ניתוח מקיף של תקן ISO 20816-3: מדידה, הערכה ויישום מכשירני באמצעות מערכת Balanset-1A

סיכום מנהלים

תחום התעשייה עבר שינוי פרדיגמטי משמעותי בתקינה של ניטור תקינות מכונות. כניסתו לתוקף של תקן ISO 20816-3:2022 מייצגת איחוד ומודרניזציה של מתודולוגיות קודמות, ובפרט מיזוג הערכת רעידות מבנה (לשעבר ISO 10816-3) ורעידות פיר מסתובב (לשעבר ISO 7919-3) למסגרת אחת, מלוכדת. דוח זה מספק ניתוח מקיף של תקן ISO 20816-3, תוך ניתוח פרקיו, נספחיו הנורמטיביים ועקרונותיו הפיזיקליים. בנוסף, הוא משלב הערכה טכנית מפורטת של מנתח הרטט והמאזן הנייד Balanset-1A, ומדגים כיצד מכשיר ספציפי זה מקל על עמידה בדרישות המחמירות של התקן. באמצעות סינתזה של תיאוריית עיבוד אותות, עקרונות הנדסת מכונות ונהלי תפעול מעשיים, מסמך זה משמש כמדריך סופי למהנדסי אמינות המבקשים להתאים את אסטרטגיות ניטור המצב שלהם לנהלים המומלצים העולמיים באמצעות מכשור נגיש ומדויק.

חלק I: המסגרת התיאורטית של תקן ISO 20816-3

1.1 התפתחות תקני הרטט: ההתכנסות בין ISO 10816 ו-ISO 7919

ההיסטוריה של תקינת הרטט מאופיינת במעבר הדרגתי מהנחיות מקוטעות, ספציפיות לרכיבים, לעבר הערכה הוליסטית של מכונות. מבחינה היסטורית, הערכת מכונות תעשייתיות הייתה מפוצלת. סדרת ISO 10816 התמקדה במדידת חלקים שאינם מסתובבים – באופן ספציפי, בתי מיסב ובסיסים – באמצעות מד תאוצה או מתמרים של מהירות. לעומת זאת, סדרת ISO 7919 התייחסה לרטט של פירים מסתובבים ביחס למיסבים שלהם, תוך שימוש בעיקר בחיישני זרם סוער ללא מגע.

הפרדה זו הובילה לעיתים קרובות לאי-בהירות באבחון. מכונה עשויה להפגין רטט מקובל במארז (אזור A על פי ISO 10816) ובמקביל לסבול מחריגה מסוכנת של הפיר או מחוסר יציבות (אזור C/D על פי ISO 7919), במיוחד בתרחישים הכוללים מארזים כבדים או מיסבים עם סרט נוזלי, שבהם נחלשת העברת אנרגיית הרטט. תקן ISO 20816-3 פותר את הדיכוטומיה הזו על ידי החלפת תקני ISO 10816-3:2009 ו-ISO 7919-3:2009.1 על ידי שילוב נקודות המבט הללו, התקן החדש מכיר בכך שאנרגיית הרטט הנוצרת על ידי כוחות דינמיים של הרוטור מתבטאת באופן שונה במבנה המכונה, בהתאם לקשיחות, למסה וליחסי הדעיכה. כתוצאה מכך, הערכה תואמת דורשת כעת פרספקטיבה כפולה: הערכת הרטט המוחלט של המבנה ו, במידת הצורך, התנועה היחסית של הפיר.

מערכת Balanset-1A נכנסת לתמונה ככלי שנועד לגשר בין תחומי מדידה אלה. הארכיטקטורה שלה, התומכת הן במאיצי תאוצה פיזואלקטריים למדידות דיור והן בכניסות מתח ישירות לחיישני תזוזה ליניאריים, משקפת את הפילוסופיה הדואלית של סדרת ISO 20816.3 התכנסות זו מפשטת את ערכת הכלים של הטכנאי, ומאפשרת למכשיר בודד לבצע את ההערכות המקיפות הנדרשות כעת על פי התקן המאוחד.

1.2 היקף ויישום: הגדרת תחום המכונות התעשייתיות

פרק 1 של תקן ISO 20816-3 מגדיר בקפדנות את גבולות היישום שלו. התקן אינו תקן כוללני; הוא מותאם במיוחד למכונות תעשייתיות עם הספק של מעל 15 קילוואט ומהירות פעולה שבין 120 סל"ד ל-30,000 סל"ד.1 טווח פעולה רחב זה מכסה את הרוב המכריע של הנכסים הקריטיים בתחומי הייצור, ייצור החשמל והפטרוכימיה.

