ISO 20816-3 -standardin kattava analyysi: mittaus, arviointi ja instrumentaalinen toteutus Balanset-1A-järjestelmän avulla

Tiivistelmä

Teollisuuden alalla on tapahtunut merkittävä paradigman muutos koneiden kunnonvalvonnan standardoinnissa. ISO 20816-3:2022 -standardin käyttöönotto edustaa aiempien menetelmien yhdistämistä ja modernisointia, erityisesti kotelon tärinän (aiemmin ISO 10816-3) ja pyörivän akselin tärinän (aiemmin ISO 7919-3) arvioinnin yhdistämistä yhdeksi yhtenäiseksi kehykseksi. Tämä raportti tarjoaa kattavan analyysin standardista ISO 20816-3, jossa tarkastellaan sen lukuja, normatiivisia liitteitä ja fysikaalisia periaatteita. Lisäksi se sisältää yksityiskohtaisen teknisen arvioinnin Balanset-1A-kannettavasta tärinäanalysaattorista ja tasapainottimesta, joka osoittaa, kuinka tämä erityinen laite helpottaa standardin tiukkojen vaatimusten noudattamista. Yhdistämällä signaalinkäsittelyteorian, koneenrakennuksen periaatteet ja käytännön toimintamenetelmät tämä asiakirja toimii luotettavuuden insinööreille lopullisena oppaana, jotka haluavat sovittaa kunnonvalvontastrategiansa maailmanlaajuisiin parhaisiin käytäntöihin käyttämällä helposti saatavilla olevia, erittäin tarkkoja mittalaitteita.

Osa I: ISO 20816-3 -standardin teoreettinen viitekehys

1.1 Tärinänormien kehitys: ISO 10816- ja ISO 7919 -standardien lähentyminen

Tärinän standardoinnin historiaa leimaa asteittainen siirtyminen hajanaisista, komponenttikohtaisista ohjeista kohti kokonaisvaltaista koneiden arviointia. Historiallisesti teollisuuskoneiden arviointi oli kaksijakoista. ISO 10816 -sarja keskittyi pyörimättömien osien, erityisesti laakeripesien ja jalustojen, mittaamiseen kiihtyvyysantureilla tai nopeusantureilla. Sen sijaan ISO 7919 -sarja käsitteli pyörivien akselien tärinää suhteessa laakereihin, pääasiassa käyttämällä kosketuksettomia pyörrevirta-antureita.

Tämä erottelu johti usein diagnostiseen epäselvyyteen. Koneessa saattoi esiintyä hyväksyttävää kotelon tärinää (ISO 10816 -standardin mukainen vyöhyke A), mutta samalla vaarallista akselin heilahtelua tai epävakautta (ISO 7919 -standardin mukainen vyöhyke C/D), erityisesti tilanteissa, joissa oli raskaita koteloita tai nestekalvolaakereita, joissa tärinän energian siirtymisreitti oli vaimennettu. ISO 20816-3 ratkaisee tämän kaksijakoisuuden korvaamalla sekä ISO 10816-3:2009- että ISO 7919-3:2009-standardit.1 Yhdistämällä nämä näkökulmat uusi standardi tunnustaa, että roottorin dynaamisten voimien tuottama tärinäenergia ilmenee koneen rakenteessa eri tavoin riippuen jäykkyydestä, massasta ja vaimennussuhteista. Tämän seurauksena vaatimustenmukainen arviointi edellyttää nyt kahta näkökulmaa: rakenteen absoluuttisen tärinän arviointia ja, soveltuvin osin, akselin suhteellisen liikkeen arviointia.

Balanset-1A-järjestelmä on työkalu, joka on suunniteltu yhdistämään nämä mittausalueet. Sen arkkitehtuuri, joka tukee sekä kotelon mittauksiin tarkoitettuja pietsosähköisiä kiihtyvyysantureita että lineaaristen siirtymän antureiden jännitesyöttöjä, heijastaa ISO 20816 -sarjan kaksinaista filosofiaa.3 Tämä yhdistelmä yksinkertaistaa teknikon työkalupakkia, sillä yhdellä laitteella voidaan suorittaa yhtenäistetyn standardin edellyttämät kattavat arvioinnit.

1.2 Soveltamisala ja soveltuvuus: Teollisuuskoneiden toimintaympäristön määrittely

ISO 20816-3 -standardin luvussa 1 määritellään tarkasti sen soveltamisala. Standardi ei ole yleispätevä, vaan se on erityisesti kalibroitu teollisuuslaitteille, joiden teho on yli 15 kW ja käyntinopeus 120–30 000 r/min.1 Tämä laaja toiminta-alue kattaa valtaosan kriittisistä laitteista valmistus-, energiantuotanto- ja petrokemian aloilla.

