ISO 2041: Механические колебания, удары и мониторинг состояния. Терминология
ISO 2041 является основным стандартом терминологии для всей области механических колебаний, ударов и мониторинга состояния. По сути, это словарь, на языке которого написаны все остальные работы в данной области: единый авторитетный источник, содержащий точные, согласованные на международном уровне определения тысяч терминов, используемых в измерениях, обработке сигналов, испытаниях и диагностике. Его сфера применения гораздо шире, чем у тематических глоссариев, таких как ISO 1940-2, в котором терминология определена исключительно для целей балансировки. Стандарт ISO 2041, напротив, лежит в основе практически всех остальных стандартов по вибрации, благодаря чему, когда в документе упоминаются такие понятия, как «интенсивность вибрации», «переходный процесс» или «спектр», их точное значение зафиксировано в одном месте. Цель проста, но чрезвычайно важна — создать единый и однозначный язык, чтобы инженеры, специалисты по надежности, техники и исследователи по всему миру могли общаться без путаницы.
1. Зачем нужен стандарт по лексике
Мониторинг вибрации и технического состояния находится на стыке нескольких инженерных направлений — динамики, обработки сигналов, материаловедения, теории управления и практики технического обслуживания — и каждое из этих направлений привнесло в эту область свои собственные терминологические особенности. Если не принять меры, одно и то же слово может иметь слегка разные значения для специалиста по роторной динамике, инженера испытательной лаборатории и специалиста по планированию технического обслуживания. Примечание на чертеже, в котором говорится о «пиковой вибрации», будет неоднозначным, если не будет достигнуто общего согласия относительно того, подразумевается ли под этим истинный пик, от пика до пика, или СКЗ. Стандарт ISO 2041 устраняет эту неоднозначность, давая однозначное определение каждому термину с указанием величины, единиц измерения и, при необходимости, математического обозначения. Поскольку это нормативный документ Если на данный стандарт ссылаются другие стандарты, то использование его определений — это не просто излишняя педантичность, а залог юридической и технической безупречности критериев приемки, договоров и диагностических отчетов.
2. Структура стандарта
Стандарт представлен в виде обширного структурированного глоссария, в котором статьи сгруппированы по тематическим разделам, благодаря чему связанные между собой понятия собраны вместе и сопоставляются друг с другом. Ниже приведены основные разделы и ключевые понятия, которые в них рассматриваются.
1. Основные понятия
В данном разделе закладываются основы всей области знаний путем определения её наиболее базовых физических понятий. Здесь дается формальное определение вибрация как изменение во времени величины, характеризующей движение или положение механической системы, когда эта величина попеременно превышает и не достигает некоторого среднего значения. Это отличает колебания от shock — переходное возбуждение, при котором равновесие системы нарушается за время, короче её собственного периода, — и от oscillation— это общий термин, обозначающий любую величину, которая изменяется таким образом, совершая колебания вперед-назад. Важно отметить, что он также определяет три физических свойства, определяющих характер колебаний любой системы: mass (inertia), свойство, противодействующее ускорению; жесткость, свойство, обеспечивающее сопротивление деформации; и демпфирование, свойство, которое рассеивает энергию и приводит к затуханию свободных колебаний. Идея степени свободы — количество независимых координат, необходимых для описания движения системы, — также рассматривается в данной статье.
2. Параметры вибрации и ударов
В этой главе даны определения величин, используемых для измерения и описания колебательного движения. Частота — это количество циклов периодического движения, совершаемых за единицу времени, измеряемое в герцах (Гц). Амплитуда — это максимальное значение колебательной величины. Затем в стандарте дается определение трёх основных параметров движения, которые связаны между собой посредством дифференцирования и интегрирования: перемещение (на какое расстояние смещается точка), скорость (насколько быстро он движется), и ускорение (скорость изменения скорости, напрямую связанная с силами, действующими на систему). Кроме того, в ней определяются различные способы количественной оценки амплитуды реального сигнала: от пика до пика (полный диапазон от максимального положительного значения до максимального отрицательного), пик (максимальное значение, измеренное от нуля), и Среднеквадратичное значение (RMS), который чаще всего используется для оценки общей интенсивности вибрации, поскольку он связан с энергетическим содержанием сигнала. Эти определения напрямую лежат в основе предельных значений скорости, заложенных в современных стандартах по интенсивности вибрации, таких как ISO 20816 (принявший на смену более старой норме ISO 10816).
3. Приборостроение и измерительная техника
В данном разделе дается определение терминов, относящихся к оборудованию, регистрирующему сигналы вибрации. A преобразователь (или датчик) определяется как устройство, преобразующее механическую величину в электрический сигнал. Затем в стандарте дается определение наиболее распространенных датчиков для мониторинга состояния оборудования: акселерометр, контактный датчик, измеряющий ускорение, и, безусловно, самый универсальный тип общего назначения; а также датчик приближения (вихретоковый датчик) — бесконтактный датчик, измеряющий относительное смещение между наконечником датчика и проводящим объектом, таким как вращающийся вал. Сюда также входят средства обработки сигналов — усилители, фильтры — а также аппаратное и программное обеспечение для сбора данных, которые в совокупности образуют анализаторы, обрабатывающие и отображающие сигналы. Временной эталон, такой как тахометр подпадает под эту категорию, поскольку преобразует вращение вала в импульс, подаваемый один раз за оборот, который служит опорой для измерения фазы.
