Hiểu về tần số trong phân tích rung động
Tần số là thước đo xác định tần suất diễn ra của một sự kiện lặp lại trong một đơn vị thời gian nhất định — trong Phân tích rung động, nó định lượng tốc độ dao động của một vật thể. Đây là tham số quan trọng nhất duy nhất để chẩn đoán nguyên nhân gốc rễ của vấn đề máy móc. Trong khi biên độ cho biết mức độ nghiêm trọng của một rung động, tần số cho biết nguồn. Đọc giá trị biên độ và bạn sẽ biết vấn đề tồi tệ đến mức nào; đọc tần số của nó và bạn sẽ biết vấn đề là gì.
1. Định nghĩa: Tần số Rung động là gì?
Tần số mô tả tốc độ chuyển động tuần hoàn — số chu kỳ dao động hoàn toàn mà một bộ phận rung hoàn thành trong một đơn vị thời gian. Một rotor quay ở 1.800 rpm hoàn thành ba mươi vòng quay mỗi giây, do đó lực quay một lần mà nó tạo ra lặp lại ba mươi lần mỗi giây. Mỗi thành phần định kỳ nằm bên trong dạng sóng thời gian có tần số riêng của nó, và việc tách các thành phần đó là nền tảng của tất cả công việc chẩn đoán.
Điều quan trọng là tần số độc lập với biên độ. Một rung động có thể bạo lực hoặc hầu như không nhận thấy ở tần số hoàn toàn giống nhau; những gì thay đổi khi một lỗi phát triển thường là biên độ, trong khi tần số vẫn gắn chặt với cơ chế vật lý tạo ra nó. Tính ổn định đó chính xác là điều làm cho tần số trở thành một dấu vân tay đáng tin cậy.
2. Sức Mạnh Chẩn Đoán của Tần số
Nguyên tắc cơ bản của chẩn đoán rung động là các thành phần cơ khí và điện khác nhau tạo ra rung động ở các tần số cụ thể, có thể dự đoán được khi bắt đầu hỏng. Bằng cách xác định tần số nào có trong chữ ký rung động của máy — và cường độ của mỗi tần số — một nhà phân tích có thể chẩn đoán chính xác thành phần nào gây ra sự cố. Điều này tương tự như cách một bác sĩ sử dụng ống nghe để lắng nghe các âm thanh đặc trưng phản ánh các tình trạng khác nhau.
Mỗi lỗi tiềm ẩn có chữ ký tần số đặc trưng:
- Mất cân bằng: một vấn đề với toàn bộ bộ quay, chẳng hạn như mất cân bằngxuất hiện ở tần số quay của trục — 1× tốc độ vận hành.
- Sự không cân xứng: một vấn đề trong khớp nối giữa hai trục, chẳng hạn như sự không thẳng hàng, thường xuất hiện ở gấp đôi tốc độ quay (2×), thường với một đỉnh cao 3×.
- Lỗi ổ trục: một khiếm khuyết trên vòng bi cuộn tạo ra các tần số không nguyên tần số lỗi ổ trục được xác định bởi hình học đường dẫn và quả cầu của nó cùng tốc độ trục.
- Vấn đề bánh răng: các răng ăn khớp tạo ra năng lượng ở tần số tần số ăn khớp bánh răng (GMF) — số của các răng nhân với tốc độ của bánh răng — thường xung quanh dải bên.
Vì những chữ ký này hiếm khi trùng lặp, một phổ được phân giải tốt có thể phân biệt mất cân bằng khỏi độ lệch tâm khỏi vòng bi hỏng mà không cần mở máy.
3. Đơn vị tần số
Tần số được biểu thị bằng nhiều đơn vị, và một nhà phân tích có kinh nghiệm cần thành thạo tất cả chúng.
Hertz (Hz)
Đơn vị quốc tế (SI). Một hertz bằng một chu kỳ trên giây. Đây là tiêu chuẩn trong các ngữ cảnh khoa học và hầu hết thiết bị, và đó là đơn vị được sử dụng trên trục tần số FFT.
