Zrozumienie pasm bocznych w analizie drgań
Wstęgi boczne to niewielkie piki częstotliwości, które pojawiają się w Widmo FFT w równych odstępach po obu stronach większego szczytu centralnego znanego jako częstotliwość nośna. Ich obecność jest jednoznacznym znakiem modulacja — stan, w którym jeden sygnał „nakłada się” na drugi — a odstęp między pasmami bocznymi jest równy częstotliwości sygnału modulującego. Ponieważ odstęp ten wskazuje bezpośrednio na odpowiedzialny za to element obrotowy, pasma boczne należą do najsilniejszych i najbardziej charakterystycznych wzorców diagnostycznych w analiza drgań, zwłaszcza w przypadku gearbox oraz łożysko wykrywanie usterek.
1. Czym są pasma boczne: modulacja w widmie
Modulacja to pojęcie znane z radia, a mechanizm działania skrzyni biegów jest taki sam. Siła stałego sygnału o wysokiej częstotliwości (nośnej) ulega zmianom pod wpływem powtarzającego się z mniejszą częstotliwością zjawiska (modulatora); w widmie ta zmiana nie powoduje rozmycia piku nośnej — powoduje ona rozdzielenie energii na symetryczne piki satelitarne. Sama nośna jest zazwyczaj wibracje wymuszone występujące podczas normalnej pracy, podczas gdy modulatorem jest rytm powtarzający się raz na obrót, charakterystyczny dla uszkodzonego elementu. Rozpoznanie tego wzorca odróżnia pewną diagnozę od zwykłego zgadywania.
2. Jak powstają pasma boczne
Pasma boczne powstają, gdy amplituda głównego sygnału drgań — nośnej — ulega zmianie w czasie pod wpływem drugiego, wolniejszego sygnału: modulatora. Klasycznym przykładem jest uszkodzony ząb koła zębatego:
- The Częstotliwość zazębienia przekładni (GMF) jest częstotliwością nośną. Jest to częstotliwość generowana przez normalne zazębianie się zębów koła zębatego.
- Pojedynczy pęknięty ząb na tym kołcu powoduje uderzenie raz na obrót. Za każdym razem, gdy uszkodzony ząb wchodzi w zazębienie, uderzenie to moduluje — zmienia amplitudę — sygnału GMF.
- The prędkość obrotowa Częstotliwością modulującą jest zatem częstotliwość obrotu koła zębatego.
W widmie FFT widoczny jest duży pik przy częstotliwości GMF (nośnej), otoczony mniejszymi pikami pasm bocznych rozmieszczonymi w odstępach odpowiadających prędkości obrotowej koła zębatego. Taki wzór świadczy nie tylko o istnieniu usterki, ale także o tym, że znajduje się ona właśnie na tym konkretnym kole zębatym. Zależność tę można ująć w prostym wzorze:
Częstotliwość pasma bocznego = Częstotliwość nośnej ± (n × Częstotliwość modulująca), gdzie n = 1, 2, 3 …
Szczyty sygnału powyżej i poniżej nośnej tworzą zatem równomiernie rozmieszczony wzór przypominający grzebień, a obliczenie odstępów w hercach — a następnie przeliczenie ich na obroty na minutę — pozwala analitykowi dokładnie określić, który wał działa nieprawidłowo.
3. Główne zastosowania w diagnostyce maszyn
Diagnostyka skrzyni biegów
Jest to podstawowe zastosowanie analizy wstęg bocznych.
- Pasma boczne wokół GMF: jeśli wokół GMF danego koła zębatego pojawiają się pasma boczne rozmieszczone w odstępach odpowiadających prędkości obrotowej tego koła, oznacza to usterkę tego koła — pęknięty ząb, zużyty ząb lub ekscentryczność.
- Pasma boczne wokół harmonicznych GMF: Poważne uszkodzenia często powodują również powstawanie pasm bocznych wokół 2× i 3× GMF, więc wzór grzebieniowy powtarza się wokół każdego z nich harmoniczny.
- Częstotliwość zęba wybiórczego: w złożonych układach przekładniowych, określone pasma boczne o częstotliwościach niecałkowitych przy częstotliwość zęba łowniczego może zlokalizować usterkę, która pojawia się wyłącznie wtedy, gdy stykają się dwa konkretne zęby na różnych kołach zębatych.
