Kompleksowa analiza normy ISO 20816-3: pomiary, ocena i wdrożenie instrumentalne za pomocą systemu Balanset-1A

Streszczenie

W branży przemysłowej nastąpiła znacząca zmiana paradygmatu w zakresie standaryzacji monitorowania stanu technicznego maszyn. Wprowadzenie normy ISO 20816-3:2022 stanowi konsolidację i modernizację poprzednich metodologii, w szczególności łącząc ocenę drgań obudowy (poprzednio ISO 10816-3) i drgań wału obrotowego (poprzednio ISO 7919-3) w jedną spójną strukturę. Niniejszy raport zawiera wyczerpującą analizę normy ISO 20816-3, w której omówiono poszczególne rozdziały, załączniki normatywne i zasady fizyczne. Ponadto zawiera szczegółową ocenę techniczną przenośnego analizatora drgań i wyważarki Balanset-1A, pokazując, w jaki sposób to konkretne urządzenie ułatwia spełnienie rygorystycznych wymagań normy. Dzięki syntezie teorii przetwarzania sygnałów, zasad inżynierii mechanicznej i praktycznych procedur operacyjnych, dokument ten stanowi ostateczny przewodnik dla inżynierów ds. niezawodności, którzy chcą dostosować swoje strategie monitorowania stanu do najlepszych światowych praktyk przy użyciu dostępnych, precyzyjnych przyrządów pomiarowych.

Część I: Ramy teoretyczne normy ISO 20816-3

1.1 Ewolucja norm dotyczących drgań: zbieżność norm ISO 10816 i ISO 7919

Historia standaryzacji wibracji charakteryzuje się stopniowym przejściem od fragmentarycznych wytycznych dotyczących poszczególnych komponentów do całościowej oceny maszyn. W przeszłości ocena maszyn przemysłowych była podzielona. Seria norm ISO 10816 skupiała się na pomiarze części nieobrotowych — w szczególności obudów łożysk i cokołów — przy użyciu akcelerometrów lub przetworników prędkości. Natomiast seria norm ISO 7919 dotyczyła drgań wałów obrotowych względem ich łożysk, wykorzystując głównie bezkontaktowe sondy prądów wirowych.

To rozdzielenie często prowadziło do niejasności diagnostycznych. Maszyna mogła wykazywać dopuszczalne drgania obudowy (strefa A zgodnie z normą ISO 10816), a jednocześnie cierpieć z powodu niebezpiecznego bicia wału lub niestabilności (strefa C/D zgodnie z normą ISO 7919), szczególnie w scenariuszach obejmujących ciężkie obudowy lub łożyska z warstwą płynową, w których droga przenoszenia energii drgań jest tłumiona. Norma ISO 20816-3 rozwiązuje tę dychotomię, zastępując zarówno normę ISO 10816-3:2009, jak i ISO 7919-3:2009.1 Dzięki połączeniu tych perspektyw nowa norma uznaje, że energia drgań generowana przez siły dynamiczne wirnika przejawia się w różny sposób w całej konstrukcji maszyny, w zależności od sztywności, masy i współczynników tłumienia. W związku z tym ocena zgodności wymaga obecnie podwójnej perspektywy: oceny zarówno bezwzględnych drgań konstrukcji, jak i, w stosownych przypadkach, względnego ruchu wału.

System Balanset-1A pojawia się na tym polu jako narzędzie zaprojektowane w celu połączenia tych dziedzin pomiarowych. Jego architektura, która obsługuje zarówno piezoelektryczne akcelerometry do pomiarów obudowy, jak i bezpośrednie wejścia napięciowe dla czujników przemieszczenia liniowego, odzwierciedla filozofię podwójnej natury serii ISO 20816.3 Ta konwergencja upraszcza zestaw narzędzi technika, umożliwiając wykonanie kompleksowych ocen wymaganych obecnie przez ujednoliconą normę za pomocą jednego przyrządu.

1.2 Zakres i zastosowanie: definiowanie otoczenia maszyn przemysłowych

Rozdział 1 normy ISO 20816-3 skrupulatnie określa granice jej zastosowania. Norma ta nie ma charakteru uniwersalnego; jest specjalnie dostosowana do maszyn przemysłowych o mocy znamionowej powyżej 15 kW i prędkościach roboczych od 120 obr./min do 30 000 obr./min.1 Ten szeroki zakres działania obejmuje większość kluczowych aktywów w sektorach produkcji, wytwarzania energii i petrochemii.

