Zrozumienie drgań asynchronicznych
Drgania asynchroniczne (nazywane również drganiami niesynchronicznymi) to wibracja przy częstotliwościach, które wynoszą nie dokładne wielokrotności całkowite — rzędy — prędkości obrotowej wału. W przeciwieństwie do drgania synchroniczne z niewyważenie lub niewspółosiowość (która zawsze wynosi 1×, 2× lub 3× prędkość obrotową), wibracje asynchroniczne występują przy częstotliwościach wynikających z geometrii elementów, zjawisk elektromagnetycznych lub źródeł zewnętrznych, a nie z samego obrotu wału.
Umiejętność odróżniania treści synchronicznych od asynchronicznych jest jedną z podstawowych umiejętności w diagnostyce maszynowej diagnostyka, ponieważ takie rozróżnienie od razu zawęża zakres poszukiwań przyczyny. Składowe synchroniczne wskazują na masę obrotową lub problemy geometryczne związane z wirnikiem; składowe asynchroniczne wskazują natomiast na usterki elementów tocznych, awarie elektryczne lub czynniki pochodzące spoza wirnika. Prawidłowe dokonanie tej klasyfikacji na wczesnym etapie pozwala analitykowi uniknąć np. wyważania maszyny, której rzeczywistą przyczyną awarii jest uszkodzone łożysko.
1. Synchroniczny a asynchroniczny: podstawowa różnica
Granica jest w całości wyznaczona przez rząd — stosunek częstotliwości drgań do częstotliwości prędkości obrotowej. Szczyt o dokładnym porządku całkowitoliczbowym jest synchroniczny i zsynchronizowany z obrotami wału; szczyt o porządku ułamkowym jest asynchroniczny i podlega innemu zegarowi.
- Synchroniczne (porządki całkowitoliczbowe): 1,00×, 2,00×, 3,00× — niewyważenie, niewspółosiowość, a wygięty wał, certain rozluźnienie patterns.
- Asynchroniczne (porządki niecałkowite): 2,47×, 3,57×, 0,45× — uszkodzenia łożysk, przewody elektryczne, niestabilności podsynchroniczne oraz źródła zewnętrzne.
Przydatną podkategorią jest subharmoniczna — energy poniżej 1× (na przykład szczyt o wartości 0,5× spowodowany znacznym luzem lub ocieraniem). Subharmoniczne to rodzaj zjawisk asynchronicznych, które występują równolegle z niestabilnościami subsynchronicznymi omówionymi poniżej.
2. Typowe źródła drgań asynchronicznych
Usterki łożysk tocznych (najczęstsze)
Zdecydowanie najczęstsze źródło drgań asynchronicznych:
- Częstotliwości uszkodzeń łożysk: BPFO, BPFI, BSF oraz FTF zależą od geometrii łożyska i nigdy nie są dokładnymi wielokrotnościami prędkości obrotowej wału.
- Przykład: Silnik o prędkości obrotowej 1800 obr./min (30 Hz) może wykazywać częstotliwość BPFO wynoszącą 107 Hz — czyli 3,57-krotność prędkości obrotowej wału, co oczywiście nie jest liczbą całkowitą.
- Wartość diagnostyczna: Częstotliwość asynchroniczna natychmiast budzi podejrzenie problemu łożyska.
- Wykrywanie: analiza obwiedni jest podstawową metodą wykrywania tych elementów, często na długo przed tym, zanim pojawią się one w zwykłym widmie.
Częstotliwości elektryczne
Drgania elektromagnetyczne niezwiązane z prędkością obrotową wału:
- 2× częstotliwość sieciowa: 120 Hz przy zasilaniu 60 Hz lub 100 Hz przy zasilaniu 50 Hz, niezależnie od prędkości obrotowej silnika.
- Przykład: Silnik 2-biegunowy o częstotliwości 60 Hz pracuje z prędkością około 3550 obr./min (59,2 Hz), jednak jego drgania o częstotliwości dwukrotnie większej od częstotliwości sieciowej wynoszą 120 Hz — co stanowi 2,03-krotność prędkości obrotowej wału, wartość asynchroniczna.
- Częstotliwość przejść biegunowych: może nie być dokładną wielokrotnością liczby całkowitej.
- VFD harmonics: Częstotliwości przełączania napędów nie mają żadnego związku z prędkością obrotową wału.
Źródła zewnętrzne
- Urządzenia towarzyszące: drgania przenoszone przez podłogę z pobliskich maszyn.
- Budynek lub fundament: rezonanse strukturalne przy stałych częstotliwościach.
- Pulsacje procesu: fale ciśnieniowe przemieszczające się w rurociągach.
- Rezonanse akustyczne: fale stojące w kanałach lub obudowach.
Niestabilności podsynchroniczne
- Wir olejowy: zazwyczaj 0,42–0,48-krotność prędkości wału (nie dokładnie połowa).
- Bicz olejowy: blokuje się na częstotliwości własnej wirnika częstotliwość własna, a nie prędkość obrotową.
- Niestabilności uszczelnień: często przy częstotliwościach wyznaczonych przez dynamikę płynów. Są to klasyczne przykłady niestabilność wirnika.
Wibracje losowe
- Kawitacja: losowe zapadanie się bąbelków, szerokie pasmo.
- Turbulencja: losowe wahania przepływu.
- Zadieranie: chaotyczny kontakt powodujący drgania nieokresowe.
3. Identyfikacja w widmach
Charakterystyka widmowa
- Stała częstotliwość: Pojawia się przy tej samej wartości Hz niezależnie od zmian prędkości
- Order shifts: jeśli prędkość ulega zmianie, częstotliwość asynchroniczna zmienia swój rzęd (ponieważ rząd jest równy częstotliwości podzielonej przez prędkość obrotową wału).
