Asynchrone trillingen begrijpen
Asynchrone trillingen (ook wel niet-synchrone trilling genoemd) is trillingen op frequenties die niet exacte gehele veelvouden zijn — orden — van de rotatiesnelheid van de as. In tegenstelling tot synchrone trilling van onbalans of verkeerde uitlijning (die altijd op 1×, 2×, 3× van de draaisnelheid valt), treedt asynchrone trilling op bij frequenties die worden bepaald door componentgeometrie, elektromagnetische effecten of externe bronnen, en niet door de rotatie van de as zelf.
Het onderscheiden van synchrone en asynchrone componenten is een van de meest fundamentele vaardigheden in machine- diagnostiek, omdat de scheiding de zoektocht naar een oorzaak onmiddellijk vernauwt. Synchrone componenten wijzen op roterende massa of geometrische problemen die verband houden met de rotor; asynchrone componenten wijzen daarentegen op defecten aan rollementen, elektrische storingen of invloeden die van buiten de rotor afkomstig zijn. Door deze classificatie in een vroeg stadium correct te maken, voorkomt een analist dat hij bijvoorbeeld een machine probeert te balanceren waarvan het werkelijke probleem een defect lager is.
1. Synchroon vs. asynchroon: het kernonderscheid
De grens wordt volledig bepaald door de orde — de verhouding van een trillingsfrequentie tot de draaisnelheidsfrequentie. Een piek op een exacte gehele-getalsorde is synchroon en gekoppeld aan de asrotatie; een piek op een fractionele orde is asynchroon en volgt een andere klok.
- Synchroon (gehele orden): 1,00×, 2,00×, 3,00× — onbalans, uitlijnfout, a gebogen as, certain losheid patterns.
- Asynchroon (niet-gehele orden): 2,47×, 3,57×, 0,45× — lagerdefecten, elektrische netfrequenties, subsynchrone instabiliteiten en externe bronnen.
Een nuttige subcategorie is de subharmonisch — energy onder 1× (bijvoorbeeld een 0,5×-piek door ernstige losheid of wrijving). Subharmonischen zijn een vorm van asynchrone inhoud en staan naast de subsynchrone instabiliteiten die hieronder verder worden besproken.
2. Veelvoorkomende bronnen van asynchrone trillingen
Defecten aan rollend-element lagers (meest voorkomend)
Veruit de belangrijkste bron van asynchrone trillingen:
- Lagerfoutfrequenties: BPFO, BPFI, BSF en FTF worden bepaald door de lagergeometrie en zijn nooit exacte veelvouden van de assnelheid.
- Voorbeeld: een motor van 1800 RPM (30 Hz) kan een BPFO vertonen op 107 Hz — dat is 3,57× de assnelheid, duidelijk geen geheel getal.
- Diagnostische waarde: een asynchrone frequentie wekt onmiddellijk het vermoeden van een lagerprobleem.
- Detectie: envelopanalyse is de belangrijkste techniek om deze componenten zichtbaar te maken, vaak ruim voordat ze in het gewone spectrum verschijnen.
Elektrische frequenties
Elektromagnetische trillingen die niet gerelateerd zijn aan de assnelheid:
- 2× netfrequentie: 120 Hz bij 60 Hz-voeding of 100 Hz bij 50 Hz-voeding, onafhankelijk van de motorsnelheid.
- Voorbeeld: een 2-polige 60 Hz motor draait op circa 3550 RPM (59,2 Hz), maar de trillingscomponent op tweemaal de netfrequentie bevindt zich op 120 Hz — 2,03× astoerental, asynchroon.
- Poolpasseerfrequentie: hoeft geen exact geheel veelvoud te zijn.
- VFD harmonics: schakelfrequenties van aandrijvingen hebben geen verband met de assnelheid.
Externe bronnen
- Nabijgelegen apparatuur: trillingen die via de vloer worden overgedragen vanuit nabijgelegen machines.
- Gebouw of fundering: structurele resonanties op vaste frequenties.
- Procespulsaties: drukgolven die door leidingen reizen.
- Akoestische resonanties: staande golven in kanalen of behuizingen.
Sub-synchrone instabiliteiten
- Oliewerveling: doorgaans 0,42–0,48× astoerental (niet precies de helft).
- Olie zweep: koppelt aan de rotor’s natuurlijke frequentie, niet aan de assnelheid.
- Afdichtingsinstabiliteiten: vaak op frequenties bepaald door vloeistofdynamica. Dit zijn klassieke voorbeelden van rotorinstabiliteit.
Willekeurige trillingen
- Cavitatie: willekeurige bel-implosie, breedbandig.
- Turbulentie: willekeurige stromingsfluctuaties.
- Wrijving: chaotisch contact dat niet-periodieke trillingen veroorzaakt.
3. Identificatie in spectra
Spectrumkenmerken
- Vaste frequentie: Verschijnt op dezelfde Hz-waarde, ongeacht snelheidsveranderingen
- Order shifts: als de toersnelheid varieert, verandert een asynchrone frequentie van orde (omdat de orde gelijk is aan frequentie ÷ astoerental).
