Definiție: Ce este o armonică?

În analiza vibrațiilor, o armonic este o frecvență care este un multiplu întreg exact al unei frecvențe fundamentale. În mașinile rotative, frecvența fundamentală este de obicei viteza de rotație a arborelui, denumită armonica 1 sau 1×. Armonicele următoare sunt multipli întregi: 2× (de două ori viteza arborelui), 3× (de trei ori) și așa mai departe. Aceste frecvențe sunt denumite și ordine a vitezei de rulare, sau armonici sincrone deoarece sunt sincronizate precis cu rotația arborelui.

De exemplu, dacă un motor funcționează la 1 800 RPM (30 Hz), armonicele sale apar la 60 Hz (2×), 90 Hz (3×), 120 Hz (4×), 150 Hz (5×) și așa mai departe. Seria armonicelor este teoretic infinită, dar, în practică, amplitudinea scade la ordine mai mari și numai primele câteva armonice furnizează informații de diagnosticare.

Definiția frecvenței armonice
f.n = n × f1 = n × (RPM / 60)
unde n = 1, 2, 3, 4... (ordinea armonicilor) și f₁ = frecvența de rotație a arborelui în Hz

Armonice vs. subarmonice vs. vârfuri nesincrone

Armonice sunt multipli întregi ai turației arborelui (2×, 3×, 4×...). Subarmonici sunt multipli fracționari (½×, ⅓×, ¼×) și indică întotdeauna probleme mecanice grave. Vârfuri nesincrone sunt frecvențe care nu au legătură cu turația arborelui - cum ar fi frecvențele defectelor rulmenților, frecvența angrenajelor, frecvența liniei (50/60 Hz) sau frecvențe naturale — și necesită abordări diferite de diagnosticare. Un vârf la 3,57× RPM NU este o armonică; este probabil o frecvență de defecțiune a rulmentului.

De ce sunt generate armonicele?

Într-un sistem perfect liniar excitat de o forță sinusoidală pură (cum ar fi un rotor perfect echilibrat, perfect aliniat în rulmenți perfecți), ar apărea doar 1× fundamental. Mașinile reale nu sunt niciodată perfect liniare. Armonicele apar ori de câte ori forma de undă a vibrației este distorsionată de la o undă sinusoidală pură - ori de câte ori răspunsul sistemului este neliniar sau funcția de forțare în sine este nesinusoidală.

Matematica: Teorema lui Fourier

Teorema lui Fourier afirmă că orice formă de undă periodică - indiferent cât de complexă - poate fi descompusă într-o sumă de unde sinusoidale la frecvența fundamentală și multiplii săi întregi, fiecare cu o amplitudine și o fază specifice. Algoritmul FFT (Fast Fourier Transform) utilizat de analizoarele de vibrații realizează această descompunere computațională, dezvăluind conținutul armonic al semnalului.

O undă sinusoidală pură are o singură componentă de frecvență. O undă pătrată conține toate armonicele impare (1×, 3×, 5×, 7×...) cu amplitudini care scad ca 1/n. O undă în dinți de ferăstrău conține toate armonicele cu amplitudini care scad ca 1/n. Forma specifică a distorsiunii determină apariția armonicilor - acesta este motivul pentru care analiza armonică este atât de puternică din punct de vedere diagnostic.

