Стандарт ISO 10816-1 и инструментално прилагане на диагностика на вибрациите с помощта на системата Balanset-1A

Резюме

Настоящият доклад представя изчерпателен анализ на международните нормативни изисквания за състоянието на вибрациите на промишленото оборудване, определени в ISO 10816-1 и производните му стандарти. Документът разглежда еволюцията на стандартизацията от ISO 2372 до настоящия ISO 20816, обяснява физическото значение на измерваните параметри и описва методологията за оценка на тежестта на състоянието на вибрациите. Специално внимание е отделено на практическото прилагане на тези правила с помощта на преносимата система за балансиране и диагностика Balanset-1A. Докладът съдържа подробно описание на техническите характеристики на уреда, алгоритмите за неговата работа в режими на виброметър и балансиране, както и методологични указания за извършване на измервания, за да се гарантира съответствие с критериите за надеждност и безопасност на въртящите се машини.

Глава 1. Теоретични основи на диагностиката на вибрациите и еволюция на стандартизацията

1.1. Физическа същност на вибрациите и избор на измервателни параметри

Вибрацията, като диагностичен параметър, е най-информативният показател за динамичното състояние на механичната система. За разлика от температурата или налягането, които са интегрални показатели и често реагират на неизправности със закъснение, вибрационният сигнал пренася информация за силите, действащи вътре в механизма, в реално време.

Стандартът ISO 10816-1, подобно на предшествениците си, се основава на измерване на скоростта на вибрациите. Този избор не е случаен и произтича от енергийната природа на повредите. Скоростта на вибрациите е пряко пропорционална на кинетичната енергия на осцилиращата маса и следователно на умората, която възниква в компонентите на машината.

Диагностиката на вибрациите използва три основни параметра, всеки от които има собствена област на приложение:

Вибрационно изместване (Изместване): Амплитудата на осцилацията, измерена в микрометри (µm). Този параметър е от решаващо значение за машини с ниска скорост и за оценяване на клирънса в лагерите, където е важно да се предотврати контакт между ротора и статора. В контекста на ISO 10816-1, изместването има ограничено приложение, защото при високи честоти дори малки измествания могат да генерират разрушителни сили.

Скорост на вибрациите (Скорост): Повърхностната скорост, измерена в милиметри в секунда (mm/s). Това е универсален параметър за честотния диапазон от 10 до 1000 Hz, който обхваща основните механични дефекти: дисбаланс, несъосност и разхлабеност. ISO 10816 приема скоростта на вибрациите като основен критерий за оценка.

Ускорение на вибрациите (Ускорение): Скоростта на промяна на скоростта на вибрациите, измерена в метри за секунда на квадрат (m/s²) или в единици g. Ускорението характеризира инерционните сили и е най-чувствително към високочестотни процеси (от 1000 Hz и нагоре), като например дефекти в ролковите лагери в ранен етап или проблеми със зъбното зацепване.

ISO 10816-1 се фокусира върху широколентовите вибрации в диапазона 10–1000 Hz. Това означава, че уредът трябва да интегрира енергията на всички колебания в този диапазон и да изведе една единствена стойност – средноквадратичната стойност (RMS). Използването на RMS вместо пиковата стойност е оправдано, защото RMS характеризира общата мощност на колебателния процес във времето, което е по-релевантно за оценяване на термичното и умора въздействие върху механизма.

1.2. Исторически контекст: от ISO 2372 до ISO 20816

За да разберем настоящите изисквания, е необходимо да анализираме тяхното историческо развитие.

ISO 2372 (1974): Първият световен стандарт, който въведе класификацията на машините според мощността им. Той определи класове машини (Клас I – Клас IV) и зони за оценка (A, B, C, D). Въпреки че беше официално отменен през 1995 г., терминологията и логиката на този стандарт все още се използват широко в инженерната практика.

