تحلیل جامع ISO 20816-3: اندازه‌گیری، ارزیابی و پیاده‌سازی ابزاری از طریق سیستم Balanset-1A

خلاصه اجرایی

چشم‌انداز صنعتی شاهد تغییر الگوی قابل توجهی در استانداردسازی پایش سلامت ماشین‌آلات بوده است. معرفی استاندارد ISO 20816-3:2022 نشان‌دهنده ادغام و نوسازی روش‌های قبلی است، به ویژه ادغام ارزیابی ارتعاش محفظه (که قبلاً ISO 10816-3 نام داشت) و ارتعاش شفت دوار (که قبلاً ISO 7919-3 نام داشت) در یک چارچوب واحد و منسجم. این گزارش، تجزیه و تحلیل جامعی از استاندارد ISO 20816-3 ارائه می‌دهد و فصل‌ها، پیوست‌های هنجاری و اصول فیزیکی آن را تشریح می‌کند. علاوه بر این، ارزیابی فنی دقیقی از دستگاه آنالیز ارتعاش قابل حمل و بالانسر Balanset-1A را ادغام می‌کند و نشان می‌دهد که چگونه این ابزار خاص، انطباق با الزامات سختگیرانه استاندارد را تسهیل می‌کند. این سند از طریق تلفیق نظریه پردازش سیگنال، اصول مهندسی مکانیک و رویه‌های عملیاتی عملی، به عنوان یک راهنمای قطعی برای مهندسان قابلیت اطمینان که به دنبال همسو کردن استراتژی‌های پایش وضعیت خود با بهترین شیوه‌های جهانی با استفاده از ابزار دقیق در دسترس و با دقت بالا هستند، عمل می‌کند.

Devices

Portable balancer & Vibration analyzer Balanset-1A

$2,385.16 + مالیات بر ارزش افزوده (در صورت وجود)

Parts

Vibration sensor

$108.69 + مالیات بر ارزش افزوده (در صورت وجود)

Parts

Optical Sensor (Laser Tachometer)

$149.75 + مالیات بر ارزش افزوده (در صورت وجود)

Devices

Balanset-4

$8,215.81 + مالیات بر ارزش افزوده (در صورت وجود)

Parts

Magnetic Stand Insize-60-kgf

$55.55 + مالیات بر ارزش افزوده (در صورت وجود)

Parts

Reflective tape

$12.08 + مالیات بر ارزش افزوده (در صورت وجود)

Devices

Dynamic balancer “Balanset-1A” OEM

$2,095.32 + مالیات بر ارزش افزوده (در صورت وجود)

بخش اول: چارچوب نظری ISO 20816-3

۱.۱ تکامل استانداردهای ارتعاش: همگرایی ISO 10816 و ISO 7919

تاریخچه استانداردسازی ارتعاش با حرکت تدریجی از دستورالعمل‌های پراکنده و مختص به هر جزء به سمت ارزیابی جامع ماشین‌آلات مشخص می‌شود. از نظر تاریخی، ارزیابی ماشین‌آلات صنعتی به دو بخش تقسیم شده است. سری ISO 10816 بر اندازه‌گیری قطعات غیرچرخشی - به ویژه محفظه‌های یاتاقان و پایه‌ها - با استفاده از شتاب‌سنج‌ها یا مبدل‌های سرعت تمرکز داشت. در مقابل، سری ISO 7919 به ارتعاش شفت‌های چرخان نسبت به یاتاقان‌هایشان، عمدتاً با استفاده از پروب‌های جریان گردابی غیرتماسی، پرداخته است.

این جدایی اغلب منجر به ابهام در تشخیص می‌شد. یک ماشین ممکن است ارتعاش محفظه قابل قبولی (ناحیه A طبق استاندارد ISO 10816) را نشان دهد در حالی که همزمان از انحراف یا ناپایداری خطرناک شفت (ناحیه C/D طبق استاندارد ISO 7919) رنج ببرد، به ویژه در سناریوهایی که شامل پوسته‌های سنگین یا یاتاقان‌های لایه سیال هستند که مسیر انتقال انرژی ارتعاش تضعیف می‌شود. استاندارد ISO 20816-3 با جایگزینی هر دو استاندارد ISO 10816-3:2009 و ISO 7919-3:2009.1، این دوگانگی را برطرف می‌کند. با ادغام این دیدگاه‌ها، استاندارد جدید اذعان می‌کند که انرژی ارتعاشی تولید شده توسط نیروهای دینامیکی روتور، بسته به نسبت‌های سختی، جرم و میرایی، در سراسر ساختار ماشین به طور متفاوتی ظاهر می‌شود. در نتیجه، یک ارزیابی مطابق با استاندارد اکنون نیاز به یک دیدگاه دوگانه دارد: ارزیابی ارتعاش مطلق سازه و در صورت لزوم، حرکت نسبی شفت.

سیستم Balanset-1A به عنوان ابزاری که برای ایجاد پل بین این حوزه‌های اندازه‌گیری طراحی شده است، وارد این عرصه می‌شود. معماری آن که هم از شتاب‌سنج‌های پیزوالکتریک برای اندازه‌گیری‌های محفظه و هم از ورودی‌های ولتاژ مستقیم برای حسگرهای جابجایی خطی پشتیبانی می‌کند، فلسفه ماهیت دوگانه سری ISO 20816 را منعکس می‌کند.3 این همگرایی، جعبه ابزار تکنسین را ساده می‌کند و به یک ابزار واحد اجازه می‌دهد تا ارزیابی‌های جامعی را که اکنون توسط استاندارد یکپارچه الزامی شده است، انجام دهد.

