Phân tích toàn diện về ISO 20816-3: Đo lường, đánh giá và triển khai thiết bị thông qua hệ thống Balanset-1A

Tóm tắt điều hành

Lĩnh vực công nghiệp đã chứng kiến một sự thay đổi mô hình đáng kể trong việc tiêu chuẩn hóa giám sát tình trạng máy móc. Việc giới thiệu ISO 20816-3:2022 đánh dấu sự hợp nhất và hiện đại hóa các phương pháp trước đây, cụ thể là tích hợp đánh giá rung động vỏ máy (trước đây là ISO 10816-3) và rung động trục quay (trước đây là ISO 7919-3) vào một khung khổ thống nhất và nhất quán. Báo cáo này cung cấp phân tích chi tiết về ISO 20816-3, phân tích các chương, phụ lục quy phạm và nguyên lý vật lý của tiêu chuẩn. Hơn nữa, báo cáo tích hợp đánh giá kỹ thuật chi tiết về máy phân tích và cân bằng rung động di động Balanset-1A, minh họa cách thiết bị này hỗ trợ tuân thủ các yêu cầu nghiêm ngặt của tiêu chuẩn. Thông qua sự kết hợp giữa lý thuyết xử lý tín hiệu, nguyên lý kỹ thuật cơ khí và quy trình vận hành thực tế, tài liệu này đóng vai trò là hướng dẫn chính thức cho các kỹ sư độ tin cậy trong việc điều chỉnh chiến lược giám sát tình trạng thiết bị theo các tiêu chuẩn tốt nhất toàn cầu, sử dụng thiết bị đo lường chính xác cao và dễ tiếp cận.

Phần I: Khung lý thuyết của ISO 20816-3

1.1 Sự phát triển của các tiêu chuẩn rung động: Sự hội tụ của ISO 10816 và ISO 7919

Lịch sử tiêu chuẩn hóa rung động được đặc trưng bởi sự chuyển đổi dần dần từ các hướng dẫn phân mảnh, tập trung vào từng bộ phận cụ thể sang đánh giá toàn diện máy móc. Trong quá khứ, việc đánh giá máy móc công nghiệp được chia thành hai hướng. Bộ tiêu chuẩn ISO 10816 tập trung vào việc đo lường các bộ phận không quay, cụ thể là vỏ ổ trục và đế máy, bằng cách sử dụng cảm biến gia tốc hoặc cảm biến vận tốc. Ngược lại, bộ tiêu chuẩn ISO 7919 tập trung vào rung động của trục quay so với ổ trục của chúng, chủ yếu sử dụng các cảm biến dòng điện xoáy không tiếp xúc.

Sự phân tách này thường dẫn đến sự mơ hồ trong chẩn đoán. Một máy móc có thể có rung động vỏ máy ở mức chấp nhận được (Khu vực A theo ISO 10816) trong khi đồng thời gặp phải rung động trục nguy hiểm hoặc không ổn định (Khu vực C/D theo ISO 7919), đặc biệt trong các trường hợp sử dụng vỏ máy nặng hoặc ổ trục màng dầu, nơi đường truyền năng lượng rung động bị suy giảm. ISO 20816-3 giải quyết sự mâu thuẫn này bằng cách thay thế cả ISO 10816-3:2009 và ISO 7919-3:2009.1 Bằng cách tích hợp các quan điểm này, tiêu chuẩn mới thừa nhận rằng năng lượng rung động do lực động học của rotor tạo ra thể hiện khác nhau trên cấu trúc máy tùy thuộc vào độ cứng, khối lượng và tỷ lệ giảm chấn. Do đó, đánh giá tuân thủ hiện nay yêu cầu hai góc nhìn: đánh giá cả dao động tuyệt đối của cấu trúc và, nếu áp dụng, chuyển động tương đối của trục.

Hệ thống Balanset-1A xuất hiện trong bối cảnh này như một công cụ được thiết kế để kết nối các lĩnh vực đo lường khác nhau. Kiến trúc của hệ thống, hỗ trợ cả cảm biến gia tốc piezoelectric cho đo lường trong nhà và đầu vào điện áp trực tiếp cho cảm biến dịch chuyển tuyến tính, phản ánh triết lý hai mặt của loạt tiêu chuẩn ISO 20816.3 Sự hội tụ này đơn giản hóa bộ công cụ của kỹ thuật viên, cho phép một thiết bị duy nhất thực hiện các đánh giá toàn diện hiện được yêu cầu bởi tiêu chuẩn thống nhất.

