Định nghĩa: Sóng hài là gì?

Trong phân tích rung động, một hài hòa là tần số là bội số nguyên chính xác của tần số cơ bản. Trong máy móc quay, tần số cơ bản thường là tốc độ quay của trục, được gọi là sóng hài bậc 1 hoặc 1×. Các sóng hài tiếp theo là bội số nguyên: 2× (gấp đôi tốc độ trục), 3× (gấp ba), v.v. Các tần số này cũng được gọi là đơn đặt hàng tốc độ chạy, hoặc sóng hài đồng bộ Bởi vì chúng được đồng bộ hóa chính xác với sự quay của trục.

Ví dụ, nếu một động cơ hoạt động ở tốc độ 1.800 vòng/phút (30 Hz), các sóng hài của nó sẽ xuất hiện ở các tần số 60 Hz (2 lần), 90 Hz (3 lần), 120 Hz (4 lần), 150 Hz (5 lần), v.v. Về lý thuyết, chuỗi sóng hài là vô hạn, nhưng trên thực tế, biên độ giảm dần ở các bậc cao hơn và chỉ một vài sóng hài đầu tiên mang thông tin chẩn đoán.

Định nghĩa tần số hài
fN = n × f1 = n × (vòng/phút / 60)
trong đó n = 1, 2, 3, 4… (bậc hài) và f₁ = tần số quay của trục tính bằng Hz

Sóng hài so với sóng hạ hài so với các đỉnh không đồng bộ

Sóng hài là bội số nguyên của tốc độ trục (2×, 3×, 4×…). sóng hài bậc thấp là bội số phân số (½×, ⅓×, ¼×) và luôn cho thấy các vấn đề cơ khí nghiêm trọng. Các đỉnh không đồng bộ là các tần số không liên quan đến tốc độ trục — chẳng hạn như tần số lỗi ổ trục, tần số ăn khớp bánh răng, tần số đường dây (50/60 Hz), hoặc tần số tự nhiên — và đòi hỏi các phương pháp chẩn đoán khác nhau. Đỉnh ở mức 3,57× RPM KHÔNG phải là sóng hài; đó có thể là tần số lỗi ổ bi.

Tại sao sóng hài được tạo ra?

Trong một hệ thống tuyến tính hoàn hảo được kích thích bởi một lực hình sin thuần túy (chẳng hạn như một rôto cân bằng hoàn hảo, được căn chỉnh hoàn hảo trong các ổ trục hoàn hảo), chỉ có sóng hài bậc 1 xuất hiện. Máy móc thực tế không bao giờ hoàn toàn tuyến tính. Các sóng hài xuất hiện bất cứ khi nào dạng sóng dao động bị biến dạng so với sóng sin thuần túy — bất cứ khi nào phản ứng của hệ thống bị biến dạng. phi tuyến tính hoặc chính hàm lực tác động không phải là hàm hình sin.

Toán học: Định lý Fourier

Định lý Fourier Định lý này nêu rõ rằng bất kỳ dạng sóng tuần hoàn nào — dù phức tạp đến đâu — đều có thể được phân tích thành tổng của các sóng sin ở tần số cơ bản và bội số nguyên của nó, mỗi sóng có biên độ và pha xác định. Thuật toán FFT (Biến đổi Fourier nhanh) được sử dụng bởi các máy phân tích rung động thực hiện phép phân tích này bằng máy tính, hiển thị thành phần hài của tín hiệu.

Sóng sin thuần túy chỉ có một thành phần tần số duy nhất. Sóng vuông chứa tất cả các sóng hài lẻ (1×, 3×, 5×, 7×…) với biên độ giảm theo tỷ lệ 1/n. Sóng răng cưa chứa tất cả các sóng hài với biên độ giảm theo tỷ lệ 1/n. Hình dạng cụ thể của sự biến dạng quyết định các sóng hài nào xuất hiện — đây chính là điều làm cho phân tích sóng hài trở nên mạnh mẽ trong việc chẩn đoán.

