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《振動噪音產學技術聯盟》轉動機械 轉子系統的「頻率」有哪些?(5)齒輪箱傳動系統有甚麼特徵頻率?

  

 這個單元要來探討的主題是:「轉動機械(rotary machinery) /轉子系統(rotor system)的「頻率(frequency)有哪些?(5)齒輪箱傳動系統(Gearbox System)有甚麼「特徵頻率(characteristic frequency)

 

這是這個系列的5,著重在介紹「齒輪箱傳動系統」以及其所特有的「特徵頻率」。

 

參閱圖片右上方的圖示,是一個典型的「齒輪箱傳動系統」實體架構,就是有兩個「齒輪(Gear),英文Pinion,通常是指小齒輪。而Gear,通常是指大齒輪。又,因為齒輪箱常作為減速用,以增大扭力(torque),所以,有人會說Pinion,是驅動齒輪,而Gear,是被動齒輪。總之,Gear就是泛稱的齒輪。

 

參閱「齒輪箱傳動系統」的示意圖,主要的組成:

 

1.      驅動的輸入齒輪(Input / Driving Gear):一般是由馬達(motor)所驅動。

2.      被動的輸出齒輪(Output / Driven Gear):通常在帶動風機(fan)、泵(pump)、或是壓縮機(compressor)等。

 

齒輪箱傳動系統」的主要參數,參閱「齒輪箱傳動系統」的示意圖,包括:

 

1.      驅動Input齒輪𝑺𝟏= 輸入軸轉速,可以表示為每分鐘迴轉數:RPM (revolution per minute)CPM (cycle per minute);也可以表示為「轉速頻率(rotating frequency),單位:Hz𝑻𝟏 = 輸入齒輪的齒數。

2.      被動Output齒輪𝑺𝟐= 輸出軸轉速,以及𝑻𝟐= 輸出齒輪的齒數。

 

齒輪箱傳動系統(Gearbox System)的「特徵頻率(characteristic frequency),綜合下來可得到以下三個「特徵頻率」:

 

1.      𝑺𝟏=𝟏𝑿:輸入軸的「轉速頻率(rotating frequency)𝟏𝑿:代表的是馬達轉速的一個「階次(order),也就是馬達轉速的一倍頻率。

2.      𝑺𝟐=(𝑻𝟏/𝑻𝟐)𝑿:輸出軸的「轉速頻率(rotating frequency),會是輸入與輸出齒輪的齒數比值,乘以𝑺𝟏=𝟏𝑿。因為,「齒輪箱傳動系統」的傳動比關係: 𝑺𝟏 𝑻𝟏=𝑺𝟐 𝑻𝟐。所以,可以推算:𝑺𝟐 = (𝑻𝟏/𝑻𝟐) 𝑺𝟏 = (𝑻𝟏/𝑻𝟐) 𝑿。因此,輸出軸的轉速「階次(order),就是𝑺𝟐=( 𝑻𝟏/𝑻𝟐)𝑿。由此可知,如果𝑻𝟏 < 𝑻𝟐,輸出軸轉速,就是減速。反之,𝑻𝟏 > 𝑻𝟐,輸出軸轉速,就是增速。

3.      𝑮𝑴𝑭= 𝑺𝟏 𝑻𝟏= 𝑺𝟐 𝑻𝟐:「齒輪嚙合頻率(Gear Mesh Frequency, GMF),會是齒輪軸的轉速,乘以該齒輪的齒數。可以由驅動輸入軸、或是被動輸出軸,計算取得:𝑮𝑴𝑭= 𝑺𝟏 𝑻𝟏= 𝑺𝟐 𝑻𝟐。由於,常採用𝑿階次(order)表示,因此,𝑮𝑴𝑭就是驅動輸入齒輪數的𝑿階次」,也就是𝑮𝑴𝑭= 𝑻𝟏 𝑿。為什麼需要知道𝑮𝑴𝑭?因為齒輪箱的故障(fault),其振動頻譜(vibration spectrum)會觀察到𝑮𝑴𝑭 的特徵頻率,我們再另闢單元討論。