הציוד המכוסה באופן ספציפי כולל:

• טורבינות קיטור וגנרטורים: יחידות עם תפוקה נמוכה או שווה ל-40 מגה-ואט מכוסות כאן. יחידות גדולות יותר (מעל 40 מגה-ואט) נכללות בדרך כלל בתקן ISO 20816-2, אלא אם הן פועלות במהירויות שאינן תואמות את תדרי הרשת הסינכרוניים (1500, 1800, 3000 או 3600 סל"ד).6
• מדחסים רוטריים: כולל עיצובים צנטריפוגליים וציריים המשמשים בתעשיות תהליכיות.
• טורבינות גז תעשייתיות: בפרט אלה עם תפוקה של 3 מגה-ואט או פחות. טורבינות גז גדולות יותר מופרדות לחלקים נפרדים בתקן בשל המאפיינים התרמיים והדינמיים הייחודיים שלהן.1
• משאבות: משאבות צנטריפוגליות המונעות על ידי מנועים חשמליים הן מרכיב מרכזי בקבוצה זו.
• מנועים חשמליים: מנועים מכל סוג נכללים, בתנאי שהם מחוברים בצורה גמישה. מנועים המחוברים בצורה קשיחה נבדקים לעתים קרובות כחלק ממערכת המכונה המונעת או תחת סעיפים משנה ספציפיים.
• מאווררים ומפוחים: חיוני עבור מערכות מיזוג אוויר ותהליכים תעשייתיים.6

אי הכללות: חשוב לא פחות להבין מה לא נכלל. מכונות עם מסות הדדיות (כמו מדחסים בוכנתיים) מייצרות פרופילי רטט הנשלטים על ידי פגיעות ומומנטים משתנים, הדורשים ניתוח מיוחד המפורט בתקן ISO 20816-8. באופן דומה, טורבינות רוח, הפועלות תחת עומסים אווירודינמיים משתנים מאוד, מכוסות על ידי תקן ISO 10816-21.7 תכונות העיצוב הספציפיות של Balanset-1A, כגון טווח מדידת מהירות הסיבוב של 150 עד 60,000 סל"ד 8, תואמות באופן מושלם את טווח 120–30,000 סל"ד של התקן, ומבטיחות שהמכשיר מסוגל לפקח על כל קשת המכונות הרלוונטיות.

1.3 מערכות סיווג מכונות: הפיזיקה של קשיחות התמיכה

חידוש חשוב שנשמר מהתקנים הקודמים הוא סיווג המכונות על פי קשיחות התמיכה. תקן ISO 20816-3 מחלק את המכונות לקבוצות לא רק לפי גודלן, אלא גם לפי התנהגותן הדינמית.

1.3.1 סיווג קבוצות לפי עוצמה וגודל

התקן מסווג את המכונות לשתי קבוצות עיקריות כדי להחיל מגבלות חומרה מתאימות:

• קבוצה 1: מכונות גדולות עם הספק נומינלי מעל 300 קילוואט, או מכונות חשמליות עם גובה פיר העולה על 315 מ"מ. מכונות אלה מצוידות בדרך כלל ברוטורים מסיביים ומייצרות כוחות דינמיים משמעותיים.9
• קבוצה 2: מכונות בינוניות עם הספק נומינלי בין 15 קילוואט ל-300 קילוואט, או מכונות חשמליות עם גובה פיר בין 160 מ"מ ל-315 מ"מ.10

1.3.2 גמישות התמיכה: קשיחות לעומת גמישות

ההבחנה בין תומכים “קשיחים” ל“גמישים” היא עניין של פיזיקה, ולא רק של חומר הבנייה. תומך נחשב לקשיח בכיוון מדידה ספציפי אם התדר הטבעי הראשון (תהודה) של מערכת התומך-מכונה המשולבת גבוה משמעותית מתדר ההפעלה העיקרי (בדרך כלל מהירות הסיבוב). באופן ספציפי, התדר הטבעי צריך להיות גבוה לפחות ב-25% ממהירות ההפעלה. לעומת זאת, לתומכים גמישים יש תדרים טבעיים שעשויים להיות קרובים למהירות ההפעלה או נמוכים ממנה, מה שמוביל להגברת תהודה או לאפקטים של בידוד.10

הבחנה זו היא קריטית מכיוון שתומכים גמישים מאפשרים באופן טבעי משרעת תנודה גבוהה יותר עבור אותה כמות של כוח עירור פנימי (חוסר איזון). לכן, מגבלות הרטט המותרות עבור תומכים גמישים הן בדרך כלל גבוהות יותר מאשר עבור תומכים קשיחים. ה-Balanset-1A מקל על קביעת מאפייני התומך באמצעות יכולות מדידת הפאזה שלו. על ידי ביצוע בדיקת הרצה או בלימה (באמצעות תכונת התרשים “RunDown” המוזכרת במפרט התוכנה 11), אנליסט יכול לזהות שיאי תהודה. אם שיא מתרחש בטווח ההפעלה, התומך הוא גמיש מבחינה דינמית; אם התגובה שטוחה וליניארית עד למהירות ההפעלה, הוא קשיח. יכולת אבחון זו מאפשרת למשתמש לבחור את טבלת ההערכה הנכונה בתקן ISO 20816-3, ובכך למנוע אזעקות שווא או תקלות שלא זוהו.