1.2 Phạm vi và Phạm vi áp dụng: Xác định bối cảnh của ngành máy móc công nghiệp

Chương 1 của ISO 20816-3 quy định chi tiết phạm vi áp dụng của tiêu chuẩn. Tiêu chuẩn này không phải là một quy định chung chung; nó được thiết kế riêng cho các máy móc công nghiệp có công suất trên 15 kW và tốc độ hoạt động từ 120 vòng/phút đến 30.000 vòng/phút.1 Phạm vi hoạt động rộng này bao phủ hầu hết các tài sản quan trọng trong các ngành sản xuất, phát điện và hóa dầu.

Thiết bị được đề cập cụ thể bao gồm:

• Tuabin hơi nước và máy phát điện: Các đơn vị có công suất đầu ra nhỏ hơn hoặc bằng 40 MW được đề cập ở đây. Các đơn vị có công suất lớn hơn (trên 40 MW) thường thuộc phạm vi của ISO 20816-2, trừ khi chúng hoạt động ở tốc độ khác với tần số lưới điện đồng bộ (1500, 1800, 3000 hoặc 3600 vòng/phút).6
• Máy nén khí quay: Bao gồm cả thiết kế ly tâm và thiết kế trục được sử dụng trong các ngành công nghiệp quá trình.
• Tuabin khí công nghiệp: Cụ thể là những tuabin khí có công suất 3 MW trở xuống. Các tuabin khí có công suất lớn hơn được phân loại vào các phần riêng biệt của tiêu chuẩn do đặc tính nhiệt và động lực học đặc thù của chúng.1
• Máy bơm: Bơm ly tâm được điều khiển bằng động cơ điện là thành phần chính của nhóm này.
• Động cơ điện: Tất cả các loại động cơ đều được bao gồm, miễn là chúng được kết nối linh hoạt. Các động cơ được kết nối cứng thường được đánh giá như một phần của hệ thống máy được truyền động hoặc theo các điều khoản cụ thể.
• Quạt và Máy thổi: Rất quan trọng cho hệ thống HVAC và xử lý không khí trong quá trình công nghiệp.6

Loại trừ: Cũng quan trọng không kém là hiểu rõ những gì bị loại trừ. Các máy móc có khối lượng dao động (như máy nén piston) tạo ra các đặc trưng rung động chủ yếu do va đập và mô-men xoắn biến đổi, đòi hỏi phân tích chuyên sâu theo tiêu chuẩn ISO 20816-8. Tương tự, tuabin gió, hoạt động dưới tải trọng khí động học biến đổi mạnh, được quy định bởi tiêu chuẩn ISO 10816-21.7 Các đặc điểm thiết kế cụ thể của Balanset-1A, chẳng hạn như phạm vi đo tốc độ quay từ 150 đến 60.000 vòng/phút 8, hoàn toàn phù hợp với phạm vi 120–30.000 vòng/phút của tiêu chuẩn, đảm bảo rằng thiết bị có khả năng giám sát toàn bộ phổ máy móc áp dụng.

1.3 Hệ thống phân loại máy móc: Vật lý của độ cứng hỗ trợ

Một cải tiến quan trọng được giữ lại từ các tiêu chuẩn trước đây là việc phân loại máy móc dựa trên độ cứng của khung đỡ. Tiêu chuẩn ISO 20816-3 chia máy móc thành các nhóm không chỉ dựa trên kích thước mà còn dựa trên hành vi động học.

1.3.1 Phân loại nhóm theo sức mạnh và quy mô

Tiêu chuẩn phân loại máy móc thành hai nhóm chính để áp dụng các giới hạn mức độ nghiêm trọng phù hợp:

• Nhóm 1: Máy móc có công suất định mức trên 300 kW hoặc máy điện có chiều cao trục vượt quá 315 mm. Những máy móc này thường có rotor lớn và tạo ra lực động học đáng kể.9
• Nhóm 2: Máy móc cỡ trung bình có công suất định mức từ 15 kW đến 300 kW, hoặc máy điện có chiều cao trục từ 160 mm đến 315 mm.10