 

接著,就取一個數值案例,來說明。假設已知:𝑺𝟏 = 1800 RPM𝑻𝟏 = 18 (tooth)𝑻𝟐 = 30 (tooth)。推算求得「齒輪箱傳動系統(Gearbox System)的「特徵頻率(characteristic frequency),如下:

 

1.      𝑺𝟏 = 1800 RPM = 𝟑𝟎 𝐇𝐳 = 𝟏𝑿。輸入軸的轉速,可以表示為:RPMHz轉速頻率」、𝑿階次」。

2.      𝑺𝟐=( 𝑻𝟏/𝑻𝟐) 𝑺𝟏 = (18 / 30) 𝑺𝟏 = 𝟎.6𝑿。所以,𝑺𝟐 = 𝟎.6𝑿 = 18 𝐇𝐳 = 1080 RPM。同樣,可以表示為:RPMHz轉速頻率」、𝑿階次」。

3.      𝑮𝑴𝑭= 𝑺𝟏 𝑻𝟏= 18 𝑿。所以,𝑮𝑴𝑭 = 18 𝑿 = 540 𝐇𝐳 = 32,400 RPM。同樣,可以表示為:RPMHz轉速頻率」、𝑿階次」。

 

綜合一下這個單元的討論,有關「齒輪箱傳動系統(Gearbox System)的「特徵頻率(characteristic frequency),總結如下:

 

1.      齒輪箱傳動系統」的主要組成:(1) 驅動的輸入齒輪(Input / Driving Gear)(2) 被動的輸出齒輪(Output / Driven Gear)

2.      齒輪箱傳動系統」的主要參數:(1) 驅動Input齒輪𝑺𝟏= 輸入軸轉速,𝑻𝟏 = 輸入齒輪的齒數。(2) 被動Output齒輪𝑺𝟐= 輸出軸轉速,𝑻𝟐= 輸出齒輪的齒數。

3.      齒輪箱傳動系統(Gearbox System)的「特徵頻率(characteristic frequency),有3個,其關係如下:(1) 𝑺𝟏=𝟏𝑿(2) 𝑺𝟐=(𝑻𝟏/𝑻𝟐)𝑿(3) 𝑮𝑴𝑭= 𝑺𝟏 𝑻𝟏= 𝑺𝟐 𝑻𝟐

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2025.10.08

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《振動噪音產學技術聯盟》轉動機械_轉子系統的「頻率」有哪些?(4)皮帶傳動系統有甚麼特徵頻率?

 這個單元要來探討的主題是:「轉動機械(rotary machinery) /轉子系統(rotor system)的「頻率(frequency)有哪些?(4)皮帶傳動系統(Belt Drive System)有甚麼「特徵頻率(characteristic frequency)

 

這是這個系列的4,著重在介紹「皮帶傳動系統」以及其所特有的「特徵頻率」。

 

參閱圖片右上方的圖示,是一個典型的「皮帶傳動系統」實體架構,就是有兩個「皮帶輪(Pulley / Sheave)。參閱「皮帶傳動系統」的示意圖,主要的組成:

 

1.      驅動的輸入皮帶輪/槽輪(Input Pulley/Sheave):一般是由馬達(motor)所驅動。

2.      被動的輸出皮帶輪/槽輪(Output Pulley/Sheave):通常在帶動風機(fan)、泵(pump)、或是壓縮機(compressor)等。

3.      皮帶(Belt):主要在連接驅動和被動皮帶輪之間的重要組件。

 

皮帶傳動系統」的主要參數,參閱「皮帶傳動系統」的示意圖,包括:

 

1.      驅動Input皮帶輪:𝑺𝟏= 輸入軸轉速,可以表示為每分鐘迴轉數:RPM (revolution per minute)CPM (cycle per minute);也可以表示為「轉速頻率(rotating frequency),單位:Hz𝑫𝟏 = 輸入皮帶輪直徑。