חלק ב': מתודולוגיית המדידה ופיזיקה

פרק 4 של תקן ISO 20816-3 מפרט את הדרישות הפרוצדורליות הקפדניות לרכישת נתונים. תוקפו של כל הערכה תלוי כולו במידת הדיוק של המדידה.

2.1 פיזיקה של מכשור: בחירת מתמר ותגובה

התקן מחייב שימוש במכשור המסוגל למדוד מהירות רטט ממוצעת ריבועית (r.m.s.) בפס רחב. תגובת התדר חייבת להיות שטוחה בטווח של לפחות 10 הרץ עד 1,000 הרץ עבור מכונות כלליות.12 עבור מכונות במהירות נמוכה יותר (הפועלות מתחת ל-600 סל"ד), הגבול התחתון של תגובת התדר חייב לרדת עד 2 הרץ כדי ללכוד את רכיבי הסיבוב הבסיסיים.

תאימות טכנית של Balanset-1A:
מנתח הרטט Balanset-1A תוכנן תוך התחשבות בדרישות ספציפיות אלה. המפרט הטכני שלו מציין טווח תדרים של 5 הרץ עד 550 הרץ עבור פעולות סטנדרטיות, עם אפשרויות להרחבת יכולות המדידה.8 הגבול התחתון של 5 הרץ הוא קריטי; הוא מבטיח תאימות למכונות הפועלות במהירות נמוכה של 300 סל"ד, ומכסה את הרוב המכריע של היישומים התעשייתיים. הגבול העליון של 550 הרץ מכסה את ההרמוניות הקריטיות (1x, 2x, 3x וכו') ואת תדרי מעבר הלהבים עבור רוב המשאבות והמאווררים הסטנדרטיים. בנוסף, דיוק המכשיר מדורג ב-5% בסולם מלא, ועומד בדרישות המדויקות של תקן ISO 2954 (דרישות למכשירי מדידת חומרת רטט).8

התקן מבחין בין שני סוגי מדידה עיקריים, שניהם נתמכים על ידי מערכת Balanset-1A:

• מתמרים סיסמיים (מד תאוצה): אלה מודדים את הרטט המוחלט של המבנה. הם רגישים להעברת כוח דרך בסיס המסב. ערכת Balanset-1A כוללת שני מד תאוצה חד-ציריים (בדרך כלל בטכנולוגיית סדרת ADXL או פיזואלקטרית) עם תושבות מגנטיות.14
• מתמרים ללא מגע (חיישני קרבה): אלה מודדים את תזוזת הפיר היחסית. הם חיוניים למכונות עם מיסבים בעלי סרט נוזלי, שבהן הפיר נע בתוך המרווח.

2.2 ניתוח מעמיק: רטט יחסי של הפיר ושילוב חיישנים

בעוד תקן ISO 20816-3 מתמקד בעיקר ברטט המארז, נספח B עוסק במפורש ברטט היחסי של הפיר. הדבר מחייב שימוש בחיישני זרם סחרור (חיישני קרבה). חיישנים אלה פועלים על ידי יצירת שדה תדר רדיו (RF) המשרה זרמי סחרור במשטח המוליך של הפיר. העכבה של סליל החיישן משתנה בהתאם למרחק הפער, וכתוצאה מכך נוצר מתח יציאה פרופורציונלי לתזוזה.15

שילוב בדיקות זרם סחרור עם Balanset-1A:
תכונה ייחודית של Balanset-1A היא יכולת ההסתגלות שלו לחיישנים אלה. המכשיר מסופק בעיקר עם תאוצמרים, אך ניתן להגדיר את הכניסות שלו למצב “ליניארי” כדי לקבל אותות מתח ממנהלי חיישני קרבה (proximitors) של צד שלישי.3