Sprzęt objęty ubezpieczeniem obejmuje w szczególności:

• Turbiny parowe i generatory: Obejmuje to jednostki o mocy wyjściowej mniejszej lub równej 40 MW. Większe jednostki (powyżej 40 MW) zazwyczaj podlegają normie ISO 20816-2, chyba że pracują z prędkościami innymi niż synchroniczne częstotliwości sieciowe (1500, 1800, 3000 lub 3600 obr./min).6
• Sprężarki rotacyjne: W tym zarówno konstrukcje odśrodkowe, jak i osiowe stosowane w przemyśle przetwórczym.
• Przemysłowe turbiny gazowe: W szczególności te o mocy wyjściowej 3 MW lub mniejszej. Większe turbiny gazowe są wyodrębnione w oddzielnych częściach normy ze względu na ich wyjątkowe właściwości termiczne i dynamiczne.1
• Lakierki: Pompy odśrodkowe napędzane silnikami elektrycznymi stanowią podstawowy element tej grupy.
• Silniki elektryczne: Obejmuje to silniki każdego typu, pod warunkiem że są one sprzężone elastycznie. Silniki sprzężone sztywno są często oceniane jako część systemu maszyn napędzanych lub na podstawie określonych podpunktów.
• Wentylatory i dmuchawy: Krytyczne znaczenie dla systemów HVAC i przemysłowej wentylacji procesowej.6

Wyłączenia: Równie ważne jest zrozumienie, co nie jest objęte normą. Maszyny z masami posuwisto-zwrotnymi (takie jak sprężarki tłokowe) generują profile drgań zdominowane przez uderzenia i zmienne momenty obrotowe, co wymaga specjalistycznej analizy określonej w normie ISO 20816-8. Podobnie turbiny wiatrowe, które działają pod wpływem bardzo zmiennych obciążeń aerodynamicznych, są objęte normą ISO 10816-21.7 Specyficzne cechy konstrukcyjne Balanset-1A, takie jak zakres pomiaru prędkości obrotowej od 150 do 60 000 obr./min 8, idealnie wpisują się w zakres normy wynoszący 120–30 000 obr./min, zapewniając, że przyrząd jest w stanie monitorować pełne spektrum stosowanych maszyn.

1.3 Systemy klasyfikacji maszyn: fizyka sztywności podpór

Istotną innowacją zachowaną z poprzednich norm jest klasyfikacja maszyn na podstawie sztywności podpór. Norma ISO 20816-3 dzieli maszyny na grupy nie tylko według wielkości, ale także według zachowania dynamicznego.

1.3.1 Klasyfikacja grup według mocy i wielkości

Norma dzieli maszyny na dwie główne grupy w celu zastosowania odpowiednich limitów dotkliwości:

• Grupa 1: Duże maszyny o mocy znamionowej powyżej 300 kW lub maszyny elektryczne o wysokości wału przekraczającej 315 mm. Maszyny te zazwyczaj posiadają masywne wirniki i generują znaczne siły dynamiczne.9
• Grupa 2: Średniej wielkości maszyny o mocy znamionowej od 15 kW do 300 kW lub maszyny elektryczne o wysokości wału od 160 mm do 315 mm.10

1.3.2 Elastyczność wsparcia: sztywność a elastyczność

Rozróżnienie między podporami “sztywnymi” i “elastycznymi” jest kwestią fizyki, a nie tylko materiału konstrukcyjnego. Podparcie uznaje się za sztywne w określonym kierunku pomiaru, jeśli pierwsza częstotliwość drgań własnych (rezonans) połączonego układu maszyna-podparcie jest znacznie wyższa niż główna częstotliwość wzbudzenia (zazwyczaj prędkość obrotowa). W szczególności częstotliwość drgań własnych powinna być co najmniej 25% wyższa niż prędkość robocza. Natomiast podparcia elastyczne mają częstotliwości drgań własnych, które mogą być zbliżone do prędkości roboczej lub niższe od niej, co prowadzi do wzmocnienia rezonansu lub efektów izolacji.10

To rozróżnienie ma kluczowe znaczenie, ponieważ elastyczne podpory naturalnie pozwalają na większe amplitudy drgań przy tej samej wartości wewnętrznej siły wzbudzającej (niewyważenia). Dlatego dopuszczalne granice drgań dla elastycznych podpór są zazwyczaj wyższe niż dla podpór sztywnych. Balanset-1A ułatwia określenie charakterystyki podpór dzięki możliwościom pomiaru fazy. Wykonując test rozruchu lub wybiegu (przy użyciu funkcji wykresu “RunDown” wspomnianej w specyfikacji oprogramowania 11), analityk może zidentyfikować szczyty rezonansowe. Jeśli szczyt występuje w zakresie roboczym, łożysko jest dynamicznie elastyczne; jeśli reakcja jest płaska i liniowa aż do prędkości roboczej, łożysko jest sztywne. Ta funkcja diagnostyczna pozwala użytkownikowi wybrać właściwą tabelę oceny w normie ISO 20816-3, zapobiegając fałszywym alarmom lub przeoczeniu usterek.

