Dudnienie w analizie drgań: przyczyny i identyfikacja
W analiza drgań, dudnienie (or a dudnienie) jest charakterystycznym zjawiskiem polegającym na powolnym, periodycznym narastaniu i opadaniu amplitudy wibracja sygnału. Występuje, gdy dwa oddzielne składniki drgań o bardzo zbliżonych — lecz nie identycznych — częstotliwości są obecne jednocześnie i nakładają się na siebie. Powstały przebieg czasowy wygląda jak pojedyncza fala sinusoidalna, której amplituda powoli narasta i opada w rytmiczny, niemal oddechowy sposób. Rozpoznanie bicia jest wartościowe, ponieważ stanowi bezpośrednią i jednoznaczną sygnaturę dwóch współistniejących źródeł pracujących z niemal jednakową prędkością.
1. Definicja: Czym jest bicie drgań?
Bicie nie jest odrębną częstotliwością — jest słyszalną i mierzalną konsekwencją wzajemnego oddziaływania dwóch częstotliwości. Dla ucha daje charakterystyczny “drżący” lub pulsujący dźwięk; na amplituda mierniku objawia się wskazaniem, które nie utrzymuje stałej wartości, lecz regularnie opada i narasta. Im bliższe sobie są obie częstotliwości źródłowe, tym wolniejsze i bardziej wyraźne staje się narastanie; im bardziej się od siebie różnią, tym szybsza jest pulsacja, aż w pewnym momencie ucho i analizator zaczynają słyszeć dwa odrębne tony zamiast jednego modulowanego tonu.
Czyni to bicie zjawiskiem zasadniczo różnym od amplituda modulacji wywołanej usterką wewnątrz jednej maszyny. Bicie wymaga dwóch niezależnych wzbudzeń o porównywalnej sile; jest to efekt interference interferencji, a nie defekt jednego elementu.
2. Fizyka bicia
Bicie jest wynikiem interferencji konstruktywnej i destruktywnej. Gdy szczyty obu fal drgań pokrywają się (w fazie), ich amplitudy sumują się, co daje wyższą amplitudę wypadkową. Gdy szczyt jednej fali pokrywa się z doliną drugiej (w przeciwfazie), częściowo lub całkowicie się znoszą, co daje niższą amplitudę wypadkową. Ten nieprzerwany cykl wzmocnień i wygaszeń tworzy charakterystyczny dźwięk bicia oraz odpowiadający mu wzorzec drgań.
Częstotliwość tej modulacji amplitudy, znana jako częstotliwość dudnień, jest równa wartości bezwzględnej różnicy między dwiema częstotliwościami źródłowymi:
Częstotliwość bicia = |Częstotliwość 1 − Częstotliwość 2|
Na przykład, jeśli dwie maszyny generują drgania o częstotliwościach 29,5 Hz i 30,5 Hz, wynikowa częstotliwość dudnień wynosi |29,5 − 30,5| = 1,0 Hz. Ogólna amplituda będzie zatem narastać i opadać raz na sekundę. Należy zwrócić uwagę na istotną subtelność: drgania, które faktycznie odczuwamy, wciąż oscylują z częstotliwością zbliżoną do średnia obu częstotliwości (tu około 30 Hz), podczas gdy powolna obwiednia nałożona na ten sygnał pulsuje z częstotliwością dudnień wynoszącą 1 Hz. Maksymalna amplituda osiągana przy każdym szczycie tej obwiedni jest sumą dwóch amplitud składowych — dwa równe źródła o wartości 2 mm/s mogą więc chwilowo złożyć się w niemal 4 mm/s.
3. Typowe przyczyny dudnień w maszynach przemysłowych
Ponieważ dudnienie jednoznacznie wskazuje na dwie bliskie sobie częstotliwości wymuszające, stanowi użyteczną wskazówkę diagnostyczną. Do typowych źródeł w warunkach przemysłowych należą:
- Wiele maszyn na wspólnej konstrukcji: klasycznym przykładem są dwie identyczne pompy lub wentylatory pracujące na tej samej płycie fundamentowej lub w tym samym układzie rurociągów. Jeśli ich prędkości robocze nieznacznie się różnią (np. 1780 RPM i 1785 RPM), generują dudnienie o niskiej częstotliwości. Jest to ściśle związane z prędkość obrotowa (1×) drgania od każdej z jednostek.
- Silniki elektryczne: dudnienie może wystąpić między częstotliwością obrotową silnika a częstotliwością elektryczną — na przykład częstotliwość przejść biegunowych w silniku indukcyjnym, gdzie pokrywa się z dwukrotnością częstotliwość poślizgu. Dudnienia te są charakterystyczną cechą pewnych awarie elektryczne.
