Стандарт ISO 10816-1 та інструментальна реалізація діагностики вібрації за допомогою системи Balanset-1A

Анотація

У цьому звіті представлено комплексний аналіз міжнародних нормативних вимог до стану вібрації промислового обладнання, визначених у стандарті ISO 10816-1 та похідних від нього стандартах. У документі розглядається еволюція стандартизації від ISO 2372 до чинного ISO 20816, пояснюється фізичне значення вимірюваних параметрів та описується методологія оцінки тяжкості стану вібрації. Особлива увага приділяється практичному впровадженню цих правил з використанням портативної системи балансування та діагностики Balanset-1A. Звіт містить детальний опис технічних характеристик приладу, алгоритмів його роботи в режимах віброметра та балансування, а також методичні рекомендації щодо проведення вимірювань для забезпечення відповідності критеріям надійності та безпеки обертового обладнання.

Розділ 1. Теоретичні основи діагностики вібрації та еволюція стандартизації

1.1. Фізична природа вібрації та вибір параметрів вимірювання

Вібрація, як діагностичний параметр, є найбільш інформативним показником динамічного стану механічної системи. На відміну від температури або тиску, які є інтегральними показниками і часто реагують на несправності із затримкою, сигнал вібрації несе інформацію про сили, що діють всередині механізму, в режимі реального часу.

Стандарт ISO 10816-1, як і його попередники, базується на вимірюванні швидкості вібрації. Цей вибір не є випадковим і випливає з енергетичної природи пошкодження. Швидкість вібрації прямо пропорційна кінетичній енергії коливальної маси і, отже, втомним напруженням, що виникають у компонентах машини.

Діагностика вібрації використовує три основні параметри, кожен з яких має свою сферу застосування:

Зсув вібрації (Зсув): Амплітуда коливань, виміряна в мікрометрах (мкм). Цей параметр є критичним для машин з низькою швидкістю та для оцінки зазорів у підшипниках ковзання, де важливо запобігти контакту ротора зі статором. У контексті ISO 10816-1 зміщення має обмежене застосування, оскільки при високих частотах навіть невеликі зміщення можуть генерувати руйнівні сили.

Швидкість вібрації (Швидкість): Швидкість поверхневої точки, виміряна в міліметрах за секунду (мм/с). Це універсальний параметр для діапазону частот від 10 до 1000 Гц, який охоплює основні механічні дефекти: дисбаланс, розбіжність і люфт. ISO 10816 приймає швидкість вібрації як основний критерій оцінки.

Прискорення вібрації (Прискорення): Швидкість зміни швидкості вібрації, вимірювана в метрах на секунду в квадраті (м/с²) або в одиницях g. Прискорення характеризує інерційні сили і є найбільш чутливим до високочастотних процесів (від 1000 Гц і вище), таких як дефекти підшипників кочення на ранній стадії або проблеми із зачепленням шестерень.

ISO 10816-1 зосереджується на широкосмугових вібраціях у діапазоні 10–1000 Гц. Це означає, що прилад повинен інтегрувати енергію всіх коливань у цьому діапазоні та видавати одне значення — середньоквадратичне значення (RMS). Використання RMS замість пікового значення є виправданим, оскільки RMS характеризує загальну потужність коливального процесу в часі, що є більш актуальним для оцінки впливу тепла та втоми на механізм.

1.2. Історичний контекст: від ISO 2372 до ISO 20816

Щоб зрозуміти сучасні вимоги, необхідно проаналізувати їх історичний розвиток.

ISO 2372 (1974): Перший глобальний стандарт, який запровадив класифікацію машин за потужністю. Він визначив класи машин (Клас I – Клас IV) та зони оцінки (A, B, C, D). Хоча він був офіційно скасований у 1995 році, термінологія та логіка цього стандарту все ще широко використовуються в інженерній практиці.

ISO 10816-1 (1995): Цей стандарт замінив ISO 2372 та ISO 3945. Його основною інновацією було більш чітке розмежування вимог залежно від типу фундаменту (жорсткий або гнучкий). Стандарт став “загальним” документом, що визначає загальні принципи (частина 1), тоді як конкретні граничні значення для різних типів машин були перенесені до наступних частин (частина 2 — парові турбіни, частина 3 — промислові машини, частина 4 — газові турбіни тощо).