Mecanisme fizice care generează armonici

  • Decuparea / trunchierea formei de undă: Atunci când mișcarea arborelui este constrânsă fizic (carcasa rulmentului, contact prin frecare), forma de undă rezultată este limitată, generând armonici. O tăiere mai severă produce mai multe armonice.
  • Rigiditate asimetrică: Dacă rigiditatea sistemului diferă între jumătățile pozitivă și negativă ale ciclului de vibrații (deschiderea/închiderea arborelui fisurat, dezalinierea care creează o rigiditate diferită la tracțiune/compresiune), se generează armonici pare (2×, 4×, 6×).
  • Evenimente cu impact: Impacturile periodice (șuruburi slăbite, impacturi cu defecte ale rulmenților) creează forme de undă ascuțite, de scurtă durată, care sunt extrem de bogate în conținut armonic - la fel cum un băț de tobă produce multe armonii.
  • Forțe de restabilire neliniare: Atunci când rigiditatea se modifică în funcție de deplasare (rulmenți sub sarcină variabilă, suporturi de cauciuc cu rată progresivă), răspunsul la o forță sinusoidală conține armonici.
  • Excitație parametrică: Atunci când proprietățile sistemului variază periodic la o frecvență legată de viteza arborelui, acestea pot genera armonici și subarmonici ale frecvenței de excitație.
Principiul-cheie de diagnosticare

Modelul armonicilor care sunt prezente, amplitudinile lor relative și care sunt absente indică analistului mecanismul fizic care generează neliniaritatea. Analiștii experimentați examinează structura armonică completă a spectrului - nu doar nivelul general al vibrațiilor - pentru a identifica mecanismele specifice de defecțiune.

Semnături detaliate ale defectelor - Modele armonice

1× Dominant - Dezechilibru

Un vârf dominant la 1× cu armonici superioare minime este semnătura clasică a dezechilibru de masă. Forța de dezechilibru este inerent sinusoidală (se rotește împreună cu arborele la o frecvență de 1×), producând un singur vârf curat în domeniul frecvenței.

Detalii de diagnosticare

  • Amplitudine: Proporțională cu viteza² (viteză dublă → amplitudine de 4×) și proporțională cu masa dezechilibrului
  • Faza: Stabile, repetabile, cu o singură valoare. Se modifică în mod previzibil odată cu adăugarea greutății de încercare - aceasta este baza tuturor proceduri de echilibrare
  • Direcţie: În principal radiale; axiale 1× este redus, cu excepția cazului în care rotorul are o consolă semnificativă
  • Confirmare: Răspunsul la greutățile de încercare confirmă dezechilibrul. Dacă 1× nu răspunde la greutățile de încercare, luați în considerare arborele îndoit, excentricitatea sau rezonanța
Nu toate vibrațiile 1× sunt dezechilibru

Mai multe condiții produc 1× ridicat care NU poate fi corectat prin echilibrare: arbore îndoit, excentricitatea arborelui, bătaia electrică pe sondele de proximitate, arcuirea rotorului din cauza efectelor termice, excentricitatea cuplajului și rezonanţă amplificare. Verificați întotdeauna diagnosticul înainte de a încerca să echilibrați.

2× Dominant — Nealiniere

O a doua armonică puternică, adesea comparabilă ca amplitudine cu sau depășind vârful 1×, este principalul indicator al nealinierea arborelui. Nealinierea forțează arborele să parcurgă o traiectorie nesinusoidală în timpul fiecărei revoluții, creând distorsiunea care generează armonici de 2× și uneori mai mari.

Nealiniere unghiulară vs. paralelă

  • Nealiniere unghiulară: Liniile centrale ale arborelui se intersectează sub un unghi la cuplaj. Produce vibrații axiale mari de 1×. Faza prin cuplaj prezintă o deplasare de ~180° în direcția axială.
  • Nealiniere paralelă (offset): Axele arborilor sunt paralele, dar decalate. Produce vibrații radiale ridicate de 2×, adesea cu 2× ≥ 1×. Cazurile grave generează 3× și 4×. Faza radială prin cuplaj prezintă o deplasare de ~180°.
  • Combinate: În practică, ambele coexistă de obicei, producând un amestec de semnături.