Część II: Metodologia pomiarowa i fizyka

Rozdział 4 normy ISO 20816-3 określa rygorystyczne wymagania proceduralne dotyczące gromadzenia danych. Wiarygodność każdej oceny zależy całkowicie od dokładności pomiaru.

2.1 Fizyka oprzyrządowania: wybór przetwornika i reakcja

Norma wymaga stosowania oprzyrządowania zdolnego do pomiaru szerokopasmowej średniej kwadratowej prędkości drgań (r.m.s.). Pasmo przenoszenia musi być płaskie w zakresie co najmniej od 10 Hz do 1000 Hz dla maszyn ogólnego przeznaczenia.12 W przypadku maszyn o niższej prędkości (pracujących poniżej 600 obr./min) dolna granica pasma przenoszenia musi sięgać 2 Hz, aby uchwycić podstawowe składowe obrotowe.

Zgodność techniczna Balanset-1A:
Analizator drgań Balanset-1A został zaprojektowany z myślą o tych konkretnych wymaganiach. Jego specyfikacja obejmuje zakres częstotliwości drgań od 5 Hz do 550 Hz dla standardowych operacji, z opcjami rozszerzenia możliwości pomiarowych.8 Dolna granica 5 Hz ma kluczowe znaczenie; zapewnia zgodność dla maszyn pracujących z prędkością nawet 300 obr./min, obejmując większość zastosowań przemysłowych. Górna granica 550 Hz obejmuje krytyczne harmoniczne (1x, 2x, 3x itp.) oraz częstotliwości przejścia łopatek dla większości standardowych pomp i wentylatorów. Ponadto dokładność urządzenia wynosi 5% pełnej skali, co spełnia rygorystyczne wymagania metrologiczne określone w normie ISO 2954 (Wymagania dotyczące przyrządów do pomiaru intensywności drgań).8

Norma rozróżnia dwa podstawowe typy pomiarów, które są obsługiwane przez ekosystem Balanset-1A:

• Przetworniki sejsmiczne (akcelerometry): Mierzą one bezwzględne drgania obudowy. Są wrażliwe na przenoszenie sił przez podstawę łożyska. Zestaw Balanset-1A zawiera dwa przyspieszeniomierze jednoosiowe (zazwyczaj oparte na technologii serii ADXL lub piezoelektrycznej) z uchwytami magnetycznymi.14
• Przetworniki bezkontaktowe (czujniki zbliżeniowe): Mierzą one względne przemieszczenie wału. Są one niezbędne w maszynach z łożyskami płynowymi, w których wał porusza się w luzie.

2.2 Dogłębna analiza: względne drgania wału i integracja czujników

Podczas gdy norma ISO 20816-3 skupia się głównie na drganiach obudowy, załącznik B wyraźnie zajmuje się drganiami względnymi wału. Wymaga to zastosowania sond prądów wirowych (sond zbliżeniowych). Czujniki te działają poprzez generowanie pola częstotliwości radiowej (RF), które indukuje prądy wirowy w przewodzącej powierzchni wału. Impedancja cewki sondy zmienia się wraz z odległością szczeliny, wytwarzając napięcie wyjściowe proporcjonalne do przemieszczenia.15

Integracja sond prądów wirowych z Balanset-1A:
Unikalną cechą Balanset-1A jest jego zdolność do dostosowania się do tych czujników. Chociaż urządzenie jest dostarczane głównie z akcelerometrami, jego wejścia można skonfigurować w trybie “liniowym”, aby akceptowały sygnały napięciowe z zewnętrznych sterowników sond zbliżeniowych (proximitorów).3