1.3.2 Độ linh hoạt của hỗ trợ: Cứng nhắc so với Linh hoạt

Sự phân biệt giữa “hỗ trợ cứng” và “hỗ trợ linh hoạt” là vấn đề vật lý, không chỉ liên quan đến vật liệu xây dựng. Một hỗ trợ được coi là cứng trong một hướng đo cụ thể nếu tần số tự nhiên đầu tiên (cộng hưởng) của hệ thống máy-hỗ trợ kết hợp cao hơn đáng kể so với tần số kích thích chính (thường là tốc độ quay). Cụ thể, tần số tự nhiên phải cao hơn ít nhất 25% so với tốc độ hoạt động. Ngược lại, các hỗ trợ linh hoạt có tần số tự nhiên có thể gần hoặc thấp hơn tốc độ hoạt động, dẫn đến hiện tượng khuếch đại cộng hưởng hoặc hiệu ứng cách ly.10

Sự phân biệt này rất quan trọng vì các giá đỡ linh hoạt tự nhiên cho phép biên độ dao động cao hơn với cùng một lực kích thích bên trong (sự mất cân bằng). Do đó, giới hạn dao động cho phép đối với các giá đỡ linh hoạt thường cao hơn so với các giá đỡ cứng. Balanset-1A hỗ trợ xác định đặc tính của giá đỡ thông qua khả năng đo pha. Bằng cách thực hiện thử nghiệm tăng tốc hoặc giảm tốc (sử dụng tính năng biểu đồ “RunDown” được đề cập trong thông số kỹ thuật phần mềm 11), nhà phân tích có thể xác định các đỉnh cộng hưởng. Nếu đỉnh dao động xuất hiện trong phạm vi hoạt động, giá đỡ có tính linh hoạt động lực học; nếu phản ứng phẳng và tuyến tính cho đến tốc độ hoạt động, nó là cứng. Khả năng chẩn đoán này cho phép người dùng chọn bảng đánh giá chính xác trong ISO 20816-3, tránh báo động giả hoặc bỏ sót lỗi.

Phần II: Phương pháp đo lường và Vật lý

Chương 4 của ISO 20816-3 quy định các yêu cầu thủ tục nghiêm ngặt cho việc thu thập dữ liệu. Độ chính xác của bất kỳ đánh giá nào hoàn toàn phụ thuộc vào độ chính xác của phép đo.

2.1 Vật lý thiết bị đo lường: Lựa chọn cảm biến và phản ứng

Tiêu chuẩn yêu cầu sử dụng thiết bị đo lường có khả năng đo tốc độ dao động trung bình bình phương (r.m.s.) dải tần rộng. Phản ứng tần số phải phẳng trong khoảng từ 10 Hz đến 1.000 Hz đối với máy móc thông thường.12 Đối với máy móc tốc độ thấp (hoạt động dưới 600 vòng/phút), giới hạn dưới của phản ứng tần số phải mở rộng xuống 2 Hz để ghi nhận các thành phần quay cơ bản.

Tuân thủ kỹ thuật Balanset-1A:
Máy phân tích rung động Balanset-1A được thiết kế với các yêu cầu cụ thể này. Thông số kỹ thuật của thiết bị liệt kê dải tần số rung động từ 5 Hz đến 550 Hz cho các hoạt động tiêu chuẩn, với các tùy chọn để mở rộng khả năng đo lường.8 Giới hạn dưới 5 Hz là rất quan trọng; nó đảm bảo tuân thủ cho các máy móc hoạt động ở tốc độ chậm như 300 vòng/phút, bao phủ hầu hết các ứng dụng công nghiệp. Giới hạn trên 550 Hz bao phủ các hài âm quan trọng (1x, 2x, 3x, v.v.) và tần số qua cánh cho hầu hết các bơm và quạt tiêu chuẩn. Hơn nữa, độ chính xác của thiết bị được đánh giá ở mức 5% của dải đo toàn phần, đáp ứng yêu cầu về độ chính xác đo lường theo tiêu chuẩn ISO 2954 (Yêu cầu đối với thiết bị đo độ nghiêm trọng của rung động).8

Tiêu chuẩn phân biệt giữa hai loại đo lường chính, cả hai đều được hỗ trợ bởi hệ sinh thái Balanset-1A:

• Cảm biến địa chấn (Cảm biến gia tốc): Các thiết bị này đo rung động tuyệt đối của kết cấu nhà. Chúng nhạy cảm với sự truyền lực qua đế đỡ. Bộ kit Balanset-1A bao gồm hai cảm biến gia tốc đơn trục (thường sử dụng công nghệ dựa trên series ADXL hoặc piezoelectric) với giá đỡ từ tính.14
• Cảm biến không tiếp xúc (Cảm biến khoảng cách): Các thiết bị này đo độ dịch chuyển tương đối của trục. Chúng là thành phần thiết yếu cho các máy móc sử dụng ổ trục màng dầu, nơi trục di chuyển trong khoảng hở.