۱.۲ دامنه و کاربردپذیری: تعریف چشم‌انداز ماشین‌آلات صنعتی

فصل ۱ استاندارد ISO 20816-3 به طور دقیق مرزهای کاربرد آن را تعریف می‌کند. این استاندارد جامع نیست؛ بلکه به طور خاص برای ماشین‌های صنعتی با توان نامی بالای ۱۵ کیلووات و سرعت عملیاتی بین ۱۲۰ دور در دقیقه و ۳۰۰۰۰ دور در دقیقه کالیبره شده است.۱ این پوشش عملیاتی گسترده، اکثریت قریب به اتفاق دارایی‌های حیاتی در بخش‌های تولید، تولید برق و پتروشیمی را پوشش می‌دهد.

تجهیزاتی که به طور خاص تحت پوشش قرار می‌گیرند شامل موارد زیر هستند:

• توربین‌ها و ژنراتورهای بخار: واحدهایی با خروجی کمتر یا مساوی 40 مگاوات در اینجا پوشش داده شده‌اند. واحدهای بزرگتر (بالای 40 مگاوات) معمولاً تحت استاندارد ISO 20816-2 قرار می‌گیرند، مگر اینکه با سرعت‌هایی غیر از فرکانس‌های شبکه سنکرون (1500، 1800، 3000 یا 3600 دور در دقیقه) کار کنند.6
• کمپرسورهای روتاری: شامل هر دو طرح گریز از مرکز و محوری مورد استفاده در صنایع فرآیندی.
• توربین‌های گازی صنعتی: به طور خاص آنهایی که خروجی ۳ مگاوات یا کمتر دارند. توربین‌های گازی بزرگتر به دلیل ویژگی‌های حرارتی و دینامیکی منحصر به فردشان، در بخش‌های جداگانه‌ای از استاندارد تفکیک می‌شوند.1
• پمپ‌ها: پمپ‌های گریز از مرکز که توسط موتورهای الکتریکی به کار می‌افتند، جزء اصلی این گروه هستند.
• موتورهای الکتریکی: موتورهایی از هر نوع، مشروط بر اینکه به صورت انعطاف‌پذیر کوپلینگ شده باشند، شامل این استاندارد می‌شوند. موتورهایی که به صورت صلب کوپلینگ شده‌اند، اغلب به عنوان بخشی از سیستم ماشین محرک یا تحت زیربندهای خاص ارزیابی می‌شوند.
• فن‌ها و دمنده‌ها: برای تهویه مطبوع و فرآیندهای صنعتی بسیار مهم است.6

موارد استثنا: به همان اندازه مهم است که بفهمیم چه مواردی مستثنی هستند. ماشین‌هایی با جرم‌های رفت و برگشتی (مانند کمپرسورهای پیستونی) پروفیل‌های ارتعاشی ایجاد می‌کنند که تحت تأثیر ضربه‌ها و گشتاورهای متغیر قرار می‌گیرند و نیاز به تجزیه و تحلیل تخصصی موجود در ISO 20816-8 دارند. به طور مشابه، توربین‌های بادی که تحت بارهای آیرودینامیکی بسیار متغیر کار می‌کنند، تحت پوشش ISO 10816-21.7 قرار دارند. ویژگی‌های طراحی خاص Balanset-1A، مانند محدوده اندازه‌گیری سرعت چرخش آن از ۱۵۰ تا ۶۰۰۰۰ دور در دقیقه، کاملاً با محدوده ۱۲۰ تا ۳۰۰۰۰ دور در دقیقه استاندارد مطابقت دارد و تضمین می‌کند که این دستگاه قادر به نظارت بر طیف کامل ماشین‌آلات قابل اجرا است.

۱.۳ سیستم‌های طبقه‌بندی ماشین: فیزیک سختی تکیه‌گاه

یک نوآوری حیاتی که از استانداردهای قبلی حفظ شده است، طبقه‌بندی ماشین‌آلات بر اساس سختی تکیه‌گاه است. استاندارد ISO 20816-3 ماشین‌ها را نه تنها بر اساس اندازه، بلکه بر اساس رفتار دینامیکی نیز به گروه‌هایی تقسیم می‌کند.

۱.۳.۱ طبقه‌بندی گروه بر اساس توان و اندازه

این استاندارد، ماشین‌ها را برای اعمال محدودیت‌های شدت مناسب، به دو گروه اصلی طبقه‌بندی می‌کند:

• گروه ۱: ماشین‌آلات بزرگ با توان نامی بالای 300 کیلووات، یا ماشین‌های الکتریکی با ارتفاع شفت بیش از 315 میلی‌متر. این ماشین‌ها معمولاً دارای روتورهای عظیم هستند و نیروهای دینامیکی قابل توجهی تولید می‌کنند.9
• گروه ۲: ماشین‌آلات متوسط با توان نامی بین ۱۵ کیلووات و ۳۰۰ کیلووات، یا ماشین‌های الکتریکی با ارتفاع شفت بین ۱۶۰ میلی‌متر و ۳۱۵ میلی‌متر.10

۱.۳.۲ انعطاف‌پذیری پشتیبانی: صلب در مقابل انعطاف‌پذیر

تمایز بین تکیه‌گاه‌های “صلب” و “انعطاف‌پذیر” یک موضوع فیزیکی است، نه فقط مصالح ساختمانی. یک تکیه‌گاه در یک جهت اندازه‌گیری خاص، صلب در نظر گرفته می‌شود اگر اولین فرکانس طبیعی (رزونانس) سیستم ترکیبی ماشین-تکیه‌گاه به طور قابل توجهی بالاتر از فرکانس تحریک اصلی (معمولاً سرعت چرخش) باشد. به طور خاص، فرکانس طبیعی باید حداقل 25% بالاتر از سرعت عملیاتی باشد. در مقابل، تکیه‌گاه‌های انعطاف‌پذیر دارای فرکانس‌های طبیعی هستند که ممکن است نزدیک یا پایین‌تر از سرعت عملیاتی باشند و منجر به تقویت رزونانس یا اثرات ایزولاسیون شوند.10