- Pompy wielostopniowe lub sprężarki: wzajemne oddziaływanie między poszczególnymi stopniami pracującymi z nieznacznie różnymi efektywnymi prędkościami obrotowymi.
- Skrzynie biegów: wzajemne oddziaływanie między dwiema częstotliwościami zazębienia kół zębatych z podobną liczbą zębów.
- Pulsacje hydrauliczne lub aerodynamiczne: wzajemne oddziaływanie dwóch różnych źródeł turbulencji przepływu, takich jak nakładające się siły hydrauliczne lub siły aerodynamiczne.
4. Jak identyfikować dudnienia w danych drganiowych
Analiza przebiegu czasowego
The przebieg czasowy jest najbardziej bezpośrednim sposobem obserwacji dudnień. Sygnał wykazuje wyraźny, powtarzający się wzorzec modulacji amplitudy. Czas między dwoma kolejnymi szczytami amplitudy (lub dwoma minimami) stanowi okres dudnienia; jego odwrotność to częstotliwość dudnienia. Niezbędne jest długie okno rejestracji — jeśli zapis jest krótszy niż jeden okres dudnienia, widoczny będzie jedynie fragment narastania i można go błędnie odczytać jako zwykły trend rosnący lub malejący.
Analiza widma częstotliwościowego (FFT)
W widmie częstotliwościowym widmo, dudnienie pojawia się jako dwa wyraźne piki położone bardzo blisko siebie. A standard FFT może nie mieć wystarczającej rozdzielczości, aby je rozdzielić, więc łączą się w jeden szeroki szczyt. Aby prawidłowo zdiagnozować dudnienie, analityk musi zwiększyć rozdzielczość widmową — stosując więcej linii, dłuższy czas akwizycji lub Zoom FFT skupiony na obszarze zainteresowania. Wymaganą liczbę linii i szerokość pasma można z wyprzedzeniem oszacować za pomocą Kalkulator rozdzielczości FFT. Po uzyskaniu rozdzielczości obie częstotliwości składowe tworzące dudnienie stają się wyraźnie widoczne, a ich różnica powinna odpowiadać zaobserwowanej częstotliwości dudnienia.
5. Dudnienie w praktycznych pomiarach terenowych
W terenie odróżnienie rzeczywistego dudnienia od pojedynczej usterki jest proste przy użyciu odpowiedniego przyrządu. Przenośny dwukanałowy analizator drgań, taki jak Balanset-1A umożliwia jednoczesne śledzenie przebiegu czasowego na żywo oraz widma o wysokiej rozdzielczości, a umieszczając jeden kanał na każdej maszynie, można potwierdzić, czy dwa urządzenia pracujące przy niemal tej samej prędkość obrotowa są źródłem problemu. Ponieważ dudnienie zawyża odczyt szczytowy, warto również sprawdzić, czy powiększona amplituda nie wyzwala poziom alarmu nawet gdy średnia wartość drgań jest akceptowalna — wskazania instrumentu’s szczyt i odczyty RMS będą pokazywać różne wartości.
6. Czy dudnienie jest problemem?
Dudnienie samo w sobie nie jest usterką — jest objawem nakładania się częstotliwości. Może jednak być problematyczne:
- Uciążliwy hałas: narastający i opadający dźwięk jest często bardziej zauważalny i uciążliwy dla personelu niż stały ton.
- Przekroczenie dopuszczalnej amplitudy szczytowej: maksymalna amplituda podczas konstruktywnej interferencji może być niemal dwukrotnie większa od amplitudy każdego z sygnałów składowych. Ten szczyt może przekroczyć poziomy alarmowe lub powodować nadmierne naprężenia cykliczne w elementach — inicjując mechaniczne zmęczenie — nawet gdy średnia wartość drgań wygląda na akceptowalną.
- Maskowanie innych problemów: zmienny sygnał może utrudniać wykrywanie innych ukrytych problemów z drganiami, zasłoniętych przez modulację.
Wyeliminowanie uciążliwego dudnienia zazwyczaj wymaga zidentyfikowania dwóch częstotliwości źródłowych, a następnie zmiany prędkości jednej z maszyn (tak by obie częstotliwości przestały się pokrywać) albo dostrojenia konstrukcji w celu odsunięcia jej od rezonans, or adding tłumienie w celu tłumienia szczytów amplitudy. Jeśli sam składnik 1× jest nadmierny, skorygowanie niewyważenie na każdej maszynie zmniejsza energię dostępną do wytworzenia dudnienia już u jego źródła.