2.2 Phân tích chi tiết: Dao động trục tương đối và tích hợp cảm biến

Trong khi ISO 20816-3 tập trung chủ yếu vào rung động của vỏ, Phụ lục B cụ thể đề cập đến rung động tương đối của trục. Điều này yêu cầu sử dụng các cảm biến dòng xoáy (cảm biến tiếp xúc). Các cảm biến này hoạt động bằng cách tạo ra một trường tần số vô tuyến (RF) gây ra dòng xoáy trên bề mặt dẫn điện của trục. Điện trở của cuộn cảm biến thay đổi theo khoảng cách khe hở, tạo ra một tín hiệu điện áp tỷ lệ với độ dịch chuyển.15

Tích hợp các cảm biến dòng điện xoáy với Balanset-1A:
Một tính năng độc đáo của Balanset-1A là khả năng tương thích với các cảm biến này. Mặc dù chủ yếu được trang bị cảm biến gia tốc, các đầu vào của thiết bị có thể được cấu hình ở chế độ “Linear” để nhận tín hiệu điện áp từ các bộ điều khiển cảm biến khoảng cách của bên thứ ba (proximitors).3

• Điện áp đầu vào: Hầu hết các cảm biến khoảng cách công nghiệp đều xuất ra điện áp DC âm (ví dụ: nguồn -24V, thang đo 200 mV/mil). Balanset-1A cho phép người dùng nhập các hệ số độ nhạy tùy chỉnh (ví dụ: mV/µm) trong cửa sổ “Cài đặt” (phím F4).3
• Loại bỏ lệch pha DC: Cảm biến khoảng cách có điện áp DC khoảng cách lớn (điện áp phân cực) với tín hiệu rung động AC nhỏ nằm trên đó. Phần mềm Balanset-1A bao gồm chức năng “Loại bỏ DC” để lọc bỏ điện áp khoảng cách, tách biệt tín hiệu rung động động để phân tích so với giới hạn của ISO 20816-3.3
• Độ tuyến tính và hiệu chuẩn: Phần mềm cho phép người dùng định nghĩa các hệ số hiệu chuẩn (ví dụ: Kprl1 = 0.94 mV/µm), đảm bảo rằng giá trị hiển thị trên màn hình laptop tương ứng chính xác với sự dịch chuyển vật lý của trục.3 Tính năng này là không thể thiếu khi áp dụng các tiêu chí của Phụ lục B, được quy định bằng micromet của sự dịch chuyển thay vì milimet trên giây của vận tốc.

2.3 Vật lý của việc lắp đặt: Đảm bảo tính chính xác của dữ liệu

ISO 20816-3 nhấn mạnh rằng phương pháp lắp đặt cảm biến không được làm giảm độ chính xác của phép đo. Tần số cộng hưởng của cảm biến được lắp đặt phải cao hơn đáng kể so với dải tần số quan tâm.

• Gắn giá đỡ: Tiêu chuẩn vàng, cung cấp dải tần số cao nhất (lên đến 10 kHz+).
• Gắn nam châm: Một giải pháp thực tiễn cho việc thu thập dữ liệu di động.

Balanset-1A sử dụng hệ thống gắn từ tính với lực giữ 60 kgf (kilogram-force).17 Lực kẹp cao này là yếu tố quan trọng. Một nam châm yếu có thể gây ra hiệu ứng “dao động” hoặc một bộ lọc thông thấp cơ học, làm suy giảm nghiêm trọng các tín hiệu tần số cao. Với 60 kgf, độ cứng tiếp xúc đủ để đẩy tần số cộng hưởng của bộ phận gắn lên trên phạm vi 1000 Hz quan tâm theo tiêu chuẩn ISO 20816-3, đảm bảo rằng dữ liệu thu thập được là đại diện chính xác cho hành vi của máy móc chứ không phải là hiện tượng do phương pháp gắn gây ra.12

2.4 Xử lý tín hiệu: RMS so với Đỉnh

Tiêu chuẩn quy định việc sử dụng vận tốc trung bình bình phương (RMS) cho các bộ phận không quay. Giá trị RMS là thước đo tổng năng lượng chứa trong tín hiệu rung động và có mối quan hệ trực tiếp với ứng suất mỏi tác động lên các bộ phận của máy móc.