Các cơ chế vật lý tạo ra sóng hài

  • Cắt/ngắt dạng sóng: Khi chuyển động của trục bị hạn chế về mặt vật lý (vỏ ổ trục, tiếp xúc ma sát), dạng sóng thu được sẽ bị cắt xén, tạo ra các sóng hài. Sự cắt xén càng nghiêm trọng thì càng tạo ra nhiều sóng hài hơn.
  • Độ cứng không đối xứng: Nếu độ cứng của hệ thống khác nhau giữa nửa dương và nửa âm của chu kỳ dao động (trục bị nứt đóng/mở, lệch trục tạo ra độ cứng kéo/nén khác nhau), thì sẽ tạo ra các sóng hài chẵn (2×, 4×, 6×).
  • Các sự kiện va đập: Các tác động định kỳ (ốc vít lỏng, tác động do lỗi ổ trục) tạo ra các dạng sóng ngắn, sắc nét, cực kỳ giàu thành phần hài — giống như cách dùi trống tạo ra nhiều âm bội.
  • Lực phục hồi phi tuyến tính: Khi độ cứng thay đổi theo độ dịch chuyển (ổ trục chịu tải trọng thay đổi, gối đỡ cao su có độ cứng tăng dần), phản ứng với lực hình sin sẽ chứa các sóng hài.
  • Kích thích tham số: Khi các đặc tính của hệ thống thay đổi định kỳ với tần số liên quan đến tốc độ trục, chúng có thể tạo ra các sóng hài và sóng hạ hài của tần số kích thích.
Nguyên tắc chẩn đoán chính

Mô hình các sóng hài hiện diện, biên độ tương đối của chúng và những sóng hài vắng mặt cho nhà phân tích biết cơ chế vật lý nào tạo ra tính phi tuyến tính. Các nhà phân tích giàu kinh nghiệm kiểm tra toàn bộ cấu trúc sóng hài của phổ — không chỉ mức độ rung tổng thể — để xác định các cơ chế lỗi cụ thể.

Dấu hiệu lỗi chi tiết — Mô hình sóng hài

1× Chủ đạo — Mất cân bằng

Đỉnh trội ở mức 1× với các sóng hài bậc cao tối thiểu là dấu hiệu kinh điển của mất cân bằng khối lượng. Lực mất cân bằng vốn dĩ có dạng hình sin (nó quay cùng trục với tần số 1×), tạo ra một đỉnh duy nhất rõ nét trong miền tần số.

Chi tiết chẩn đoán

  • Biên độ: Tỷ lệ thuận với tốc độ² (tốc độ gấp đôi → biên độ gấp 4 lần) và tỷ lệ thuận với khối lượng mất cân bằng
  • Giai đoạn: Ổn định, có thể lặp lại, đơn trị. Thay đổi một cách có thể dự đoán được khi thêm khối lượng thử — đây là nền tảng của tất cả. quy trình cân bằng
  • Phương hướng: Chủ yếu là hướng tâm; hướng trục 1× thấp trừ khi rôto có phần nhô ra đáng kể.
  • Xác nhận: Phản ứng với các trọng lượng thử nghiệm xác nhận sự mất cân bằng. Nếu 1× không phản ứng với các trọng lượng thử nghiệm, hãy xem xét trục bị cong, độ lệch tâm hoặc hiện tượng cộng hưởng.
Không phải mọi rung động 1× đều là mất cân bằng.

Một số điều kiện tạo ra giá trị 1× cao mà KHÔNG thể khắc phục bằng cách cân bằng: trục bị cong, độ lệch tâm của trục, độ đảo điện của đầu dò tiệm cận, độ cong của rôto do ảnh hưởng nhiệt, độ lệch tâm của khớp nối, và sự cộng hưởng Sự khuếch đại. Luôn xác minh chẩn đoán trước khi cố gắng cân bằng.