ISO 20816-1 (2016): Сучасна версія стандарту. ISO 20816 об'єднує серію 10816 (вібрація нерухомих деталей) і серію 7919 (вібрація обертових валів). Це логічний крок, оскільки для повної оцінки критичного обладнання необхідно проаналізувати обидва параметри. Однак для більшості промислових машин загального призначення (вентилятори, насоси), де доступ до валу ускладнений, методологія, заснована на вимірюваннях корпусу, запроваджена в ISO 10816, залишається домінуючою.

Цей звіт зосереджується на стандартах ISO 10816-1 та ISO 10816-3, оскільки ці документи є основними робочими інструментами для діагностики промислового обладнання типу 90% за допомогою портативних приладів, таких як Balanset-1A.

Розділ 2. Детальний аналіз методології ISO 10816-1

2.1. Сфера застосування та обмеження

ISO 10816-1 застосовується до вимірювань вібрації, що проводяться на нерухомих частинах машин (корпуси підшипників, опори, опорні рами). Стандарт не застосовується до вібрації, спричиненої акустичним шумом, і не поширюється на поршневі машини (на них поширюється ISO 10816-6), які генерують специфічні інерційні сили через принцип їх роботи.

Важливим аспектом є те, що стандарт регулює вимірювання на місці — в реальних умовах експлуатації, а не тільки на випробувальному стенді. Це означає, що обмеження враховують вплив реального фундаменту, трубопровідних з'єднань та умов експлуатаційного навантаження.

2.2. Класифікація обладнання

Ключовим елементом методології є поділ усіх машин на класи. Застосування обмежень класу IV до машини класу I може призвести до того, що інженер пропустить небезпечну ситуацію, а навпаки, може призвести до невиправданого вимкнення справного обладнання.

Відповідно до додатка B до стандарту ISO 10816-1, машини поділяються на такі категорії:

Таблиця 2.1. Класифікація машин відповідно до ISO 10816-1

Клас	Опис	Типові машини	Тип фундаменту
Клас I	Окремі частини двигунів і машин, конструктивно пов'язані з агрегатом. Невеликі машини.	Електродвигуни потужністю до 15 кВт. Невеликі насоси, допоміжні приводи.	Будь-який
Клас II	Середні машини без спеціальних фундаментів.	Електродвигуни 15–75 кВт. Двигуни до 300 кВт на жорсткій основі. Насоси, вентилятори.	Зазвичай жорсткий
Клас III	Великі головні двигуни та інші великі машини з обертовими масами.	Турбіни, генератори, насоси великої потужності (>75 кВт).	Жорсткий
IV клас	Великі головні двигуни та інші великі машини з обертовими масами.	Турбогенератори, газові турбіни (>10 МВт).	Гнучкий

Проблема визначення типу фундаменту (жорсткий чи гнучкий):

Стандарт визначає фундамент як жорсткий, якщо перша власна частота системи “машина-фундамент” перевищує основну частоту збудження (частоту обертання). Фундамент є гнучким, якщо його власна частота нижча за частоту обертання.

На практиці це означає:

• Машина, прикріплена болтами до масивної бетонної підлоги цеху, зазвичай належить до класу з жорстким фундаментом.
• Машина, встановлена на віброізоляторах (пружинах, гумових прокладках) або на легкій сталевій рамі (наприклад, верхній конструкції), належить до класу з гнучким фундаментом.

Це розрізнення є критично важливим, оскільки машина на гнучкій основі може вібрувати з більшою амплітудою, не створюючи небезпечних внутрішніх напружень. Тому обмеження для класу IV є вищими, ніж для класу III.

2.3. Зони оцінки вібрації

Замість бінарної оцінки “добре/погано”, стандарт пропонує чотирирівневу шкалу, яка підтримує технічне обслуговування на основі стану.

Зона А (Добре): Рівень вібрації для нововведених в експлуатацію машин. Це еталонний стан, якого слід досягти після монтажу або капітального ремонту.