• כניסת מתח: רוב חיישני הקרבה התעשייתיים מפיקים מתח DC שלילי (לדוגמה, אספקה של -24V, סולם 200 mV/mil). ה-Balanset-1A מאפשר למשתמשים להזין מקדמי רגישות מותאמים אישית (לדוגמה, mV/µm) בחלון “הגדרות” (מקש F4).3
• הסרת DC Offset: חיישני קרבה נושאים מתח DC גדול (הטיה) עם אות רטט AC קטן המונח מעליו. תוכנת Balanset-1A כוללת פונקציית “הסרת DC” לסינון מתח ההפרש, בידוד אות הרטט הדינמי לצורך ניתוח בהתאם למגבלות ISO 20816-3.3
• ליניאריות וכיול: התוכנה מאפשרת למשתמש להגדיר גורמי כיול (לדוגמה, Kprl1 = 0.94 mV/µm) כדי להבטיח שהקריאה על מסך המחשב הנייד תתאים בדיוק לתזוזה הפיזית של הפיר.3 יכולת זו היא הכרחית בעת יישום הקריטריונים של נספח B, המפורטים במיקרומטרים של תזוזה ולא במילימטרים לשנייה של מהירות.

2.3 הפיזיקה של ההרכבה: הבטחת אמינות הנתונים

תקן ISO 20816-3 מדגיש כי אופן הרכבת החיישן לא יפגע בדיוק המדידה. תדר התהודה של החיישן המורכב חייב להיות גבוה משמעותית מטווח התדרים הרלוונטי.

• הרכבת תושבת: תקן הזהב, המציע את תגובת התדר הגבוהה ביותר (עד 10 kHz+).
• התקנה מגנטית: פשרה מעשית לאיסוף נתונים נייד.

ה-Balanset-1A משתמש במערכת הרכבה מגנטית עם כוח אחיזה של 60 ק“ג (קילוגרם-כוח).17 כוח הידוק גבוה זה הוא קריטי. מגנט חלש יוצר אפקט ”קפיצי" או מסנן מכני נמוך, המנחית באופן משמעותי את אותות התדר הגבוה. עם 60 ק"ג כוח, קשיחות המגע מספיקה כדי לדחוף את התהודה המותקנת הרבה מעל טווח 1000 הרץ הרלוונטי לתקן ISO 20816-3, ובכך להבטיח שהנתונים שנאספו מייצגים באופן אמיתי את התנהגות המכונה ולא תוצר לוואי של שיטת ההתקנה.12

2.4 עיבוד אותות: RMS לעומת שיא

התקן קובע את השימוש במהירות השורש הממוצעת (RMS) עבור חלקים שאינם מסתובבים. ערך ה-RMS הוא מדד לאנרגיה הכוללת הכלולה באות הרטט, והוא קשור ישירות לעומס העייפות המופעל על רכיבי המכונה.

משוואה עבור RMS:

V_rms = √((1/T) ∫₀^ט ו²(t) dt)

לגבי רטט הפיר (נספח ב'), התקן משתמש בעקמומיות שיא-לשיא (S_עמ), המייצג את התנועה הפיזית הכוללת של הפיר בתוך מרווח המסב.

S_עמ = S_{מקסימום} − S_דקה

עיבוד Balanset-1A:
ה-Balanset-1A מבצע את התמורות המתמטיות הללו באופן פנימי. ה-ADC (ממיר אנלוגי-לדיגיטלי) דוגם את האות הגולמי, והתוכנה מחשבת את מהירות ה-RMS למדידות דיור ואת תזוזה שיא-לשיא למדידות פיר. באופן מכריע, היא מחשבת את הערך הרחב-פס (Overall), המסכם את האנרגיה על פני כל ספקטרום התדרים (למשל, 10-1000 הרץ). ערך “Overall” זה הוא המספר העיקרי המשמש לסיווג המכונה לאזורים A, B, C או D. בנוסף, המכשיר מספק יכולות FFT (Fast Fourier Transform), המאפשרות לאנליסט לראות את רכיבי התדר הבודדים (1x, 2x, הרמוניות) המרכיבים את ערך ה-RMS הכולל, ומסייעים באבחון מקור הרטט.8

2.5 רעש רקע: האתגר של יחס אות לרעש

היבט קריטי, שלעתים קרובות מתעלמים ממנו בתקן ISO 20816-3, הוא הטיפול ברעידות רקע — רעידות המועברות למכונה ממקורות חיצוניים (למשל, מכונות סמוכות, רעידות הרצפה) כאשר המכונה נעצרת.

הכלל: אם הרטט ברקע עולה על 25% מהרטט הנמדד כאשר המכונה פועלת, או 25% מהגבול בין אזור B לאזור C, נדרשים תיקונים חמורים, או שהמדידה עשויה להיחשב כלא תקפה.18 בגרסאות קודמות של התקנים צוטטה לעתים קרובות “כלל השליש”, אך תקן ISO 20816-3 מחמיר את ההיגיון הזה.