2× Chủ đạo — Lệch trục

Sóng hài bậc 2 mạnh, thường có biên độ tương đương hoặc vượt quá đỉnh 1×, là chỉ báo chính của trục không thẳng hàng. Sự lệch trục khiến trục quay di chuyển theo một quỹ đạo không hình sin trong mỗi vòng quay, tạo ra sự biến dạng dẫn đến sóng hài bậc 2 và đôi khi cao hơn.

Sai lệch góc so với sai lệch song song

  • Sai lệch góc: Tâm trục cắt nhau tạo thành một góc tại khớp nối. Điều này tạo ra dao động dọc trục bậc 1 cao. Pha tại khớp nối cho thấy sự lệch pha khoảng 180° theo hướng trục.
  • Sai lệch song song (lệch trục): Tâm trục song song nhưng lệch nhau. Tạo ra rung động hướng tâm ở thành phần 2× cao, thường với 2× ≥ 1×. Trường hợp nghiêm trọng tạo ra thành phần 3× và 4×. Pha hướng tâm qua khớp nối cho thấy sự dịch chuyển khoảng 180°.
  • Tổng hợp: Trên thực tế, cả hai thường cùng tồn tại, tạo ra sự pha trộn các dấu hiệu đặc trưng.

Tỷ lệ 2×/1× như một chỉ số chẩn đoán

Tỷ lệ 2×/1× Tình trạng có thể xảy ra Hoạt động
< 0,25 Bình thường; thành phần 2×, hiện diện ở mức thấp trong hầu hết các máy. Không cần hành động
0,25 – 0,50 Có thể xảy ra sai lệch nhẹ; điều này là bình thường đối với một số loại khớp nối. Kiểm tra sự thẳng hàng; so sánh với đường cơ sở.
0,50 – 1,00 Có khả năng xảy ra sai lệch đáng kể. Thực hiện căn chỉnh laser chính xác
> 1,00 Sai lệch tâm trục nghiêm trọng; thành phần 2× vượt quá thành phần 1× Khẩn cấp — điều chỉnh lại; kiểm tra khớp nối và độ căng của đường ống.

Đa hài hòa — Độ lỏng cơ học

Một loạt phong phú tốc độ vận hành harmonics (1×, 2×, 3×, 4×, 5×… to 10× or more) indicate sự lỏng lẻo về mặt cơ học. Các tác động, tiếng va đập và chu kỳ tiếp xúc/tách rời phi tuyến tính tạo ra sự biến dạng dạng sóng cực độ, phân tách thành nhiều thành phần sóng hài.

Ba loại lỏng lẻo

  • Loại A — Cấu trúc: Mối nối giữa máy và móng bị lỏng (chân mềm, đế nứt, bu lông neo lỏng). Tạo ra dao động định hướng 1× (cao hơn ở hướng lỏng). Thử nghiệm chính: siết chặt/nới lỏng từng bu lông riêng lẻ trong khi theo dõi biên độ dao động 1×.
  • Loại B — Linh kiện: 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).
  • Loại C — Đế ổ trục: Cánh bơm bị lỏng trên trục, moay ơ khớp nối bị lỏng, khe hở ổ trục quá lớn khiến rôto bị rung lắc. Tạo ra nhiều sóng hài với mức nhiễu nền băng thông rộng tăng cao.
Sóng hài bậc dưới: Dấu ấn của sự lỏng lẻo

Sự hiện diện của các sóng hài bậc thấp (½×, ⅓×) là dấu hiệu phân biệt đáng tin cậy nhất giữa hiện tượng lỏng lẻo và lệch trục. Lệch trục tạo ra sóng 2× và 3× nhưng hiếm khi tạo ra sóng hài bậc thấp. Hiện tượng lỏng lẻo (Loại B và C) thường tạo ra sóng ½× vì rôto tiếp xúc với một phía của ổ trục trong một nửa vòng quay và bật sang phía bên kia trong nửa vòng quay tiếp theo — tạo ra một chu kỳ lặp lại sau mỗi hai vòng quay, do đó tạo ra sóng ½×.