این تمایز بسیار مهم است زیرا تکیه‌گاه‌های انعطاف‌پذیر به طور طبیعی دامنه‌های ارتعاش بالاتری را برای همان مقدار نیروی تحریک داخلی (عدم تعادل) مجاز می‌کنند. بنابراین، محدودیت‌های ارتعاش مجاز برای تکیه‌گاه‌های انعطاف‌پذیر عموماً بالاتر از تکیه‌گاه‌های صلب است. Balanset-1A از طریق قابلیت‌های اندازه‌گیری فاز خود، تعیین ویژگی‌های تکیه‌گاه را تسهیل می‌کند. با انجام آزمایش run-up یا coast-down (با استفاده از ویژگی نمودار "RunDown" که در مشخصات نرم‌افزار 11 ذکر شده است)، یک تحلیلگر می‌تواند پیک‌های رزونانس را شناسایی کند. اگر پیکی در محدوده عملیاتی رخ دهد، تکیه‌گاه به صورت پویا انعطاف‌پذیر است. اگر پاسخ تا سرعت عملیاتی صاف و خطی باشد، سفت و سخت است. این قابلیت تشخیصی به کاربر اجازه می‌دهد تا جدول ارزیابی صحیح در ISO 20816-3 را انتخاب کند و از هشدارهای کاذب یا خطاهای از دست رفته جلوگیری کند.

بخش دوم: روش‌شناسی اندازه‌گیری و فیزیک

فصل ۴ استاندارد ISO 20816-3 الزامات سختگیرانه رویه‌ای برای جمع‌آوری داده‌ها را بیان می‌کند. اعتبار هر ارزیابی کاملاً به صحت اندازه‌گیری بستگی دارد.

۲.۱ فیزیک ابزار دقیق: انتخاب مبدل و پاسخ

این استاندارد استفاده از ابزارهایی را الزامی می‌کند که قادر به اندازه‌گیری سرعت ارتعاش در پهنای باند وسیع باشند. پاسخ فرکانسی باید در محدوده حداقل 10 هرتز تا 1000 هرتز برای ماشین‌آلات عمومی، مسطح باشد.12 برای ماشین‌های با سرعت پایین‌تر (که زیر 600 دور در دقیقه کار می‌کنند)، حد پایین پاسخ فرکانسی باید تا 2 هرتز گسترش یابد تا مؤلفه‌های چرخشی اساسی را در بر بگیرد.

انطباق فنی Balanset-1A:
آنالایزر ارتعاش Balanset-1A با در نظر گرفتن این الزامات خاص طراحی شده است. مشخصات آن محدوده فرکانس ارتعاش 5 هرتز تا 550 هرتز را برای عملیات استاندارد فهرست می‌کند، با گزینه‌هایی برای گسترش قابلیت‌های اندازه‌گیری.8 حد پایین 5 هرتز بسیار مهم است؛ این امر انطباق با استانداردهای لازم را برای ماشین‌هایی که با سرعت 300 دور در دقیقه کار می‌کنند، تضمین می‌کند و اکثر کاربردهای صنعتی را پوشش می‌دهد. حد بالای 550 هرتز، هارمونیک‌های بحرانی (1x، 2x، 3x و غیره) و فرکانس‌های عبور تیغه را برای اکثر پمپ‌ها و فن‌های استاندارد پوشش می‌دهد. علاوه بر این، دقت دستگاه در مقیاس کامل 5% ارزیابی شده است که دقت اندازه‌گیری مورد انتظار ISO 2954 (الزامات ابزارهای اندازه‌گیری شدت ارتعاش) را برآورده می‌کند.8

این استاندارد بین دو نوع اندازه‌گیری اصلی که هر دو توسط اکوسیستم Balanset-1A پشتیبانی می‌شوند، تمایز قائل می‌شود:

• مبدل‌های لرزه‌ای (شتاب‌سنج‌ها): این‌ها ارتعاش مطلق محفظه را اندازه‌گیری می‌کنند. آن‌ها به انتقال نیرو از طریق پایه یاتاقان حساس هستند. کیت Balanset-1A شامل دو شتاب‌سنج تک محوره (معمولاً مبتنی بر فناوری سری ADXL یا پیزوالکتریک) با پایه‌های مغناطیسی است.14
• مبدل‌های غیر تماسی (کاوشگرهای مجاورتی): این‌ها جابجایی نسبی شفت را اندازه‌گیری می‌کنند. آن‌ها برای ماشین‌های یاتاقان لایه سیال که شفت در فاصله مجاز حرکت می‌کند، ضروری هستند.

۲.۲ بررسی عمیق: ارتعاش نسبی شفت و ادغام حسگرها

در حالی که استاندارد ISO 20816-3 به شدت بر ارتعاش محفظه تمرکز دارد، پیوست B به صراحت به ارتعاش نسبی شفت می‌پردازد. این امر مستلزم استفاده از پروب‌های جریان گردابی (پروب‌های مجاورتی) است. این حسگرها با تولید یک میدان فرکانس رادیویی (RF) که جریان‌های گردابی را در سطح رسانای شفت القا می‌کند، عمل می‌کنند. امپدانس سیم‌پیچ پروب با فاصله شکاف تغییر می‌کند و یک خروجی ولتاژ متناسب با جابجایی تولید می‌کند.15