Raportul 2×/1× ca indicator de diagnostic

Raport 2×/1× Stare probabilă Acţiune
< 0,25 Normal; 2× prezent la nivel scăzut în majoritatea mașinilor Nu este necesară nicio acțiune
0.25 - 0.50 Este posibilă o ușoară nealiniere; normală pentru unele tipuri de cuplaje Verificarea alinierii; compararea cu linia de bază
0.50 - 1.00 Nealiniere semnificativă probabilă Realizarea alinierii cu laser de precizie
> 1,00 Nealiniere severă; 2× depășește 1× Urgent - realiniați; verificați tensiunea cuplajului și a conductei

Armonici multiple - slăbire mecanică

O serie bogată de viteză de funcționare harmonics (1×, 2×, 3×, 4×, 5×… to 10× or more) indicate joc mecanic. Impacturile, zăngănitul și ciclurile neliniare de contact/separare generează o distorsiune extremă a formei de undă care se descompune în multe componente armonice.

Trei tipuri de joc mecanic

  • Tip A - Structural: Legătură slăbită între mașină și fundație (picior moale, bază fisurată, șuruburi de ancorare slăbite). Produce 1× direcțional (mai mare în direcția slăbită). Test cheie: strângeți/ slăbiți șuruburile individuale în timp ce monitorizați amplitudinea 1×.
  • Tip B - Componentă: Loose bearing liner in cap, loose cap on housing, excessive bearing clearance. Produces a family of harmonics, often with sub-harmonics (½×). Sub-harmonics are the key differentiator from misalignment (looseness, not misalignment, produces sub-harmonics).
  • Tip C - Scaun de rulment: Rotor slăbit pe arbore, butuc de cuplare slăbit, joc excesiv al rulmenților care permite rotorului să sară. Produce multe armonici cu o creștere a nivelului de zgomot în bandă largă.
Subarmonicele: Amprenta slăbirii structurale

Prezența subarmonicilor (½×, ⅓×) este cel mai fiabil factor de diferențiere între slăbire și dezaliniament. Nealinierea generează 2× și 3×, dar rareori produce subarmonici. Relaxarea (tipurile B și C) generează în mod caracteristic ½× deoarece rotorul intră în contact cu o parte a rulmentului la o jumătate de rotație și sare pe cealaltă parte la următoarea - creând un model care se repetă la fiecare două rotații, deci ½×.

Alte condiții generatoare de armonici

Arbore îndoit

Generează vibrații de tip 1× și 2× cu o componentă axială ridicată. Spre deosebire de dezaliniere, o arbore îndoit indică o valoare de 1× care nu poate fi corectată prin echilibrare (excentricitate geometrică, nu distribuția masei) și o diferență de fază axială de aproximativ 180° între capetele arborelui. Valoarea de 2× provine din rigiditatea asimetrică pe măsură ce curbura se deschide și se închide în timpul rotației.

Mașini reciproce

Motoarele, compresoarele și mașinile cu mișcare alternativă generează în mod inerent spectre armonice bogate, deoarece mișcarea pistonului/a arborelui cotit este fundamental nesinusoidală. Modelul armonic depinde de numărul de cilindri, ordinea de aprindere și tipul de cursă (2 timpi vs. 4 timpi).

Frecare rotor

O frecare parțială (contact pentru o parte din fiecare revoluție) produce multe armonici de ordin înalt - uneori până la 10×, 20× sau mai mult. O frecare inelară completă (contact continuu la 360°) generează subarmonici dominante (½×, ⅓×, ¼×) prin mecanisme de precesie inversă.

Probleme electrice la motoare

Motoarele de curent alternativ generează vibrații la multipli ai frecvenței de linie (50 sau 60 Hz), independent de turația arborelui. Cea mai comună este de 2× frecvența de linie (100 Hz în sistemele de 50 Hz, 120 Hz în sistemele de 60 Hz). Aceasta NU este o armonică a vitezei arborelui - este o armonică a frecvenței liniei, care este cheia pentru a distinge vibrațiile electrice de cele mecanice. Caracteristicile test de întrerupere a alimentării este definitivă: vibrația electrică scade instantaneu la întreruperea alimentării, vibrația mecanică persistă în timpul decelerării libere.

Defectele barei rotorului generează benzi laterale în jurul 1×, distanțate la frecvența de trecere prin pol (frecvența de alunecare × numărul de poli). Aceste benzi laterale sunt foarte apropiate de 1× (în intervalul 1–5 Hz), ceea ce necesită o rezoluție ridicată zoom FFT analiză pentru a rezolva problema.