2.      被動Output皮帶輪:𝑺𝟐= 輸出軸轉速,以及𝑫𝟐= 輸出皮帶輪直徑。

3.      皮帶:𝑩𝑳= 皮帶長度(belt length, BL)𝑩𝑹 =皮帶通過頻率(belt pass frequency / belt rate, BR)

 

皮帶傳動系統(Belt Drive System)的「特徵頻率(characteristic frequency),綜合下來可得到以下三個「特徵頻率」:

 

1.      𝑺𝟏=𝟏𝑿:輸入軸的「轉速頻率(rotating frequency)𝟏𝑿:代表的是馬達轉速的一個「階次(order),也就是馬達轉速的一倍頻率。

2.      𝑺𝟐=(𝑫𝟏/𝑫𝟐)𝑿:輸出軸的「轉速頻率(rotating frequency),會是輸入與輸出皮帶輪的直徑比值,乘以𝑺𝟏=𝟏𝑿。因為,「皮帶傳動系統」的傳動比關係: 𝑺𝟏 𝑫𝟏=𝑺𝟐 𝑫𝟐。所以,可以推算:𝑺𝟐 = (𝑫𝟏/𝑫𝟐) 𝑺𝟏 = (𝑫𝟏/𝑫𝟐) 𝑿。因此,輸出軸的轉速「階次(order),就是𝑺𝟐=( 𝑫𝟏/𝑫𝟐)𝑿。由此可知,如果𝑫𝟏 < 𝑫𝟐,輸出軸轉速,就是減速。反之,𝑫𝟏 > 𝑫𝟐,輸出軸轉速,就是增速。

3.      𝑩𝑹=(𝝅 𝑫𝟏/𝑩𝑳) 𝑺𝟏:就是「皮帶通過頻率(belt rate, BR)。其中,𝝅 𝑫𝟏是驅動Input皮帶輪的圓週。由於,𝝅 𝑫𝟏一定小於𝑩𝑳,所以,𝑩𝑹 < 𝟏𝑿。也就是𝑩𝑹皮帶通過頻率(belt rate, BR)必定是小於𝑺𝟏=𝟏𝑿𝑩𝑹的物理意義,如果在皮帶上,有一個點位的缺陷損傷,此缺陷損傷點,隨著皮帶旋轉,在經過皮帶輪時,會產生一個撞擊波(impact wave)。皮帶旋轉一週,會撞擊主動輪一次。所以,𝑩𝑹=(𝝅 𝑫𝟏/𝑩𝑳) 𝑺𝟏=(輸入皮帶輪直徑/皮帶長度)*輸入軸的「轉速頻率」。

 

接著,就取一個數值案例,來說明。假設已知:𝑺𝟏 = 1800 RPM𝑫𝟏 = 100 mm𝑫𝟐 = 200 mm𝑩𝑳 = 1100 mm。推算求得「皮帶傳動系統(Belt Drive System)的「特徵頻率(characteristic frequency),如下:

 

1.      𝑺𝟏 = 1800 RPM = 𝟑𝟎 𝐇𝐳 = 𝟏𝑿。輸入軸的轉速,可以表示為:RPMHz轉速頻率」、𝑿階次」。

2.      𝑺𝟐=(𝑫𝟏/𝑫𝟐) 𝑺𝟏 = (100 / 200) 𝑺𝟏 = 𝟎.𝟓𝑿。所以,𝑺𝟐 = 𝟎.𝟓𝑿 = 900 RPM = 𝟏𝟓 𝐇𝐳。同樣,可以表示為:RPMHz轉速頻率」、𝑿階次」。