Erityisesti katetut laitteet ovat:

• Höyryturbiinit ja generaattorit: Tämä koskee yksiköitä, joiden teho on enintään 40 MW. Suuremmat yksiköt (yli 40 MW) kuuluvat yleensä standardin ISO 20816-2 piiriin, elleivät ne toimi muilla nopeuksilla kuin synkronisilla verkkojen taajuuksilla (1500, 1800, 3000 tai 3600 r/min).6
• Roottorikompressorit: Sisältää sekä keskipakoiset että aksiaaliset mallit, joita käytetään prosessiteollisuudessa.
• Teolliset kaasuturbiinit: Erityisesti ne, joiden teho on enintään 3 MW. Suuremmat kaasuturbiinit on erotettu standardissa erillisiin osiin niiden ainutlaatuisten lämpö- ja dynaamisten ominaisuuksien vuoksi.1
• Pumput: Sähkömoottoreilla käytettävät keskipakopumput ovat tämän ryhmän keskeinen osa.
• Sähkömoottorit: Kaikentyyppiset moottorit kuuluvat tämän piiriin, edellyttäen että ne on kytketty joustavasti. Jäykästi kytketyt moottorit arvioidaan usein osana käytettävää konetta tai erityisten alakohdan mukaisesti.
• Tuulettimet ja puhaltimet: Kriittinen tekijä LVI- ja teollisuuden prosessien ilmankäsittelyssä.6

Poikkeukset: Yhtä tärkeää on ymmärtää, mitä standardi ei kata. Koneet, joissa on edestakaisin liikkuvia massoja (kuten mäntäkompressorit), tuottavat tärinäprofiileja, joissa vallitsevat iskut ja vaihtelevat vääntömomentit, mikä edellyttää ISO 20816-8 -standardissa määriteltyä erikoistunutta analyysia. Vastaavasti tuuliturbiinit, jotka toimivat erittäin vaihtelevissa aerodynaamisissa kuormituksissa, kuuluvat ISO 10816-21 -standardin piiriin.7 Balanset-1A:n erityiset suunnitteluominaisuudet, kuten sen pyörimisnopeuden mittausalue 150–60 000 rpm 8, ovat täysin standardin 120–30 000 rpm -soveltamisalan mukaiset, mikä takaa, että laite pystyy valvomaan kaikkia sovellettavia koneita.

1.3 Koneiden luokittelujärjestelmät: tukijäykkyyden fysiikka

Aikaisemmista standardeista säilytetty tärkeä innovaatio on koneiden luokittelu tukijäykkyyden perusteella. ISO 20816-3 jakaa koneet ryhmiin paitsi koon, myös dynaamisen käyttäytymisen perusteella.

1.3.1 Ryhmien luokittelu vallan ja koon mukaan

Standardi luokittelee koneet kahteen pääryhmään, jotta niihin voidaan soveltaa asianmukaisia vakavuusrajoja:

• Ryhmä 1: Suuret koneet, joiden nimellisteho on yli 300 kW, tai sähköiset koneet, joiden akselin korkeus on yli 315 mm. Näissä koneissa on tyypillisesti massiiviset roottorit, jotka tuottavat merkittäviä dynaamisia voimia.9
• Ryhmä 2: Keskikokoiset koneet, joiden nimellisteho on 15–300 kW, tai sähköiset koneet, joiden akselikorkeus on 160–315 mm.10

1.3.2 Tukijoustavuus: jäykkä vs. joustava

Ero “jäykkien” ja “joustavien” tukien välillä on fysiikan kysymys, ei pelkästään rakennusmateriaalin. Tukea pidetään jäykänä tietyssä mittaussuunnassa, jos koneen ja tuen yhdistelmän ensimmäinen ominaisvärähtelytaajuus (resonanssi) on huomattavasti korkeampi kuin pääheräte taajuus (tyypillisesti pyörimisnopeus). Tarkemmin sanottuna ominaisvärähtelytaajuuden tulisi olla vähintään 25% korkeampi kuin käyttönopeus. Sen sijaan joustavien tukien ominaisvärähtelytaajuudet voivat olla lähellä käyttönopeutta tai sen alapuolella, mikä johtaa resonanssin vahvistumiseen tai eristysvaikutuksiin.10

Tämä ero on ratkaiseva, koska joustavat tuet sallivat luonnollisesti suuremmat värähtelyamplitudit samalla sisäisellä herätevoimalla (epätasapaino). Siksi joustavien tukien sallitut tärinärajat ovat yleensä korkeammat kuin jäykkien tukien. Balanset-1A helpottaa tukien ominaisuuksien määrittämistä vaihemittausominaisuuksiensa ansiosta. Suorittamalla kiihdytys- tai hidastustestin (käyttämällä ohjelmiston teknisissä tiedoissa 11 mainittua “RunDown”-kaaviotoimintoa) analyytikko voi tunnistaa resonanssipiikit. Jos huippu esiintyy toiminta-alueella, tuki on dynaamisesti joustava; jos vaste on tasainen ja lineaarinen toimintanopeuteen asti, tuki on jäykkä. Tämän diagnoositoiminnon avulla käyttäjä voi valita oikean arviointitaulukon standardista ISO 20816-3, mikä estää vääriä hälytyksiä tai huomaamatta jääneitä vikoja.