Các điều kiện tạo sóng hài khác

Trục cong

Tạo ra cả rung động 1× và 2× với thành phần trục cao. Không giống như sai căn chỉnh, một trục bị cong cho thấy 1× không thể được sửa chữa bằng cân bằng (lệch tâm hình học, không phải phân bố khối lượng) và khoảng chênh lệch pha trục ~180° giữa các đầu trục. 2× xuất phát từ độ cứng không đối xứng khi vòng cong mở và đóng lại khi quay.

Máy móc chuyển động tịnh tiến

Động cơ, máy nén và các máy chuyển động tịnh tiến vốn dĩ tạo ra phổ sóng hài phong phú vì chuyển động của piston/trục khuỷu về cơ bản là không hình sin. Mẫu sóng hài phụ thuộc vào số xi lanh, thứ tự đánh lửa và loại chu kỳ (2 thì so với 4 thì).

Cọ xát rôto

Ma sát một phần (tiếp xúc trong một phần của mỗi vòng quay) tạo ra nhiều sóng hài bậc cao — đôi khi lên đến 10×, 20× hoặc hơn. Ma sát toàn vòng (tiếp xúc liên tục 360°) tạo ra các sóng hài phụ chủ đạo (½×, ⅓×, ¼×) thông qua cơ chế tiến động ngược.

Các sự cố điện trong động cơ

Động cơ điện xoay chiều tạo ra rung động ở bội số của tần số lưới (50 hoặc 60 Hz) độc lập với tốc độ trục. Phổ biến nhất là 2 lần tần số lưới (100 Hz trong hệ thống 50 Hz, 120 Hz trong hệ thống 60 Hz). Đây KHÔNG phải là sóng hài của tốc độ trục — mà là sóng hài của tần số lưới, đây là chìa khóa để phân biệt rung động điện với rung động cơ học. kiểm tra cắt điện Có thể khẳng định chắc chắn rằng: độ rung điện giảm ngay lập tức khi ngắt nguồn, trong khi độ rung cơ học vẫn tiếp tục trong quá trình giảm tốc.

Các khiếm khuyết thanh rotor tạo ra các dải bên quanh 1× cách nhau bằng tần số đi qua cực (tần số trượt × số cực). Các dải bên này rất gần 1× (trong vòng 1–5 Hz), yêu cầu độ phân giải cao zoom FFT phân tích để giải quyết.

Tần số không đồng bộ — Không phải là sóng hài thực sự

Một số tần số quan trọng đôi khi bị nhầm lẫn với sóng hài nhưng thực chất lại không phụ thuộc vào tốc độ quay của trục:

Loại tần số Công thức Mối quan hệ với RPM Ghi chú
Tần số lỗi ổ trục BPFO, BPFI, BSF, FTF Các bội số không phải là số nguyên (ví dụ: 3,57×, 5,43×) Luôn không đồng bộ; phụ thuộc vào hình dạng ổ trục.
Tần số ăn khớp bánh răng GMF = số răng × vòng/phút Số nguyên nhưng có bậc rất cao Về mặt kỹ thuật, đó là một sóng hài nhưng được phân tích riêng biệt.
Lưỡi/cánh đi qua BPF = số cánh quạt × số vòng quay/phút Bội số nguyên Bình thường; biên độ quá cao cho thấy có vấn đề.
Tần số đường dây FL = 50 hoặc 60 Hz Không liên quan đến RPM Điện; biến mất khi mất điện.
Tần số tự nhiên fN = √(k/m)/2π Cố định; không liên quan đến RPM Tần số không đổi bất kể sự thay đổi tốc độ
Tần số đai fthắt lưng = RPM × π × D/L Tốc độ dưới đồng bộ (< tốc độ trục) Tần số dây đai và các sóng hài của nó 2×, 3×, 4× BF