3.      𝑩𝑹=(𝝅 𝑫𝟏/𝑩𝑳) 𝑺𝟏 =[(𝟑.𝟏𝟒)(𝟏𝟎𝟎) / 𝟏𝟏𝟎𝟎] 𝑺𝟏 = 𝟎.𝟐𝟖𝟓𝑿<𝟏𝑿。所以,𝑩𝑹 = 𝟎.𝟐𝟖𝟓𝑿 = 513 RPM = 𝟖.𝟓𝟔 𝐇𝐳。也是,可以表示為:RPMHz轉速頻率」、𝑿階次」。

 

綜合一下這個單元的討論,有關「皮帶傳動系統(Belt Drive System)的「特徵頻率(characteristic frequency),總結如下:

 

1.      皮帶傳動系統」的主要組成:(1) 輸入皮帶輪/槽輪(Input Pulley/Sheave)(2) 輸出皮帶輪/槽輪(Output Pulley/Sheave)(3) 皮帶(Belt)

2.      皮帶傳動系統」的主要參數:(1) 驅動Input皮帶輪:𝑺𝟏= 輸入軸轉速,𝑫𝟏 = 輸入皮帶輪直徑。(2) 被動Output皮帶輪:𝑺𝟐= 輸出軸轉速,𝑫𝟐= 輸出皮帶輪直徑。(3) 皮帶:𝑩𝑳= 皮帶長度(belt length, BL)𝑩𝑹 =皮帶通過頻率(belt pass frequency / belt rate, BR)

3.      皮帶傳動系統(Belt Drive System)的「特徵頻率(characteristic frequency),有3個,其關係如下:(1) 𝑺𝟏=𝟏𝑿(2) 𝑺𝟐=(𝑫𝟏/𝑫𝟐)𝑿(3) 𝑩𝑹=(𝝅 𝑫𝟏/𝑩𝑳) 𝑺𝟏

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2025.10.07

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《振動噪音產學技術聯盟》轉動機械_轉子系統的「頻率」有哪些?(3)甚麼是「軸承缺陷頻率」?

 

 這個單元要來探討的主題是:「轉動機械(rotary machinery) /轉子系統(rotor system)的「頻率(frequency)有哪些?(3)甚麼是「軸承缺陷頻率(bearing defective frequency)

 

這是這個系列的3,著重在介紹常見的「軸承缺陷頻率(bearing defective frequency)

 

參閱圖片右上方的圖示,是一個典型的「轉子系統」示意圖,主要的組成,包括:(1)馬達(motor) 驅動源(driving unit)(2) 機械式聯軸器(mechanical coupling)的連接機構(connection unit),以及(3) (shaft)的被動元件(driven unit),兩端各有一個滾動軸承(rolling element bearing)

 

首先就來看甚麼是「軸承(bearing)?可以概分為兩大類型:

 

1.      滾動軸承(Rolling element bearing):依照滾動元件的幾何形狀,又可區分為:(1)滾珠軸承(Ball bearing)(2)滾子/滾柱軸承(Roller bearing)

2.      滑動軸承(Journal bearing):也有多種通用的名稱,如「平軸承(Plain bearing)、「套筒軸承(Sleeve bearing),由於是以油膜隔離轉軸與套筒之間的潤滑與摩擦,因此,廣泛稱為「油膜軸承(Fluid film bearing)

 

本單元討論的「軸承缺陷頻率(bearing defective frequency),主要是「滾動軸承(Rolling element bearing)。參閱圖片中間上方圖示,就是典型的「滾動軸承」組成示意圖,包括:

 

1.      外圈/外環(Outer-ring):通常「外圈/外環」是以緊配合、固定於軸承座上,因此,「外圈/外環」是固定不動的。

2.      內圈/內環(Inner-ring):一般來說,「內圈/內環」會和轉軸,以緊配合方式組裝,轉軸旋轉,會帶動「內圈/內環」一起同步旋轉。不過,除了是「外圈/外環」固定,「內圈/內環」旋轉的方式之外,也有「內圈/內環」固定,而是「外圈/外環」旋轉的方式。

3.      滾珠/滾子(Ball / Roller):依照滾動元件(rolling element)的幾何形狀,就可以區分為:(1)滾珠(Ball)(2)滾子/滾柱(Roller)