Osa II: Mittausmenetelmät ja fysiikka

ISO 20816-3 -standardin luku 4 sisältää tiukat menettelyvaatimukset tietojen hankkimiselle. Arvioinnin pätevyys riippuu täysin mittauksen tarkkuudesta.

2.1 Instrumentaatiotiede: Anturin valinta ja vaste

Standardi edellyttää sellaisten mittalaitteiden käyttöä, jotka pystyvät mittaamaan laajakaistaisen juurikeskiarvon (r.m.s.) värähtelynopeuden. Taajuusvasteen on oltava tasainen vähintään 10 Hz:n ja 1 000 Hz:n välillä yleiskäyttöisissä koneissa.12 Hitaammin pyörivissä koneissa (alle 600 r/min) taajuusvasteen alarajan on ulotuttava 2 Hz:iin asti, jotta peruspyörimisnopeuden komponentit voidaan mitata.

Balanset-1A:n tekninen vaatimustenmukaisuus:
Balanset-1A-värähtelyanalysaattori on suunniteltu näitä erityisvaatimuksia silmällä pitäen. Sen teknisissä tiedoissa mainitaan värähtelytaajuusalueeksi 5 Hz – 550 Hz normaalikäytössä, ja mittausominaisuuksia on mahdollista laajentaa.8 Alaraja 5 Hz on kriittinen, sillä se varmistaa vaatimustenmukaisuuden koneille, joiden kierrosnopeus on vain 300 rpm, mikä kattaa suurimman osan teollisista sovelluksista. Yläraja 550 Hz kattaa kriittiset harmoniset yliaallot (1x, 2x, 3x jne.) ja siipien ohitustaajuudet useimmille tavanomaisille pumpuille ja puhaltimille. Lisäksi laitteen tarkkuus on luokiteltu 5%:ksi täyden asteikon mukaan, mikä täyttää ISO 2954 -standardin (Värähtelyn voimakkuuden mittauslaitteiden vaatimukset) metrologiset vaatimukset.8

Standardi erottaa kaksi pääasiallista mittaustyyppiä, joita molemmat Balanset-1A-ekosysteemi tukee:

• Seismiset anturit (kiihtyvyysanturit): Nämä mittaavat absoluuttista asunnon tärinää. Ne ovat herkkiä voiman siirrolle laakerijalan kautta. Balanset-1A-sarja sisältää kaksi yksiaxisista kiihtyvyysanturia (tyypillisesti ADXL-sarjan tekniikka tai pietsosähköinen) magneettikiinnityksellä.14
• Kosketuksettomat anturit (lähestymisanturit): Nämä mittaavat akselin suhteellista siirtymää. Ne ovat välttämättömiä nestekalvokantaisissa koneissa, joissa akseli liikkuu välyksen sisällä.

2.2 Syvällinen tarkastelu: Suhteellinen akselin tärinä ja anturien integrointi

ISO 20816-3 -standardi keskittyy pääasiassa kotelon tärinään, mutta liite B käsittelee nimenomaisesti akselin suhteellista tärinää. Tämä edellyttää pyörrevirta-anturien (lähestymisanturien) käyttöä. Nämä anturit toimivat tuottamalla radiofrekvenssikentän (RF), joka indusoi pyörrevirtoja johtavaan akselin pintaan. Anturikäämin impedanssi muuttuu etäisyyden mukaan ja tuottaa siirtymään suhteellisen jännitteen.15

Eddy Current Probes -anturien integrointi Balanset-1A:han:
Balanset-1A:n ainutlaatuinen ominaisuus on sen mukautuvuus näihin antureihin. Laite toimitetaan pääasiassa kiihtyvyysantureilla, mutta sen tulot voidaan konfiguroida “Lineaarinen” -tilaan, jotta ne hyväksyvät jännitesignaalit kolmansien osapuolten läheisyysanturien ohjaimista (proximitors).3

• Jännitetulo: Useimmat teolliset lähestymisanturit tuottavat negatiivisen tasajännitteen (esim. -24 V:n syöttö, 200 mV/mil-asteikko). Balanset-1A-laitteessa käyttäjät voivat syöttää mukautettuja herkkyyskertoimia (esim. mV/µm) Asetukset-ikkunassa (F4-näppäin).3
• DC-offsetin poisto: Lähestymisanturit kuljettavat suurta DC-jänniteeroa (bias) ja pienen AC-värähtelysignaalin sen päällä. Balanset-1A-ohjelmisto sisältää “Remove DC” -toiminnon, joka suodattaa jänniteeron pois ja eristää dynaamisen värähtelysignaalin analysoitavaksi ISO 20816-3 -rajojen mukaisesti.3
• Lineaarisuus ja kalibrointi: Ohjelmiston avulla käyttäjä voi määrittää kalibrointikertoimet (esim. Kprl1 = 0,94 mV/µm), jotka varmistavat, että kannettavan tietokoneen näytöllä näkyvä lukema vastaa tarkasti akselin fyysistä siirtymää.3 Tämä ominaisuus on välttämätön, kun sovelletaan liitteen B kriteerejä, jotka on määritelty siirtymän mikrometreinä eikä millimetreinä sekunnissa.