ادغام پروب‌های جریان گردابی با Balanset-1A:
یکی از ویژگی‌های منحصر به فرد Balanset-1A سازگاری آن با این سنسورها است. در حالی که در درجه اول با شتاب‌سنج‌ها عرضه می‌شود، ورودی‌های دستگاه را می‌توان برای حالت “خطی” پیکربندی کرد تا سیگنال‌های ولتاژ را از درایورهای پروب مجاورتی شخص ثالث (proximitors) بپذیرد.3

• ورودی ولتاژ: اکثر پروب‌های مجاورتی صنعتی، ولتاژ DC منفی (مثلاً، منبع تغذیه -24 ولت، مقیاس 200 میلی‌ولت/میل) تولید می‌کنند. Balanset-1A به کاربران این امکان را می‌دهد که ضرایب حساسیت سفارشی (مثلاً، میلی‌ولت/میکرومتر) را در پنجره “تنظیمات” (کلید F4) وارد کنند.3
• حذف آفست DC: پروب‌های مجاورتی یک ولتاژ شکاف DC بزرگ (بایاس) را حمل می‌کنند که یک سیگنال ارتعاش AC کوچک روی آن قرار دارد. نرم‌افزار Balanset-1A شامل یک تابع "حذف DC" برای فیلتر کردن ولتاژ شکاف است که سیگنال ارتعاش دینامیکی را برای تجزیه و تحلیل در برابر محدودیت‌های ISO 20816-3 ایزوله می‌کند.3
• خطی بودن و کالیبراسیون: این نرم‌افزار به کاربر اجازه می‌دهد تا ضرایب کالیبراسیون را تعریف کند (مثلاً Kprl1 = 0.94 mV/µm) و اطمینان حاصل کند که مقدار خوانده شده روی صفحه لپ‌تاپ دقیقاً با جابجایی فیزیکی شفت مطابقت دارد.3 این قابلیت هنگام اعمال معیارهای پیوست ب که بر حسب میکرومتر جابجایی به جای میلی‌متر بر ثانیه سرعت مشخص شده‌اند، ضروری است.

۲.۳ فیزیک نصب: تضمین صحت داده‌ها

استاندارد ISO 20816-3 تأکید می‌کند که روش نصب حسگر نباید دقت اندازه‌گیری را کاهش دهد. فرکانس رزونانس حسگر نصب شده باید به طور قابل توجهی بالاتر از محدوده فرکانس مورد نظر باشد.

• نصب گل میخ: استاندارد طلایی، ارائه بالاترین پاسخ فرکانسی (تا 10 کیلوهرتز+).
• نصب مغناطیسی: یک راهکار عملی برای جمع‌آوری داده‌های قابل حمل.

دستگاه Balanset-1A از یک سیستم نصب مغناطیسی با قدرت نگهداری 60 کیلوگرم نیرو (نیروی کیلوگرم) استفاده می‌کند.17 این نیروی گیره بالا بسیار مهم است. یک آهنربای ضعیف یک اثر "جهش" یا یک فیلتر پایین‌گذر مکانیکی ایجاد می‌کند که سیگنال‌های فرکانس بالا را به شدت تضعیف می‌کند. با 60 کیلوگرم نیرو، سختی تماس برای افزایش رزونانس نصب شده به بالاتر از محدوده 1000 هرتز مورد نظر برای ISO 20816-3 کافی است و تضمین می‌کند که داده‌های جمع‌آوری‌شده نمایش واقعی از رفتار دستگاه هستند و نه یک مصنوع از روش اتصال.12

۲.۴ پردازش سیگنال: RMS در مقابل پیک

این استاندارد استفاده از سرعت جذر میانگین مربعات (RMS) را برای قطعات غیرچرخشی مشخص می‌کند. مقدار RMS معیاری از کل انرژی موجود در سیگنال ارتعاش است و مستقیماً با تنش خستگی اعمال شده بر اجزای ماشین مرتبط است.

معادله برای RMS:

V_{آر ام اس} = √((1/T) ∫₀^تی وی²(t) dt)

برای ارتعاش شفت (پیوست ب)، استاندارد از جابجایی پیک تا پیک (S) استفاده می‌کند._{پی پی}) که نشان دهنده کل گردش فیزیکی شفت در محدوده لقی یاتاقان است.

S_{پی پی} = س_max − س_دقیقه

پردازش بالانست-1A:
دستگاه Balanset-1A این تبدیلات ریاضی را به صورت داخلی انجام می‌دهد. ADC (مبدل آنالوگ به دیجیتال) از سیگنال خام نمونه‌برداری می‌کند و نرم‌افزار سرعت RMS را برای اندازه‌گیری‌های محفظه و جابجایی پیک تا پیک را برای اندازه‌گیری‌های شفت محاسبه می‌کند. نکته مهم این است که مقدار پهنای باند (Overall) را محاسبه می‌کند که انرژی را در کل طیف فرکانسی (مثلاً 10-1000 هرتز) جمع می‌کند. این مقدار “Overall” عدد اصلی مورد استفاده برای طبقه‌بندی دستگاه به مناطق A، B، C یا D است. علاوه بر این، این دستگاه قابلیت‌های FFT (تبدیل سریع فوریه) را ارائه می‌دهد و به تحلیلگر اجازه می‌دهد تا اجزای فرکانسی منفرد (1x، 2x، هارمونیک‌ها) را که مقدار RMS کلی را تشکیل می‌دهند، ببیند و به تشخیص منبع ارتعاش کمک کند.8

۲.۵ ارتعاش پس‌زمینه: چالش سیگنال به نویز

یک جنبه حیاتی و اغلب نادیده گرفته شده در استاندارد ISO 20816-3، مدیریت ارتعاش زمینه است - ارتعاشی که از منابع خارجی (مثلاً ماشین‌های مجاور، ارتعاش کف) هنگام توقف دستگاه به دستگاه منتقل می‌شود.

