Как читать спектр FFT: пять вибрационных сигнатур, которые должен знать каждый механик

Спектр FFT показывает, на каких частотах вибрирует машина и с какой амплитудой. Читать его начинают с оборотной частоты 1x. По руководству SKF: дисбаланс даёт высокий 1x без гармоник, расцентровка — повышенный 2x и осевую 1x, механическое ослабление — ряд гармоник 1x или 1/2x, дефект подшипника — пики на частотах BPFO, BPFI, BSF и FTF.

Что такое FFT и с чего начать

FFT (Fast Fourier Transform, быстрое преобразование Фурье) превращает вибрационный сигнал во времени в спектр частот. Вместо сложной волны инженер видит отдельные пики, и у каждого есть вероятный источник.

Перед тем как искать дефект, SKF рекомендует собрать исходные данные:

1. Оборотная частота (1x). Её находят первой: остальные пики оценивают как кратные ей (2x, 3x и далее) или некратные.
2. Тип измерения. Скорость, ускорение, перемещение или огибающая ускорения. Например, сигнал огибающей указывает на подшипники или зубья шестерён.
3. Положение датчика. Горизонтальное, вертикальное, осевое, в зоне нагрузки. Отклик датчика зависит от места установки.
4. Конструкция машины. Тип подшипников (номер или обозначение), муфта или ремень, количество лопаток и зубьев.

Общий уровень вибрации оценивают по нормам, например ГОСТ Р ИСО 10816-3, а спектр нужен, чтобы понять причину.

Пять сигнатур: сводная таблица

Состояние	Признак в спектре (по SKF)	Чем уточнить
Норма	Нет выраженных пиков, кроме небольшой 1x; нет роста от замера к замеру	Тренд, сравнение с базовым замером
Дисбаланс	Высокая радиальная 1x, гармоники меньше 15 % от 1x	Фаза: разница горизонталь/вертикаль около 90°
Расцентровка	Высокая 2x, высокая осевая 1x	Фаза: сдвиг около 180° через муфту
Механическое ослабление	Три и более гармоники 1x или 1/2x (2x–10x) выше 20 % от 1x	Фаза, осмотр крепления
Дефект подшипника	Пики на BPFO, BPFI, BSF, FTF; на поздней стадии — «горб» в высокочастотной области	Огибающая ускорения, временная форма сигнала

1. Норма

Небольшой пик на 1x присутствует всегда, потому что ротор вращается. В исправной машине нет других выраженных пиков и широкополосного подъёма шума. Само по себе слово «норма» ничего не значит без базового замера: главное, чтобы амплитуды не росли от замера к замеру.

2. Дисбаланс: доминирует 1x

Дисбаланс — это несовпадение оси масс ротора с геометрической осью вращения. SKF выделяет статический, моментный и динамический дисбаланс; на практике чаще всего встречается динамический.

Признаки по SKF:

• вибрация на одной частоте 1x (один раз за оборот), синусоидальная;
• амплитуда одинакова во всех радиальных направлениях;
• гармоник 1x обычно нет, пока дисбаланс не станет сильным;
• амплитуда растёт с частотой вращения.

Критерий SKF: если радиальная 1x высокая, а гармоники (кроме лопаточной частоты) меньше 15 % от 1x, возможен дисбаланс. Если сигнал содержит заметные гармоники выше 1x, причина, скорее всего, не в дисбалансе.

Типичные причины: налипание материала или эрозия лопаток рабочего колеса, потеря балансировочного груза, ошибки при сборке после ремонта.

3. Расцентровка: 2x и осевая 1x

Расцентровка возникает, когда оси соединённых валов, муфт и подшипников не совпадают. SKF различает угловую (валы соединены под углом) и параллельную (оси параллельны, но смещены) расцентровку.

Признаки и критерии SKF:

• повышенная 2x в радиальном направлении при наличии муфты или ремня;
• повышенная осевая 1x;
• при сильной расцентровке в спектре могут появиться гармоники от 2x до 10x.

Оценка муфтового соединения по отношению 2x к 1x:

2x относительно 1x	Оценка SKF
Меньше 50 %	Обычно допустимо, муфта может долго работать
50–150 %	Вероятно повреждение муфты
Больше 150 %	Сильная расцентровка, ремонт нужно планировать как можно раньше

Фаза. При угловой расцентровке сдвиг фазы около 180° через муфту в осевом направлении, при параллельной — в радиальном. Перекошенный в корпусе подшипник тоже даёт большую осевую вибрацию, и отличить его от расцентровки помогают осевые фазовые измерения.

Причины по SKF: центровка «на холодную» без учёта теплового расширения, ошибки при соединении муфты, неровный фундамент или его осадка. Поэтому центровка, сделанная при монтаже, со временем может уйти.

4. Механическое ослабление: ряд гармоник

Механическое ослабление — это недостаточная жёсткость или неплотная посадка: ослабленное крепление машины, трещина в раме или опоре, ослабленная деталь, увеличенный зазор посадки подшипника.

Признаки по SKF: длинный ряд гармоник оборотной частоты или гармоник, кратных 1/2 оборотной частоты, с аномально высокой амплитудой. Гармоники могут быть неупорядоченными, например 2x, 3x, 4x, 5x или 3x, 3,5x, 4x, 5,5x. Амплитуда гармоник обычно падает с ростом частоты, кроме 2x в вертикальном направлении.