- Watervaldiagram: asynchrone componenten verschijnen als vertical lijnen, synchrone componenten als diagonal lijnen — de meest intuïtieve manier om ze van elkaar te onderscheiden.
- Ordespectrum: asynchrone pieken vallen op niet-gehele ordes (2,47×, 3,57×, enzovoort).
Diagnostische procedure
- Bepaal de rotatiesnelheid van de 1×-piek of, betrouwbaarder, een toerenteller.
- Bereken de orders door de frequentie van elke piek te delen door de toersnelheidsfrequentie.
- Integer orders (1,00×, 2,00×, 3,00×) zijn synchroon.
- Niet-gehele orders (2,47×, 3,57×) zijn asynchroon.
- Koppel aan fouttypen door de berekende frequenties te vergelijken met lagerfrequenties, elektrische lijnfrequenties en dergelijke.
Bij machines met variabel toerental is deze scheiding duidelijker onder orderanalyse, waarbij de frequentieas wordt geherefereerd aan veelvouden van de toersnelheid, zodat synchrone pieken stilstaan terwijl asynchrone pieken verschuiven.
4. Diagnostische betekenis
Lagerdefecten
- Asynchrone pieken bij BPFO, BPFI of BSF wijzen onmiddellijk op een lagerprobleem.
- Bereken de theoretische lagerfrequenties en vergelijk ze met de waargenomen pieken.
- Een overeenkomst binnen circa ±5% bevestigt een lagerfout.
- Harmonischen en zijbanden van de defectfrequentie geven verdere bevestiging.
U kunt het rekenwerk omzeilen met een calculator voor lagerdefectfrequenties, die BPFO, BPFI, BSF en FTF rechtstreeks uit de lagergeometrie en astoerental retourneert.
Elektromagnetische problemen
- Een lijn op de dubbele lijnfrequentie bij 100/120 Hz wijst op stator of air-gap problemen.
- De frequentie blijft constant, ongeacht toertalvariaties.
- Analyse van de motorstroom bevestigt de elektrische oorsprong.
Externe trillingen
- Pieken die noch overeenkomen met de machinetoersnelheid, noch met lagerfrequenties.
- Ze kunnen samenvallen met de draaisnelheid van nabijgelegen apparatuur.
- Brononderzoek is vereist, gevolgd door isolatie of correctie.
5. Analysetechnieken voor asynchrone trillingen
Envelopanalyse
- De primaire techniek voor het opsporen van lagerdefecten.
- Versterkt de repetitieve schokken die asynchrone inhoud produceren.
- Onderdrukt sterke synchrone laagfrequente componenten.
- Toont lagerfrequenties duidelijk in het resulterende enveloppespectrum.
Hoogfrequente versnelling
- Asynchrone lagerdefecten bevinden zich vaak in het hoogfrequente bereik (boven 1 kHz).
- Gebruik versnellingsmeters met een hoge Fmax-instelling.
- Dit legt de schokken en hoogfrequente resonanties vast die laagfrequente snelheidsmetingen missen.
Cepstrum-analyse
- Cepstrum-analyse is effectief bij het vinden van periodieke patronen die verborgen zitten in asynchrone signalen.
- Het detecteert tegelijk hele families van harmonischen of zijbanden.
- Bijzonder nuttig voor complexe lager- en tandwiel signatures.
6. Praktische voorbeelden
Motor met een lagerdefect
- Running speed: 1750 RPM (29,17 Hz).
- Synchrone componenten: 1× bij 29,17 Hz, 2× bij 58,34 Hz.
- Asynchrone component: een piek bij 107 Hz (3,67× astoerental).
- Diagnose: 107 Hz komt overeen met de berekende BPFO → buitenringdefect.
- Bevestiging: het asynchrone karakter bevestigt een lagerprobleem, geen rotorprobleem.
VFD-motor met variabele snelheid
- De motorsnelheid varieert van 1200 tot 1800 RPM.
- De 1×-piek beweegt mee met de snelheid (synchroon).
- De 120 Hz-piek blijft op zijn plaats (asynchroon, 2× netfrequentie).
- Diagnose: een elektromagnetische component afkomstig van de 60 Hz-voeding.
In de praktijk is deze scheiding het dagelijkse werk van een draagbare analyser. Want een instrument zoals de Balanset-1A leest het toerental via zijn optische tachometer uit, tegelijk met het trillingsspectrum, zodat het ter plekke kan aangeven of een bepaalde piek synchroon of asynchroon is — waarmee de engineer direct weet of de oplossing ligt in het balanceren van de rotor of het vervangen van een lager. Het herkennen van asynchrone inhoud aan zijn niet-gehele-getal-ordes, zijn vaste frequentie ondanks snelheidsveranderingen, of zijn verticale signatuur op een watervalplot is wat een nauwkeurige identificatie van lagerdefecten, elektrische problemen en externe invloeden mogelijk maakt — en de weg wijst naar de juiste corrigerende maatregel.