Hướng dẫn phân tích — Cách diễn giải các mẫu sóng hài

Bước 1: Xác định thành phần cơ bản (1×)

Xác định vị trí đỉnh 1× tương ứng với tốc độ quay trục. Xác minh bằng cách sử dụng máy đo tốc độ hoặc tên thương hiệu động cơ. Trong các máy có tốc độ thay đổi, 1× phải được xác định chính xác cho mỗi phép đo.

Bước 2: Lập danh mục tất cả các đỉnh

Đối với mỗi đỉnh đáng kể, hãy xác định: nó có phải là bội số nguyên chính xác của 1× (sóng hài thực) không? Là bội số phân số (sóng hài phụ)? Không liên quan đến tốc độ trục (không đồng bộ)? Sử dụng các tính năng con trỏ sóng hài của máy phân tích để đạt hiệu quả cao.

Bước 3: Kiểm tra mẫu biên độ

  • Sóng hài nào chiếm ưu thế? → Chỉ ra lỗi cụ thể
  • Có bao nhiêu sóng hài? → Càng nhiều sóng hài = biến dạng tín hiệu càng nghiêm trọng
  • Liệu 2× có vượt quá 1× không? → Có khả năng lệch tâm trục
  • Có các sóng con hiện diện? → Lỏng, ma sát, hoặc xoáy dầu
  • Biên độ có giảm dần theo thứ tự (suy giảm 1/n) không? → Điển hình cho tính lỏng lẻo

Bước 4: Kiểm tra hướng đi

  • Rung động hướng tâm cao, rung động dọc trục thấp: Mất cân bằng hoặc lỏng lẻo
  • Trục cao: Trục bị lệch (đặc biệt là lệch góc) hoặc bị cong.
  • Hướng kính định hướng: Độ lỏng lẻo về cấu trúc (cao hơn theo hướng lỏng lẻo)

Bước 5: Xu hướng theo thời gian

  • Biên độ sóng hài có đang tăng lên không? → Sự cố đang tiến triển
  • Có phải sóng hài mới đang xuất hiện? → Cơ chế lỗi mới đang hình thành
  • Mức độ tiếng ồn có đang tăng lên không? → Hao mòn chung hoặc hỏng hóc ở giai đoạn cuối

Bước 6: Đối chiếu với dữ liệu pha

  • Mất cân bằng: Pha 1× ổn định và có thể lặp lại.
  • Sự không cân xứng: Pha 1× hoặc 2× cho thấy góc ~180° qua khớp nối.
  • Sự lỏng lẻo: Pha không ổn định, có thể thay đổi ngẫu nhiên giữa các lần đo.

Trong thực tế, tất cả sáu bước có thể được thực hiện tại chỗ bằng một thiết bị hai kênh di động như Balanset-1A: gắn các cảm biến gia tốc, chụp phổ và pha 1× khi máy chạy, và đọc trực tiếp mẫu sóng hài đối với bảng chẩn đoán ở trên — sau đó sửa chữa bất kỳ mất cân bằng còn lại mà không cần tháo rotor.

Các nghiên cứu điển hình — Phân tích hài hòa trong thế giới thực

Trường hợp 1: Động cơ-bơm — Là do mất cân bằng hay lệch trục?

Máy móc: Động cơ 30 kW dẫn động bơm ly tâm ở tốc độ 2960 vòng/phút thông qua khớp nối mềm. Độ rung tổng thể: 6,2 mm/s tại ổ trục đầu dẫn động của động cơ.

Phổ: 1× = 4,1 mm/s, 2× = 3,8 mm/s, 3× = 1,2 mm/s. Tỷ lệ 2×/1× = 0,93.