Công thức tính RMS:

V._{giá trị hiệu dụng} √((1/T) ∫₀^T v²(t) dt)

Đối với dao động trục (Phụ lục B), tiêu chuẩn sử dụng độ dịch chuyển đỉnh-đỉnh (S)_trang), đại diện cho tổng độ dịch chuyển vật lý của trục trong khoảng hở của ổ trục.

S_trang = S_max − S_min

Quy trình xử lý Balanset-1A:
Balanset-1A thực hiện các biến đổi toán học này bên trong. Bộ chuyển đổi analog-to-digital (ADC) lấy mẫu tín hiệu thô, và phần mềm tính toán vận tốc RMS cho các phép đo vỏ và độ dịch chuyển đỉnh-đỉnh cho các phép đo trục. Đặc biệt, nó tính toán giá trị băng thông rộng (Overall), tổng hợp năng lượng trên toàn bộ phổ tần số (ví dụ: 10-1000 Hz). Giá trị “Overall” này là số liệu chính được sử dụng để phân loại máy vào các vùng A, B, C hoặc D. Ngoài ra, thiết bị còn cung cấp khả năng FFT (Biến đổi Fourier nhanh), cho phép nhà phân tích xem các thành phần tần số riêng lẻ (1x, 2x, hài) tạo nên giá trị RMS tổng thể, hỗ trợ trong việc chẩn đoán nguồn gốc của rung động.8

2.5 Dao động nền: Thách thức tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

Một khía cạnh quan trọng nhưng thường bị bỏ qua của ISO 20816-3 là việc xử lý rung động nền—rung động được truyền đến máy từ các nguồn bên ngoài (ví dụ: các máy móc lân cận, rung động sàn) khi máy đang dừng hoạt động.

Quy tắc: Nếu dao động nền vượt quá 25% so với dao động được đo khi máy đang hoạt động, hoặc 25% tại ranh giới giữa Khu vực B và C, cần thực hiện các điều chỉnh nghiêm ngặt, hoặc kết quả đo có thể được coi là không hợp lệ.18 Các phiên bản tiêu chuẩn trước đây thường đề cập đến “quy tắc một phần ba”, nhưng ISO 20816-3 đã siết chặt logic này.

Thực hiện quy trình với Balanset-1A:

1. Kỹ thuật viên lắp đặt các cảm biến Balanset-1A lên máy khi máy đang dừng.
2. Sử dụng chế độ “Vibrometer” (phím F5), mức RMS nền được ghi lại.13
3. Máy được khởi động và đưa vào tải. Giá trị RMS hoạt động được ghi lại.
4. So sánh được thực hiện. Nếu tốc độ hoạt động là 4,0 mm/s và nền là 1,5 mm/s (37,5%), thì nền quá cao. Khả năng thực hiện trừ phổ (so sánh phổ của nền với phổ của máy đang hoạt động) của Balanset-1A giúp xác định xem nền có ở tần số cụ thể (ví dụ: 50 Hz từ máy nén gần đó) có thể bị bỏ qua hoặc lọc bỏ bằng cách phân tích tinh thần của nhà phân tích hay không.

Phần III: Tiêu chí đánh giá – Trái tim của tiêu chuẩn

Chương 6 là phần cốt lõi của ISO 20816-3, cung cấp logic quyết định về khả năng chấp nhận của máy móc.

3.1 Tiêu chí I: Độ lớn rung động và phân vùng

Tiêu chuẩn đánh giá mức độ nghiêm trọng của rung động dựa trên giá trị cực đại được quan sát tại vỏ ổ trục. Để hỗ trợ quá trình ra quyết định, tiêu chuẩn này xác định bốn vùng đánh giá:

• Khu A: Dao động của các máy móc mới được đưa vào sử dụng. Đây là “Tiêu chuẩn vàng”. Một máy móc trong khu vực này ở trong tình trạng cơ khí hoàn hảo.
• Khu B: Các máy móc được coi là phù hợp cho hoạt động lâu dài không giới hạn. Đây là phạm vi hoạt động “Xanh” điển hình.
• Khu C: Các máy móc được coi là không phù hợp cho hoạt động liên tục trong thời gian dài. Thông thường, máy móc có thể được vận hành trong một khoảng thời gian giới hạn cho đến khi có cơ hội thích hợp để thực hiện các biện pháp khắc phục (bảo trì). Đây là trạng thái “Vàng” hoặc “Cảnh báo”.
• Khu D: Giá trị rung động trong khu vực này thường được coi là đủ nghiêm trọng để gây hư hỏng cho máy móc. Đây là trạng thái “Đỏ” hoặc “Trip”.5

Bảng 1: Giới hạn vùng đơn giản hóa theo ISO 20816-3 (Tốc độ RMS, mm/s) cho Nhóm 1 và 2

Nhóm máy	Loại nền móng	Giới hạn khu vực A/B	Giới hạn khu vực B/C	Giới hạn khu vực C/D
Nhóm 1 (>300 kW)	Cứng nhắc	2.3	4.5	7.1
	Linh hoạt	3.5	7.1	11.0
Nhóm 2 (15-300 kW)	Cứng nhắc	1.4	2.8	4.5
	Linh hoạt	2.3	4.5	7.1

Lưu ý: Các giá trị này được trích dẫn từ Phụ lục A của tiêu chuẩn và đại diện cho các hướng dẫn chung. Các loại máy cụ thể có thể có giới hạn khác nhau.

Triển khai Balanset-1A:
Phần mềm Balanset-1A không chỉ hiển thị một con số; nó hỗ trợ người dùng một cách có ngữ cảnh. Trong khi người dùng phải chọn lớp, chức năng “Báo cáo” của phần mềm cho phép ghi chép các giá trị này so với tiêu chuẩn. Khi kỹ thuật viên đo được rung động 5.0 mm/s trên bơm 50 kW (Nhóm 2) trên nền móng cứng, giá trị đo của Balanset-1A rõ ràng vượt quá giới hạn vùng C/D (4.5 mm/s), cho thấy cần phải ngừng hoạt động và sửa chữa ngay lập tức.

3.2 Tiêu chí II: Sự thay đổi về độ lớn dao động

Có lẽ tiến bộ quan trọng nhất trong series 20816 là sự nhấn mạnh chính thức vào sự thay đổi của dao động, độc lập với các giới hạn tuyệt đối.

Quy tắc 25%: ISO 20816-3 quy định rằng sự thay đổi về độ lớn dao động lớn hơn 25% của ranh giới vùng B/C (hoặc 25% so với giá trị trạng thái ổn định trước đó) nên được coi là đáng kể, ngay cả khi giá trị tuyệt đối vẫn nằm trong vùng A hoặc B.20

Hậu quả:
Xem xét một quạt hoạt động ổn định ở tốc độ 2,0 mm/s (Khu vực B). Nếu dao động đột ngột tăng lên 2,8 mm/s, nó vẫn kỹ thuật nằm trong Khu vực B (đối với một số loại) hoặc vừa bước vào Khu vực C. Tuy nhiên, đây là sự tăng đột ngột 40%. Sự thay đổi đột ngột như vậy thường cho thấy một chế độ hỏng hóc cụ thể: thành phần rotor bị nứt, trọng lượng cân bằng bị lệch hoặc ma sát nhiệt. Bỏ qua điều này vì “nó vẫn nằm trong vùng an toàn” là công thức dẫn đến hỏng hóc thảm khốc.

Phân tích xu hướng Balanset-1A:
Balanset-1A đáp ứng tiêu chí này thông qua các tính năng “Phục hồi phiên làm việc” và lưu trữ dữ liệu.21 Bằng cách lưu trữ các phiên đo lường, kỹ sư độ tin cậy có thể so sánh dữ liệu hiện tại với các giá trị cơ sở lịch sử. Nếu biểu đồ “Dao động tổng thể” cho thấy sự thay đổi đột ngột, kỹ sư sẽ áp dụng Tiêu chí II. Tính năng “Restore Last Session” đặc biệt hữu ích ở đây; nó cho phép người dùng khôi phục trạng thái chính xác của máy từ tháng trước để xác minh xem ngưỡng 25% có bị vượt qua hay không.

