Order-Ratio-Analyse und Tracking-Analyse

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung

2. Ordnungsverhältnisanalyse
2.1 Was ist die Ordnungsverhältnisanalyse?
2.2 Rotationsordnungsverhältnis und seine Frequenz
2.3 Rotationsordnungsanalyse und Frequenzanalyse bei Rotationsänderung
2.4 Abtastsignal für die Ordnungsverhältnisanalyse
2.5 Auflösung der Ordnungsverhältnisanalyse
2.6 Aliasing-Phänomen

3. Rotationsverfolgungsanalyse
3.1 Konstantverhältnis-Tracking-Analyse
3.2 Tracking-Analyse mit konstanter Breite
3.3 Andere Tracking-Analysen
3.4 Tracking-Analyse und Rotationsänderungsanalyse

4. Zusammenfassung
4.1 Auftragsverfolgung mit konstantem Verhältnis und Auftragsverfolgung mit konstanter Breite

1. Einführung

Rotierende Maschinen wie Motoren oder Kompressoren usw. drehen sich mit einem breiten Drehzahlbereich von niedriger bis hoher Drehzahl. Bei diesen rotierenden Maschinen kann die Resonanz zwischen der Drehzahl und der Eigenfrequenz jeder Komponente (Rotationswelle, Zahnrad, Lager usw.) der rotierenden Maschine ein ernsthaftes Problem verursachen. Als Beispiel können Torsionsschwingungen, die ein großer Generator enthält, in Resonanz eine Erregungsenergie erzeugen, die größer ist als die zulässige Belastung, und daher schwere Unfälle bis hin zur Zerstörung verursachen. Die Analyse der Vibration bezogen auf die Rotation hilft sehr, die Ursache zu finden, z. B. welche Komponente oder Drehzahlordnung Geräusche und Vibrationen verursacht, wenn eine rotierende Maschine bei einer bestimmten Drehzahl Vibrationen erzeugt.

Als Methoden, um die Gründe zu finden, werden meist die „ Analyse des Rotationsordnungsverhältnisses “ und die „Rotationsverfolgungsanalyse" verwendet. Für die Analyse des Rotationsordnungsverhältnisses definiert sie das Phänomen, das einmal pro Rotation (ein Zyklus) auftritt, als Rotationskomponente der primären Ordnung, n-mal der Rotation als Komponente n-ter Ordnung und die Die X-Achse zeigt die Ordnung und die Y-Achse stellt die Ton- und Vibrationsgröße dar. Die Rotationsverfolgungsanalyse führt eine Analyse durch, wie sich die Ton- und Vibrationsgröße der Ordnungskomponente ändert, wenn die Drehung zunimmt oder abnimmt. Die Ordnung und das Ordnungsverhältnis haben die gleiche Bedeutung.
Die folgende Abbildung 1 ist ein konzeptionelles Diagramm, das die Beziehung zwischen „Frequenzanalyse“, „Rotationsordnungsverhältnisanalyse“ (im Folgenden als „Ordnungsverhältnisanalyse“ bezeichnet) und „Rotations-Tracking-Analyse“ (im Folgenden als „Tracking-Analyse“ bezeichnet) zeigt. die alle 50 U/min Drehzahlerhöhung gemessen und in 3D dargestellt werden.