Chu kỳ mỗi phút (CPM)
Được sử dụng rộng rãi trong bảo trì công nghiệp vì nó liên quan trực tiếp đến tốc độ quay, được tính bằng số vòng quay trên phút (RPM). Vì một phút chứa 60 giây, phép chuyển đổi đơn giản là CPM = Hz × 60. Do đó, một rung động ở 30 Hz bằng 1.800 CPM — và trên một máy chạy ở 1.800 rpm, đỉnh đó nằm chính xác ở tốc độ hoạt động, thường dễ nhận ra hơn ở CPM so với Hz.
Đơn hàng
Các bội số là bội của tốc độ hoạt động riêng của máy: tốc độ hoạt động là bội số 1, gấp đôi tốc độ hoạt động là bội số 2, v.v. Lợi ích là các bội số không đổi ngay cả khi máy thay đổi tốc độ — mất cân bằng nằm ở bội số 1 cho dù trục quay ở 900 hay 3.600 rpm, trong khi tần số của nó tính bằng Hz thay đổi. Điều này làm cho các bội số không thể thiếu đối với thiết bị tốc độ thay đổi và là cơ sở của phân tích đơn hàng. Một Máy tính tần số hài chuyển đổi RPM thành các tần số 1× đến 10× của nó trong một bước, và Công cụ chuyển đổi đơn vị rung xử lý sổ sách Hz–CPM.
4. Cách xác định tần số
Các tần số ẩn trong tín hiệu rung động được trích xuất bằng Biến đổi Fourier nhanh (FFT). Một cảm biến gia tốc ghi lại dạng sóng thời gian thô, và thuật toán FFT phân tách nó thành phổ tần số — một biểu đồ hiển thị từng tần số riêng lẻ tạo thành rung động phức tạp, với chiều cao của mỗi đỉnh cho thấy bao nhiêu năng lượng nằm ở đó. Nhân viên kỹ thuật sau đó so khớp các đỉnh đó với chữ ký lỗi ở trên. Trong thực tế, một thiết bị di động hai kênh như Balanset-1A thực hiện FFT tại chỗ, đo phổ từ khoảng 5 Hz lên tới 1000 Hz để có thể đọc trực tiếp đỉnh tốc độ chạy và các sóng hài của nó tại máy, với xung tachometer mỗi vòng quay xác định chính xác đỉnh nào là 1×.
5. Mối quan hệ giữa tần số, vận tốc và gia tốc
Với một mức năng lượng rung động nhất định, các biên độ của sự dịch chuyển, vận tốc, Và gia tốc phụ thuộc mạnh vào tần số, đó là lý do tại sao mỗi đơn vị chiếm ưu thế trong một dải khác nhau:
- Tần số thấp: độ dịch chuyển là lớn nhất, vì vậy nó là đơn vị tự nhiên cho chuyển động trục chậm.
- Tần số trung bình: vận tốc là lớn nhất và đồng đều nhất, đó là lý do tại sao mức độ rung các tiêu chuẩn như Tiêu chuẩn ISO 20816 (người kế nhiệm hiện đại của ISO 10816) đánh giá sức khỏe tổng thể của máy bằng vận tốc mm/s.
- Tần số cao: gia tốc là lớn nhất, làm cho nó trở thành đơn vị lựa chọn cho các tín hiệu vòng bi và bánh răng.
Chọn sai đơn vị cho một dải tần số có thể che giấu một lỗi thực sự trong tầng nhiễu; chọn đúng sẽ làm cho cùng một lỗi nổi lên khỏi biểu đồ. Hiểu theo cách này, tần số là chìa khóa mở ra tiềm năng chẩn đoán của phân tích rung động — biến một tín hiệu thô, rối tung tóng thành thông tin bảo trì có thể hành động được.