2.3 Asennuksen fysiikka: tietojen luotettavuuden varmistaminen

ISO 20816-3 -standardissa korostetaan, että anturin kiinnitystapa ei saa heikentää mittauksen tarkkuutta. Kiinnitetyn anturin resonanssitaajuuden on oltava huomattavasti korkeampi kuin mitattava taajuusalue.

• Kiinnitys: Kultaisen standardin mukainen, tarjoaa korkeimman taajuusvasteen (jopa 10 kHz+).
• Magneettinen kiinnitys: Käytännöllinen kompromissi kannettavaan tiedonkeruuseen.

Balanset-1A käyttää magneettista kiinnitysjärjestelmää, jonka pitovoima on 60 kgf (kilogramman voima).17 Tämä suuri kiinnitysvoima on erittäin tärkeä. Heikko magneetti aiheuttaa “pomppivaa” vaikutusta tai mekaanisen alipäästösuotimen, joka vaimentaa voimakkaasti korkeataajuisia signaaleja. 60 kgf:n kiinnitysvahvuudella kontaktin jäykkyys riittää työntämään kiinnitetyn resonanssin selvästi yli ISO 20816-3 -standardin mukaisen 1000 Hz:n alueen, mikä varmistaa, että kerätyt tiedot edustavat koneen todellista käyttäytymistä eivätkä kiinnitysmenetelmän aiheuttamaa artefaktia.12

2.4 Signaalinkäsittely: RMS vs. huippu

Standardi määrittelee juurikeskiarvon (RMS) nopeuden käytön pyörimättömille osille. RMS-arvo on mitta värähtelysignaalin sisältämästä kokonaisenergiasta ja se liittyy suoraan koneen komponentteihin kohdistuvaan väsymisjännitykseen.

RMS:n yhtälö:

V_rms = √((1/T) ∫₀^T v²(t) dt)

Akselin tärinän (liite B) osalta standardissa käytetään huippuarvon ja huippuarvon välistä siirtymää (S_sivua), joka edustaa akselin kokonaisliikettä laakerin välyksessä.

S_sivua = S_max − S_min

Balanset-1A-käsittely:
Balanset-1A suorittaa nämä matemaattiset muunnokset sisäisesti. ADC (analogia-digitaalimuunnin) ottaa näytteitä raakasignaalista, ja ohjelmisto laskee RMS-nopeuden kotelon mittauksia varten ja huippu-huippu-siirtymän akselin mittauksia varten. Tärkeää on, että se laskee laajakaistaisen arvon (Overall), joka summaa energian koko taajuusspektrissä (esim. 10–1000 Hz). Tämä “kokonaisarvo” on ensisijainen luku, jota käytetään koneen luokittelemiseen vyöhykkeisiin A, B, C tai D. Lisäksi laite tarjoaa FFT-ominaisuudet (Fast Fourier Transform), joiden avulla analyytikko voi nähdä yksittäiset taajuuskomponentit (1x, 2x, harmoniset), jotka muodostavat kokonais-RMS-arvon, mikä auttaa tärinän lähteen diagnosoinnissa.8

2.5 Taustavärinä: signaalin ja kohinan välinen haaste

ISO 20816-3 -standardin kriittinen, usein huomiotta jäävä näkökohta on taustavärinän käsittely – värinä, joka siirtyy koneeseen ulkoisista lähteistä (esim. viereisistä koneista, lattian värinästä), kun kone on pysähdyksissä.

Sääntö: Jos taustavärinä ylittää 25% koneen käydessä mitatusta värinästä tai 25% vyöhykkeiden B ja C välisestä rajasta, tarvitaan vakavia korjauksia, tai mittaus voidaan katsoa pätemättömäksi.18 Aikaisemmissa standardiversioissa viitattiin usein “kolmasosan” sääntöön, mutta ISO 20816-3 tiukentaa tätä logiikkaa.