יישום פרוצדורלי עם Balanset-1A:

1. הטכנאי ממקם את חיישני Balanset-1A על המכונה כשהיא במצב עצירה.
2. באמצעות מצב “Vibrometer” (מקש F5), נרשם רמת ה-RMS ברקע.13
3. המכונה מופעלת ומועמסת. נרשם ה-RMS התפעולי.
4. נערכת השוואה. אם הרמה התפעולית היא 4.0 מ"מ/שנייה והרקע היה 1.5 מ"מ/שנייה (37.5%), הרקע גבוה מדי. היכולת של Balanset-1A לבצע חיסור ספקטרלי (הצגת הספקטרום של הרקע לעומת המכונה הפועלת) מסייעת לזהות אם הרקע נמצא בתדר ספציפי (למשל, 50 הרץ ממדחס סמוך) שניתן להתעלם ממנו או לסנן אותו בראש על ידי האנליסט.

חלק ג': קריטריוני הערכה – לב ליבו של התקן

פרק 6 מהווה את הליבה של תקן ISO 20816-3, ומספק את ההיגיון ההחלטתי לקבלת מכונות.

3.1 קריטריון I: עוצמת הרטט ותיחום אזורים

התקן מעריך את חומרת הרטט על סמך העוצמה המרבית שנצפתה במארזי המסבים. כדי להקל על קבלת ההחלטות, הוא מגדיר ארבעה אזורי הערכה:

• אזור א': רטט של מכונות שהוכנסו לשימוש לאחרונה. זהו “תקן הזהב”. מכונה הנמצאת באזור זה היא במצב מכני מושלם.
• אזור ב': מכונות הנחשבות כמתאימות להפעלה ארוכת טווח ללא הגבלות. זהו טווח ההפעלה ה“ירוק” הטיפוסי.
• אזור ג': מכונות שנחשבות כלא מתאימות להפעלה רציפה לטווח ארוך. בדרך כלל, ניתן להפעיל את המכונה לתקופה מוגבלת עד שתתאפשר הזדמנות מתאימה לתיקון (תחזוקה). זהו מצב “צהוב” או “אזעקה”.
• אזור ד': ערכי הרטט באזור זה נחשבים בדרך כלל לחמורים מספיק כדי לגרום נזק למכונה. זהו מצב “אדום” או “הפעלה”.5

טבלה 1: גבולות אזור ISO 20816-3 מפושטים (מהירות RMS, מ"מ/שנייה) עבור קבוצות 1 ו-2

קבוצת מכונות	סוג היסוד	גבול אזור A/B	גבול אזור B/C	גבול אזור C/D
קבוצה 1 (>300 קילוואט)	קָשִׁיחַ	2.3	4.5	7.1
	גָמִישׁ	3.5	7.1	11.0
קבוצה 2 (15-300 קילוואט)	קָשִׁיחַ	1.4	2.8	4.5
	גָמִישׁ	2.3	4.5	7.1

הערה: ערכים אלה נגזרים מנספח A לתקן ומייצגים קווים מנחים כלליים. לסוגים ספציפיים של מכונות עשויים להיות גבולות שונים.

יישום Balanset-1A:
תוכנת Balanset-1A לא רק מציגה מספר, אלא גם מסייעת למשתמש בהקשר הרלוונטי. בעוד שהמשתמש נדרש לבחור את הקטגוריה, פונקציית “דוחות” של התוכנה מאפשרת לתעד ערכים אלה ביחס לתקן. כאשר טכנאי מודד רטט של 5.0 מ"מ/שנייה במשאבה של 50 קילוואט (קבוצה 2) על בסיס קשיח, הקריאה של Balanset-1A חורגת בבירור מגבול אזור C/D (4.5 מ"מ/שנייה), מה שמצביע על צורך מיידי בכיבוי ותיקון.

3.2 קריטריון II: שינוי בעוצמת הרטט

אולי ההתקדמות המשמעותית ביותר בסדרת 20816 היא הדגש הרשמי על השינוי בתנודה, ללא תלות בגבולות מוחלטים.

כלל 25%: תקן ISO 20816-3 קובע כי שינוי בעוצמת הרטט העולה על 25% בגבול אזור B/C (או 25% מהערך הקודם במצב יציב) צריך להיחשב משמעותי, גם אם הערך המוחלט נשאר בתוך אזור A או B.20

השלכות:
נניח שמאוורר פועל בקצב קבוע של 2.0 מ“מ/שנייה (אזור B). אם הרטט קופץ לפתע ל-2.8 מ”מ/שנייה, הוא עדיין נמצא מבחינה טכנית באזור B (עבור סוגים מסוימים) או נכנס לאזור C. עם זאת, מדובר בעלייה של 40%. שינוי פתאומי כזה מעיד לעתים קרובות על מצב כשל ספציפי: רכיב רוטור סדוק, משקל איזון משונה או חיכוך תרמי. התעלמות מכך בטענה ש"הוא עדיין נמצא באזור הירוק" עלולה להוביל לכשל קטסטרופלי.