قاعده: اگر ارتعاش پس‌زمینه از 25% ارتعاش اندازه‌گیری شده هنگام کار دستگاه یا 25% مرز بین ناحیه B و C تجاوز کند، اصلاحات شدیدی لازم است، در غیر این صورت اندازه‌گیری ممکن است نامعتبر تلقی شود.18 نسخه‌های قبلی استانداردها اغلب به قانون “یک سوم” استناد می‌کردند، اما ISO 20816-3 این منطق را سختگیرانه‌تر می‌کند.

پیاده‌سازی رویه‌ای با Balanset-1A:

1. تکنسین در حالی که دستگاه متوقف است، سنسورهای Balanset-1A را روی آن قرار می‌دهد.
2. با استفاده از حالت “لرزش‌سنج” (کلید F5)، سطح RMS پس‌زمینه ثبت می‌شود.13
3. دستگاه روشن شده و برای بارگیری آورده می‌شود. میانگین مقادیر مؤثر عملیاتی (RMS) ثبت می‌شود.
4. مقایسه‌ای انجام می‌شود. اگر سطح عملیاتی ۴.۰ میلی‌متر بر ثانیه و پس‌زمینه ۱.۵ میلی‌متر بر ثانیه (۳۷.۵۱TP3T) باشد، پس‌زمینه خیلی بالاست. توانایی Balanset-1A در انجام تفریق طیفی (مشاهده طیف پس‌زمینه در مقابل دستگاه در حال کار) به شناسایی اینکه آیا پس‌زمینه در فرکانس خاصی (مثلاً ۵۰ هرتز از یک کمپرسور مجاور) است که می‌تواند توسط تحلیلگر نادیده گرفته شود یا به صورت ذهنی فیلتر شود، کمک می‌کند.

بخش سوم: معیارهای ارزیابی - قلب استاندارد

فصل ۶ هسته اصلی ISO 20816-3 را تشکیل می‌دهد و منطق تصمیم‌گیری برای پذیرش ماشین را ارائه می‌دهد.

۳.۱ معیار اول: شدت ارتعاش و پهنه‌بندی

این استاندارد شدت ارتعاش را بر اساس حداکثر بزرگی مشاهده شده در محفظه‌های یاتاقان ارزیابی می‌کند. برای تسهیل تصمیم‌گیری، چهار ناحیه ارزیابی را تعریف می‌کند:

• منطقه الف: لرزش ماشین‌های تازه راه‌اندازی شده. این “استاندارد طلایی” است. ماشینی در این منطقه در شرایط مکانیکی بی‌نقصی قرار دارد.
• منطقه ب: ماشین‌هایی که برای کارکرد طولانی مدت و بدون محدودیت قابل قبول هستند. این محدوده عملیاتی معمول "سبز" است.
• منطقه ج: ماشین‌هایی که برای کارکرد مداوم و طولانی مدت رضایت‌بخش نیستند. به‌طورکلی، می‌توان ماشین را برای مدت محدودی تا زمانی که فرصت مناسبی برای اقدام اصلاحی (نگهداری) پیش بیاید، به کار انداخت. این وضعیت “زرد” یا “هشدار” است.
• منطقه D: مقادیر ارتعاش در این ناحیه معمولاً به اندازه‌ای شدید در نظر گرفته می‌شوند که می‌توانند به دستگاه آسیب برسانند. این حالت “قرمز” یا “قطع” است.5

جدول ۱: محدودیت‌های منطقه‌ای ساده‌شده ISO 20816-3 (سرعت مؤثر، میلی‌متر بر ثانیه) برای گروه ۱ و ۲

گروه ماشین آلات	نوع فونداسیون	مرز منطقه A/B	مرز منطقه B/C	مرز منطقه C/D
گروه ۱ (بالای ۳۰۰ کیلووات)	سفت و سخت	2.3	4.5	7.1
	انعطاف‌پذیر	3.5	7.1	11.0
گروه ۲ (۱۵-۳۰۰ کیلووات)	سفت و سخت	1.4	2.8	4.5
	انعطاف‌پذیر	2.3	4.5	7.1

نکته: این مقادیر از پیوست الف استاندارد استخراج شده‌اند و نشان‌دهنده دستورالعمل‌های کلی هستند. انواع خاص ماشین ممکن است محدودیت‌های متفاوتی داشته باشند.

پیاده‌سازی Balanset-1A:
نرم‌افزار Balanset-1A فقط یک عدد را نمایش نمی‌دهد؛ بلکه از نظر زمینه‌ای به کاربر کمک می‌کند. در حالی که کاربر باید کلاس را انتخاب کند، عملکرد “گزارش‌ها”ی نرم‌افزار امکان مستندسازی این مقادیر را در مقایسه با استاندارد فراهم می‌کند. هنگامی که یک تکنسین ارتعاش 5.0 میلی‌متر بر ثانیه را روی یک پمپ 50 کیلوواتی (گروه 2) روی یک فونداسیون سفت و سخت اندازه‌گیری می‌کند، مقدار Balanset-1A به وضوح از مرز ناحیه C/D (4.5 میلی‌متر بر ثانیه) فراتر می‌رود که نشان‌دهنده نیاز فوری به خاموش کردن و تعمیر است.

۳.۲ معیار دوم: تغییر در شدت ارتعاش

شاید مهم‌ترین پیشرفت در سری ۲۰۸۱۶، تأکید رسمی بر تغییر ارتعاش، مستقل از محدودیت‌های مطلق باشد.