• Frequenzanalyse in 3D: Die X-Achse zeigt die Frequenz (Hz). Komponenten der gleichen Ordnung erscheinen mit zunehmender Drehung in der oberen rechten Richtung .
• Ordnungsverhältnisanalyse in 3D: Die X-Achse zeigt die Ordnung. Komponenten gleicher Ordnung erscheinen in vertikaler Richtung. Der Hauptunterschied zwischen der Frequenzanalyse und der Ordnungsverhältnisanalyse besteht darin, wie es in der obigen Abbildung erscheint, wenn die Drehzahl zunimmt.
• Tracking-Analyse: Komponenten derselben Ordnung werden aus allen Daten extrahiert und stellen die Rotationsgeschwindigkeit auf der X-Achse und die Ordnungskomponenten auf der Y-Achse dar. Sie können sehen, wie sich die Ordnungskomponente, auf die fokussiert wird, mit zunehmender Drehzahl ändert. Mit anderen Worten, die Daten zeigen, dass die Schwingung der interessierenden Ordnungskomponente allmählich zunimmt, wenn sich die Drehzahl der Resonanzfrequenz der Komponente nähert, und maximal wird, wenn sie mit dem Resonanzpunkt übereinstimmt, und dann allmählich abnimmt, nachdem die Drehzahl die Resonanzpunkt. Anhand dieser Daten können Sie ganz einfach den Resonanzzustand von Bauteilen überprüfen. Die Tracking-Analyse umfasst hauptsächlich „Constant Ratio Tracking “ und „ Constant Width Tracking “.

Zunächst erläutern wir die Beziehung zwischen der Ordnungsverhältnisanalyse und der Frequenzanalyse.

Konzeptdiagramm der Rotationsverfolgungsanalyse

Die folgende Abbildung zeigt die Frequenzanalyse und die Rotationsordnungsverhältnisanalyse, die durchgeführt und in 3D angezeigt werden, wenn die Rotationsgeschwindigkeit von 850 U/min alle 50 U/min erhöht wird, und zeigt auch, dass die Rotationsverfolgungsanalyse durchgeführt wird, indem die Komponente 1. Ordnung extrahiert wird 3D-Daten.

Abbildung 1

2. Ordnungsverhältnisanalyse

Die Daten der Order-Ratio-Analyse bilden die Grundlage für die Auftragsverfolgung mit konstantem Verhältnis.

2.1 Was ist die Ordnungsverhältnisanalyse?

Bei der Frequenzanalyse wird das Eingangssignal mit einem Abtasttakt der Frequenz abgetastet, die vom Quarzoszillator im FFT-Analysator und dem 2,56-fachen des Frequenzbereichs erhalten wird. Bei der Analyse der Schwingung oder des Rauschens eines rotierenden Körpers, dessen Rotationsgeschwindigkeit sich mit diesem Abtastverfahren ändert, ändert sich die Anzahl der Abtastungen pro Umdrehung abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit, da die Frequenz des Abtasttakts konstant ist (siehe Abb. 2 unten).

Abbildung 2

Wenn die Abtastung hingegen mit einem mit der Drehzahl synchronisierten Abtasttakt erfolgt, beispielsweise ein Signal von 64 Impulsen pro Umdrehung, ändert sich die Anzahl der Signalabtastungen pro Umdrehung auch bei Änderung der Drehzahl nicht (siehe Abb. 3 unten).

Abbildung 3

Wenn eine FFT-Analyse an dem Vibrations-/Schallsignal durchgeführt wird, das in der mit der Rotationsgeschwindigkeit synchronisierten Uhr abgetastet wird, ist die Einheit der X-Achse nicht die Frequenz (Hz), sondern die Ordnung (Ordnung). Die als Leistungsspektrum der Ordnungskomponente angezeigten Daten werden Rotationsordnungsverhältnisanalyse genannt.

2.2 Rotationsordnungsverhältnis und seine Frequenz

Die Rotation 1. Ordnung ist eine Komponente, die bei jeder Umdrehung des Referenzrotationskörpers einen Zyklus durchläuft. Die Rotation 2. Ordnung ist eine Komponente, die bei jeder Rotation zwei Zyklen durchläuft. Bei der Umrechnung von Ordnung in Frequenz beträgt beispielsweise die rotatorische 1. Ordnung für einen Rotationskörper mit einer Drehzahl von 600 U/min 10 Hz, bei einer Drehzahl von 900 U/min 15 Hz, wie unten berechnet.