- Wykres kaskadowy: komponenty asynchroniczne pojawiają się jako vertical linie, elementy synchroniczne, takie jak diagonal linie — to najbardziej intuicyjny sposób na ich rozróżnienie.
- Widmo rzędów: Piki asynchroniczne występują przy rzędach niecałkowitych (2,47×, 3,57× itd.).
Procedura diagnostyczna
- Określ prędkość obrotową od piku 1× lub, co jest bardziej wiarygodne, od tachometr.
- Oblicz rzędy poprzez podzielenie częstotliwości każdego piku przez częstotliwość obrotową.
- Integer orders (1,00×, 2,00×, 3,00×) są synchroniczne.
- Rzędy niecałkowite (2,47×, 3,57×) są asynchroniczne.
- Dopasuj do typów usterek poprzez porównanie obliczonych częstotliwości z częstotliwościami łożysk, linii elektrycznych i tym podobnych.
W maszynach z regulacją prędkości obrotowej rozdzielenie to jest wyraźniejsze przy analiza rzędów, co powoduje przeliczenie osi częstotliwości na wielokrotności prędkości obrotowej, tak że szczyty synchroniczne pozostają w miejscu, podczas gdy szczyty asynchroniczne się przemieszczają.
4. Znaczenie diagnostyczne
Wady łożysk
- Wystąpienie pików asynchronicznych w BPFO, BPFI lub BSF natychmiast sugeruje problem z łożyskiem.
- Obliczyć teoretyczne częstotliwości łożysk i porównać je z zaobserwowanymi wartościami szczytowymi.
- Dopasowanie w granicach około ±5% potwierdza usterkę łożyska.
- Harmoniczne oraz wstęgi boczne harmoniczne częstotliwości usterek stanowią dodatkowe potwierdzenie.
Można pominąć obliczenia za pomocą kalkulator usterek łożyska, która zwraca wartości BPFO, BPFI, BSF i FTF bezpośrednio na podstawie geometrii łożyska i prędkości wału.
Zagadnienia elektromagnetyczne
- Linia o częstotliwości dwukrotnej częstotliwości sieciowej, wynoszącej 100/120 Hz, wskazuje na stojan lub air-gap problemów.
- Częstotliwość pozostaje stała niezależnie od zmian prędkości.
- Analiza prądu silnika potwierdza, że przyczyna ma charakter elektryczny.
Wibracje zewnętrzne
- Wartości szczytowe, które nie odpowiadają ani prędkości maszyny, ani częstotliwościom łożysk.
- Mogą one pokrywać się z prędkością pracy pobliskich urządzeń.
- Konieczne jest zbadanie przyczyny, a następnie wyeliminowanie lub usunięcie usterki.
5. Techniki analizy drgań asynchronicznych
Analiza obwiedni
- Podstawowa metoda wykrywania uszkodzeń łożysk.
- Wzmacnia powtarzające się impulsy, które generują sygnały asynchroniczne.
- Tłumi silne synchroniczne składowe o niskiej częstotliwości.
- Wyraźnie pokazuje częstotliwości łożysk w uzyskanym widmo obwiedni.
Przyspieszenie o wysokiej częstotliwości
- Asynchroniczne sygnały uszkodzeń łożysk często występują w zakresie wysokich częstotliwości (powyżej 1 kHz).
- Użycie akcelerometry przy wysokim ustawieniu Fmax.
- W ten sposób rejestrowane są uderzenia i rezonanse o wysokiej częstotliwości, których nie wychwytują pomiary prędkości w zakresie niskich częstotliwości.
Analiza cepstrum
- Analiza cepstrum skutecznie wykrywa cykliczne wzorce ukryte w sygnałach asynchronicznych.
- Wykrywa od razu całe rodziny harmonicznych lub pasm bocznych.
- Szczególnie przydatne w przypadku złożonych łożysk i koło signatures.
6. Przykłady praktyczne
Silnik z uszkodzonym łożyskiem
- Running speed: 1750 obr./min (29,17 Hz).
- Składowe synchroniczne: 1× przy 29,17 Hz, 2× przy 58,34 Hz.
- Składowa asynchroniczna: szczyt przy 107 Hz (3,67-krotność prędkości obrotowej wału).
- Diagnoza: Częstotliwość 107 Hz odpowiada obliczonej wartości BPFO → uszkodzenie bieżni zewnętrznej.
- Potwierdzenie: Ten asynchroniczny charakter potwierdza problem z łożyskiem, a nie z wirnikiem.
Silnik VFD o zmiennej prędkości
- Prędkość obrotowa silnika zmienia się w zakresie od 1200 do 1800 obr./min.
- Pik 1× zmienia się wraz z prędkością (synchronicznie).
- Szczyt przy 120 Hz pozostaje niezmieniony (asynchroniczny, dwukrotność częstotliwości sieciowej).
- Diagnoza: element elektromagnetyczny zasilany napięciem o częstotliwości 60 Hz.
W terenie zadanie to stanowi codzienną pracę przenośnego analizatora. Ponieważ urządzenie takie jak Balanset-1A urządzenie odczytuje prędkość obrotową z optycznego tachometru jednocześnie z widmem drgań, dzięki czemu może natychmiast wskazać, czy dany pik jest synchroniczny, czy asynchroniczny — informując inżyniera od razu, czy rozwiązaniem jest wyważenie wirnika, czy wymiana łożyska. Rozpoznawanie elementów asynchronicznych na podstawie ich niepełnych rzędów, stałej częstotliwości pomimo zmian prędkości lub pionowej sygnatury na kaskadzie umożliwia dokładną identyfikację uszkodzeń łożysk, problemów elektrycznych i wpływów zewnętrznych — oraz wskazuje właściwe działania naprawcze.