ISO 10816-1 (1995): Този стандарт замени ISO 2372 и ISO 3945. Основното нововъведение в него беше по-ясното разграничаване на изискванията в зависимост от типа на фундамента (твърд или гъвкав). Стандартът се превърна в “общ” документ, който определя общите принципи (част 1), докато конкретните гранични стойности за различните типове машини бяха преместени в следващите части (част 2 — парни турбини, част 3 — промишлени машини, част 4 — газови турбини и т.н.).

ISO 20816-1 (2016): Съвременната версия на стандарта. ISO 20816 комбинира серия 10816 (вибрации на невъртящи се части) и серия 7919 (вибрации на въртящи се валове). Това е логична стъпка, тъй като пълната оценка на критичното оборудване изисква анализ и на двата параметъра. Въпреки това, за повечето индустриални машини с общо предназначение (вентилатори, помпи), при които достъпът до вала е затруднен, методологията, базирана на измервания на корпуса, въведена в ISO 10816, остава доминираща.

Настоящият доклад се фокусира върху ISO 10816-1 и ISO 10816-3, тъй като тези документи са основните работни инструменти за около 90% промишлено оборудване, диагностицирано с преносими инструменти като Balanset-1A.

Глава 2. Подробен анализ на методологията на ISO 10816-1

2.1. Обхват и ограничения

ISO 10816-1 се отнася за измервания на вибрации, извършвани върху невъртящи се части на машини (лагерни корпуси, крака, носещи рамки). Стандартът не се отнася за вибрации, причинени от акустичен шум, и не обхваща машини с възвратно-постъпателно движение (те са обхванати от ISO 10816-6), които генерират специфични инерционни сили поради принципа си на работа.

Критичен аспект е, че стандартът регулира измерванията на място — в реални работни условия, а не само на изпитвателен стенд. Това означава, че границите отчитат влиянието на реалните основи, тръбните връзки и работните условия на натоварване.

2.2. Класификация на оборудването

Ключов елемент от методологията е разделянето на всички машини на класове. Прилагането на ограничения от клас IV към машина от клас I може да доведе до пропускане на опасно състояние от инженера, докато обратното може да доведе до неоправдано изключване на изправно оборудване.

Съгласно приложение Б към ISO 10816-1, машините се разделят на следните категории:

Таблица 2.1. Класификация на машините съгласно ISO 10816-1

Клас	Описание	Типични машини	Тип фондация
Клас I	Отделни части от двигатели и машини, конструктивно свързани с агрегата. Малки машини.	Електродвигатели до 15 kW. Малки помпи, спомагателни задвижвания.	Всички
Клас II	Средни машини без специални основи.	Електродвигатели 15–75 kW. Двигатели до 300 kW на твърда основа. Помпи, вентилатори.	Обикновено твърд
Клас III	Големи двигатели и други големи машини с въртящи се маси.	Турбини, генератори, помпи с висока мощност (>75 kW).	Твърд
Клас IV	Големи двигатели и други големи машини с въртящи се маси.	Турбогенератори, газови турбини (>10 MW).	Гъвкав

Проблем с определянето на типа на основата (твърда или гъвкава):

Стандартът определя основата като твърда, ако първата естествена честота на системата “машина-основа” е над основната честота на възбуждане (честота на въртене). Основата е гъвкава, ако нейната естествена честота е под честотата на въртене.

На практика това означава:

• Машина, закрепена с болтове към масивен бетонен под в цех, обикновено принадлежи към клас с твърда основа.
• Машина, монтирана върху виброизолатори (пружини, гумени подложки) или върху лека стоманена рамка (например, конструкция от горния етаж), принадлежи към клас с гъвкава основа.

Това разграничение е от решаващо значение, тъй като машина върху гъвкава основа може да вибрира с по-голяма амплитуда, без да създава опасни вътрешни напрежения. Следователно границите за клас IV са по-високи от тези за клас III.

2.3. Зони за оценка на вибрациите

Вместо двузначна оценка “добър/лош”, стандартът предлага четиристепенна скала, която подкрепя поддръжката въз основа на състоянието.

Зона А (Добра): Ниво на вибрации за нововъведени машини. Това е референтното състояние, което трябва да се постигне след инсталиране или основен ремонт.