• Napięcie wejściowe: Większość przemysłowych czujników zbliżeniowych generuje ujemne napięcie stałe (np. zasilanie -24 V, skala 200 mV/mil). Balanset-1A umożliwia użytkownikom wprowadzenie niestandardowych współczynników czułości (np. mV/µm) w oknie “Ustawienia” (klawisz F4).3
• Usuwanie przesunięcia prądu stałego: Czujniki zbliżeniowe przenoszą duże napięcie stałe (polaryzację) z niewielkim sygnałem drgań przemiennych. Oprogramowanie Balanset-1A zawiera funkcję “Remove DC” (usuń napięcie stałe), która filtruje napięcie stałe, izolując dynamiczny sygnał drgań do analizy pod kątem zgodności z limitami normy ISO 20816-3.3
• Liniowość i kalibracja: Oprogramowanie pozwala użytkownikowi zdefiniować współczynniki kalibracji (np. Kprl1 = 0,94 mV/µm), dzięki czemu odczyt na ekranie laptopa dokładnie odpowiada fizycznemu przemieszczeniu wału.3 Funkcja ta jest niezbędna przy stosowaniu kryteriów określonych w załączniku B, które są podane w mikrometrach przemieszczenia, a nie w milimetrach na sekundę prędkości.

2.3 Fizyka montażu: zapewnienie wierności danych

Norma ISO 20816-3 podkreśla, że sposób montażu czujnika nie może pogarszać dokładności pomiaru. Częstotliwość rezonansowa zamontowanego czujnika musi być znacznie wyższa niż zakres częstotliwości będący przedmiotem zainteresowania.

• Mocowanie kołków: Złoty standard, oferujący najwyższą częstotliwość odpowiedzi (do 10 kHz+).
• Mocowanie magnetyczne: Praktyczny kompromis w zakresie przenośnego gromadzenia danych.

Balanset-1A wykorzystuje magnetyczny system mocowania o sile trzymania 60 kgf (kilogramów siły).17 Ta wysoka siła zacisku ma kluczowe znaczenie. Słaby magnes powoduje efekt “odbijania się” lub mechaniczny filtr dolnoprzepustowy, co znacznie osłabia sygnały o wysokiej częstotliwości. Przy sile 60 kgf sztywność styku jest wystarczająca, aby przesunąć zamontowany rezonans znacznie powyżej zakresu 1000 Hz, który jest przedmiotem zainteresowania normy ISO 20816-3, zapewniając, że zebrane dane są prawdziwym odzwierciedleniem zachowania maszyny, a nie artefaktem metody mocowania.12

2.4 Przetwarzanie sygnałów: RMS a wartość szczytowa

Norma określa stosowanie prędkości skutecznej (RMS) dla części nieobrotowych. Wartość RMS jest miarą całkowitej energii zawartej w sygnale drgań i jest bezpośrednio związana z naprężeniem zmęczeniowym wywieranym na elementy maszyny.

Równanie dla wartości skutecznej:

V_rms = √((1/T) ∫₀^T v²(t) dt)

W przypadku drgań wału (załącznik B) norma stosuje przemieszczenie szczytowe (S_strony), który reprezentuje całkowity fizyczny skok wału w granicach luzu łożyska.

S_strony = S_maks − S_min

Przetwarzanie Balanset-1A:
Balanset-1A wykonuje te przekształcenia matematyczne wewnętrznie. Przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) pobiera próbki surowego sygnału, a oprogramowanie oblicza prędkość RMS dla pomiarów obudowy i przemieszczenie szczyt-szczyt dla pomiarów wału. Co najważniejsze, oblicza wartość szerokopasmową (ogólną), która sumuje energię w całym spektrum częstotliwości (np. 10-1000 Hz). Ta wartość “ogólna” jest podstawową liczbą używaną do klasyfikacji maszyny do stref A, B, C lub D. Dodatkowo urządzenie oferuje funkcje FFT (szybka transformacja Fouriera), które pozwalają analitykowi zobaczyć poszczególne składowe częstotliwości (1x, 2x, harmoniczne) składające się na ogólną wartość RMS, co pomaga w diagnozowaniu źródła drgań.8

2.5 Wibracje tła: wyzwanie związane ze stosunkiem sygnału do szumu

Krytycznym, często pomijanym aspektem normy ISO 20816-3 jest obsługa drgań tła — drgań przenoszonych na maszynę ze źródeł zewnętrznych (np. sąsiednich maszyn, drgań podłogi) podczas postoju maszyny.

Zasada: Jeśli drgania tła przekraczają 25% drgań zmierzonych podczas pracy maszyny lub 25% granicy między strefą B a C, konieczne jest wprowadzenie poważnych korekt, w przeciwnym razie pomiar może zostać uznany za nieważny.18 Poprzednie wersje norm często powoływały się na zasadę “jednej trzeciej”, ale norma ISO 20816-3 zaostrza tę logikę.