ניתוח מגמות Balanset-1A:
ה-Balanset-1A תומך בקריטריון זה באמצעות תכונות “שחזור הפעלה” וארכוב.21 על ידי שמירת הפעלות המדידה, מהנדס אמינות יכול להציג את הנתונים הנוכחיים על גבי בסיסי ייחוס היסטוריים. אם הגרף “רטט כולל” מראה שינוי פתאומי, המהנדס מיישם את קריטריון II. תכונת “שחזור הפגישה האחרונה” שימושית במיוחד במקרה זה; היא מאפשרת למשתמש לשחזר את מצב המכונה המדויק מהחודש הקודם כדי לוודא אם חריגה מהסף של 25%.

3.3 מגבלות תפעוליות: הגדרת אזעקות וניתוקים

התקן מספק הנחיות להגדרת מערכות הגנה אוטומטיות:

• אזעקה: לספק התראה על כך שהושג ערך מוגדר של רטט או שחלה שינוי משמעותי. ההגדרה המומלצת היא בדרך כלל ערך הבסיס + 25% של גבול אזור B/C.
• טיול: כדי ליזום פעולה מיידית (כיבוי). בדרך כלל, זה מוגדר בגבול אזור C/D או מעט מעל, בהתאם לשלמות המכנית של המכונה.19

בעוד ש-Balanset-1A הוא מכשיר נייד ולא מערכת הגנה קבועה (כמו מתלה Bently Nevada), הוא משמש לאימות וכיול רמות ההפעלה הללו. טכנאים משתמשים ב-Balanset-1A למדידת רעידות במהלך בדיקת האצה מבוקרת או בדיקת חוסר איזון מושרה, כדי להבטיח שמערכת הניטור הקבועה מופעלת ברמות הרעידות הפיזיות הנכונות הנדרשות בתקן ISO 20816-3.

חלק IV: מערכת Balanset-1A – ניתוח טכני מעמיק

כדי להבין כיצד Balanset-1A משמש ככלי תאימות, יש לנתח את הארכיטקטורה הטכנית שלו.

4.1 ארכיטקטורת חומרה

ה-Balanset-1A מורכב ממודול ממשק USB מרכזי המעבד אותות אנלוגיים מחיישנים לפני שליחת נתונים דיגיטליים למחשב נייד מארח.

• מודול ADC: ליבת המערכת היא ממיר אנלוגי-לדיגיטלי ברזולוציה גבוהה. מודול זה קובע את דיוק המדידה. ה-Balanset-1A מעבד אותות כדי לספק דיוק של ±5%, המספיק לאבחון בשטח.8
• התייחסות פאזית (טכומטר): עמידה בתקן ISO 20816-3 מחייבת לעתים קרובות ניתוח פאזות כדי להבחין בין חוסר איזון לבין חוסר יישור. ה-Balanset-1A משתמש במד מהירות לייזר עם טווח של עד 1.5 מטר ויכולת של 60,000 סל"ד.17 חיישן אופטי זה מפעיל את חישוב זווית הפאזה, ברמת דיוק של ±1 מעלה.
• עוצמה וניידות: היחידה מופעלת באמצעות USB (5V) והיא בטוחה באופן מהותי מפני לולאות הארקה, המטרידות לעתים קרובות מנתחי זרם המופעלים מרשת החשמל. משקל הערכה כולה כ-4 ק“ג, מה שהופך אותה למכשיר ”שטח" אמיתי המתאים לטיפוס על גשרים כדי להגיע למאווררים.8

4.2 יכולות התוכנה: מעבר למדידה פשוטה

התוכנה המסופקת עם Balanset-1A ממירה את הנתונים הגולמיים למידע שימושי התואם לתקני ISO.