Phương hướng: Rung động hướng tâm cao 2× tại cả hai ổ trục đầu truyền động. Rung động dọc trục 1× tại khớp nối: động cơ = 2,8 mm/s, bơm = 3,1 mm/s với độ lệch pha 165°.

Chẩn đoán: Sự lệch trục kết hợp cả về góc và song song. Tỷ lệ 2×/1× tiến gần đến 1,0, các chỉ số trục cao và pha ~180° trên toàn bộ khớp nối đều xác nhận điều này. KHÔNG phải là mất cân bằng — mặc dù 1× cao hơn, nhưng mô hình 2× mới là vấn đề thực sự.

Hoạt động: Đã thực hiện căn chỉnh bằng laser. Sau khi căn chỉnh: 1× = 0,8 mm/s, 2× = 0,3 mm/s. Tổng thể giảm xuống còn 1,1 mm/s — giảm 82%.

Trường hợp 2: Quạt — Tại sao Cân bằng không hoạt động?

Máy móc: Quạt ly tâm ở tốc độ 1480 vòng/phút. Độ rung: 8,5 mm/giây. Lần cân bằng trước đã giảm được thành phần 1× nhưng độ rung tổng thể vẫn còn cao.

Phổ: 1× = 2,1 mm/s (thấp sau khi cân bằng), 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.

Chẩn đoán: Hiện tượng lỏng lẻo cơ học (Loại B). Đặc điểm nhận dạng là họ sóng hài với sóng hài phụ ½×. Việc cân bằng đã khắc phục được 1× nhưng không thể giải quyết được các sóng hài do lỏng lẻo tạo ra, vốn chi phối toàn bộ rung động.

Hoạt động: Kiểm tra cho thấy vỏ ổ trục bị lỏng 0,08 mm trong lỗ khoan của đế. Vỏ ổ trục được khoan lại và lắp ổ trục mới. Sau khi sửa chữa: tất cả các sóng hài giảm xuống mức ban đầu. Tổng thể: 1,4 mm/s.

Trường hợp 3: Động cơ máy nén — Điện hay cơ khí?

Máy móc: Động cơ cảm ứng 4 cực, 50 Hz, tốc độ 1485 vòng/phút dẫn động máy nén khí trục vít. Độ rung tăng từ 2,0 lên 5,5 mm/s trong vòng 3 tháng.

Phổ: Đỉnh trội ở 100 Hz (= 2FL). Ngoài ra: 1× ở 24,75 Hz = 1,2 mm/s, các dải biên xung quanh 1× với khoảng cách ±1,0 Hz.

Bài kiểm tra chính: Mất điện — đỉnh tần số 100 Hz giảm xuống bằng không trong vòng một vòng quay. Các dải tần phụ 1× vẫn tồn tại trong quá trình giảm tốc.

Chẩn đoán: Hai vấn đề: (1) Điện — độ lệch tâm stato gây ra 2FL. (2) Cơ khí — 1× dải biên ở ±1,0 Hz (= tần số đi qua cực đối với động cơ 4 cực với độ trượt 1,0%) cho thấy khuyết tật thanh rôto đang phát triển.

Hoạt động: Động cơ được gửi đi quấn lại. Đã xác nhận: 2 thanh rôto bị gãy + độ lệch tâm stato do độ võng của đế. Sau khi quấn lại và căn chỉnh: độ rung 1,6 mm/giây.

Thiết bị Vibromera dùng cho phân tích hài

The Balanset-1A and Balanset-4 cung cấp thời gian thực Phân tích phổ FFT Với tính năng theo dõi con trỏ hài, cho phép nhận dạng tại hiện trường các dạng 1×, 2×, 3× và chẩn đoán lỗi. Các thiết bị này kết hợp phân tích rung động để chẩn đoán và cân bằng chính xác. cân bằng Để khắc phục — xác định vấn đề và giải quyết nó bằng một công cụ duy nhất.

← Trở lại Mục lục Thuật ngữ