Зона B (Задовільно): Машини, придатні для безперебійної тривалої експлуатації. Рівень вібрації вищий за ідеальний, але не загрожує надійності.

Зона C (незадовільна): Машини, непридатні для тривалої безперервної експлуатації. Вібрація досягає рівня, при якому починається прискорене зношування компонентів (підшипників, ущільнень). Експлуатація можлива протягом обмеженого часу під посиленим контролем до наступного планового технічного обслуговування.

Зона D (неприйнятна): Рівень вібрації, який може спричинити катастрофічну відмову. Необхідне негайне вимкнення.

2.4. Граничні значення вібрації

У таблиці нижче наведено граничні значення середньоквадратичної швидкості вібрації (мм/с) відповідно до додатка B стандарту ISO 10816-1. Ці значення є емпіричними і слугують орієнтовними, якщо технічні характеристики виробника недоступні.

Таблиця 2.2. Межі зони вібрації (ISO 10816-1 Додаток B)

Межа зони	Клас I (мм/с)	Клас II (мм/с)	Клас III (мм/с)	Клас IV (мм/с)
A / B	0.71	1.12	1.80	2.80
B / C	1.80	2.80	4.50	7.10
C / D	4.50	7.10	11.20	18.00

Аналітична інтерпретація. Розглянемо значення 4,5 мм/с. Для невеликих машин (клас I) це межа аварійного стану (C/D), що вимагає зупинки. Для середніх машин (клас II) це середина зони “потребує уваги”. Для великих машин на жорсткому фундаменті (клас III) це лише межа між зонами “задовільний” і “незадовільний”. Для машин на гнучкому фундаменті (клас IV) це нормальний рівень вібрації під час роботи (зона B).

Цей приклад показує ризик використання універсальних обмежень. Інженер, який застосовує правило “4,5 мм/с — це погано” до всіх машин, може або пропустити несправність невеликого насоса, або безпідставно відхилити великий турбокомпресор.

Розділ 3. Особливості промислових машин: ISO 10816-3

Хоча ISO 10816-1 визначає загальну структуру, на практиці більшість промислових агрегатів (насоси, вентилятори, компресори потужністю понад 15 кВт) регулюються більш конкретною частиною 3 стандарту (ISO 10816-3). Важливо розуміти цю різницю, оскільки Balanset-1A часто використовується для балансування вентиляторів і насосів, що підпадають під дію цієї частини.

3.1. Групи машин в ISO 10816-3

На відміну від чотирьох класів у частині 1, частина 3 поділяє машини на дві основні групи:

Група 1: Великі машини з номінальною потужністю понад 300 кВт. До цієї групи також належать електричні машини з висотою валу понад 315 мм.

Група 2: Середні машини з номінальною потужністю від 15 кВт до 300 кВт. До цієї групи належать електричні машини з висотою валу від 160 мм до 315 мм.

3.2. Граничні значення вібрації в ISO 10816-3

Обмеження тут також залежать від типу фундаменту (жорсткий/гнучкий).

Таблиця 3.1. Граничні значення вібрації відповідно до ISO 10816-3 (RMS, мм/с)

Умова (зона)	Група 1 (>300 кВт) Жорсткі	Група 1 (>300 кВт) Гнучка	Група 2 (15–300 кВт) Жорсткі	Група 2 (15–300 кВт) Гнучкий
A (Новий)	< 2,3	< 3,5	< 1,4	< 2,3
B (Довгострокова експлуатація)	2,3 – 4,5	3,5 – 7,1	1,4 – 2,8	2,3 – 4,5
C (Обмежена робота)	4,5 – 7,1	7,1 – 11,0	2,8 – 4,5	4,5 – 7,1
D (Пошкодження)	> 7.1	> 11,0	> 4.5	> 7.1

Синтез даних. Порівняння таблиць ISO 10816-1 та ISO 10816-3 показує, що ISO 10816-3 встановлює більш суворі вимоги до машин середньої потужності (група 2) на жорстких фундаментах. Межа зони D встановлена на рівні 4,5 мм/с, що збігається з межею для класу I в частині 1. Це підтверджує тенденцію до встановлення більш суворих обмежень для сучасного, швидшого та легшого обладнання. При використанні Balanset-1A для діагностики вентилятора потужністю 45 кВт на бетонній підлозі слід зосередитися на стовпці “Група 2 / Жорсткий” цієї таблиці, де перехід до зони аварійної ситуації відбувається при 4,5 мм/с.