Зона Б (Задоволително): Машини, подходящи за неограничена дългосрочна експлоатация. Нивото на вибрации е по-високо от идеалното, но не застрашава надеждността.

Зона C (Незадоволително): Машини, които не са подходящи за продължителна непрекъсната работа. Вибрациите достигат ниво, при което започва ускорено износване на компонентите (лагери, уплътнения). Работата е възможна за ограничен период от време при засилено наблюдение до следващата планирана поддръжка.

Зона D (Неприемливо): Нива на вибрации, които могат да причинят катастрофална повреда. Необходимо е незабавно изключване.

2.4. Граници на вибрациите

В таблицата по-долу са обобщени граничните стойности на средноквадратичната скорост на вибрациите (mm/s) съгласно приложение Б към ISO 10816-1. Тези стойности са емпирични и служат като насоки, ако спецификациите на производителя не са налични.

Таблица 2.2. Граници на зоните на вибрации (ISO 10816-1 Приложение Б)

Граница на зоната	Клас I (мм/сек)	Клас II (мм/сек)	Клас III (мм/сек)	Клас IV (mm/s)
А / Б	0.71	1.12	1.80	2.80
Б / В	1.80	2.80	4.50	7.10
C / D	4.50	7.10	11.20	18.00

Аналитична интерпретация. Разгледайте стойността 4,5 mm/s. За малки машини (Клас I) това е границата на аварийното състояние (C/D), което изисква изключване. За средни машини (клас II) това е средата на зоната “изисква внимание”. За големи машини върху твърда основа (клас III) това е само границата между зоните “задоволително” и “незадоволително”. За машини върху гъвкава основа (клас IV) това е нормално ниво на вибрации при работа (зона B).

Тази прогресия показва риска от използването на универсални ограничения. Инженер, който използва правилото “4,5 mm/s е лошо” за всички машини, може да пропусне повредата на малка помпа или неоснователно да отхвърли голям турбокомпресор.

Глава 3. Специфични характеристики на индустриалните машини: ISO 10816-3

Докато ISO 10816-1 определя общата рамка, на практика повечето промишлени устройства (помпи, вентилатори, компресори над 15 kW) се регулират от по-конкретната част 3 от стандарта (ISO 10816-3). Важно е да се разбере разликата, защото Balanset-1A често се използва за балансиране на вентилатори и помпи, обхванати от тази част.

3.1. Групи машини в ISO 10816-3

За разлика от четирите класа в част 1, част 3 разделя машините на две основни групи:

Група 1: Големи машини с номинална мощност над 300 kW. В тази група се включват и електрически машини с височина на вала над 315 mm.

Група 2: Средни машини с номинална мощност от 15 kW до 300 kW. Тази група включва електрически машини с височина на вала от 160 mm до 315 mm.

3.2. Граници на вибрациите в ISO 10816-3

Ограниченията тук също зависят от типа на фундамента (твърд/гъвкав).

Таблица 3.1. Граници на вибрациите съгласно ISO 10816-3 (RMS, mm/s)

Състояние (зона)	Група 1 (>300 kW) Твърда	Група 1 (>300 kW) Гъвкава	Група 2 (15–300 kW) Твърда	Група 2 (15–300 kW) Гъвкава
А (Нов)	< 2.3	< 3,5	< 1,4	< 2.3
Б (Дългосрочна експлоатация)	2,3 – 4,5	3,5 – 7,1	1,4 – 2,8	2,3 – 4,5
C (Ограничена работа)	4,5 – 7,1	7,1 – 11,0	2,8 – 4,5	4,5 – 7,1
D (Повреда)	> 7.1	> 11,0	> 4.5	> 7.1

Синтез на данни. Сравнението на таблиците ISO 10816-1 и ISO 10816-3 показва, че ISO 10816-3 налага по-строги изисквания за машини със средна мощност (група 2) върху твърди основи. Границата на зона D е определена на 4,5 mm/s, което съвпада с границата за клас I в част 1. Това потвърждава тенденцията към по-строги граници за съвременното, по-бързо и по-леко оборудване. Когато използвате Balanset-1A за диагностика на вентилатор с мощност 45 kW върху бетонен под, трябва да се фокусирате върху колоната “Група 2 / Твърда” от тази таблица, където преходът към аварийната зона се извършва при 4,5 mm/s.