Menettelyn toteuttaminen Balanset-1A:n avulla:

1. Teknikko asentaa Balanset-1A-anturit koneeseen sen ollessa pysähdyksissä.
2. Vibrometer-tilassa (F5-näppäin) tallennetaan taustan RMS-taso.13
3. Kone käynnistetään ja viedään kuormalle. Käyttöarvo RMS kirjataan muistiin.
4. Vertailu tehdään. Jos toimintataso on 4,0 mm/s ja tausta oli 1,5 mm/s (37,5%), tausta on liian korkea. Balanset-1A:n kyky suorittaa spektrin vähennyslaskenta (taustan spektrin tarkastelu verrattuna käynnissä olevaan koneeseen) auttaa tunnistamaan, onko tausta tietyllä taajuudella (esim. 50 Hz läheisestä kompressorista), jonka analysoija voi sivuuttaa tai suodattaa pois mielessään.

Osa III: Arviointikriteerit – standardin ydin

Luku 6 muodostaa ISO 20816-3 -standardin ytimen ja sisältää koneiden hyväksyttävyyttä koskevan päätöksentekologiikan.

3.1 Kriteeri I: Tärinän voimakkuus ja vyöhykejako

Standardi arvioi tärinän vakavuuden laakeripesissä havaittujen suurimpien voimakkuuksien perusteella. Päätöksenteon helpottamiseksi siinä määritellään neljä arviointivyöhykettä:

• Vyöhyke A: Uusien koneiden tärinä. Tämä on “kultainen standardi”. Tähän luokkaan kuuluva kone on mekaanisesti moitteettomassa kunnossa.
• Vyöhyke B: Koneet, joita pidetään hyväksyttävinä rajoittamattomaan pitkäaikaiseen käyttöön. Tämä on tyypillinen “vihreä” toiminta-alue.
• Vyöhyke C: Koneet, joita ei pidetä tyydyttävinä pitkäaikaiseen jatkuvaan käyttöön. Yleensä konetta voidaan käyttää rajoitetun ajan, kunnes sopiva tilaisuus korjaaviin toimenpiteisiin (huolto) ilmenee. Tämä on “keltainen” tai “hälytystila”.
• Vyöhyke D: Tämän alueen tärinäarvoja pidetään yleensä riittävän vakavina aiheuttamaan vahinkoa koneelle. Tämä on “punainen” tai “laukaisu” -tila.5

Taulukko 1: Yksinkertaistetut ISO 20816-3 -alueen rajat (nopeuden RMS, mm/s) ryhmille 1 ja 2

Koneryhmä	Perustuksen tyyppi	Alue A/B:n raja	Alue B/C:n raja	Alue C/D:n raja
Ryhmä 1 (>300 kW)	Jäykkä	2.3	4.5	7.1
	Joustava	3.5	7.1	11.0
Ryhmä 2 (15–300 kW)	Jäykkä	1.4	2.8	4.5
	Joustava	2.3	4.5	7.1

Huomautus: Nämä arvot on johdettu standardin liitteestä A, ja ne ovat yleisiä ohjeita. Tietyillä konetyypeillä voi olla erilaiset rajat.

Balanset-1A:n käyttöönotto:
Balanset-1A-ohjelmisto ei vain näytä lukua, vaan auttaa käyttäjää kontekstuaalisesti. Käyttäjän on valittava luokka, mutta ohjelmiston “Raportit”-toiminto mahdollistaa näiden arvojen dokumentoinnin standardin suhteen. Kun teknikko mittaa 5,0 mm/s:n tärinän 50 kW:n pumpussa (ryhmä 2) jäykällä perustalla, Balanset-1A:n lukema ylittää selvästi vyöhykkeen C/D rajan (4,5 mm/s), mikä osoittaa välittömän tarpeen sammuttaa laite ja korjata se.

3.2 Kriteeri II: Värähtelyn voimakkuuden muutos

Ehkä merkittävin edistysaskel 20816-sarjassa on muodollinen painotus tärinän muutokselle, riippumatta absoluuttisista rajoista.

25%-sääntö: ISO 20816-3 -standardissa todetaan, että tärinän voimakkuuden muutos, joka on suurempi kuin 25% vyöhykkeen B/C rajalla (tai 25% edellisestä vakaasta arvosta), on katsottava merkittäväksi, vaikka absoluuttinen arvo pysyisikin vyöhykkeen A tai B rajoissa.20

Vaikutukset:
Tarkastellaan tuuletinta, joka toimii tasaisesti nopeudella 2,0 mm/s (vyöhyke B). Jos tärinä nousee yhtäkkiä 2,8 mm/s:iin, se on teknisesti edelleen vyöhykkeellä B (joissakin luokissa) tai juuri siirtymässä vyöhykkeelle C. Tämä on kuitenkin 40%:n nousu. Tällainen äkillinen muutos viittaa usein tiettyyn vikatyyppiin: roottorin komponentin halkeama, tasapainopainon siirtyminen tai lämpöhankauma. Tämän sivuuttaminen sillä perusteella, että “se on edelleen vihreällä alueella”, on resepti katastrofaaliselle vikalle.