Diagnostyka łożysk tocznych
Pasma boczne mają również kluczowe znaczenie dla potwierdzenia bearing faults, zwłaszcza wady wewnątrzrasowe:
- Wada na wewnętrzny wyścig obraca się wraz z wałem, a gdy wsuwa się i wysuwa ze strefy obciążenia łożyska, amplituda generowanych przez niego uderzeń rośnie i maleje.
- Powoduje to modulację amplitudową częstotliwości uszkodzenia wewnętrznego pierścienia, BPFI.
- Powstałe widmo pokazuje szczyt w BPFI z pasma boczne rozmieszczone w odstępach równych 1× prędkość obrotową wału. Dostrzeżenie tego wzorca stanowi bardzo wiarygodny wskaźnik wady wewnątrzrasowej — i jest to jeden z powodów analiza obwiedni jest tak skuteczny w demodulacji tych sygnałów.
Diagnostyka silników elektrycznych
Problemy z prętami wirnika w silniku indukcyjnym prądu przemiennego mogą powodować pojawianie się pasm bocznych wokół szczytu prędkości obrotowej 1x. Pasma te są rozmieszczone w odstępach częstotliwość przejść biegunowych — the częstotliwość poślizgu mocy silnika pomnożonej przez liczbę biegunów silnika — i stanowią klasyczny znak rozpoznawczy złamane pręty wirnika.
4. Kwestie do rozważenia przy analizie
Aby skutecznie wykorzystać analizę pasma bocznego, niezbędne są dane wysokiej jakości:
- Wysoka rozdzielczość: Aby wyraźnie dostrzec piki pasm bocznych i dokładnie zmierzyć odległość między nimi, konieczna jest analiza FFT o wysokiej rozdzielczości (na przykład 3200 lub 6400 linii). Przy niskiej rozdzielczości pasma boczne ulegają „rozmyciu” i łączą się z pikiem nośnej. Zależność między liczbą linii, zakresem i rozdzielczością można sprawdzić za pomocą Kalkulator rozdzielczości FFT.
- Popularne: liczba i amplituda pasm bocznych stanowią dobry wskaźnik stopnia zaawansowania usterki. W miarę pogłębiania się usterki pojawia się więcej pasm bocznych, a ich amplituda wzrasta, dlatego też rejestrowanie ich w czasie poprzez analiza trendów śledzi postęp pogorszenia stanu.
- Powiększ FFT: w Powiększ FFT Funkcja dostępna w analizatorze pozwala analitykowi powiększyć wąski zakres częstotliwości z bardzo wysoką rozdzielczością, aby potwierdzić obecność i odstępy między pasmami bocznymi.
5. Interpretacja rozstawu: od wzorca do diagnozy
Możliwości diagnostyczne rodziny pasm bocznych wynikają z jej zasad działania. Ponieważ odstępy między pasmami są równe częstotliwości modulacji, analityk może prześledzić łańcuch od pasma do źródła usterki: odstępy przy prędkości 1× prędkości wału wskazują na ten wał; odstępy przy częstotliwości przejścia biegunowego związanej ze poślizgiem wskazują na stan elektryczny silnika; odstępy niecałkowite wskazują na konkretną parę zębów. Wcześniejsze zmierzenie częstotliwości zazębienia kół zębatych i oczekiwanej struktury pasma bocznego — na przykład za pomocą dedykowanego kalkulator częstotliwości zazębienia kół zębatych — pozwala analitykowi dokładnie przewidzieć, na co zwrócić uwagę, jeszcze przed otwarciem wykresu.
W terenie sygnały te rejestruje się za pomocą przenośnego analizatora widma, który przenosi się od maszyny do maszyny. Urządzenie takie jak Balans-1a mierzy widmo drgań na pracującej maszynie z rozdzielczością wystarczającą do wykrycia pasma bocznego wokół częstotliwości charakterystycznej dla usterki zazębienia kół zębatych lub łożyska, dzięki czemu inżynier może potwierdzić diagnozę na miejscu; a gdy ten sam pomiar wykaże, że głównym problemem jest prosta brak równowagi zamiast w miejsce ubytku w zębie lub w wyścigu, narzędzie wsuwa się prosto do wyważanie w terenie to correct it.
Gdy analityk wykryje wyraźny, symetryczny wzór pasma bocznego w oczekiwanej odległości, pewność diagnoza wzrasta z „możliwego” do „wysoce prawdopodobnego” — i właśnie dlatego pasma boczne uznaje się za jeden z najbardziej wiarygodnych śladów w tej dziedzinie.