Розділ 4. Апаратна архітектура системи Balanset-1A

Для виконання вимог стандарту ISO 10816/20816 необхідний прилад, який забезпечує точні та повторювані вимірювання і відповідає необхідним діапазонам частот. Система Balanset-1A, розроблена компанією Vibromera, є інтегрованим рішенням, що поєднує функції двоканального аналізатора вібрації та приладу для балансування на місці.

4.1. Канали вимірювання та датчики

Система Balanset-1A має два незалежних канали вимірювання вібрації (X1 і X2), що дозволяє проводити одночасні вимірювання в двох точках або в двох площинах.

Тип датчика. Система використовує акселерометри (вібраційні датчики, що вимірюють прискорення). Це сучасний промисловий стандарт, оскільки акселерометри забезпечують високу надійність, широкий діапазон частот і хорошу лінійність.

Інтеграція сигналу. Оскільки стандарт ISO 10816 вимагає оцінки швидкості вібрації (мм/с), сигнал від акселерометрів інтегрується в апаратне або програмне забезпечення. Це критично важливий етап обробки сигналу, і якість аналого-цифрового перетворювача відіграє ключову роль.

Діапазон вимірювання. Прилад вимірює швидкість вібрації (RMS) в діапазоні від 0,05 до 100 мм/с. Цей діапазон повністю охоплює всі зони оцінки ISO 10816 (від зони A 45 мм/с).

4.2. Характеристики частоти та точність

Метрологічні характеристики Balanset-1A повністю відповідають вимогам стандарту.

Діапазон частот. Базова версія приладу працює в діапазоні 5 Гц – 550 Гц.

Нижня межа 5 Гц (300 об/хв) навіть перевищує стандартну вимогу ISO 10816 у 10 Гц і підтримує діагностику низькошвидкісних машин. Верхня межа 550 Гц охоплює до 11-ї гармоніки для машин з частотою обертання 3000 об/хв (50 Гц), що є достатнім для виявлення дисбалансу (1×), нерівномірності (2×, 3×) та ослаблення. Опціонально діапазон частот може бути розширений до 1000 Гц, що повністю охоплює стандартні вимоги.

Точність амплітуди. Похибка вимірювання амплітуди становить ±5% від повної шкали. Для завдань оперативного моніторингу, де межі зон відрізняються на сотні відсотків, така точність є більш ніж достатньою.

Точність фази. Прилад вимірює фазовий кут з точністю ±1 градус. Хоча фаза не регулюється стандартом ISO 10816, вона має вирішальне значення для наступного етапу — балансування.

4.3. Канал тахометра

Комплект включає лазерний тахометр (оптичний датчик), який виконує дві функції:

• Вимірює швидкість обертання ротора (об/хв) від 150 до 60 000 об/хв (у деяких версіях до 100 000 об/хв). Це дозволяє визначити, чи є вібрація синхронною з частотою обертання (1×) або асинхронною.
• Генерує опорний фазовий сигнал (фазовий маркер) для синхронного усереднення та обчислення кутів корекції маси під час балансування.

4.4. З'єднання та компонування

Стандартний комплект включає кабелі датчиків довжиною 4 метри (опціонально 10 метрів). Це підвищує безпеку під час вимірювань на місці. Довгі кабелі дозволяють оператору залишатися на безпечній відстані від обертових частин машини, що відповідає вимогам промислової безпеки при роботі з обертовим обладнанням.

Розділ 5. Методологія вимірювання та оцінка ISO 10816 за допомогою Balanset-1A

У цьому розділі описано покроковий алгоритм використання приладу Balanset-1A для оцінки вібрації.

5.1. Підготовка до вимірювань

Ідентифікуйте машину. Визначте клас машини (відповідно до розділів 2 і 3 цього звіту). Наприклад, “вентилятор потужністю 45 кВт на віброізоляторах” належить до групи 2 (ISO 10816-3) з гнучким фундаментом.