4. Обработка и анализ сигналов
В этой главе дается определение терминологии математики, с помощью которой исходные данные преобразуются в диагностическую информацию. В ней выделяются две основные области: временная форма сигнала, график зависимости амплитуды от времени, а также спектр (график в частотной области) — график зависимости амплитуды от частоты. Спектральный анализ определяется как процесс разложения временного сигнала на составляющие его частоты, а алгоритм, который его осуществляет, — это FFT (быстрое преобразование Фурье). Здесь также зафиксированы основные спектральные характеристики: гармоники (целые кратные основной частоте) и боковые полосы (частоты, расположенные симметрично вокруг центральной частоты). То же самое касается и принципов, обеспечивающих защиту цифровых измерений от искажений — элайзинг, ложные низкочастотные составляющие, возникающие при слишком низкой частоте дискретизации, и оконное преобразование, функция взвешивания, применяемая для уменьшения спектральной утечки.
5. Характеристики систем (модальный анализ)
В данном разделе даны определения терминов, характеризующих динамические свойства конструкции. A собственной частоте ротора — это частота, с которой система будет колебаться, если её сместить из положения равновесия и затем отпустить, чтобы она могла двигаться свободно. Когда частота внешнего воздействия совпадает с собственной частотой, резонанс происходит — что определяется как состояние максимальной амплитуды колебаний. В этой главе также дается определение терминологии экспериментального модального анализа, включая форма колебаний (характерная картина деформации конструкции при заданной собственной частоте) и частотно-амплитудная характеристика (FRF)— показатель взаимосвязи между входными и выходными сигналами системы, который используется для определения её собственных частот и коэффициента демпфирования.
6. Мониторинг состояния и диагностика
В этой заключительной главе даны определения терминов, лежащих в основе практического применения анализа вибрации в техническом обслуживании. Мониторинг состояния — это процесс мониторинга параметра состояния оборудования (в данном случае — вибрации) с целью выявления значительных изменений, свидетельствующих о зарождающейся неисправности. На этой основе диагностика — это процесс использования данных мониторинга для определения конкретной неисправности, места её возникновения и степени её серьезности. В стандарте также вводится перспективная концепция prognostics — прогнозирование будущего состояния оборудования и оставшегося срока службы. Наконец, в ней определены статистические показатели, рассчитываемые на основе сигнала вибрации для выявления неисправностей подшипников и зубчатых передач на ранней стадии, в частности коэффициент пика и куртозис.
3. Место стандарта ISO 2041 среди других стандартов
Стандарт ISO 2041 специально разработан как вспомогательный документ, а не как процедура или нормативный документ, и эта роль придает ему три вида значимости:
- Междисциплинарное взаимодействие: он обеспечивает единый язык для инженеров-механиков, специалистов по надежности, техников, производителей приборов и ученых, благодаря чему термин имеет одинаковое значение как в конструкторском бюро, так и в испытательной лаборатории или при техническом обслуживании.
- Справочник по другим стандартам: это терминологическая основа практически для всех других документов ISO, посвященных вибрации и мониторингу технического состояния. Стандарты, касающиеся процедур — это ISO 21940-11 допуски на балансировку, предельные значения виброскорости по ISO 20816-3, процедуры контроля по стандарту ISO 13373-1 и ISO 17359 рекомендации по мониторингу состояния — все они опираются на существующие определения, а не дают новых определений базовых терминов.
- Образовательная основа: для всех, кто изучает эту область, это авторитетный источник правильной терминологии, который соответствует объему знаний, проверяемому в рамках систем сертификации персонала, таких как ISO 18436-2.
4. Применение лексики в полевых исследованиях
Стандарт словарного запаса оправдывает себя именно в тот момент, когда результаты необходимо зафиксировать в письменном виде или сравнить между людьми. Когда речь идет о таком портативном устройстве, как Balanset-1A используется для балансировки вентилятора или насоса в его собственных подшипниках, каждая величина, которую он фиксирует — амплитуда 1× и фаза, скорость в миллиметрах в секунду, остаточная дисбаланс проверенный на соответствие классу ISO 21940-11 — имеет именно то значение, которое ему присваивает стандарт ISO 2041. Именно это общее определение позволяет диагностическое заключение генерируемые на месте, могли быть однозначно интерпретированы сторонним инженером по надежности спустя несколько месяцев, а также что позволяет двум аналитикам, использующим разные приборы, прийти к единому мнению о том, прошла ли машина испытания. На практике этот словарь представляет собой «невидимый» слой, лежащий в основе каждого измерения, который превращает цифры в утверждения, которые все интерпретируют одинаково.
5. Доступ к полному тексту стандарта
Приведенное выше краткое изложение отражает структуру документа и наиболее важные определения, однако оно не заменяет сам документ. Полный текст стандарта ISO 2041 содержит полный набор формальных определений, математических символов, единиц измерения и точную формулировку, на которую ссылаются другие стандарты в качестве нормативной. Это издание защищено авторским правом и должно быть приобретено у Международной организации по стандартизации или уполномоченного национального органа по стандартизации; оно периодически пересматривается, поэтому при работе с контрактами или обеспечении соответствия требованиям всегда следует убедиться, что вы используете текущее издание, а не старую версию. Для повседневного чтения и обучения соответствующие записи в этом глоссарии подробно раскрывают каждое понятие, упомянутое в стандарте.