Balanset-1A-trendianalyysi:
Balanset-1A tukee tätä kriteeriä “Session Recovery” -toiminnollaan ja arkistointitoiminnoillaan.21 Tallentamalla mittaussessiot luotettavuusinsinööri voi verrata nykyisiä tietoja aiempiin vertailuarvoihin. Jos “Overall Vibration” -kaavio osoittaa askelmuutoksen, insinööri soveltaa kriteeriä II. “Restore Last Session” -ominaisuus on tässä erityisen hyödyllinen, sillä sen avulla käyttäjä voi palauttaa edellisen kuukauden tarkan koneen tilan ja tarkistaa, onko 25%-kynnysarvo ylitetty.

3.3 Käyttörajoitukset: Hälytysten ja katkaisujen asettaminen

Standardi tarjoaa ohjeita automaattisten suojausjärjestelmien asettamiseen:

• HÄLYTYS: Antaa varoituksen, kun määritelty tärinän arvo on saavutettu tai merkittävä muutos on tapahtunut. Suositeltu asetus on yleensä perusarvo + 25% vyöhykkeen B/C rajalla.
• MATKA: Välittömän toiminnan käynnistäminen (sammutus). Tämä asetetaan tyypillisesti vyöhykkeen C/D rajalle tai hieman sen yläpuolelle, riippuen koneen mekaanisesta eheydestä.19

Balanset-1A on kannettava laite eikä pysyvä suojausjärjestelmä (kuten Bently Nevada -teline), mutta sitä käytetään näiden laukaisutasojen tarkistamiseen ja kalibrointiin. Teknikot käyttävät Balanset-1A:ta mittaamaan tärinää hallitun kiihdytyksen tai indusoidun epätasapainotestin aikana varmistaakseen, että pysyvä valvontajärjestelmä laukeaa ISO 20816-3 -standardin mukaisilla oikeilla fyysisillä tärinätasoilla.

Osa IV: Balanset-1A-järjestelmä – tekninen syventävä katsaus

Jotta voidaan ymmärtää, miten Balanset-1A toimii vaatimustenmukaisuuden varmistamisen välineenä, on analysoitava sen teknistä arkkitehtuuria.

4.1 Laitteistoarkkitehtuuri

Balanset-1A koostuu keskitetystä USB-liitäntämoduulista, joka käsittelee antureiden analogisia signaaleja ennen digitoitujen tietojen lähettämistä isäntäkannettavalle tietokoneelle.

• ADC-moduuli: Järjestelmän ydin on korkean resoluution analogia-digitaalimuunnin. Tämä moduuli määrää mittauksen tarkkuuden. Balanset-1A käsittelee signaaleja ±5%:n tarkkuudella, mikä riittää kenttädiagnostiikkaan.8
• Vaiheviite (kierroslukumittari): ISO 20816-3 -standardin noudattaminen edellyttää usein vaiheanalyysiä epätasapainon ja vinoutuman erottamiseksi toisistaan. Balanset-1A käyttää laser-kierroslukumittaria, jonka kantama on jopa 1,5 metriä ja kierrosnopeus 60 000 kierrosta minuutissa.17 Tämä optinen anturi käynnistää vaihekulman laskennan, jonka tarkkuus on ±1 aste.
• Teho ja kannettavuus: Laite saa virran USB-liitännän kautta (5 V), joten se on luonnostaan suojattu maasilmukoilta, jotka ovat usein ongelmana verkkovirralla toimivissa analysaattoreissa. Koko paketti painaa noin 4 kg, joten se on todellinen “kenttälaite”, joka sopii käytettäväksi esimerkiksi nosturilla tuulettimiin pääsemiseksi.8

4.2 Ohjelmiston ominaisuudet: Enemmän kuin pelkkä mittaus

Balanset-1A:n mukana toimitettu ohjelmisto muuntaa raakadatan ISO-standardien mukaiseksi käyttökelpoiseksi tiedoksi.

• FFT-spektrianalyysi: Standardissa mainitaan “tietyt taajuuskomponentit”. Balanset-1A näyttää nopean Fourier-muunnoksen, joka jakaa monimutkaisen aaltomuodon sen muodostaviin siniaaltoihin. Näin käyttäjä voi nähdä, johtuuko korkea RMS-arvo 1x:stä (epätasapainosta), 100x:stä (hammaspyörästön hampaista) vai ei-synkronisista piikeistä (laakerivioista).21
• Polaarigraafit: Tasapainottamista ja vektori-analyysiä varten ohjelmisto piirtää värähtelyvektorit polaarikuvioon. Tämä visualisointi on erittäin tärkeää, kun tasapainottamiseen sovelletaan vaikutuskerroinmenetelmiä.
• ISO 1940 toleranssilaskuri: ISO 20816-3 -standardi käsittelee tärinän raja-arvoja, kun taas ISO 1940 -standardi käsittelee tasapainon laatua (G-luokat). Balanset-1A-ohjelmistossa on laskin, johon käyttäjä syöttää roottorin massan ja nopeuden, ja järjestelmä laskee sallitun jäännösepätasapainon grammoina ja millimetreinä. Tämä siltaa kuilun “värähtely on liian voimakasta” (ISO 20816) ja “tässä on poistettava paino” (ISO 1940) välillä.11

4.3 Anturin yhteensopivuus ja tulon konfigurointi

Kuten katkelmatutkimuksessa todettiin, kyky olla yhteydessä erilaisiin anturityyppeihin on avainasemassa.