Встановлення програмного забезпечення. Встановіть драйвери та програмне забезпечення Balanset-1A з наданого USB-накопичувача. Підключіть інтерфейсний блок до USB-порту ноутбука.

Встановіть датчики.

• Встановіть датчики на корпуси підшипників. Не встановлюйте їх на тонкі кришки.
• Використовуйте магнітні основи. Переконайтеся, що магніт міцно тримається на поверхні. Фарба або іржа під магнітом діють як демпфер і знижують показники високої частоти.
• Зберігайте ортогональність: виконуйте вимірювання у вертикальному (V), горизонтальному (H) та осьовому (A) напрямках. Balanset-1A має два канали, тому ви можете вимірювати, наприклад, V і H одночасно на одній опорі.

5.2. Режим віброметра (F5)

Програмне забезпечення Balanset-1A має спеціальний режим для оцінки ISO 10816.

• Запустіть програму.
• Натисніть F5 (або натисніть кнопку “F5 – Віброметр” в інтерфейсі). Відкриється вікно багатоканального віброметра.
• Натисніть F9 (Виконати), щоб розпочати збір даних.

Аналіз показників.

• RMS (загальний): Прилад відображає загальну середньоквадратичну швидкість вібрації (V1s, V2s). Це значення ви порівнюєте з табличними обмеженнями стандарту.
• 1× Вібрація: Прилад вимірює амплітуду вібрації при частоті обертання.

Якщо значення RMS високе (зона C/D), але компонент 1× низький, проблема не полягає в дисбалансі. Можливо, це несправність підшипника, кавітація (для насоса) або електромагнітні проблеми. Якщо RMS близьке до значення 1× (наприклад, RMS = 10 мм/с, 1× = 9,8 мм/с), переважає дисбаланс, і балансування зменшить вібрацію приблизно на 95%.

5.3. Спектральний аналіз (FFT)

Якщо загальна вібрація перевищує обмеження (зона C або D), необхідно визначити причину. Режим F5 включає вкладку «Діаграми».

Спектр. Спектр показує амплітуду в залежності від частоти.

• Домінуючий пік при 1× (частота обертання) вказує на дисбаланс.
• Піки при 2×, 3× вказують на неправильне вирівнювання або ослаблення.
• Високочастотний “шум” або ліс гармонік вказує на дефекти підшипників кочення.
• Частота обертання лопатей (кількість лопатей × об/хв) вказує на аеродинамічні проблеми у вентиляторі або гідравлічні проблеми в насосі.

Balanset-1A забезпечує ці візуалізації, що перетворює його з простого “вимірювача відповідності” на повноцінний діагностичний інструмент.

Розділ 6. Балансування як метод корекції: практичне застосування Balanset-1A

Коли діагностика (на основі 1× домінування в спектрі) вказує на дисбаланс як основну причину перевищення межі ISO 10816, наступним кроком є балансування. Balanset-1A реалізує метод коефіцієнта впливу (метод трьох прогонів).

6.1. Теорія балансування

Дисбаланс виникає, коли центр маси ротора не збігається з його віссю обертання. Це спричиняє відцентрову силу. F = m · r · ω² що генерує вібрацію з частотою обертання. Мета балансування полягає в додаванні коригувальної маси (ваги), яка створює силу, рівну за величиною і протилежну за напрямком до сили дисбалансу.

6.2. Процедура балансування в одній площині

Використовуйте цю процедуру для вузьких роторів (вентиляторів, шківів, дисків).

Налаштування.

• Встановіть датчик вібрації (канал 1) перпендикулярно до осі обертання.
• Встановіть лазерний тахометр і нанесіть одну позначку відбивною стрічкою на ротор.
• У програмі виберіть F2 – Одинарна площина.

Запуск 0 – Початковий.

• Запустіть ротор. Натисніть F9. Прилад вимірює початкову вібрацію (амплітуду та фазу).
• Приклад: 8,5 мм/с при 120°.

Пробіг 1 – Пробна вага.