قانون 25%: استاندارد ISO 20816-3 بیان می‌کند که تغییر در بزرگی ارتعاش بیشتر از 25% از مرز ناحیه B/C (یا 25% از مقدار حالت پایدار قبلی) باید قابل توجه تلقی شود، حتی اگر مقدار مطلق در ناحیه A یا B باقی بماند.20

پیامدها:
یک فن را در نظر بگیرید که با سرعت ثابت ۲.۰ میلی‌متر بر ثانیه (ناحیه B) کار می‌کند. اگر لرزش ناگهان به ۲.۸ میلی‌متر بر ثانیه جهش کند، از نظر فنی هنوز در ناحیه B (برای برخی از کلاس‌ها) است یا تازه وارد ناحیه C می‌شود. با این حال، این یک افزایش ۴۰۱TP3T است. چنین تغییر ناگهانی اغلب نشان دهنده یک حالت خرابی خاص است: یک قطعه روتور ترک خورده، یک وزنه تعادل جابجا شده یا یک سایش حرارتی. نادیده گرفتن این موضوع به دلیل اینکه "هنوز در وضعیت سبز است" دستورالعملی برای خرابی فاجعه بار است.

تحلیل روند Balanset-1A:
دستگاه Balanset-1A از طریق ویژگی‌های “بازیابی جلسه” و بایگانی خود از این معیار پشتیبانی می‌کند.21 با ذخیره جلسات اندازه‌گیری، یک مهندس قابلیت اطمینان می‌تواند داده‌های فعلی را با خطوط مبنای تاریخی همپوشانی کند. اگر نمودار “ارتعاش کلی” یک تغییر مرحله‌ای را نشان دهد، مهندس معیار II را اعمال می‌کند. ویژگی “بازیابی آخرین جلسه” در اینجا به ویژه مفید است. این ویژگی به کاربر اجازه می‌دهد تا وضعیت دقیق دستگاه را از ماه قبل به خاطر بیاورد تا تأیید کند که آیا آستانه 25% نقض شده است یا خیر.

۳.۳ محدودیت‌های عملیاتی: تنظیم هشدارها و TRIPS

این استاندارد راهنمایی‌هایی برای تنظیم سیستم‌های حفاظت خودکار ارائه می‌دهد:

• زنگ خطر: برای ارائه هشدار مبنی بر اینکه به مقدار مشخصی از ارتعاش رسیده‌ایم یا تغییر قابل توجهی رخ داده است. تنظیم توصیه شده معمولاً مقدار پایه + 25% از مرز Zone B/C است.
• سفر: برای شروع اقدام فوری (خاموش کردن). این معمولاً در مرز ناحیه C/D یا کمی بالاتر، بسته به سلامت مکانیکی دستگاه، تنظیم می‌شود.19

اگرچه Balanset-1A یک دستگاه قابل حمل است و یک سیستم حفاظت دائمی (مانند رک Bently Nevada) نیست، اما برای تأیید و کالیبراسیون این سطوح تریپ استفاده می‌شود. تکنسین‌ها از Balanset-1A برای اندازه‌گیری ارتعاش در طول یک آزمایش افزایش سطح کنترل‌شده یا عدم تعادل القایی استفاده می‌کنند تا اطمینان حاصل شود که سیستم نظارت دائمی در سطوح ارتعاش فیزیکی صحیح که توسط ISO 20816-3 الزامی شده است، فعال می‌شود.

بخش چهارم: سیستم Balanset-1A - بررسی عمیق فنی

برای درک اینکه چگونه Balanset-1A به عنوان یک ابزار انطباق عمل می‌کند، باید معماری فنی آن را تجزیه و تحلیل کرد.

۴.۱ معماری سخت‌افزار

Balanset-1A شامل یک ماژول رابط USB متمرکز است که سیگنال‌های آنالوگ را از حسگرها قبل از ارسال داده‌های دیجیتالی به لپ‌تاپ میزبان پردازش می‌کند.

• ماژول مبدل آنالوگ به دیجیتال: قلب این سیستم یک مبدل آنالوگ به دیجیتال با وضوح بالا است. این ماژول دقت اندازه‌گیری را تعیین می‌کند. Balanset-1A سیگنال‌ها را با دقت ±5% مدیریت می‌کند که برای تشخیص میدانی کافی است.8
• مرجع فاز (تاکومتر): مطابق با استاندارد ISO 20816-3 اغلب نیاز به تجزیه و تحلیل فاز برای تمایز بین عدم تعادل و عدم هم‌ترازی وجود دارد. Balanset-1A از یک تاکومتر لیزری با برد تا 1.5 متر و قابلیت 60000 دور در دقیقه استفاده می‌کند.17 این سنسور نوری محاسبه زاویه فاز را با دقت ±1 درجه انجام می‌دهد.
• قدرت و قابلیت حمل: این دستگاه که از طریق USB (5 ولت) تغذیه می‌شود، ذاتاً از حلقه‌های زمین که اغلب آنالایزرهای برق شهری را دچار مشکل می‌کنند، در امان است. وزن کل کیت تقریباً 4 کیلوگرم است که آن را به یک ابزار "میدانی" واقعی تبدیل می‌کند که برای بالا رفتن از تیرهای سقفی برای رسیدن به پنکه‌ها مناسب است.8

۴.۲ قابلیت‌های نرم‌افزار: فراتر از اندازه‌گیری ساده

نرم‌افزار ارائه شده با Balanset-1A، داده‌های خام را به اطلاعات کاربردی مطابق با استانداردهای ISO تبدیل می‌کند.