• ניתוח ספקטרום FFT: התקן מזכיר “רכיבי תדר ספציפיים”. ה-Balanset-1A מציג את ה-Fast Fourier Transform, ומפרק את צורת הגל המורכבת לגלי סינוס המרכיבים אותה. הדבר מאפשר למשתמש לראות אם הערך הגבוה של RMS נובע מ-1x (חוסר איזון), 100x (הילוך) או שיאים לא סינכרוניים (פגמים במיסבים).21
• גרפים קוטביים: לצורך איזון וניתוח וקטורי, התוכנה מציירת וקטורי רטט על גרף קוטבי. הדמיה זו היא קריטית בעת יישום שיטות מקדם השפעה לצורך איזון.
• מחשבון סובלנות ISO 1940: בעוד תקן ISO 20816-3 עוסק במגבלות רטט, תקן ISO 1940 עוסק באיכות האיזון (דרגות G). תוכנת Balanset-1A משלבת מחשבון שבו המשתמש מזין את מסת הרוטור ומהירותו, והמערכת מחשבת את חוסר האיזון המותר בגרם-מ“מ. זה מגשר על הפער בין ”הרטט גבוה מדי“ (ISO 20816) ו”כמה משקל יש להסיר" (ISO 1940).11

4.3 תאימות חיישנים ותצורת קלט

כפי שצוין במחקר הקצר, היכולת להתחבר לסוגים שונים של חיישנים היא מרכיב מפתח.

• מדי תאוצה: החיישנים המוגדרים כברירת מחדל. המערכת משלבת את אות ההאצה (g) למהירות (מ"מ/שנייה) או משלבת פעמיים לתזוזה (מיקרומטר) בהתאם לתצוגה הנבחרת. שילוב זה מתבצע באופן דיגיטלי כדי למזער את סטיית הרעש.
• חיישני זרם סחרור: המערכת מקבלת כניסות אנלוגיות של 0-10V או דומות. על המשתמש להגדיר את מקדם ההמרה בהגדרות. לדוגמה, חיישן Bently Nevada סטנדרטי עשוי להיות בעל מקדם קנה מידה של 200 mV/mil (7.87 V/mm). המשתמש מזין רגישות זו, ותוכנת Balanset-1A מקנה מידה את המתח הנכנס כדי להציג מיקרונים של תזוזה, מה שמאפשר השוואה ישירה עם נספח B של ISO 20816-3.3.

חלק ה': יישום תפעולי: מאבחון לאיזון דינמי

סעיף זה מתאר נוהל עבודה סטנדרטי (SOP) לטכנאי המשתמש ב-Balanset-1A כדי להבטיח עמידה בתקן ISO 20816-3.

5.1 שלב 1: מדידה בסיסית וסיווג

הטכנאי מתקרב למאוורר צנטריפוגלי בהספק 45 קילוואט.

• מִיוּן: הספק > 15 קילוואט, < 300 קילוואט. זהו קבוצה 2. היסוד מוברג לבטון (קשיח).
• קביעת הגבול: על פי ISO 20816-3 נספח A (קבוצה 2, קשיח), הגבול בין אזור B לאזור C הוא 2.8 מ"מ/שנייה.
• מְדִידָה: החיישנים מותקנים באמצעות בסיסים מגנטיים. מצב “ויברומטר” של Balanset-1A מופעל.
• תוֹצָאָה: הקריאה היא 6.5 מ"מ/שנייה. זהו שטח אזור C/D. יש לנקוט בפעולה.

5.2 שלב 2: ניתוח אבחוני

שימוש בפונקציית FFT של Balanset-1A:

• הספקטרום מציג שיא דומיננטי במהירות הריצה (1x RPM).
• ניתוח הפאזות מראה זווית פאזות יציבה.
• אִבחוּן: חוסר איזון סטטי. (אם השלב היה לא יציב או שהיו הרמוניות גבוהות, היה חשד לאי-יישור או רפיון).

5.3 שלב 3: הליך האיזון (במקום)

מכיוון שהאבחנה היא חוסר איזון, הטכנאי משתמש במצב האיזון של Balanset-1A. התקן דורש הפחתת הרטט לרמות אזור A או B.

5.3.1 שיטת שלושת הריצות (מקדמי השפעה)

ה-Balanset-1A מבצע אוטומטית את החישובים הווקטוריים הדרושים לאיזון.

• הפעלה 0 (ראשונית): מדוד את משרעת A₀ והפאזה φ₀ של התנודה המקורית.
• ריצה 1 (משקל ניסיון): מסה ידועה M_משפט מוסף בזווית שרירותית. המערכת מודדת את וקטור הרטט החדש (A₁, φ₁).

תַחשִׁיב: התוכנה מחשבת את מקדם ההשפעה α, המייצג את רגישות הרוטור לשינוי המסה.

α = (V₁ − V₀) / M_משפט

תִקוּן: המערכת מחשבת את מסת התיקון הנדרשת M_תיקון כדי לבטל את הרטט הראשוני.

M_תיקון = − V₀ / α

ריצה 2 (אימות): משקל הניסוי מוסר, ומשקל התיקון המחושב מתווסף. נמדדת הרטט השיורי.

.11

5.4 שלב 4: אימות ודיווח

לאחר האיזון, הרטט יורד ל-1.2 מ"מ/שנייה.
בדוק: 1.2 מ"מ/שנייה הוא < 1.4 מ"מ/שנייה. המכונה נמצאת כעת באזור A.