Глава 4. Хардуерна архитектура на системата Balanset-1A

За да изпълните изискванията на ISO 10816/20816, ви е необходим инструмент, който осигурява точни и повторяеми измервания и отговаря на изискваните честотни диапазони. Системата Balanset-1A, разработена от Vibromera, е интегрирано решение, което комбинира функциите на двуканален вибрационен анализатор и инструмент за балансиране на място.

4.1. Канали за измерване и сензори

Системата Balanset-1A разполага с два независими канала за измерване на вибрациите (X1 и X2), което позволява едновременно измерване в две точки или в две равнини.

Тип сензор. Системата използва акселерометри (вибрационни преобразуватели, които измерват ускорението). Това е съвременният индустриален стандарт, тъй като акселерометрите осигуряват висока надеждност, широк честотен диапазон и добра линейност.

Интеграция на сигнала. Тъй като ISO 10816 изисква оценка на скоростта на вибрациите (mm/s), сигналът от акселерометрите се интегрира в хардуера или софтуера. Това е критична стъпка в обработката на сигнала, а качеството на аналого-цифровия преобразувател играе ключова роля.

Диапазон на измерване. Уредът измерва скоростта на вибрациите (RMS) в диапазона от 0,05 до 100 mm/s. Този диапазон покрива изцяло всички зони за оценка по ISO 10816 (от зона A 45 mm/s).

4.2. Характеристики на честотата и точност

Метрологичните характеристики на Balanset-1A напълно отговарят на изискванията на стандарта.

Честотен диапазон. Основната версия на уреда работи в диапазона 5 Hz – 550 Hz.

Долната граница от 5 Hz (300 rpm) дори надвишава стандартното изискване на ISO 10816 от 10 Hz и поддържа диагностика на машини с ниска скорост. Горната граница от 550 Hz обхваща до 11-та хармоника за машини с честота на въртене 3000 об./мин (50 Hz), което е достатъчно за откриване на дисбаланс (1×), несъосност (2×, 3×) и разхлабване. По избор честотният диапазон може да бъде разширен до 1000 Hz, което напълно покрива стандартните изисквания.

Точност на амплитудата. Грешката при измерване на амплитудата е ±5% от пълната скала. За оперативни задачи по мониторинг, при които границите на зоните се различават със стотици проценти, тази точност е повече от достатъчна.

Точност на фазата. Уредът измерва фазовия ъгъл с точност ±1 градус. Въпреки че фазата не е регламентирана от ISO 10816, тя е от критично значение за следващата стъпка – балансирането.

4.3. Канал на тахометъра

Комплектът включва лазерен тахометър (оптичен сензор), който изпълнява две функции:

• Измерва скоростта на ротора (RPM) от 150 до 60 000 об./мин (в някои версии до 100 000 об./мин). Това позволява да се определи дали вибрацията е синхронна с честотата на въртене (1×) или асинхронна.
• Генерира референтен фазов сигнал (фазова маркировка) за синхронно усредняване и изчисляване на корекционните ъгли на масата по време на балансиране.

4.4. Връзки и разположение

Стандартният комплект включва сензорни кабели с дължина 4 метра (опционално 10 метра). Това повишава безопасността при измервания на място. Дългите кабели позволяват на оператора да остане на безопасно разстояние от въртящите се части на машината, което отговаря на изискванията за индустриална безопасност при работа с въртящо се оборудване.

Глава 5. Методология за измерване и оценка по ISO 10816 с помощта на Balanset-1A

В тази глава се описва алгоритъм за стъпка по стъпка за използване на уреда Balanset-1A за извършване на оценки на вибрациите.

5.1. Подготовка за измервания

Идентифицирайте машината. Определете класа на машината (съгласно глави 2 и 3 от настоящия доклад). Например, “вентилатор с мощност 45 kW върху виброизолатори” принадлежи към група 2 (ISO 10816-3) с гъвкава основа.