Die Frequenz ändert sich mit der Variation der Drehzahl. Betrachtet man jedoch die Frequenz als Ordnung, so ist die Ordnung eine Einheit, die nicht von der Variation der Rotationsgeschwindigkeit beeinflusst wird. Dies ist der Punkt des Rotationsordnungsverhältnisses.

2.3 Analyse des Rotationsordnungsverhältnisses vs. Frequenzanalyse bei Änderung der Rotationsgeschwindigkeit

Die folgenden zwei Abbildungen zeigen eine farbige dreidimensionale Anzeige, wenn die Rotationsgeschwindigkeit erhöht und geändert wird. Abbildung 4 zeigt die Analyse des Ordnungsverhältnisses, wobei die Ordnung zur X-Achse genommen wird, während Abbildung 5 die Frequenzanalyse zeigt (Die Skala des Spektrums wird durch Farbe dargestellt, und je größer der Wert wird, desto mehr blau → gelb → rot.)

Rotationsordnungsanalyse (farbige dreidimensionale Anzeige)

Die gleiche Ordnungskomponente wird an einer konstanten Position der X-Achse unabhängig von der Änderung der Drehgeschwindigkeit angezeigt.

Abbildung 4

Frequenzanalyse (farbige dreidimensionale Anzeige)

Die Frequenz der Komponente gleicher Ordnung ändert sich entsprechend der Drehzahl.

Abbildung 5

Dieselbe Ordnungskomponente wird vertikal auf der X-Achse wie in Fig. 4 gezeigt angezeigt, da die X-Achse die Ordnung darstellt. Dieselbe Ordnungskomponente wird oben rechts wie in Fig. 5 gezeigt angezeigt, da die Frequenz proportional zur Drehzahl zunimmt. Der gelb/rote Teil in den obigen Abbildungen zeigt, wie sie aussehen.

2.4 Abtastsignal für Ordnungsverhältnisanalyse

Externer Abtasttakt und Rotationsdetektor

Im Fall einer normalen Frequenzanalyse beträgt die Abtasttaktfrequenz das 2,56-fache des Frequenzbereichs (maximale zu analysierende Frequenz). In ähnlicher Weise muss im Fall der Ordnungsverhältnisanalyse die Anzahl der Abtasttakte pro Umdrehung das 2,56-fache der maximalen Ordnung betragen. Die maximale Ordnung unserer Geräte beträgt 6,25/12,5/25/50/100/200/400/800, die Anzahl der Abtasttakte ist in der folgenden Tabelle aufgeführt. Unsere Tracking-Analysefunktion verfügt über eine Funktion zum automatischen Teilen und Multiplizieren des erforderlichen Abtastimpulses wie unten gemäß der eingestellten Analyse maximaler Ordnung, indem die Anzahl der Ausgangsimpulse (1 P / R usw.) pro Umdrehung des Rotationsdetektors eingestellt wird. Dieser Abtastimpuls wird, wie zuvor erwähnt, mit der Drehung synchronisiert.

2.5 Auflösung der Ordnungsanalyse

Die Frequenzauflösung der Frequenzanalyse durch den internen Abtasttakt beträgt 1/400 des eingestellten Frequenzbereichs, wenn die Analysedatenlänge 1024 Punkte beträgt, und 1/800, wenn sie 2048 Punkte beträgt. Stellen Sie beispielsweise 1 kHz als Frequenzbereich ein, die Frequenzauflösung beträgt 2,5 Hz = 1000/400 (Abtastpunkte 1024). Das bedeutet, dass Sie das Spektrum alle 2,5 Hz ablesen können. Wenn die Ordnungsverhältnisanalyse durch einen externen Abtasttakt durchgeführt wird, wird die Beziehung zwischen der maximalen Analyseordnung und ihrer Auflösung wie folgt berechnet:

Die Ordnungsauflösung kann durch die obige Gleichung (1) erhalten werden, ohne die Rotationsgeschwindigkeit zu berücksichtigen. Sehen wir uns als Nächstes an, wann die Auftragsauflösung in Frequenz umgewandelt wird. Wenn beispielsweise die Analysedatenlänge 1024 Punkte beträgt und die maximale Analyseordnung 100 ist, beträgt die Ordnungsauflösung 2,5 Hz bei 600 U/min und 25 Hz bei 6000 U/min im Verhältnis zur Rotationsgeschwindigkeit. Wenn die Ordnungsauflösung in Ordnungseinheiten betrachtet wird, ist sie unabhängig von der Rotationsgeschwindigkeit wie in Gleichung (1) konstant, aber wenn sie in Frequenzeinheiten umgewandelt wird, ändert sie sich proportional zur Rotationsgeschwindigkeit wie in Gleichung (2) und (3). Die Ordnungsverhältnisanalyse wird als "konstantes Verhältnis" bezeichnet, während die Frequenzanalyse als "konstante Breite" bezeichnet wird.

Umwandlung von Auftragsauflösung in Häufigkeit

Drehzahl 600 U/min

Drehzahl 6000 U/min

2.6 Aliasing-Phänomen

Bei der Ordnungsanalyse kann Aliasing wie bei der Frequenzanalyse auftreten. Bitte beachten Sie die nachstehenden Ausführungen zum Thema Aliasing.
Lassen Sie uns über Aliasing sprechen. Wenn die maximale Ordnung M ist, die Rotationsgeschwindigkeit N r/min ist, wird die Frequenz f _x der maximalen Ordnung aus Gleichung (4) erhalten. Im externen Abtastmodus wird die Abtastfrequenz f _s automatisch auf das 2,56-fache der Frequenz f _x maximaler Ordnung eingestellt. Zu diesem Zeitpunkt arbeitet der Anti-Aliasing-Tiefpassfilter (Digitalfilter) auch in Verbindung mit der Abtastfrequenz, sodass Aliasing normalerweise nicht auftritt.

Sehen wir uns den Fall an, dass das Anti-Aliasing-Tiefpassfilter nicht mit der Abtastfrequenz verknüpft, sondern fest ist. Wenn die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters auf 1000 Hz eingestellt ist und die Drehzahl auf 2400 U/min eingestellt ist, beträgt die Frequenz f _x der 25. Ordnung 1000 Hz, wie durch Gleichung (5) berechnet. 1/2 f _s ist 1280 Hz gleich. 1000 Hz oder mehr Komponenten werden durch Tiefpassfilter abgeschnitten, dann tritt kein Aliasing auf.

Als nächstes wird die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters auf 1000 Hz und die Drehzahl auf 1000 U/min eingestellt, die Frequenz f _x der 25. Ordnung beträgt 416,7 Hz, 1/2 f _s beträgt 533,4 Hz. Komponenten zwischen 533 Hz und 1000 Hz (Tiefpassfilter) unterliegen Aliasing. Wenn daher Signalkomponenten wie Vibrationsrauschen in diesem Frequenzband vorhanden sind und die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters auf 1000 Hz eingestellt ist, tritt Aliasing auf.

Wenn Sie eine Analyse durchführen, während Sie die Rotationsgeschwindigkeit ändern, ist die Tracking-Analysefunktion mit einem Tracking-Tiefpassfilter ausgestattet, dessen Filtergrenzfrequenz sich entsprechend der Rotationsgeschwindigkeit ändert.

Was ist Aliasing?

Gemäß dem Abtasttheorem ist es erforderlich, mit einer Abtastfrequenz abzutasten, die mehr als das Doppelte der höchsten Frequenzkomponente f _m des Signals beträgt. Die Frequenz, die das 1/2-fache der Abtastfrequenz beträgt, wird als Nyquist-Frequenz bezeichnet. Wenn das Originalsignal ein Frequenzband f _m enthält, das höher als die Nyquist-Frequenz ist, erscheint eine Komponente an der um f _s gefalteten Frequenzposition im Frequenzspektrum. Es wird als Aliasing bezeichnet. Anti-Aliasing-Filter ist ausgestattet, um Aliasing-Fehler zu verhindern, um 1/2 f _s oder mehr Signal zu schneiden.