• تحلیل طیف FFT: استاندارد به “مولفه‌های فرکانسی خاص” اشاره می‌کند. دستگاه Balanset-1A تبدیل سریع فوریه را نمایش می‌دهد و شکل موج پیچیده را به امواج سینوسی تشکیل‌دهنده آن تجزیه می‌کند. این به کاربر اجازه می‌دهد تا ببیند که آیا مقدار RMS بالا به دلیل ۱x (عدم تعادل)، ۱۰۰x (مش دنده) یا پیک‌های غیرهمزمان (عیب یاتاقان) است.۲۱
• نمودارهای قطبی: برای بالانس و تحلیل برداری، نرم‌افزار بردارهای ارتعاش را روی یک نمودار قطبی رسم می‌کند. این تجسم هنگام اعمال روش‌های ضریب نفوذ برای بالانس بسیار مهم است.
• محاسبه‌گر تلرانس ISO 1940: در حالی که استاندارد ISO 20816-3 به محدودیت‌های ارتعاش می‌پردازد، استاندارد ISO 1940 به کیفیت تعادل (درجه G) می‌پردازد. نرم‌افزار Balanset-1A یک ماشین حساب را در خود جای داده است که در آن کاربر جرم و سرعت روتور را وارد می‌کند و سیستم عدم تعادل باقیمانده مجاز را بر حسب گرم-میلی‌متر محاسبه می‌کند. این امر شکاف بین “ارتعاش خیلی زیاد است” (ISO 20816) و “این مقدار وزنی است که باید برداشته شود” (ISO 1940) را پر می‌کند.11

۴.۳ سازگاری حسگر و پیکربندی ورودی

همانطور که در تحقیق قطعه کد اشاره شد، توانایی ارتباط با انواع مختلف حسگرها کلیدی است.

• شتاب‌سنج‌ها: حسگرهای پیش‌فرض. سیستم بسته به نمای انتخاب‌شده، سیگنال شتاب (g) را با سرعت (mm/s) یا با جابجایی (µm) انتگرال دوگانه می‌گیرد. این ادغام به صورت دیجیتالی انجام می‌شود تا رانش نویز به حداقل برسد.
• پروب‌های جریان گردابی: این سیستم ورودی‌های آنالوگ 0-10 ولت یا مشابه را می‌پذیرد. کاربر باید ضریب تبدیل را در تنظیمات پیکربندی کند. به عنوان مثال، یک پراب استاندارد Bently Nevada ممکن است ضریب مقیاس 200 میلی‌ولت/میل (7.87 ولت/میلی‌متر) داشته باشد. کاربر این حساسیت را وارد می‌کند و نرم‌افزار Balanset-1A ولتاژ ورودی را برای نمایش میکرون‌های جابجایی مقیاس‌بندی می‌کند و امکان مقایسه مستقیم با پیوست B از ISO 20816-3.3 را فراهم می‌کند.

بخش پنجم: پیاده‌سازی عملیاتی: از تشخیص تا متعادل‌سازی پویا

این بخش، یک رویه عملیاتی استاندارد (SOP) را برای تکنسینی که از Balanset-1A استفاده می‌کند، تشریح می‌کند تا از انطباق آن با استاندارد ISO 20816-3 اطمینان حاصل شود.

۵.۱ مرحله ۱: اندازه‌گیری و طبقه‌بندی پایه

تکنسین به یک فن سانتریفیوژ ۴۵ کیلوواتی نزدیک می‌شود.

• طبقه بندی: توان > ۱۵ کیلووات، < ۳۰۰ کیلووات. این گروه ۲ است. فونداسیون به بتن پیچ شده است (صلب).
• تعیین حد: از استاندارد ISO 20816-3 ضمیمه A (گروه 2، صلب)، مرز ناحیه B/C برابر با 2.8 میلی‌متر بر ثانیه است.
• اندازه‌گیری: سنسورها با استفاده از پایه‌های مغناطیسی نصب می‌شوند. حالت “لرزش‌سنج” Balanset-1A فعال است.
• نتیجه: عدد نشان داده شده ۶.۵ میلی‌متر بر ثانیه است. این ناحیه، ناحیه C/D است. اقدام لازم است.

۵.۲ مرحله ۲: تحلیل تشخیصی

استفاده از تابع تبدیل فوریه سریع Balanset-1A:

• طیف، یک پیک غالب را در سرعت دویدن (1x RPM) نشان می‌دهد.
• آنالیز فاز، زاویه فاز پایدار را نشان می‌دهد.
• تشخیص: عدم تعادل استاتیک (اگر فاز ناپایدار بود یا هارمونیک‌های بالایی وجود داشت، عدم هم‌ترازی یا شل بودن مشکوک است).

۵.۳ مرحله ۳: روش متعادل‌سازی (درجا)

از آنجایی که تشخیص، عدم تعادل است، تکنسین از حالت متعادل‌سازی Balanset-1A استفاده می‌کند. استاندارد، کاهش ارتعاش به سطوح ناحیه A یا B را الزامی می‌کند.

۵.۳.۱ روش سه مرحله‌ای (ضرایب تأثیر)

دستگاه Balanset-1A محاسبات برداری مورد نیاز برای متعادل‌سازی را خودکار می‌کند.

• اجرای ۰ (اولیه): دامنه A را اندازه‌گیری کنید₀ و فاز φ₀ از ارتعاش اولیه.
• اجرای ۱ (وزنه آزمایشی): جرم معلوم M_محاکمه با زاویه دلخواه اضافه می‌شود. سیستم بردار ارتعاش جدید (A) را اندازه‌گیری می‌کند.₁, ، φ₁).

محاسبه: نرم‌افزار ضریب تأثیر α را محاسبه می‌کند که نشان‌دهنده حساسیت روتور به تغییر جرم است.

α = (V₁ − وی₀) / م_محاکمه

اصلاحیه: سیستم جرم اصلاحی مورد نیاز M را محاسبه می‌کند._کور برای خنثی کردن لرزش اولیه.

M_کور = − V₀ / آلفا

اجرای ۲ (تأیید): وزنه آزمایشی برداشته می‌شود و وزنه اصلاحی محاسبه شده اضافه می‌گردد. ارتعاش باقیمانده اندازه‌گیری می‌شود.