Frecvențe nesincrone — nu sunt armonice adevărate

Câteva frecvențe importante sunt uneori confundate cu armonicele, dar sunt de fapt independente de viteza arborelui:

Tip de frecvență Formula Relația cu RPM Note
Frecvențele defectelor rulmenților BPFO, BPFI, BSF, FTF Multipli neîntregi (de exemplu, 3,57×, 5,43×) Întotdeauna nesincrone; depind de geometria rulmentului
Frecvența de angrenare GMF = nr. dinți × RPM Întreg, dar de ordin foarte înalt Tehnic, o armonică, dar analizată separat
Trecere lamă/paletă BPF = numărul de lame × turația Număr întreg multiplu Normal; amplitudinea excesivă indică o problemă
Frecvența liniei FL = 50 sau 60 Hz Nu are legătură cu RPM Electric; dispare la întreruperea curentului
Frecvențe naturale f.n = √(k/m)/2π Fixat; nu are legătură cu RPM Frecvență constantă indiferent de schimbările de viteză
Frecvențele curelei f.curea = RPM × π × D/L Sub-sincron (< viteza arborelui) Frecvența curelei și armonicele acesteia 2×, 3×, 4× BF

Ghid de analiză — Cum se interpretează modelele armonice

Pasul 1: Identificarea elementului fundamental (1×)

Localizați vârful de 1× care corespunde vitezei de rotație a arborelui. Verificați folosind un tahometru sau pe plăcuța de identificare a motorului. În cazul mașinilor cu viteză variabilă, valoarea 1× trebuie identificată cu precizie pentru fiecare măsurătoare.

Pasul 2: Catalogarea tuturor vârfurilor

Pentru fiecare vârf semnificativ, determinați: este un multiplu întreg exact de 1× (armonică adevărată)? Un multiplu fracționar (subarmonică)? Nu are legătură cu viteza arborelui (nesincronă)? Utilizați caracteristicile cursorului armonic al analizorului pentru eficiență.

Pasul 3: Examinați modelul de amplitudine

  • Care armonică este dominantă? → Indică o defecțiune specifică
  • Câte armonici sunt prezente? → Mai multe = distorsiune mai severă
  • 2× depășește 1×? → Nealiniere probabilă
  • Există subarmonici? → Joc, frecare sau vârtej de ulei
  • Amplitudinea scade cu ordinul (descreștere 1/n)? → Tipic pentru joc mecanic

Pasul 4: Verificarea direcționalității

  • Radial ridicat, axial scăzut: Dezechilibru sau joc mecanic
  • Axial ridicat: Nealiniere (în special unghiulară) sau arbore îndoit
  • Radial direcțional: Slăbire structurală (mai mare în direcția de joc)

Etapa 5: Tendința în timp

  • Amplitudinile armonicilor sunt în creștere? → Avaria progresează
  • Apar noi armonici? → Se dezvoltă un nou mecanism de defect
  • Crește nivelul de zgomot? → Uzură generală sau defecțiune în stadiu avansat

Etapa 6: Corelarea cu datele de fază

  • Dezechilibra: Faza 1× este stabilă și repetabilă
  • Nealiniere: 1× sau 2× faza prezintă ~180° de-a lungul cuplajului
  • Slăbiciune: Faza este instabilă, se poate schimba aleatoriu între măsurători

În practică, toate cele șase etape pot fi realizate la fața locului cu ajutorul unui aparat portabil cu două canale, cum ar fi Balanset-1A: montați accelerometrele, înregistrați spectrul și faza 1× în timp ce mașina funcționează, apoi identificați modelul armonic direct pe baza tabelului de diagnosticare de mai sus — și corectați orice dezechilibru rezidual fără a demonta rotorul.

Studii de caz — Analiza armonică în lumea reală

Cazul 1: Motor-pompă — este vorba de dezechilibru sau de nealiniere?