תיעוד: הטכנאי שומר את הפגישה ב-Balanset-1A. נוצר דוח המציג את הספקטרום “לפני” (6.5 מ“מ/שנייה) ואת הספקטרום ”אחרי" (1.2 מ"מ/שנייה), תוך התייחסות מפורשת למגבלות ISO 20816-3. דוח זה משמש כתעודת תאימות.

חלק ו': שיקולים מיוחדים

6.1 מכונות במהירות נמוכה

תקן ISO 20816-3 כולל הערות מיוחדות עבור מכונות הפועלות במהירות נמוכה מ-600 סל“ד. במהירויות נמוכות, אותות המהירות נחלשים, והמרווח הופך להיות המדד הדומיננטי למתח. ה-Balanset-1A מתמודד עם בעיה זו על ידי מתן אפשרות למשתמש להחליף את מדד התצוגה למרווח (µm) או על ידי הקפדה על כך שתדר החיתוך הנמוך יוגדר ל-5 הרץ או פחות (2 הרץ באופן אידיאלי) כדי ללכוד את האנרגיה הראשית. ה”הערות אזהרה“ בנספח D לתקן מזהירות מפני הסתמכות בלעדית על מהירות במהירויות נמוכות 23, ניואנס שהמשתמש ב-Balanset-1A חייב להיות מודע אליו על ידי בדיקת ההגדרות ”ליניאריות" או מסנני תדר נמוך.

6.2 תנאים זמניים: האצה והאטה

הרטט במהלך ההפעלה (פעולה זמנית) עלול לחרוג מהמגבלות במצב יציב עקב מעבר מהירויות קריטיות (תהודה). תקן ISO 20816-3 מאפשר מגבלות גבוהות יותר במהלך שלבים זמניים אלה.23

ה-Balanset-1A כולל תכונה ניסיונית של תרשים “RunDown”.11 תכונה זו מאפשרת לטכנאי להקליט את משרעת הרטט לעומת RPM במהלך האטה. נתונים אלה חיוניים עבור:

• זיהוי מהירויות קריטיות (תהודה).
• וידוא שהמכונה עוברת את תהליך התהודה במהירות מספקת כדי למנוע נזק.
• לוודא שהרטט ה“גבוה” הוא אכן זמני ואינו מצב קבוע.

6.3 נספח א' לעומת נספח ב': ההערכה הכפולה

בדיקת תאימות יסודית דורשת לעתים קרובות את שניהם.

• נספח א' (דיור): מדידה של העברת כוח למבנה. טוב לחוסר איזון, רפיון.
• נספח ב' (פיר): מודד את הדינמיקה של הרוטור. מתאים לאיתור חוסר יציבות, מערבולות שמן וניגוב.

טכנאי המשתמש ב-Balanset-1A עשוי להשתמש במאיצים כדי לעמוד בדרישות נספח A, ולאחר מכן להחליף את הקלטים לגלאים קיימים של Bently Nevada כדי לאמת את העמידה בנספח B בטורבינה גדולה. היכולת של Balanset-1A לשמש כ“חוות דעת שנייה” או “מאמת שטח” עבור צגים קבועים מבוססי מתלה היא יישום מרכזי בעמידה בשני הנספחים.

סיכום

המעבר לתקן ISO 20816-3 מסמן התבגרות בתחום ניתוח הרטט, הדורש גישה מדויקת יותר, המבוססת על פיזיקה, להערכת מכונות. הוא חורג ממספרים פשוטים של “עבר/נכשל” לתחום של ניתוח קשיחות התמיכה, וקטורי שינוי ומדידות בתחום כפול (דיור/פיר).

מערכת Balanset-1A מפגינה התאמה גבוהה לדרישות המודרניות הללו. המפרט הטכני שלה – טווח תדרים, דיוק וגמישות חיישנים – הופך אותה לפלטפורמת חומרה יעילה. עם זאת, הערך האמיתי שלה טמון בתהליך העבודה התוכנתי, המנחה את המשתמש דרך הלוגיקה המורכבת של התקן: מתיקון רעידות רקע וסיווג אזורים ועד לדיוק מתמטי של איזון מקדמי השפעה. על ידי שילוב יעיל של יכולות האבחון של מנתח ספקטרום עם כוח התיקון של מאזן דינמי, Balanset-1A מאפשר לצוותי התחזוקה לא רק לזהות אי-עמידה בתקן ISO 20816-3, אלא גם לתקן אותה באופן פעיל, ובכך להבטיח את אריכות החיים והאמינות של בסיס הנכסים התעשייתיים.