3. Rotationsverfolgungsanalyse

3.1 Konstantverhältnis-Tracking-Analyse

Die Verwendung eines Rotationsimpulses als Abtasttakt des FFT-Analysators, der auf der horizontalen Achse durch die Rotationsordnung statt durch die Frequenz normalisiert wird, ist eine Ordnungsverhältnisanalyse, wie im vorherigen Abschnitt erwähnt und wie in Abbildung a unten gezeigt.

Die Tracking-Analyse mit konstantem Verhältnis der Rotations-Tracking-Analyse ist eine Tracking-Analyse, die der Pegeländerung der Ordnungskomponente gemäß der Rotationsgeschwindigkeit folgt, indem eine willkürliche Komponente der Ordnungskomponenten angegeben wird, wodurch die Rotationsgeschwindigkeit geändert wird, wie im Rotationsgeschwindigkeits-Spektraldiagramm in Abbildung gezeigt b unten. Es ist in Abbildung c dargestellt.

Abbildung 7 unten zeigt ein Beispiel der ersten, zweiten, dritten und vierten Ordnung der Verfolgungsanalyse mit konstantem Verhältnis für Rauschen

Abbildung 7

3.2 Tracking-Analyse mit konstanter Breite

Die Verfolgungsanalyse mit konstanter Breite ist in Abbildung 8 dargestellt. Durch Verwendung des internen Abtasttakts des FFT-Analysators, Extrahieren beliebiger Ordnungskomponenten aus dreidimensional angezeigten Frequenzanalysedaten und Plotten wird eine Verfolgungsanalyse durchgeführt.

Abbildung 8

3.3 Andere Tracking-Analysen

Es gibt andere Tracking-Analysen als das konstante Verhältnis und die konstante Breite wie unten beschrieben. Die Analysemethode ist die gleiche wie bei konstanter Breite.

Frequenzverfolgung mit konstanter Breite

Verfolgung einer bestimmten Frequenzkomponente unter Verwendung des internen Abtasttakts entsprechend der Rotationsgeschwindigkeit. Dies ist keine Ordnungsverhältnisanalyse.

Oktavverfolgung

Gleich wie Frequenzverfolgung mit konstanter Breite, jedoch Verfolgung einer bestimmten Bandkomponente in 1/3-, 1/1-Oktavbanddaten gemäß der Rotationsgeschwindigkeit.

3.4 Tracking-Analyse und Rotationsänderungsrate

Wenn die Tracking-Analyse durchgeführt wird, können Sie die Rotationsgeschwindigkeit entsprechend ändern. Wenn sich die Rotationsgeschwindigkeit in Bezug auf die Analysebetriebszeit zu schnell ändert, wird die Wellenform des Spektrums verschoben und eine korrekte Analyse kann nicht durchgeführt werden. Wenn die Ordnungsanalyse durch Erhöhen der Rotationsgeschwindigkeit durchgeführt wird, werden die Ergebnisse der Spektralanalyse basierend auf der Differenz der Rotationsänderungsrate in Abbildung 9 unten gezeigt. Wenn die Rotationsänderungsrate gering ist, wird die Analyse in Abb. 9a richtig durchgeführt. Wenn die Rotationsänderungsrate groß ist, wird die Spitze des Spektrums von der ursprünglichen Ordnungsposition zu der kleineren in Abb. 9b verschoben. Wenn die Rotationsänderungsrate groß ist, erstreckt sich die Basis des Peaks in der Richtung niedrigerer Ordnung in Abb. 9c.

Die Rotationsänderungsrate ist gering.

Abbildung 9a

Rotationsänderungsrate ist groß.

Abbildung 9b

Rotationsänderungsrate ist groß.