• Зупиніть ротор.
• Встановіть пробну вагу відомої маси (наприклад, 10 г) в довільному місці.
• Запустіть ротор. Натисніть F9. Прилад реєструє зміну вектора вібрації.
• Приклад: 5,2 мм/с при 160°.

Розрахунок і корекція.

• Програма автоматично розраховує масу і кут корекційного ваги.
• Наприклад, прилад може видати таку команду: “Додайте 15 г під кутом 45° від положення пробної ваги”.”
• Функції Balanset підтримують розділення ваги: якщо ви не можете розмістити вагу в розрахунковому місці, програма розділяє її на дві частини для кріплення, наприклад, на лопатях вентилятора.

Запуск 2 – Перевірка.

• Встановіть розраховане коригувальне навантаження (видаляючи пробне навантаження, якщо цього вимагає програма).
• Запустіть ротор і переконайтеся, що залишкова вібрація знизилася до зони A або B відповідно до ISO 10816 (наприклад, нижче 2,8 мм/с).

6.3. Двоплощинне балансування

Довгі ротори (валы, барабани дробарок) вимагають динамічного балансування у двох площинах корекції. Процедура аналогічна, але вимагає двох датчиків вібрації (X1, X2) і трьох циклів (початковий, пробна вага в площині 1, пробна вага в площині 2). Для цієї процедури використовуйте режим F3.

Розділ 7. Практичні сценарії та інтерпретація (прикладні дослідження)

Сценарій 1: Промисловий витяжний вентилятор (45 кВт)

Контекст. Вентилятор встановлюється на даху на пружинних віброізоляторах.

Класифікація. ISO 10816-3, Група 2, гнучкий фундамент.

Вимірювання. Balanset-1A в режимі F5 показує RMS = 6,8 мм/с.

Аналіз.

• Згідно з таблицею 3.1, межа B/C для “Гнучкого” становить 4,5 мм/с, а межа C/D — 7,1 мм/с.

Висновок. Вентилятор працює в зоні C (обмежена робота), наближаючись до аварійної зони D.

Діагностика. Спектр показує сильний пік 1×.

Дія. Необхідно провести балансування. Після балансування за допомогою Balanset-1A рівень вібрації знизився до 1,2 мм/с (зона A). Поломка була попереджена.

Сценарій 2: Насос для подачі води в котел (200 кВт)

Контекст. Насос жорстко закріплений на масивному бетонному фундаменті.

Класифікація. ISO 10816-3, група 2, жорсткий фундамент.

Вимірювання. Balanset-1A показує RMS = 5,0 мм/с.

Аналіз.

• Згідно з таблицею 3.1, межа C/D для “жорсткого” становить 4,5 мм/с.

Висновок. Насос працює в зоні D (аварійний стан). Значення 5,0 мм/с вже є неприйнятним для жорсткого кріплення.

Діагностика. Спектр показує серію гармонік і високий рівень шуму. Пік 1× низький.

Дія. Балансування не допоможе. Проблема, ймовірно, полягає в підшипниках або кавітації. Насос необхідно зупинити для механічної перевірки.

Розділ 8. Висновок

ISO 10816-1 та її спеціалізована частина 3 забезпечують фундаментальну основу для забезпечення надійності промислового обладнання. Перехід від суб'єктивного сприйняття до кількісної оцінки швидкості вібрації (RMS, мм/с) дозволяє інженерам об'єктивно класифікувати стан машини та планувати технічне обслуговування на основі фактичного стану.

Інструментальна реалізація цих стандартів за допомогою системи Balanset-1A довела свою ефективність. Прилад забезпечує метрологічно точні вимірювання в діапазоні 5–550 Гц (що повністю покриває стандартні вимоги для більшості машин) і пропонує функціонал, необхідний для виявлення причин підвищеної вібрації (спектральний аналіз) та їх усунення (балансування).

Для експлуатаційних компаній впровадження регулярного моніторингу на основі методології ISO 10816 та інструментів, таких як Balanset-1A, є прямою інвестицією у зниження експлуатаційних витрат. Можливість відрізнити зону B від зони C допомагає уникнути як передчасного ремонту справних машин, так і катастрофічних відмов, спричинених ігноруванням критичних рівнів вібрації.

Кінець звіту