4.      保持架(Cage / Fundamental Train):主要功能是在框限「滾珠/滾子」的移動,確保「滾珠/滾子」可以順利地隨著轉軸的旋轉、而滾動。

 

軸承缺陷頻率(bearing defective frequency),或是更完整的說,「滾動軸承缺陷頻率(Rolling bearing defective frequency),會有4個「軸承缺陷頻率」,簡稱如下:

 

1.      BPFO

2.      BPFI

3.      BSF

4.      FTF

 

首先,看BPFO滾珠外圈/外環通過頻率(Ball Pass Frequency of Outer-ring, BPFO),參閱圖片右上方的「外圈/外環」損傷時之頻譜示意圖,說明如下:

 

1.      如果「外圈/外環」有損傷時,在軸承座上量測到的「頻譜(spectrum),會出現BPFO頻率的「簡諧倍頻(harmonics),或簡稱為「諧頻」、也有人稱「諧波」。

2.      甚麼是「簡諧倍頻(harmonics)?當一個信號的「時間波形(time waveform),有「週期的(periodic)、「重複的(repeated)的特徵,此信號經過FFT外速傅立葉轉換(fast Fourier transform, FFT),所得到的頻譜(spectrum),會出現該「週期」所對應的「頻率」,在「外圈/外環」有損傷時,此「週期」對應的「頻率」就是BPFO。因為是「週期的」、「重複的」時間波形,其頻譜就會有BPFO的倍數頻率,如:2xBPFO3xBPFO4xBPFO等,所以稱為「簡諧倍頻(harmonics),可簡稱「諧頻」、或「諧波」。

3.      又,因為「外圈/外環」是以緊配合、固定於軸承座上,不會旋轉。當「外圈/外環」有損傷時,「滾珠/滾子」的旋轉、移動,通過「外圈/外環」的損傷位置,會產生撞擊波。此撞擊波的「時間波形」特徵,是對應於BPFO頻率」的「週期」,而且撞擊波的大小量值,大約相同。所以,「外圈/外環」損傷時之「頻譜」,就會有BPFO頻率」的「簡諧倍頻(harmonics)

 

其次,看BPFI滾珠內圈/內環通過頻率(Ball Pass Frequency of Inner-ring, BPFI),參閱圖片右邊中間的「內圈/內環」損傷時之頻譜示意圖,說明如下:

 

1.      如果「內圈/內環」有損傷時,在軸承座上量測到的「頻譜(spectrum),會出現BPFI頻率的「簡諧倍頻(harmonics),並且有1X1倍轉速頻率(rotating frequency)的「邊帶(side bands),如圖示的紅色峰值頻率。

2.      會產生BPFI頻率的「簡諧倍頻(harmonics),是因為「滾珠/滾子」的旋轉、移動,通過「內圈/內環」的損傷位置,會產生撞擊波。此撞擊波的「時間波形」特徵,是對應於BPFI頻率」的「週期」。所以,「內圈/內環」損傷時之「頻譜」,就會有BPFI頻率」的「簡諧倍頻(harmonics)

3.      會有1X1倍轉速頻率」的「邊帶(side bands),是因為在「內圈/內環」的損傷,會隨著轉軸旋轉,當「內圈/內環」的損傷在轉軸的下部6點鐘位置,由於轉軸有最大負荷,作用在損傷位置,因此,撞擊波會有較大的量值。當「內圈/內環」的損傷位置,隨著轉軸順時鐘旋轉到7點鐘、8點鐘位置,此撞擊波的響應會逐漸變小。當「內圈/內環」的損傷位置,旋轉到轉軸的正上方12點鐘位置,這時轉軸負荷作用在「內圈/內環」的損傷位置,作用力最小,所以,撞擊波的量值最小。隨著轉軸再旋轉到1點鐘、2點鐘位置,此撞擊波的響應會逐漸變大。當「內圈/內環」的損傷位置,旋轉到轉軸的正下方6點鐘位置,撞擊波又會有最大的量值。於此週而復始的循環,形成了「時間波形」的AM振幅調制(amplitude modulation, AM)效應。