Wdrożenie proceduralne za pomocą Balanset-1A:

1. Technik umieszcza czujniki Balanset-1A na maszynie, gdy jest ona zatrzymana.
2. W trybie “Wibrometr” (klawisz F5) rejestrowany jest poziom RMS tła.13
3. Urządzenie zostaje uruchomione i doprowadzone do obciążenia. Rejestruje się operacyjną wartość skuteczną.
4. Dokonuje się porównania. Jeśli poziom operacyjny wynosi 4,0 mm/s, a tło wynosiło 1,5 mm/s (37,5%), tło jest zbyt wysokie. Zdolność Balanset-1A do wykonywania odejmowania spektralnego (wyświetlanie widma tła w porównaniu z pracującą maszyną) pomaga określić, czy tło ma określoną częstotliwość (np. 50 Hz z pobliskiej sprężarki), którą analityk może zignorować lub odfiltrować mentalnie.

Część III: Kryteria oceny – sedno normy

Rozdział 6 stanowi sedno normy ISO 20816-3, określając logikę decyzyjną dotyczącą akceptowalności maszyn.

3.1 Kryterium I: Wielkość drgań i podział na strefy

Norma ocenia nasilenie drgań na podstawie maksymalnej wartości obserwowanej w obudowach łożysk. Aby ułatwić podejmowanie decyzji, definiuje cztery strefy oceny:

• Strefa A: Wibracje nowo uruchomionych maszyn. Jest to “złoty standard”. Maszyna znajdująca się w tej strefie jest w idealnym stanie technicznym.
• Strefa B: Maszyny uznane za dopuszczalne do nieograniczonej długotrwałej eksploatacji. Jest to typowy zakres pracy “zielony”.
• Strefa C: Maszyny uznane za nieodpowiednie do długotrwałej ciągłej pracy. Zasadniczo maszyna może być eksploatowana przez ograniczony czas, aż pojawi się odpowiednia okazja do podjęcia działań naprawczych (konserwacji). Jest to stan “żółty” lub “alarmowy”.
• Strefa D: Wartości drgań w tej strefie są zazwyczaj uważane za wystarczająco poważne, aby spowodować uszkodzenie maszyny. Jest to stan “czerwony” lub “wyłączenie”.5

Tabela 1: Uproszczone granice stref ISO 20816-3 (prędkość RMS, mm/s) dla grup 1 i 2

Grupa maszyn	Rodzaj fundamentu	Granica strefy A/B	Granica strefy B/C	Granica strefy C/D
Grupa 1 (>300 kW)	Sztywny	2.3	4.5	7.1
	Elastyczny	3.5	7.1	11.0
Grupa 2 (15–300 kW)	Sztywny	1.4	2.8	4.5
	Elastyczny	2.3	4.5	7.1

Uwaga: Wartości te pochodzą z załącznika A normy i stanowią ogólne wytyczne. Poszczególne typy maszyn mogą mieć inne ograniczenia.

Wdrożenie Balanset-1A:
Oprogramowanie Balanset-1A nie tylko wyświetla liczby, ale także pomaga użytkownikowi w kontekście. Użytkownik musi wybrać klasę, ale funkcja “Raporty” oprogramowania pozwala na dokumentowanie tych wartości w odniesieniu do normy. Gdy technik mierzy drgania o wartości 5,0 mm/s na pompie o mocy 50 kW (grupa 2) na sztywnym fundamencie, odczyt Balanset-1A wyraźnie przekracza granicę strefy C/D (4,5 mm/s), co wskazuje na natychmiastową potrzebę wyłączenia i naprawy.

3.2 Kryterium II: Zmiana wielkości drgań

Być może najważniejszym osiągnięciem serii 20816 jest sformalizowane podkreślenie znaczenia zmiany drgań, niezależnie od wartości granicznych.

Zasada 25%: Norma ISO 20816-3 stanowi, że zmianę wielkości drgań większą niż 25% granicy strefy B/C (lub 25% poprzedniej wartości stanu ustalonego) należy uznać za znaczącą, nawet jeśli wartość bezwzględna pozostaje w strefie A lub B.20

Konsekwencje:
Rozważmy wentylator pracujący stabilnie z prędkością 2,0 mm/s (strefa B). Jeśli drgania nagle wzrosną do 2,8 mm/s, to technicznie nadal pozostają one w strefie B (dla niektórych klas) lub właśnie wkraczają do strefy C. Jest to jednak wzrost o 40%. Taka nagła zmiana często wskazuje na konkretny rodzaj awarii: pęknięty element wirnika, przesunięty przeciwwaga lub tarcie termiczne. Ignorowanie tego zjawiska, ponieważ “nadal pozostaje ono w zielonym zakresie”, może doprowadzić do katastrofalnej awarii.