Abbildung 9c

4. Zusammenfassung

Hier ist eine Zusammenfassung dessen, was wir bisher erklärt haben, indem wir das Order-Tracking mit konstantem Verhältnis und das Order-Tracking mit konstanter Breite vergleichen, die die wichtigsten Tracking-Analysen sind.

4.1 Auftragsverfolgung mit konstantem Verhältnis und Auftragsverfolgung mit konstanter Breite

Ordnungsverfolgung mit konstantem Verhältnis - Die Verfolgungsanalyse wird durchgeführt, indem die vom rotierenden Körper erhaltenen Rotationsimpulse als externer Abtasttakt verwendet werden. Es zeichnet die Änderungen im Spektrumspegel der spezifizierten Ordnungskomponente entsprechend der Rotationsgeschwindigkeit auf.
Auftragsverfolgung mit konstanter Breite - Die Frequenzanalyse wird über die interne Abtastuhr durchgeführt. Jedes Mal, wenn sich die Rotationsgeschwindigkeit ändert, wird die Ordnungsfrequenz aus dem Frequenzbereich und der Rotationsgeschwindigkeit zu diesem Zeitpunkt gemessen. Für die Änderungen des Spektrumpegels dieser Frequenzkomponente, die den Änderungen der Rotationsgeschwindigkeit entsprechen, wird ein Diagramm erstellt.

Bei der Tracking-Analyse mit konstantem Verhältnis und der Ordnungsverhältnisanalyse sind bei Betrachtung von der Ordnungsachse die maximale Analyseordnung und die Ordnungsauflösung (Ordnungsbandbreite) unabhängig von der Rotationsgeschwindigkeit konstant. Bei Betrachtung von der Frequenzachse variieren die maximale Analyseordnung und die Ordnungsauflösung (Ordnungsbandbreite) gemäß der Änderung der Rotationsgeschwindigkeit wie links in Abbildung 10. Wenn beispielsweise die Amplitude durch ein bestimmtes Zufallssignal analysiert wird, ist die Ordnungskomponentenebene größer, die Drehzahl ist höher. Diese Tendenz ist bei Overalls besonders ausgeprägt, da der Frequenzbereich erweitert wird. Es ist rechts in Abbildung 10 dargestellt.
Bei der Verfolgungsanalyse mit konstanter Breite und der Frequenzanalyse sind bei Betrachtung von der Frequenzachse die maximale Analyseordnung und Ordnungsauflösung (Ordnungsbandbreite) basierend auf dem Frequenzbereich unabhängig von der Rotationsgeschwindigkeit konstant. Siehe Abbildung 10 im Vergleich zu Abbildung 11 wie folgt.

Selbst wenn sich die Rotationsgeschwindigkeit ändert, sind die Frequenzbandbreite und der Gesamtfrequenzbereich entsprechend der Ordnung konstant. Das heißt, wenn die Rotationsgeschwindigkeit niedrig ist, ist die Ordnungsbandbreite groß, und wenn die Rotationsgeschwindigkeit hoch ist, ist die Ordnungsbandbreite schmal. Mit anderen Worten, bei der Ordnungsverfolgungsanalyse mit konstanter Breite neigt der Grad der Ordnungskomponente dazu, sich zu verringern, wenn die Rotationsgeschwindigkeit zunimmt, verglichen mit der Verfolgungsanalyse mit konstantem Verhältnis. Es ist ein bisschen kompliziert, da es eine widersprüchliche Beziehung zwischen der Ordnungsverhältnisanalyse und der Frequenzanalyse gibt. Es ist notwendig, die Eigenschaften jedes Analysetyps zu verstehen.

Auftragsverfolgungsanalyse mit konstantem Verhältnis

Abbildung 10

Auftragsverfolgungsanalyse mit konstanter Breite

Abbildung 11

Hinweise zum Durchführen von Order-Tracking-Analysen mit konstantem Verhältnis und Order-Tracking mit konstanter Breite sind wie folgt.

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