Инсталиране на софтуер. Инсталирайте драйверите и софтуера на Balanset-1A от предоставения USB диск. Свържете интерфейсния модул към USB порта на лаптопа.

Монтирайте сензорите.

• Монтирайте сензорите върху корпусите на лагерите. Не ги монтирайте върху тънки капаци.
• Използвайте магнитни основи. Уверете се, че магнитът е здраво закрепен към повърхността. Боята или ръждата под магнита действат като амортисьори и намаляват високите честоти.
• Поддържайте ортогоналност: извършвайте измервания във вертикална (V), хоризонтална (H) и аксиална (A) посока. Balanset-1A има два канала, така че можете да измервате, например, V и H едновременно на една опора.

5.2. Режим на виброметъра (F5)

Софтуерът Balanset-1A разполага със специален режим за оценка по ISO 10816.

• Стартирайте програмата.
• Натиснете F5 (или кликнете върху бутона “F5 – Виброметър” в интерфейса). Отваря се прозорец на многоканален виброметър.
• Натиснете F9 (Изпълни), за да започнете събирането на данни.

Анализ на индикаторите.

• RMS (общо): Инструментът показва общата RMS скорост на вибрациите (V1s, V2s). Това е стойността, която сравнявате с табличните граници на стандарта.
• 1× Вибрация: Инструментът извлича амплитудата на вибрациите при честотата на въртене.

Ако RMS стойността е висока (зона C/D), но 1× компонентът е нисък, проблемът не е в дисбаланса. Може да се дължи на повреда в лагера, кавитация (при помпа) или електромагнитни проблеми. Ако RMS е близо до стойността 1× (например, RMS = 10 mm/s, 1× = 9,8 mm/s), дисбалансът е доминиращ и балансирането ще намали вибрациите с около 95%.

5.3. Спектрален анализ (FFT)

Ако общата вибрация надвиши границата (зона C или D), трябва да установите причината. Режимът F5 включва раздел „Диаграми“.

Спектър. Спектърът показва амплитудата спрямо честотата.

• Доминиращ пик при 1× (честота на въртене) показва дисбаланс.
• Върховете при 2×, 3× показват неправилно подреждане или разхлабване.
• Високочестотен “шум” или множество хармоници са признак за дефекти в ролковите лагери.
• Честотата на въртене на лопатките (брой лопатки × об./мин.) показва аеродинамични проблеми във вентилатора или хидравлични проблеми в помпата.

Balanset-1A предоставя тези визуализации, което го превръща от обикновен “измервател на съответствие” в пълен диагностичен инструмент.

Глава 6. Балансиране като метод за корекция: Практическо приложение на Balanset-1A

Когато диагностиката (базирана на 1× доминиране в спектъра) покаже, че основната причина за превишаване на границите на ISO 10816 е дисбаланс, следващата стъпка е балансиране. Balanset-1A прилага метода на коефициента на влияние (метод на трите цикъла).

6.1. Теория на балансирането

Дисбаланс възниква, когато центърът на масата на ротора не съвпада с оста на въртене. Това води до центробежна сила. F = m · r · ω² която генерира вибрации с честотата на въртене. Целта на балансирането е да се добави коригираща маса (тежест), която да произвежда сила, равна по величина и противоположна по посока на силата на дисбаланса.

6.2. Процедура за балансиране в една равнина

Използвайте тази процедура за тесни ротори (вентилатори, ремъчни колела, дискове).

Настройка.

• Монтирайте сензора за вибрации (канал 1) перпендикулярно на оста на въртене.
• Настройте лазерния тахометър и поставете една отразяваща лента върху ротора.
• В програмата изберете F2 – Една равнина.

Изпълнение 0 – Начално.

• Задействайте ротора. Натиснете F9. Уредът измерва началната вибрация (амплитуда и фаза).
• Пример: 8,5 mm/s при 120°.

Пробег 1 – Тегло за проба.