• Kiihtyvyysanturit: Oletusanturit. Järjestelmä integroi kiihtyvyyssignaalin (g) nopeuteen (mm/s) tai integroi sen kahdesti siirtymään (µm) valitun näkymän mukaan. Integrointi tapahtuu digitaalisesti, jotta kohinan vaihtelu on mahdollisimman vähäistä.
• Pyörrevirta-anturit: Järjestelmä hyväksyy 0–10 V:n tai vastaavat analogiset tulot. Käyttäjän on määritettävä muunnoskerroin asetuksissa. Esimerkiksi tavallisella Bently Nevada -anturilla voi olla mittakaavakerroin 200 mV/mil (7,87 V/mm). Käyttäjä syöttää tämän herkkyyden, ja Balanset-1A-ohjelmisto skaalaa tulevan jännitteen näyttämään siirtymän mikroneina, mikä mahdollistaa suoran vertailun ISO 20816-3.3 -standardin liitteeseen B.

Osa V: Operatiivinen toteutus: diagnostiikasta dynaamiseen tasapainottamiseen

Tässä osiossa kuvataan standardimenettely (SOP) teknikolle, joka käyttää Balanset-1A-laitetta ISO 20816-3 -standardin vaatimusten noudattamisen varmistamiseksi.

5.1 Vaihe 1: Perusmittaus ja luokittelu

Teknikko lähestyy 45 kW:n keskipakopuhallinta.

• Luokitus: Teho > 15 kW, < 300 kW. Se kuuluu ryhmään 2. Perusta on kiinnitetty betoniin pulteilla (jäykkä).
• Rajan määrittäminen: ISO 20816-3 -standardin liitteessä A (ryhmä 2, jäykkä) vyöhykkeen B/C raja on 2,8 mm/s.
• Mittaus: Anturit asennetaan magneettisilla alustoilla. Balanset-1A:n “vibrometri”-tila on käytössä.
• Tulos: Lukema on 6,5 mm/s. Tämä on vyöhyke C/D. Toimenpiteet ovat tarpeen.

5.2 Vaihe 2: Diagnostiikka-analyysi

Balanset-1A FFT-toiminnon käyttö:

• Spektri osoittaa hallitsevan piikin käyntinopeudella (1x RPM).
• Vaiheanalyysi osoittaa vakaata vaihekulmaa.
• Diagnoosi: Staattinen epätasapaino. (Jos vaihe oli epävakaa tai korkeita harmonisia oli läsnä, epäiltiin kohdistuksen virhettä tai löysyyttä).

5.3 Vaihe 3: Tasapainotusmenettely (paikan päällä)

Koska diagnoosi on epätasapaino, teknikko käyttää Balanset-1A:n tasapainotustilaa. Standardi edellyttää tärinän vähentämistä vyöhykkeen A tai B tasolle.

5.3.1 Kolmen suorituksen menetelmä (vaikutuskertoimet)

Balanset-1A automatisoi tasapainottamiseen tarvittavan vektori-matematiikan.

• Suorita 0 (alkuperäinen): Mittaa amplitudi A₀ ja vaihe φ₀ alkuperäisestä värähtelystä.
• Juoksu 1 (kokeilupaino): Tunnettu massa M_{oikeudenkäynti} lisätään mielivaltaisessa kulmassa. Järjestelmä mittaa uuden värähtelyvektorin (A₁, φ₁).

Laskeminen: Ohjelmisto laskee vaikutuskertoimen α, joka edustaa roottorin herkkyyttä massan muutoksille.

α = (V₁ − V₀) / M_{oikeudenkäynti}

Korjaus: Järjestelmä laskee tarvittavan korjausmassan M_korjaus alkuperäisen värinän kumoamiseksi.

M_korjaus = − V₀ / α

Ajo 2 (todentaminen): Koe-paino poistetaan ja laskettu korjauspaino lisätään. Jäljelle jäävä tärinä mitataan.

.11

5.4 Vaihe 4: Todentaminen ja raportointi

Tasapainottamisen jälkeen tärinä laskee 1,2 mm/s:iin.
Tarkista: 1,2 mm/s on < 1,4 mm/s. Kone on nyt vyöhykkeellä A.

