Zrozumienie częstotliwości w analizie drgań
Częstotliwość jest miarą tego, jak często powtarzające się zdarzenie występuje w danej jednostce czasu — w analiza drgań, określa on szybkość drgań obiektu. Jest to najważniejszy parametr pozwalający ustalić pierwotną przyczynę awarii maszyny. Chociaż amplituda tells you the dotkliwość w przypadku drgań częstotliwość określa źródło. Sprawdź wartość amplitudy, a dowiesz się, jak poważny jest problem; sprawdź częstotliwość, a dowiesz się, na czym polega problem.
1. Definicja: Czym jest częstotliwość drgań?
Częstotliwość określa tempo ruchu cyklicznego — liczbę pełnych cykli drgań, jakie wykonuje drgająca część w jednostce czasu. Wirnik obracający się z prędkością 1800 obr./min wykonuje trzydzieści obrotów na sekundę, więc siła, jaką generuje raz na obrót, powtarza się trzydzieści razy na sekundę. Każdy składnik okresowy ukryty wewnątrz maszyny przebieg czasowy ma swoją własną częstotliwość, a rozdzielenie tych składowych stanowi podstawę wszelkich działań diagnostycznych.
Co najważniejsze, częstotliwość jest niezależna od amplitudy. Drgania o tej samej częstotliwości mogą być gwałtowne lub ledwo wyczuwalne; gdy usterka się pogłębia, zmienia się zazwyczaj amplituda, podczas gdy częstotliwość pozostaje ściśle powiązana z mechanizmem fizycznym, który ją wywołuje. To właśnie ta stabilność sprawia, że częstotliwość jest tak niezawodnym „odciskiem palca”.
2. Znaczenie częstotliwości w diagnostyce
Podstawową zasadą diagnostyka wibracji polega na tym, że różne elementy mechaniczne i elektryczne, gdy zaczynają ulegać awarii, generują drgania o określonych, przewidywalnych częstotliwościach. Rozpoznając, jakie częstotliwości występują w charakterystyce drgań maszyny — oraz jak silne jest każda z nich — analityk może precyzyjnie wskazać element powodujący problem. Działa to na zasadzie podobnej do tej, w której lekarz używa stetoskopu, aby wsłuchać się w konkretne dźwięki wskazujące na różne schorzenia.
Każda potencjalna usterka charakteryzuje się charakterystycznym sygnaturą częstotliwościową:
- Brak równowagi: problem z całym zespołem obrotowym, na przykład brak równowagi, pojawia się z częstotliwością obrotów wału — 1× prędkość biegu.
- Niewspółosiowość: problem z połączeniem między dwoma wałami, na przykład niewspółosiowość, zazwyczaj pojawia się przy dwukrotnej prędkości biegu (2×), często z podwyższonym 3×.
- Wady łożysk: Wada w łożysku tocznym powoduje powstanie częstotliwości będących niecałkowitymi wielokrotnościami częstotliwości uszkodzeń łożysk Określone są przez geometrię bieżni, kulek oraz prędkość wału.
- Gear problems: Zęby zazębiające się wytwarzają energię w częstotliwość zazębienia (GMF) — liczba zębów pomnożona przez prędkość koła zębatego — często w połączeniu z wstęgi boczne.
Ponieważ sygnały te rzadko się pokrywają, jedno dobrze rozdzielone widmo pozwala odróżnić niewyważenie od niewspółosiowości i uszkodzonego łożyska bez konieczności otwierania maszyny.
3. Jednostki częstotliwości
Częstotliwość wyraża się w różnych jednostkach, a praktykujący analityk musi biegle posługiwać się nimi wszystkimi.
Herc (Hz)
Międzynarodowa jednostka (SI). Jeden herc odpowiada jednemu cyklowi na sekundę. Jest to standard stosowany w naukowych zastosowaniach oraz w większości przyrządów pomiarowych, a także jednostka używana na osi częstotliwości w transformacji FFT.