• Спрете ротора.
• Поставете пробна тежест с известна маса (например 10 g) на произволно място.
• Задействайте ротора. Натиснете F9. Инструментът записва промяната във вектора на вибрациите.
• Пример: 5,2 mm/s при 160°.

Изчисление и корекция.

• Програмата автоматично изчислява масата и ъгъла на коригиращото тегло.
• Например, уредът може да даде следната инструкция: “Добавете 15 g под ъгъл 45° от позицията на пробното тегло.”
• Функциите на Balanset поддържат разделяне на тежестите: ако не можете да поставите тежестта на изчисленото място, програмата я разделя на две тежести за монтиране, например, на лопатките на вентилатора.

Изпълнение 2 – Проверка.

• Инсталирайте изчисленото коригиращо тегло (премахнете пробното тегло, ако програмата го изисква).
• Задействайте ротора и се уверете, че остатъчната вибрация е спаднала до зона А или Б съгласно ISO 10816 (например под 2,8 mm/s).

6.3. Двуплоскостно балансиране

Дългите ротори (валове, барабани на трошачки) изискват динамично балансиране в две коригиращи равнини. Процедурата е подобна, но изисква два вибрационни сензора (X1, X2) и три цикъла (начален, пробно тегло в равнина 1, пробно тегло в равнина 2). Използвайте режим F3 за тази процедура.

Глава 7. Практически сценарии и интерпретация (казуси)

Сценарий 1: Промишлен изпускателен вентилатор (45 kW)

Контекст. Вентилаторът е монтиран на покрива върху пружини от типа виброизолатори.

Класификация. ISO 10816-3, група 2, гъвкава основа.

Измерване. Balanset-1A в режим F5 показва RMS = 6,8 mm/s.

Анализ.

• Според таблица 3.1 границата B/C за “Гъвкав” е 4,5 mm/s, а границата C/D е 7,1 mm/s.

Заключение. Вентилаторът работи в зона C (ограничена работа), приближавайки се до аварийната зона D.

Диагностика. Спектърът показва силен 1× пик.

Действие. Необходимо е балансиране. След балансиране с Balanset-1A нивото на вибрациите спадна до 1,2 mm/s (зона А). По този начин се предотврати повредата.

Сценарий 2: Помпа за захранване на котела (200 kW)

Контекст. Помпата е здраво закрепена върху масивна бетонна основа.

Класификация. ISO 10816-3, група 2, твърда основа.

Измерване. Balanset-1A показва RMS = 5,0 mm/s.

Анализ.

• Според таблица 3.1 границата C/D за “твърдо” е 4,5 mm/s.

Заключение. Помпата работи в зона D (аварийно състояние). Стойност от 5,0 mm/s вече е неприемлива за твърдо монтиране.

Диагностика. Спектърът показва поредица от хармоници и високо ниво на шум. Върхът 1× е нисък.

Действие. Балансирането няма да помогне. Проблемът вероятно е в лагерите или кавитацията. Помпата трябва да бъде спряна за механична проверка.

Глава 8. Заключение

ISO 10816-1 и неговата специализирана част 3 предоставят фундаментална основа за осигуряване на надеждността на промишленото оборудване. Преходът от субективно възприятие към количествена оценка на скоростта на вибрациите (RMS, mm/s) позволява на инженерите да класифицират обективно състоянието на машината и да планират поддръжката въз основа на действителното състояние.

Инструменталното прилагане на тези стандарти с помощта на системата Balanset-1A се е доказало като ефективно. Инструментът осигурява метрологично точни измервания в диапазона 5–550 Hz (покриващ напълно стандартните изисквания за повечето машини) и предлага функционалността, необходима за идентифициране на причините за повишените вибрации (спектрален анализ) и тяхното елиминиране (балансиране).

За оперативните компании внедряването на редовен мониторинг, базиран на методологията ISO 10816 и инструменти като Balanset-1A, е пряка инвестиция в намаляване на оперативните разходи. Възможността да се разграничават зона Б от зона В помага да се избегнат както преждевременни ремонти на здрави машини, така и катастрофални повреди, причинени от игнориране на критични нива на вибрации.

Край на доклада