.11

۵.۴ مرحله ۴: تأیید و گزارش‌دهی

پس از تعادل، ارتعاش به ۱.۲ میلی‌متر بر ثانیه کاهش می‌یابد.
بررسی کنید: ۱.۲ میلی‌متر بر ثانیه کمتر از ۱.۴ میلی‌متر بر ثانیه است. دستگاه اکنون در ناحیه A قرار دارد.

مستندات: تکنسین جلسه را در Balanset-1A ذخیره می‌کند. گزارشی ایجاد می‌شود که طیف “قبل” (6.5 میلی‌متر بر ثانیه) و طیف “بعد” (1.2 میلی‌متر بر ثانیه) را نشان می‌دهد و صراحتاً به محدودیت‌های ISO 20816-3 اشاره دارد. این گزارش به عنوان گواهی انطباق عمل می‌کند.

بخش ششم: ملاحظات تخصصی

۶.۱ ماشین‌آلات کم‌سرعت

استاندارد ISO 20816-3 نکات ویژه‌ای برای ماشین‌هایی که با سرعت کمتر از ۶۰۰ دور در دقیقه کار می‌کنند، دارد. در سرعت‌های پایین، سیگنال‌های سرعت ضعیف می‌شوند و جابجایی به شاخص غالب تنش تبدیل می‌شود. Balanset-1A با اجازه دادن به کاربر برای تغییر معیار نمایش به جابجایی (µm) یا با اطمینان از تنظیم قطع فرکانس پایین‌تر روی ۵ هرتز یا کمتر (در حالت ایده‌آل ۲ هرتز) برای ثبت انرژی اولیه، این مشکل را برطرف می‌کند. “نکات احتیاطی” در پیوست D استاندارد، در مورد تکیه صرف بر سرعت در سرعت‌های پایین هشدار می‌دهد. ۲۳، نکته‌ای که کاربر Balanset-1A باید با بررسی تنظیمات “خطی” یا فیلترهای فرکانس پایین از آن آگاه باشد.

۶.۲ شرایط گذرا: بالاروی و پایینروی

لرزش در هنگام راه‌اندازی (عملیات گذرا) می‌تواند به دلیل عبور از سرعت‌های بحرانی (رزونانس) از محدودیت‌های حالت پایدار فراتر رود. استاندارد ISO 20816-3 محدودیت‌های بالاتری را در طول این مراحل گذرا مجاز می‌داند.23

دستگاه Balanset-1A شامل یک نمودار آزمایشی “RunDown” است.11 این به تکنسین اجازه می‌دهد تا دامنه ارتعاش را در مقابل RPM در طول coast-down ثبت کند. این داده‌ها برای موارد زیر حیاتی هستند:

• شناسایی سرعت‌های بحرانی (رزونانس).
• تأیید اینکه دستگاه به سرعت کافی از رزونانس عبور می‌کند تا از آسیب جلوگیری شود.
• اطمینان از اینکه ارتعاش “زیاد” واقعاً گذرا است و حالت دائمی ندارد.

۶.۳ پیوست الف در مقابل پیوست ب: ارزیابی دوگانه

یک بررسی کامل انطباق اغلب به هر دو نیاز دارد.

• پیوست الف (مسکن): انتقال نیرو به سازه را اندازه‌گیری می‌کند. برای عدم تعادل و لقی مناسب است.
• پیوست ب (شفت): دینامیک روتور را اندازه‌گیری می‌کند. برای تشخیص ناپایداری‌ها، چرخش روغن و سایش مناسب است.

یک تکنسین که از Balanset-1A استفاده می‌کند، ممکن است از شتاب‌سنج‌ها برای برآورده کردن الزامات پیوست A استفاده کند، سپس ورودی‌ها را به پروب‌های موجود Bently Nevada تغییر دهد تا انطباق پیوست B را در یک توربین بزرگ تأیید کند. توانایی Balanset-1A در خدمت به عنوان "نظر دوم" یا "تأییدکننده میدانی" برای مانیتورهای دائمی مبتنی بر رک، یک کاربرد کلیدی در برآورده کردن هر دو پیوست است.

Conclusion

گذار به استاندارد ISO 20816-3 نشان‌دهنده بلوغ در حوزه تحلیل ارتعاشات است که رویکردی دقیق‌تر و مبتنی بر فیزیک را برای ارزیابی ماشین می‌طلبد. این استاندارد فراتر از اعداد ساده “قبول/رد” به قلمرو تحلیل سختی تکیه‌گاه، بردارهای تغییر و اندازه‌گیری‌های دو دامنه‌ای (محفظه/شفت) گام برمی‌دارد.

سیستم Balanset-1A درجه بالایی از هماهنگی با این الزامات مدرن را نشان می‌دهد. مشخصات فنی آن - محدوده فرکانس، دقت و انعطاف‌پذیری حسگر - آن را به یک پلتفرم سخت‌افزاری توانمند تبدیل می‌کند. با این حال، ارزش واقعی آن در گردش کار نرم‌افزاری آن نهفته است که کاربر را از طریق منطق پیچیده استاندارد راهنمایی می‌کند: از اصلاح ارتعاشات پس‌زمینه و طبقه‌بندی منطقه گرفته تا دقت ریاضی متعادل‌سازی ضریب نفوذ. Balanset-1A با ترکیب مؤثر قابلیت‌های تشخیصی یک تحلیلگر طیف با قدرت اصلاحی یک متعادل‌کننده پویا، تیم‌های تعمیر و نگهداری را قادر می‌سازد تا نه تنها عدم انطباق با ISO 20816-3 را شناسایی کنند، بلکه به طور فعال آن را اصلاح کنند و طول عمر و قابلیت اطمینان پایه دارایی‌های صنعتی را تضمین کنند.