Cyklów na minutę (CPM)
Jest szeroko stosowany w konserwacji przemysłowej, ponieważ odnosi się bezpośrednio do prędkości obrotowej, podawanej w obrotach na minutę (RPM). Ponieważ minuta ma 60 sekund, przelicznik jest prosty CPM = Hz × 60. Drganie o częstotliwości 30 Hz odpowiada zatem 1800 CPM — a w przypadku maszyny pracującej z prędkością 1800 obr./min wartość ta pokrywa się dokładnie z prędkością roboczą, co często łatwiej jest rozpoznać w jednostkach CPM niż w Hz.
Zamówienia
Rzędy są wielokrotnościami prędkości obrotowej maszyny: prędkość obrotowa stanowi rząd pierwszy, dwukrotność prędkości obrotowej – rząd drugi i tak dalej. Zaletą tego rozwiązania jest to, że rzędy pozostają niezmienne nawet przy zmianie prędkości maszyny – niewyważenie pozostaje w rzędzie pierwszym niezależnie od tego, czy wał obraca się z prędkością 900 czy 3600 obr./min, podczas gdy jego częstotliwość w Hz ulega zmianie. To sprawia, że rzędy są niezbędne w przypadku urządzeń o zmiennej prędkości obrotowej i stanowią podstawę analiza zamówień. A free Kalkulator częstotliwości harmonicznych przelicza prędkość obrotową (RPM) na częstotliwości od 1× do 10× w jednym kroku, a także przelicznik jednostek drgań zajmuje się księgowaniem Hz–CPM.
4. Jak ustala się częstotliwość
Częstotliwości ukryte w sygnale drgań są wyodrębniane za pomocą Szybka transformata Fouriera (FFT). An akcelerometr rejestruje surowy przebieg czasowy, a algorytm FFT rozkłada go na widmo częstotliwości — wykres przedstawiający każdą z częstotliwości składających się na złożone drgania, przy czym wysokość każdego piku wskazuje, ile energii się tam znajduje. Następnie analityk dopasowuje te piki do opisanych powyżej charakterystyk uszkodzeń. W terenie przenośne urządzenie dwukanałowe, takie jak Balans-1a wykonuje tę transformację FFT na bieżąco, mierząc widma w zakresie od około 5 Hz do 1000 Hz, dzięki czemu szczyt prędkości obrotowej i jego harmoniczne można odczytać bezpośrednio na maszynie, a impuls z tachometru występujący raz na obrót pozwala dokładnie określić, który szczyt odpowiada częstotliwości 1×.
5. Związek między częstotliwością, prędkością i przyspieszeniem
Dla danego poziomu energii drgań amplitudy przemieszczenie, prędkość, I przyśpieszenie zależą w dużym stopniu od częstotliwości, dlatego każda jednostka obsługuje inne pasmo:
- Niskie częstotliwości: przemieszczenie jest największe, dlatego jest to naturalna jednostka miary dla powolnego ruchu wału.
- Średnie częstotliwości: prędkość jest największa i najbardziej równomierna, dlatego nasilenie drgań normy takie jak ISO 20816 (współczesny odpowiednik normy ISO 10816) ocenia ogólny stan techniczny maszyny na podstawie prędkości wyrażonej w mm/s.
- Wysokie częstotliwości: przyspieszenie jest największe, co sprawia, że jest to jednostka preferowana w przypadku tonów łożyskowych i zębatkowych.
Wybór niewłaściwej jednostki pomiarowej dla danego pasma częstotliwości może spowodować, że rzeczywista usterka zostanie zagłuszona przez szum tła; wybór właściwej jednostki sprawia natomiast, że ta sama usterka staje się wyraźnie widoczna na wykresie. W tym ujęciu częstotliwość jest kluczem, który uwalnia diagnostyczny potencjał analizy drgań — przekształcając surowy, zagmatwany sygnał w przydatne informacje dotyczące konserwacji.