Dokumentaatio: Teknikko tallentaa istunnon Balanset-1A-laitteeseen. Laite luo raportin, jossa esitetään “ennen” -spektri (6,5 mm/s) ja “jälkeen” -spektri (1,2 mm/s) ja viitataan nimenomaisesti ISO 20816-3 -standardin rajoihin. Tämä raportti toimii vaatimustenmukaisuustodistuksena.

Osa VI: Erityiset näkökohdat

6.1 Hidaskierroksiset koneet

ISO 20816-3 -standardissa on erityisiä huomautuksia koneille, joiden kierrosnopeus on alle 600 rpm. Pienillä nopeuksilla nopeussignaalit heikkenevät, ja siirtymä tulee tärkeimmäksi rasituksen indikaattoriksi. Balanset-1A käsittelee tämän antamalla käyttäjän vaihtaa näytön mittayksikön siirtymään (µm) tai varmistamalla, että alempi taajuuden rajaus on asetettu 5 Hz:iin tai alle (ihannetapauksessa 2 Hz) ensisijaisen energian mittaamiseksi. Standardin liitteessä D olevissa “Varoitusmerkinnöissä” varoitetaan luottamasta pelkästään nopeuteen alhaisilla nopeuksilla 23, mikä on seikka, jonka Balanset-1A-käyttäjän on otettava huomioon tarkistamalla “Lineaariset” asetukset tai matalataajuiset suodattimet.

6.2 Väliaikaiset olosuhteet: Käynnistys ja hidastuvuus

Käynnistyksen aikana (väliaikainen toiminta) tärinä voi ylittää vakaiden olosuhteiden raja-arvot kriittisten nopeuksien (resonanssin) läpäisyn vuoksi. ISO 20816-3 sallii korkeammat raja-arvot näiden väliaikaisten vaiheiden aikana.23

Balanset-1A sisältää kokeellisen “RunDown”-kaavio-ominaisuuden.11 Sen avulla teknikko voi tallentaa tärinän amplitudin suhteessa kierroslukuun hidastuksen aikana. Nämä tiedot ovat tärkeitä seuraavien seikkojen kannalta:

• Kriittisten nopeuksien tunnistaminen (resonanssi).
• Varmistetaan, että kone läpäisee resonanssin riittävän nopeasti vahinkojen välttämiseksi.
• Varmistetaan, että “korkea” värähtely on todellakin ohimenevää eikä pysyvää.

6.3 Liite A vs. liite B: Kaksinkertainen arviointi

Perusteellinen vaatimustenmukaisuuden tarkastus vaatii usein molempia.

• Liite A (Asuminen): Toimenpiteet siirtävät voiman rakenteeseen. Hyvä epätasapainon ja löysyyden korjaamiseen.
• Liite B (akseli): Mittaa roottorin dynamiikkaa. Sopii epävakauden, öljyn pyörteen ja pyyhkäisyn havaitsemiseen.

Balanset-1A-laitetta käyttävä teknikko voi käyttää kiihtyvyysantureita liitteen A vaatimusten täyttämiseksi ja vaihtaa sitten tulot olemassa oleviin Bently Nevada -antureihin liitteen B vaatimusten täyttämisen varmistamiseksi suuressa turbiinissa. Balanset-1A:n kyky toimia “toisena mielipiteenä” tai “kenttätarkastajana” pysyville telinepohjaisille monitoreille on keskeinen sovellus molempien liitteiden vaatimusten täyttämisessä.

Päätelmä

Siirtyminen standardiin ISO 20816-3 merkitsee tärinäanalyysin alan kypsymistä, mikä vaatii koneiden arvioinnissa entistä tarkempaa, fysiikkaan perustuvaa lähestymistapaa. Se menee yksinkertaisia “hyväksytty/hylätty” -lukuja pidemmälle ja siirtyy tukijäykkyyden, muutosvektoreiden ja kahden alueen (kotelo/akseli) mittausten analysoinnin alueelle.

Balanset-1A-järjestelmä täyttää nämä modernit vaatimukset erinomaisesti. Sen tekniset ominaisuudet – taajuusalue, tarkkuus ja anturien joustavuus – tekevät siitä tehokkaan laitteistoalustan. Sen todellinen arvo piilee kuitenkin sen ohjelmistotyönkulussa, joka opastaa käyttäjää standardin monimutkaisen logiikan läpi: taustavärinän korjauksesta ja vyöhykkeiden luokittelusta vaikutuskertoimen tasapainottamisen matemaattiseen tarkkuuteen. Yhdistämällä tehokkaasti spektrianalysaattorin diagnoosikyvyn ja dynaamisen tasapainottimen korjauskyvyn, Balanset-1A antaa huoltotiimeille mahdollisuuden paitsi tunnistaa ISO 20816-3 -standardin vastaiset tilanteet myös korjata ne aktiivisesti, mikä takaa teollisuuden laitteiden pitkäikäisyyden ja luotettavuuden.