了解變速機器的轉速階次分析
階次分析 是一種專門的 振動分析 技術，專為無法以單一恆定速度運轉的機器設計。它不是將振幅繪製在固定的 Hz 或 CPM 頻率軸上，而是將振幅繪製在 運轉速度階數 —— 即軸瞬時轉速的倍數 運轉轉速上。1 階次代表正好 1×（運轉速度）的振動，2 階次代表該速度的 2×，依此類推。透過將分析與軸本身而非時鐘掛鉤，階次分析能確保與速度相關的成分保持清晰銳利，無論機器如何加速或惰轉。
1. 定義：什麼是階次？
一個 order 是基本旋轉速度的諧波。由於許多機器故障會在軸速度的整數倍處激發振動，以階次表示頻譜可將每個峰值直接對應到物理成因。1 階次幾乎總是承載 不平衡；2 階次是 不對心 與某些鬆動狀況的典型指標；較高的整數階次則與 齒輪嚙合、葉片或 過葉頻率 事件有關，這些事件與轉子上的元件數量相關。非整數（分數）階次會標示 次同步 現象，例如油膜渦動或皮帶缺陷。簡言之，階次軸是一張隨轉子移動的診斷地圖。
2. 為什麼標準 FFT 在變速機器上會失效
傳統的 快速傅立葉轉換 (FFT) 會在固定的 時間 視窗內採樣振動，並假設該視窗內的速度是恆定的。在恆速機器上，這非常完美。但如果在收集資料期間軸加速或減速，每個與速度相關的成分都會在擷取期間於頻譜上漂移。其能量會 smear（模糊/擴散）到許多相鄰的頻率 bin 中，產生一個寬、低、模糊的隆起，而不是一條清晰的線。原本應在頻譜上高聳的 1× 不平衡峰值可能會扁平化為雜訊——無法準確讀取，且對 趨勢分析無用。這種模糊效應與 頻譜洩漏背後的機制相同，並因 RPM 變化而加劇。階次分析正是為了克服此問題而開發的。
3. 解決方案：階次追蹤
使能技術是 階次追蹤，它依賴第二個輸入：一個 轉速計 （或「轉速感測器」），從軸提供每轉一次的脈衝。分析儀將此脈衝序列（而非其內部晶體時鐘）視為時間基準。它不是在固定的時間間隔（例如每毫秒）進行採樣，而是在固定的 角度 間隔（例如每旋轉一度）進行採樣。這被稱為 角度域重採樣.
兩種常見方法。 硬體（同步）採樣 直接由轉速感測器脈衝的鎖相倍數驅動類比至數位轉換器，因此每轉總是產生相同數量的樣本。 計算（軟體）階次追蹤 以高固定速率採樣，然後使用記錄的轉速感測器計時，將記錄數位重新插值到等角度步長上。無論哪種方式，產生的轉換都以階次而非 Hz 表示。如果機器改變速度，1× 線會保持在 1 階次 bin 中，作為一個高而窄的峰值——模糊效應消失。轉速感測器還提供 相位 參考，這使得分析儀能夠在升速期間建立 波德圖 與 奈奎斯特 圖。
核心概念：階次分析將資料擷取鎖定在軸 角度 而非 時間上，因此與速度同步的振動在每個 RPM 下都保持清晰銳利。
4. 關鍵應用
在速度不恆定的任何場合，階次分析都不可或缺：
- 車輛與引擎測試： 解析引擎、變速箱與傳動系統在整個 RPM 範圍內的振動。
- 風力渦輪機： 轉子速度持續追蹤風速，因此固定頻率視圖毫無意義——階次分析至關重要。
- 升速與惰轉降速分析： 在機器啟動或停止時擷取振動，是定位 臨界轉速 與 共振的有力方法；階次追蹤能確保產生的 惰轉降速 圖清晰易讀。
- 往復式機械： 壓縮機與引擎，其瞬時速度在每個循環內波動。
- 重型與移動式機械： 土方設備、礦業車輛及其他變速驅動系統。
5. 轉階分析資料的顯示方式
結果可透過多種互補的格式檢視：
- 轉階頻譜： 振幅對轉階 — 類似標準 FFT，但 X 軸為轉階。
- 瀑布 或 瀑布圖 圖： 一組堆疊的 3-D 轉階頻譜，顯示各轉階振幅隨速度變化的演變過程。
- 波德圖： 單一追蹤轉階（通常為 1× 或 2×）的振幅與相位對機械速度繪製，為升速/惰轉降速測試的核心。
- 坎貝爾圖: 轉階線疊加於系統的自然頻率上，因此當轉階線與自然頻率線相交時，共振便會顯現。
A 追蹤濾波器 可即時隔離單一轉階以進行微調作業，而 坎貝爾圖計算器 有助於在測試前預測這些交點將出現的位置。
6. 實務現場工作中的轉階分析
在車間現場，轉階分析是無法維持恆定速度之機械進行動平衡校正的基礎。像 Balanset-1A 這類便攜式雙通道儀器，利用其光學雷射轉速計將振動資料鎖定於軸角，因此其為 現場動平衡 所測量的 1× 不平衡分量，即使在負載下 RPM 漂移的風機或泵浦上，仍能保持清晰。相同的轉速計參考方法讓分析儀能將與速度同步的 1× 峰值從固定頻率雜訊（如 軸承故障頻率）中分離出來，提供重點位置的可靠讀數。事實上，轉階分析正是將變速機械的振動資料轉化為工程師可採取行動依據的關鍵 — 能準確診斷任何在速度範圍內運轉之轉子的健康狀況。
