Zrozumienie subharmonicznych
A subharmoniczna jest składnikiem częstotliwości w wibracja widmo która występuje przy częstotliwości będącej całkowitym ułamkiem częstotliwości podstawowej. W analizie maszyn częstotliwością podstawową jest prawie zawsze prędkość obrotowa (1X), więc subharmoniczne pojawiają się w rzędach takich jak 1/2X, 1/3X czy 1/4X. Ponieważ znajdują się poniżej główny element synchroniczny, nazywane są również podsynchroniczny drgania, a są to jedne z najbardziej przydatnych diagnostycznie pików, jakie analityk może wykryć — rzadko pojawiają się one bez wyraźnej przyczyny fizycznej.
1. Definicja: Czym jest subharmonika?
Gdzie zwykły harmoniczne są całkowitoliczbowymi wielokrotnościami prędkości obrotowej (2X, 3X, 4X), natomiast subharmoniczne są ich odwrotnością: całkowitoliczbowymi podziałami tej prędkości. Pik dokładnie przy połowie prędkości wału to klasyczny przykład, często zapisywany jako 1/2X lub 0.5X. Prawdziwa subharmoniczna zawsze leży więc poniżej 1X — 0.5X, 0.33X, 0.25X. W praktyce najbardziej informacyjny wzorzec to nie sama linia 1/2X, lecz rodzina półrzędowa — piki przy 1/2X, 3/2X (1.5X) i 5/2X (2.5X), wszystkie rozmieszczone co pół rzędu. Ściśle mówiąc, tylko składowa 1/2X jest subharmoniczna i podsynchroniczna; składowe powyżej 1X (1.5X, 2.5X, …) są harmonicznymi ułamkowego rzędu (półrzędowymi), a nie składowymi podsynchronicznymi. Pojawienie się takiego grzebienia jest podręcznikowym sygnałem określonych uszkodzeń mechanicznych, a nie przypadkowego szumu.
Warto odróżnić prawdziwą subharmoniczną od składowej podsynchronicznej o częstotliwości niecałoliczbowej. Szczyt o częstotliwości dokładnie równej 0,50X jest prawdziwym subharmonicznym prędkości obrotowej; szczyt o częstotliwości, powiedzmy, 0,43X jest podsynchroniczny, ale nie dokładną ułamkową część, a to rozróżnienie od razu zawęża listę potencjalnych przyczyn. Subharmoniczne nie występują tak często jak harmoniczne, ale gdy już się pojawiają, niemal zawsze wskazują na jedną z poniższych przyczyn.
2. Luzy mechaniczne — najczęstsza przyczyna
Głównym źródłem subharmonicznej 1/2X jest luz mechaniczny. Gdy element jest luźny — np. łożysko ma luz w obudowie, połączenie jest zużyte lub śruba mocująca jest poluzowana — powoduje to silnie nieliniowe „podskakiwanie” lub „grzechotanie”. Luz sprawia, że część uderza o swoje gniazdo, a ponieważ uderzenie to powtarza się praktycznie co inne obrotu, system reaguje z częstotliwością równą połowie częstotliwości wzbudzającej.
Wynikowe widmo pokazuje pik 1X z towarzyszącym szeregiem półrzędowym przy 1/2X, 3/2X, 5/2X itd. — subharmoniczną 1/2X wraz z jej harmonicznymi ułamkowego rzędu powyżej 1X. Ta rodzina półrzędowa jest jednym z najbardziej niezawodnych odcisków palca w diagnostyce drganiowej: niemal jednoznacznie wskazuje na poważne luzy konstrukcyjne, a jej narastanie w czasie śledzi pogarszanie się pasowania. Im bardziej wyraźne i liczne są piki półrzędowe, tym luźniejsze stało się połączenie.
3. Niestabilność łożysk ślizgowych
W maszynach opartych na filmie cieczy lub łożyska ślizgowe, drgania podsynchroniczne stanowią poważny sygnał ostrzegawczy wskazujący na niestabilność warstwy olejowej. Są to drgania samowzbudne — energia pochodząca z równomiernego ruchu obrotowego bezpośrednio zasila drgania, dzięki czemu mogą one narastać bez żadnego zewnętrznego bodźca.