Analiza trendów Balanset-1A:
Balanset-1A spełnia to kryterium dzięki funkcjom “odzyskiwania sesji” i archiwizacji.21 Zapisując sesje pomiarowe, inżynier ds. niezawodności może nałożyć bieżące dane na historyczne wartości bazowe. Jeśli wykres “ogólnych drgań” wykazuje skokową zmianę, inżynier stosuje kryterium II. Funkcja “Restore Last Session” (Przywróć ostatnią sesję) jest tutaj szczególnie przydatna, ponieważ pozwala użytkownikowi przywołać dokładny stan maszyny z poprzedniego miesiąca w celu sprawdzenia, czy próg 25% został przekroczony.

3.3 Ograniczenia operacyjne: ustawianie ALARMÓW i WYŁĄCZEŃ

Norma zawiera wytyczne dotyczące konfiguracji automatycznych systemów zabezpieczeń:

• ALARM: Aby ostrzec, że osiągnięto określoną wartość drgań lub nastąpiła znacząca zmiana. Zalecanym ustawieniem jest zazwyczaj wartość bazowa + 25% granicy strefy B/C.
• WYCIECZKA: Aby zainicjować natychmiastowe działanie (wyłączenie). Zazwyczaj ustawia się to na granicy strefy C/D lub nieco powyżej, w zależności od integralności mechanicznej maszyny.19

Chociaż Balanset-1A jest urządzeniem przenośnym, a nie stałym systemem zabezpieczającym (jak stojak Bently Nevada), służy on do weryfikacji i kalibracji tych poziomów wyzwalania. Technicy używają Balanset-1A do pomiaru drgań podczas kontrolowanego przyspieszania lub indukowanego testu niewyważenia, aby zapewnić, że stały system monitorowania uruchamia się przy prawidłowych poziomach drgań fizycznych wymaganych przez normę ISO 20816-3.

Część IV: System Balanset-1A – szczegółowe informacje techniczne

Aby zrozumieć, w jaki sposób Balanset-1A służy jako narzędzie zapewniające zgodność, należy przeanalizować jego architekturę techniczną.

4.1 Architektura sprzętowa

Balanset-1A składa się ze scentralizowanego modułu interfejsu USB, który przetwarza sygnały analogowe z czujników przed wysłaniem danych cyfrowych do laptopa hosta.

• Moduł ADC: Sercem systemu jest przetwornik analogowo-cyfrowy o wysokiej rozdzielczości. Moduł ten decyduje o precyzji pomiaru. Balanset-1A przetwarza sygnały z dokładnością ±5%, co jest wystarczające do diagnostyki terenowej.8
• Odniesienie fazowe (tachometr): Zgodność z normą ISO 20816-3 często wymaga analizy fazowej w celu rozróżnienia między niewyważeniem a niewspółosiowością. Balanset-1A wykorzystuje tachometr laserowy o zasięgu do 1,5 metra i wydajności 60 000 obr./min.17 Ten czujnik optyczny uruchamia obliczenia kąta fazowego z dokładnością do ±1 stopnia.
• Moc i przenośność: Urządzenie zasilane przez USB (5 V) jest całkowicie odporne na pętle uziemienia, które często stanowią problem w przypadku analizatorów zasilanych z sieci elektrycznej. Cały zestaw waży około 4 kg, co czyni go prawdziwym instrumentem “terenowym”, odpowiednim do wspinania się na pomosty w celu dotarcia do wentylatorów.8

4.2 Możliwości oprogramowania: więcej niż tylko proste pomiary

Oprogramowanie dostarczane wraz z Balanset-1A przekształca surowe dane w użyteczne informacje zgodne z normami ISO.

• Analiza widma FFT: Norma wspomina o “określonych składowych częstotliwości”. Balanset-1A wyświetla szybką transformację Fouriera, rozkładając złożoną falę na składowe fale sinusoidalne. Dzięki temu użytkownik może sprawdzić, czy wysoka wartość RMS wynika z 1x (nierównowagi), 100x (zazębienia przekładni) czy też niesynchronicznych szczytów (wad łożysk).21
• Wykresy polarne: W celu wyważenia i analizy wektorowej oprogramowanie wykreśla wektory drgań na wykresie biegunowym. Wizualizacja ta ma kluczowe znaczenie przy stosowaniu metod współczynnika wpływu do wyważania.
• Kalkulator tolerancji ISO 1940: Podczas gdy norma ISO 20816-3 dotyczy limitów drgań, norma ISO 1940 dotyczy jakości wyważenia (klasy G). Oprogramowanie Balanset-1A zawiera kalkulator, w którym użytkownik wprowadza masę i prędkość wirnika, a system oblicza dopuszczalne niewyważenie resztkowe w gramach na milimetr. Wypełnia to lukę między stwierdzeniem “wibracje są zbyt duże” (ISO 20816) a “oto, ile masy należy usunąć” (ISO 1940).11