Критерий SKF: если в диапазоне 2x–10x есть три и более кратные 1x или 1/2x составляющие с амплитудой больше 20 % от 1x, возможно механическое ослабление. Для жёстко соединённой машины без муфты и ремня на ослабление указывает и высокая радиальная 2x.

Опасность ослабления в том, что деталь может отделиться и вызвать вторичное повреждение.

5. Дефекты подшипников качения: частоты BPFO, BPFI, BSF, FTF

У подшипника качения четыре расчётные частоты дефектов:

Частота	Элемент	Формула (SKF)
BPFO	Наружное кольцо	(n/2)·(об/мин/60)·(1 − (Bd/Pd)·cos φ)
BPFI	Внутреннее кольцо	(n/2)·(об/мин/60)·(1 + (Bd/Pd)·cos φ)
BSF	Вращение тела качения	(Pd/2Bd)·(об/мин/60)·(1 − (Bd/Pd)²·cos² φ)
FTF	Сепаратор	(1/2)·(об/мин/60)·(1 − (Bd/Pd)·cos φ)

Здесь n — число тел качения, Bd — диаметр тела качения, Pd — диаметр по центрам тел качения, φ — угол контакта. Частота дефекта тела качения по определению равна 2 × BSF: дефект за один оборот тела ударяет и о наружное, и о внутреннее кольцо. Если пик в спектре совпадает с расчётной частотой, дефект ищут в соответствующем элементе.

Что важно знать по SKF:

• Частоты дефектов подшипников лежат значительно выше, а их амплитуды значительно ниже, чем у дисбаланса и ослабления. Нормы ISO по общему уровню не предназначены для раннего обнаружения деградации подшипника.
• На ранней стадии дефект может быть не виден в обычном спектре скорости или ускорения: удары слабые и маскируются вибрацией от вращения. Для ранней стадии используют огибающую ускорения, которая выделяет повторяющиеся удары.
• Измерения скорости и ускорения хорошо показывают последние стадии износа, когда, по SKF, остаётся меньше 10 % ресурса подшипника. На поздней стадии в спектре появляется широкий «горб» в области частот подшипника.
• Подшипник редко бывает первопричиной. Обнаружив дефект, SKF рекомендует искать причину: расцентровку, дисбаланс, проблемы со смазкой.

Подробнее о стадиях — в статье «4 стадии разрушения подшипника».

Где одного спектра FFT мало

Из сказанного следуют два ограничения:

• Ранние дефекты подшипников. Обычный спектр скорости или ускорения их может не показать; нужны огибающая или ультразвук.
• Охват. Датчики стационарной системы ставят на критичные машины, а остальное оборудование проверяют переносным прибором по маршруту, с интервалами между замерами. Дефект, развившийся между обходами, может остаться незамеченным.

Оба ограничения закрывают другие методы контроля, которые дополняют вибрационный анализ, а не заменяют его.

Ультразвук SDT340: трение и удары на ранней стадии

SDT340 — ультразвуковой прибор SDT с двумя измерительными каналами: ультразвуковым 20–50 кГц и вибрационным 10 Гц – 10 кГц. По данным SDT, ультразвук обнаруживает трение, удары и турбулентность раньше других методов контроля состояния. Записанный сигнал можно анализировать в спектре FFT и во временной форме.

Для подшипников это значит: рост ультразвукового уровня указывает на увеличение трения, в том числе из-за недостатка или избытка смазки, ещё до появления выраженных ударов. Для смазки по состоянию у SDT есть LUBExpert: прибор показывает, когда смазывать подшипник и когда прекратить подачу смазки.

Artesis e-MCM: двигатели без датчиков на машине

Artesis e-MCM анализирует трёхфазное напряжение и ток питания электродвигателя и по ним выявляет механические, электрические и технологические дефекты. Датчики на машину не ставят, поэтому мониторингом можно охватить и те двигатели, до которых не доходят вибрационные маршруты. Для маршрутных обследований по тому же принципу есть переносной Artesis AMT Pro.

Как методы работают вместе

Задача	Метод
Ранние признаки трения и ударов в подшипниках, контроль смазки	Ультразвук (SDT340, LUBExpert)
Постоянный контроль двигателей без установки датчиков	Анализ тока и напряжения (Artesis e-MCM)
Подтверждение и классификация дефекта: дисбаланс, расцентровка, ослабление, подшипник	FFT-анализ вибрации, огибающая, фаза

Ультразвук и анализ тока подают первый сигнал, вибрационный анализ уточняет, что именно неисправно. Подробнее о том, как выстроить такую программу, — в статье «Что такое вибродиагностика оборудования и с чего начать».

Какой прибор выбрать

• Ультразвуковой контроль подшипников и смазки с вибрационным каналом — SDT340.
• Непрерывный мониторинг электродвигателей без датчиков — Artesis e-MCM.

KEG TRK поставляет оборудование SDT и Artesis в Казахстане. Цена по запросу.

Источники

• SKF USA Inc., J. Mais. Spectrum Analysis: the key features of analyzing spectra — разделы 3–4 (порядок анализа), 5 (расцентровка), 6 (дисбаланс), 7 (ослабление), 9 (подшипники качения).
• SDT Ultrasound Solutions. Mechanical Condition Monitoring.
• Карточка SDT340: диапазоны ультразвукового и вибрационного каналов.
• Карточка LUBExpert: принцип смазки по ультразвуку.
• Карточка Artesis e-MCM: входные сигналы и типы дефектов.