renere under ordreanalyse, som omregner frekvensaksen til multipler av løpehastigheten, slik at synkrone topper står stille mens asynkrone beveger seg.
4. Diagnostisk betydning
Lagerfeil
- Asynkrone topper ved BPFO, BPFI eller BSF tyder umiddelbart på en lagerproblemer.
- Beregn de teoretiske lagrefrekvensene og sammenlign dem med de observerte toppene.
- En avvik på rundt ±5 % bekrefter en feil i lageret.
- Harmoniske og sidebånd ... gir ytterligere bekreftelse på feilfrekvensen.
Du kan omgå beregningen ved å bruke en Kalkulator for hyppighet av lagerfeil, som beregner BPFO, BPFI, BSF og FTF direkte ut fra lagergeometrien og akselhastigheten.
Elektromagnetiske problemer
- En 2× nettfrekvensledning på 100/120 Hz peker mot stator eller luftspalte problemer.
- Frekvensen forblir konstant uavhengig av hastighetsendringer.
- Analysen av motorstrømmen bekrefter at årsaken er elektrisk.
Ekstern vibrasjon
- Spisser som ikke samsvarer verken med maskinens hastighet eller lagerfrekvensene.
- De kan falle sammen med driftshastigheten til utstyr i nærheten.
- Det må gjennomføres en årsaksundersøkelse, etterfulgt av isolering eller utbedring.
5. Analyseteknikker for asynkron vibrasjon
Konvoluttanalyse
- Den viktigste metoden for å oppdage feil i lagre.
- Fremhever de gjentatte effektene som skaper asynkront innhold.
- Demper sterke synkrone lavfrekvente komponenter.
- Viser lagerfrekvensene tydelig i det resulterende konvoluttspektrum.
Høyfrekvent akselerasjon
- Asynkrone lagerfeil opptrer ofte i høyfrekvensområdet (over 1 kHz).
- Bruk akselerometre med en høy Fmax-innstilling.
- Dette fanger opp støt og høyfrekvente resonanser som ikke registreres ved lavfrekvente hastighetsmålinger.
Cepstrum-analyse
- Cepstrum-analyse er effektiv til å finne periodiske mønstre som ligger skjult i asynkrone signaler.
- Den oppdager hele grupper av overtoner eller sidebånd på en gang.
- Spesielt nyttig for komplekse lagre og utstyr signatures.
6. Praktiske eksempler
Motor med en defekt i lageret
- Running speed: 1750 o/min (29,17 Hz).
- Synkrone komponenter: 1 gang ved 29,17 Hz, 2 ganger ved 58,34 Hz.
- Asynkron komponent: en topp ved 107 Hz (3,67 ganger akselhastigheten).
- Diagnose: 107 Hz stemmer overens med den beregnede BPFO → defekten i det ytre løpet.
- Bekreftelse: Den asynkrone driften tyder på et lagerproblem, ikke et problem med rotoren.
VFD-motor med variabel hastighet
- Motorhastigheten varierer fra 1200 til 1800 o/min.
- 1×-toppen beveger seg i takt med hastigheten (synkront).
- 120 Hz-toppen forblir stabil (asynkron, 2× linjefrekvens).
- Diagnose: en elektromagnetisk komponent fra 60 Hz-nettet.
I feltarbeidet er denne separasjonen en del av det daglige arbeidet med en bærbar analysator. Fordi et instrument som Balanset-1A Ved å avlese driftshastigheten fra det optiske turtelleren samtidig som vibrasjonsspekteret, kan den umiddelbart markere om en gitt topp er synkron eller asynkron – og dermed gi ingeniøren umiddelbar beskjed om løsningen er å balansere rotoren eller skifte et lager. Gjenkjenning av asynkron innhold gjennom ikke-heltallige ordener, fast frekvens til tross for hastighetsendringer eller vertikal signatur på et vannfallskart er det som muliggjør nøyaktig identifisering av lagerfeil, elektriske problemer og ytre påvirkninger – og viser veien til riktig korrigerende tiltak.