Maşină: Motor de 30 kW care antrenează pompa centrifugă la 2960 RPM prin cuplaj flexibil. Vibrație globală: 6,2 mm/s la rulmentul de pe partea de antrenare a motorului.

Spectru: 1× = 4,1 mm/s, 2× = 3,8 mm/s, 3× = 1,2 mm/s. Raportul 2×/1× = 0,93.

Direcţie: Radial ridicat 2× la ambii rulmenți ai capătului de transmisie. Axial 1× la cuplaj: motor = 2,8 mm/s, pompă = 3,1 mm/s cu o diferență de fază de 165°.

Diagnostic: Nealiniere unghiulară și paralelă combinată. Raportul 2×/1× care se apropie de 1,0, citirile axiale ridicate și faza de ~180° prin cuplare confirmă toate acestea. NU dezechilibru — chiar dacă 1× este ridicat, modelul 2× este adevărata cauză.

Acţiune: Aliniere laser efectuată. Post-aliniere: 1× = 0,8 mm/s, 2× = 0,3 mm/s. Totalul a scăzut la 1,1 mm/s - o reducere de 82%.

Cazul 2: Ventilator — De ce nu funcționează echilibrarea?

Maşină: Ventilator centrifugal la 1480 RPM. Vibrații: 8,5 mm/s. Încercarea anterioară de echilibrare a redus 1×, dar vibrația generală a rămas ridicată.

Spectru: 1× = 2,1 mm/s (scăzut după echilibrare), ½× = 1,8 mm/s, 2× = 3,2 mm/s, 3× = 2,5 mm/s, 4× = 1,8 mm/s, 5× = 1,1 mm/s, 6× = 0,7 mm/s.

Diagnostic: Lejeritate mecanică (tip B). Familia armonică cu subarmonica ½× este semnătura. Echilibrarea a corectat 1×, dar nu a putut rezolva problema armonicilor generate de slăbiciune care domină vibrația generală.

Acţiune: Inspecția a evidențiat o slăbire de 0,08 mm a carcasei rulmentului în alezajul piedestalului. Carcasa a fost realezată și s-a montat un rulment nou. După reparație: toate armonicele au scăzut la nivelul de referință. În ansamblu: 1,4 mm/s.

Cazul 3: Motorul compresorului — electric sau mecanic?

Maşină: Motor de inducție cu 4 poli, 50 Hz, la 1485 RPM, care antrenează un compresor cu șurub. Vibrațiile au crescut de la 2,0 la 5,5 mm/s în decurs de 3 luni.

Spectru: Vârf dominant la 100 Hz (= 2FL). De asemenea: 1× la 24,75 Hz = 1,2 mm/s, benzi laterale în jurul lui 1× la o distanță de ±1,0 Hz.

Test cheie: Întreruperea alimentării - vârful de 100 Hz a scăzut la zero în decurs de o revoluție. Benzile laterale 1× au persistat în timpul decelerării libere.

Diagnostic: Două probleme: (1) Electrică - excentricitatea statorului cauzează 2FL. (2) Mecanică - benzi laterale 1× la ±1,0 Hz (= frecvența de trecere a polilor pentru un motor cu 4 poli cu alunecare 1,0%) sugerează apariția unui defect al barei rotorului.

Acţiune: Motor trimis pentru rebobinare. Confirmat: 2 bare de rotor rupte + excentricitate statorică din cauza tasării bazei. După rebobinare și calare: vibrație 1,6 mm/s.

Echipament Vibromera pentru analiza armonică

The Balanset-1A și Balanset-4 furnizează în timp real Analiza spectrului FFT cu urmărirea cursorului armonic, permițând identificarea pe teren a modelelor 1×, 2×, 3× și diagnosticarea defecțiunilor. Dispozitivele combină analiza vibrațiilor pentru diagnosticare și precizie echilibrare pentru corecție - identificarea problemei și remedierea acesteia cu un singur instrument.

← Înapoi la indexul glosarului