- Wir olejowy: Zjawisko to występuje zazwyczaj przy prędkościach od 0,42X do 0,48X prędkości roboczej i objawia się silnym, wyraźnym pikiem tuż poniżej pół rzędu. Powstaje ono, gdy klin olejowy podtrzymujący wał zaczyna krążyć (wiruje) w luzie łożyska, poruszając wałem wokół jego czopu. Ponieważ częstotliwość ta jest nieco niższa od 0,5X, a nie dokładnie równa tej wartości, to właśnie ta precyzyjna częstotliwość pozwala odróżnić wir od luzu.
- Bicz olejowy: Znacznie poważniejsza i bardziej niszczycielska forma niestabilności. Występuje ona wtedy, gdy częstotliwość wirowania pokrywa się z pierwszą częstotliwością drgań własnych wirnika, lub prędkość krytycznaZnacznie poważniejsza i bardziej niszczycielska forma niestabilności. Występuje ona wtedy, gdy częstotliwość wirowania pokrywa się z pierwszą częstotliwością drgań własnych wirnika, lub. Wibracje dostrajają się wówczas do tej częstotliwości drgań własnych i utrzymują się na tym poziomie nawet przy rosnącej prędkości maszyny - jest to cecha charakterystyczna odróżniająca drgania biczowe od wirów śledzących prędkość obrotową. Amplituda drgań może stać się na tyle gwałtowna, że może doprowadzić do uszkodzenia łożyska lub wału.
Częstotliwości łożysk ślizgowych, w których występują te niestabilności, można z góry oszacować za pomocą specjalnego kalkulator częstotliwości występowania wad łożysk ślizgowych, co pozwala ustalić, czy szczyt subsynchroniczny mieści się w paśmie wirów.
4. Inne źródła pików subsynchronicznych
- Problemy z napędem pasowym: Zużyty lub uszkodzony pas może generować składowe subsynchroniczne powiązane z jego własną prędkością obrotową, która jest niższa od prędkości obrotowej obu kół pasowych. Podejrzewa się, że wady napędu pasowego — a zwłaszcza Usterki paska klinowego — można to zweryfikować na podstawie obliczonej częstotliwości paska za pomocą kalkulator częstotliwości występowania uszkodzeń pasów.
- Zjawiska związane z przepływem: W pompach i wentylatorach energia sub-synchroniczna może pochodzić z turbulencja przepływu lub oderwania wirującego. Elementy te zazwyczaj nie dokładne ułamki wartości 1X, co samo w sobie stanowi przydatną wskazówkę, że źródłem jest siła hydrauliczna lub aerodynamiczna, a nie mechaniczna. W sprężarkach powiązane zjawisko pompaż może również podnieść poziom poniżej prędkości biegu.
5. Analiza i potwierdzenie
Ponieważ diagnoza opiera się na niewielkich różnicach częstotliwości, pierwszym zadaniem jest dokładne określenie częstotliwości szczytowej. Linia dokładnie przy 0,50X wyraźnie wskazuje na luz; linia przy 0,47X niemal na pewno oznacza wir olejowy; natomiast pełna seria 1/2X, 3/2X, 5/2X potwierdza obecność luzu z dużym prawdopodobieństwem. Niezbędna jest zatem wysoka rozdzielczość spektralna i dokładne odniesienie prędkości, ponieważ wartości 0,48X i 0,50X mogą wyglądać identycznie przy niskiej rozdzielczości.
The przebieg czasowy stanowi cenne potwierdzenie. Luz zazwyczaj objawia się wyraźnymi skokami lub obcięciami — spłaszczonymi lub przyciętymi szczytami w miejscach, gdzie luźna część osiąga najniższy poziom — podczas gdy wir olejowy prezentuje się jako płynniejszy, modulowany sygnał bez ostrych skoków. W terenie przydatny jest przenośny analizator dwukanałowy, taki jak Balanset-1A umożliwia inżynierowi zarejestrowanie zarówno widma, jak i zsynchronizowanego przebiegu czasowego przy prędkości roboczej, dzięki czemu można wspólnie ocenić dokładną częstotliwość subsynchroniczną oraz charakter jej przebiegu, zanim zaplanuje się jakikolwiek demontaż.