4.3 Kompatybilność czujników i konfiguracja wejść

Jak zauważono w badaniach fragmentów, kluczowa jest możliwość współpracy z różnymi typami czujników.

• Akcelerometry: Domyślne czujniki. System integruje sygnał przyspieszenia (g) do prędkości (mm/s) lub podwójnie integruje do przemieszczenia (µm) w zależności od wybranego widoku. Integracja ta jest realizowana cyfrowo w celu zminimalizowania dryftu szumu.
• Sondy prądów wirowych: System akceptuje sygnały analogowe o napięciu 0–10 V lub podobne. Użytkownik musi skonfigurować współczynnik transformacji w ustawieniach. Na przykład standardowa sonda Bently Nevada może mieć współczynnik skali 200 mV/mil (7,87 V/mm). Użytkownik wprowadza tę czułość, a oprogramowanie Balanset-1A skaluje napięcie wejściowe w celu wyświetlenia przemieszczenia w mikronach, umożliwiając bezpośrednie porównanie z załącznikiem B normy ISO 20816-3.3.

Część V: Wdrożenie operacyjne: od diagnostyki do dynamicznego wyważania

W niniejszej sekcji opisano standardową procedurę operacyjną (SOP) dla technika korzystającego z urządzenia Balanset-1A w celu zapewnienia zgodności z normą ISO 20816-3.

5.1 Krok 1: Pomiar bazowy i klasyfikacja

Technik podchodzi do wentylatora odśrodkowego o mocy 45 kW.

• Klasyfikacja: Moc > 15 kW, < 300 kW. Jest to grupa 2. Fundament jest przykręcony do betonu (sztywny).
• Określenie limitu: Zgodnie z normą ISO 20816-3 załącznik A (grupa 2, sztywna), granica strefy B/C wynosi 2,8 mm/s.
• Pomiar: Czujniki są montowane za pomocą podstaw magnetycznych. Włączony jest tryb “wibrometru” Balanset-1A.
• Wynik: Odczyt wynosi 6,5 mm/s. Jest to obszar strefy C/D. Konieczne jest podjęcie działań.

5.2 Krok 2: Analiza diagnostyczna

Korzystanie z funkcji Balanset-1A FFT:

• Widmo wykazuje dominujący pik przy prędkości roboczej (1x RPM).
• Analiza fazowa wykazuje stabilny kąt fazowy.
• Diagnoza: Nierównowaga statyczna. (W przypadku niestabilności fazy lub obecności wysokich harmonicznych należałoby podejrzewać niewspółosiowość lub luz).

5.3 Krok 3: Procedura równoważenia (na miejscu)

Ponieważ diagnoza wskazuje na brak równowagi, technik wykorzystuje tryb równoważenia Balanset-1A. Norma wymaga zmniejszenia drgań do poziomu strefy A lub B.

5.3.1 Metoda trzech przebiegów (współczynniki wpływu)

Balanset-1A automatyzuje obliczenia wektorowe wymagane do wyważenia.

• Uruchomienie 0 (początkowe): Zmierz amplitudę A₀ i faza φ₀ oryginalnej wibracji.
• Bieg 1 (waga próbna): Znana masa M_proces jest dodawany pod dowolnym kątem. System mierzy nowy wektor drgań (A₁, φ₁).

Obliczenie: Oprogramowanie oblicza współczynnik wpływu α, który reprezentuje wrażliwość wirnika na zmianę masy.

α = (V₁ − V₀) / M_proces

Korekta: System oblicza wymaganą masę korekcyjną M._korr aby zniwelować początkowe drgania.

M_korr = − V₀ / α

Przebieg 2 (weryfikacja): Zdejmowana jest masa próbna i dodawana jest obliczona masa korekcyjna. Mierzone są pozostałe drgania.

.11

5.4 Krok 4: Weryfikacja i raportowanie

Po wyważeniu drgania spadają do 1,2 mm/s.
Sprawdź: 1,2 mm/s jest < 1,4 mm/s. Maszyna znajduje się teraz w strefie A.