4.      已知「時間波形」的AM振幅調制」效應,其Fmod調制頻率(modulated frequency),在「內圈/內環」的損傷,就會是Fmod=1XAM振幅調制」所對應的「頻譜」,就會形成1X1倍轉速頻率(rotating frequency)的「邊帶(side bands)

 

接著,看BSF滾珠旋轉頻率(Ball Spin Frequency, BSF),參閱圖片右邊下方的「滾珠/滾子」損傷時之頻譜示意圖,說明如下:

 

1.      如果「滾珠/滾子」有損傷時,在軸承座上量測到的「頻譜(spectrum),會出現BSF頻率的「簡諧倍頻(harmonics),並且有FTF保持架旋轉頻率(Fundamental Train Frequency, FTF/Cage Frequency)的「邊帶(side bands),如圖示的橘色峰值頻率。

2.      FTF保持架旋轉頻率」的「邊帶(side bands),就是如同「內圈/內環」有損傷時,BPFI頻率的「簡諧倍頻(harmonics),以及1X1倍轉速頻率(rotating frequency)的「邊帶(side bands)。也是「時間波形」的AM振幅調制(amplitude modulation, AM)效應,所以,「滾珠/滾子」有損傷時,對應的「頻譜」,在BSF頻率的「簡諧倍頻(harmonics)的兩側,就會形成FTF保持架旋轉頻率」的「邊帶(side bands)

 

最後,看FTF保持架旋轉頻率(Fundamental Train Frequency, FTF/Cage Frequency),參閱圖片右邊下方的「保持架」損傷時之頻譜示意圖,說明如下:

 

1.      如果「保持架」有損傷時,在軸承座上量測到的「頻譜(spectrum),會出現FTF保持架旋轉頻率」會是小於1X1倍轉速頻率(rotating frequency)

2.      保持架」是會隨著「滾珠/滾子」旋轉而運動,也是隨著旋轉,但是,FTF保持架旋轉頻率」會低於1X1倍轉速頻率」。當「保持架」有損傷時,就會出現FTF的撞擊頻率。

 

綜合一下這個單元的討論:甚麼是「軸承缺陷頻率(bearing defective frequency)?實際上,指的是「滾動軸承缺陷頻率(Rolling bearing defective frequency),會有4個「軸承缺陷頻率」,在軸承座上量測到的「頻譜(spectrum),會出現的頻譜特徵,總結如下:

 

1.      BPFO滾珠外圈/外環通過頻率(Ball Pass Frequency of Outer-ring, BPFO):如果「外圈/外環」有損傷時,「頻譜(spectrum)會出現BPFO頻率的「簡諧倍頻(harmonics),或簡稱為「諧頻」、也有人稱「諧波」。

2.      BPFI滾珠內圈/內環通過頻率(Ball Pass Frequency of Inner-ring, BPFI):如果「內圈/內環」有損傷時,「頻譜(spectrum) 會出現BPFI頻率的「簡諧倍頻(harmonics),並且有1X1倍轉速頻率(rotating frequency)的「邊帶(side bands),如圖示的紅色峰值頻率。

3.      BSF滾珠旋轉頻率(Ball Spin Frequency, BSF):如果「滾珠/滾子」有損傷時,「頻譜(spectrum)會出現BSF頻率的「簡諧倍頻(harmonics),並且有FTF保持架旋轉頻率(Fundamental Train Frequency, FTF/Cage Frequency)的「邊帶(side bands)

4.      FTF保持架旋轉頻率(Fundamental Train Frequency, FTF/Cage Frequency):如果「保持架」有損傷時,在軸承座上量測到的「頻譜(spectrum),會出現FTF保持架旋轉頻率」會是小於1X1倍轉速頻率(rotating frequency)

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2025.08.21

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