Dokumentacja: Technik zapisuje sesję w Balanset-1A. Generowany jest raport przedstawiający widmo “przed” (6,5 mm/s) i widmo “po” (1,2 mm/s), z wyraźnym odniesieniem do limitów normy ISO 20816-3. Raport ten służy jako certyfikat zgodności.

Część VI: Kwestie specjalistyczne

6.1 Maszyny o niskiej prędkości

Norma ISO 20816-3 zawiera specjalne uwagi dotyczące maszyn pracujących z prędkością poniżej 600 obr./min. Przy niskich prędkościach sygnały prędkości stają się słabe, a przemieszczenie staje się dominującym wskaźnikiem naprężeń. Balanset-1A radzi sobie z tym problemem, umożliwiając użytkownikowi przełączenie jednostki wyświetlanej na przemieszczenie (µm) lub zapewniając, że dolna granica częstotliwości jest ustawiona na 5 Hz lub mniej (najlepiej 2 Hz), aby uchwycić energię pierwotną. “Uwagi ostrzegawcze” w załączniku D normy ostrzegają przed poleganiem wyłącznie na prędkości przy niskich prędkościach 23, co jest niuansem, o którym użytkownik Balanset-1A musi pamiętać, sprawdzając ustawienia “Liniowe” lub filtry niskiej częstotliwości.

6.2 Warunki przejściowe: rozruch i wyhamowanie

Wibracje podczas rozruchu (praca przejściowa) mogą przekraczać wartości graniczne dla stanu ustalonego z powodu przekroczenia prędkości krytycznych (rezonans). Norma ISO 20816-3 dopuszcza wyższe wartości graniczne podczas tych faz przejściowych.23

Balanset-1A zawiera eksperymentalną funkcję wykresu “RunDown”.11 Pozwala ona technikowi na rejestrowanie amplitudy drgań w funkcji prędkości obrotowej podczas wybiegu. Dane te mają kluczowe znaczenie dla:

• Określanie prędkości krytycznych (rezonans).
• Sprawdzenie, czy maszyna przechodzi przez rezonans wystarczająco szybko, aby uniknąć uszkodzeń.
• Upewnienie się, że “wysokie” wibracje są rzeczywiście przejściowe, a nie stanem trwałym.

6.3 Załącznik A a załącznik B: Podwójna ocena

Dokładna kontrola zgodności często wymaga obu tych elementów.

• Załącznik A (Mieszkania): Zapewnia przenoszenie siły na konstrukcję. Dobry w przypadku niewyważenia, luzów.
• Załącznik B (Wał): Mierzy dynamikę wirnika. Przydatny w przypadku niestabilności, zawirowań oleju, wykrywania wycierania.

Technik korzystający z Balanset-1A może użyć akcelerometrów, żeby spełnić wymagania załącznika A, a potem przełączyć wejścia na istniejące sondy Bently Nevada, żeby sprawdzić zgodność z załącznikiem B na dużej turbinie. Możliwość wykorzystania Balanset-1A jako “drugiej opinii” lub “weryfikatora terenowego” dla stałych monitorów opartych na stojakach jest kluczowym zastosowaniem pozwalającym spełnić wymagania obu załączników.

Wnioski

Przejście na normę ISO 20816-3 oznacza dojrzałość w dziedzinie analizy drgań, wymagającą bardziej zróżnicowanego, opartego na fizyce podejścia do oceny maszyn. Wykracza ona poza proste oceny “pozytywna/negatywna” i wkracza w obszar analizy sztywności podparcia, wektorów zmian i pomiarów w dwóch obszarach (obudowa/wał).

System Balanset-1A wykazuje wysoki stopień zgodności z tymi nowoczesnymi wymaganiami. Jego specyfikacje techniczne — zakres częstotliwości, dokładność i elastyczność czujników — sprawiają, że jest to wydajna platforma sprzętowa. Jednak jego prawdziwą wartość stanowi oprogramowanie, które prowadzi użytkownika przez złożoną logikę normy: od korekcji drgań tła i klasyfikacji stref po matematyczną precyzję równoważenia współczynników wpływu. Dzięki skutecznemu połączeniu możliwości diagnostycznych analizatora widma z możliwościami korekcyjnymi dynamicznego wyważarki, Balanset-1A umożliwia zespołom konserwacyjnym nie tylko identyfikację niezgodności z normą ISO 20816-3, ale także aktywne ich usuwanie, zapewniając długowieczność i niezawodność przemysłowych aktywów.