3.3 Giới hạn vận hành: Cài đặt CẢNH BÁO và TỰ ĐỘNG NGỪNG

Tiêu chuẩn cung cấp hướng dẫn về việc thiết lập các hệ thống bảo vệ tự động:

• CẢNH BÁO: Để cảnh báo rằng giá trị rung động đã đạt đến mức đã định hoặc đã xảy ra sự thay đổi đáng kể. Cài đặt được khuyến nghị thường là giá trị cơ sở cộng với 25% của ranh giới Khu vực B/C.
• CHUYẾN ĐI: Để thực hiện hành động ngay lập tức (tắt máy). Thông thường, điều này được thiết lập tại ranh giới Khu vực C/D hoặc cao hơn một chút, tùy thuộc vào tình trạng cơ học của máy.19

Mặc dù Balanset-1A là một thiết bị di động và không phải là hệ thống bảo vệ cố định (như giá đỡ Bently Nevada), nó được sử dụng để xác minh và hiệu chuẩn các mức ngắt mạch này. Kỹ thuật viên sử dụng Balanset-1A để đo rung động trong quá trình tăng tốc có kiểm soát hoặc thử nghiệm mất cân bằng gây ra, nhằm đảm bảo hệ thống giám sát cố định kích hoạt ở các mức rung động vật lý chính xác theo quy định của ISO 20816-3.

Phần IV: Hệ thống Balanset-1A – Phân tích kỹ thuật chi tiết

Để hiểu cách Balanset-1A hoạt động như một công cụ tuân thủ, cần phân tích kiến trúc kỹ thuật của nó.

4.1 Kiến trúc phần cứng

Balanset-1A bao gồm một mô-đun giao diện USB tập trung xử lý tín hiệu analog từ các cảm biến trước khi truyền dữ liệu đã số hóa đến máy tính xách tay chủ.

• Mô-đun ADC: Trung tâm của hệ thống là bộ chuyển đổi tương tự sang số (Analog-to-Digital Converter) có độ phân giải cao. Module này quyết định độ chính xác của phép đo. Balanset-1A xử lý tín hiệu để đạt độ chính xác ±5%, đủ cho chẩn đoán tại hiện trường.8
• Tham chiếu pha (Tachometer): Tuân thủ tiêu chuẩn ISO 20816-3 thường yêu cầu phân tích pha để phân biệt giữa mất cân bằng và lệch trục. Thiết bị Balanset-1A sử dụng cảm biến laser tachometer với phạm vi lên đến 1,5 mét và khả năng đo tốc độ quay lên đến 60.000 vòng/phút.17 Cảm biến quang học này kích hoạt tính toán góc pha, với độ chính xác ±1 độ.
• Công suất và Tính di động: Được cấp nguồn qua cổng USB (5V), thiết bị này có tính an toàn nội tại, không bị ảnh hưởng bởi các vòng lặp đất thường gặp ở các máy phân tích sử dụng nguồn điện lưới. Toàn bộ bộ kit có trọng lượng khoảng 4 kg, khiến nó trở thành một thiết bị thực sự “dùng ngoài trời”, phù hợp để leo lên các giàn giáo để tiếp cận quạt.8

4.2 Khả năng phần mềm: Vượt ra ngoài đo lường đơn giản

Phần mềm đi kèm với Balanset-1A chuyển đổi dữ liệu thô thành thông tin có giá trị, tuân thủ các tiêu chuẩn ISO.

• Phân tích phổ FFT: Tiêu chuẩn đề cập đến “các thành phần tần số cụ thể.” Thiết bị Balanset-1A hiển thị Biến đổi Fourier Nhanh (FFT), phân tích dạng sóng phức tạp thành các sóng sin thành phần của nó. Điều này cho phép người dùng xác định xem giá trị RMS cao là do 1x (sự mất cân bằng), 100x (sự ma sát của bánh răng) hay các đỉnh không đồng bộ (lỗi ổ trục).21
• Biểu đồ cực: Đối với cân bằng và phân tích vectơ, phần mềm vẽ các vectơ dao động trên đồ thị cực. Hình ảnh hóa này là rất quan trọng khi áp dụng các phương pháp hệ số ảnh hưởng cho việc cân bằng.
• Công cụ tính toán dung sai ISO 1940: Trong khi ISO 20816-3 quy định về giới hạn rung động, ISO 1940 quy định về chất lượng cân bằng (độ G). Phần mềm Balanset-1A tích hợp một công cụ tính toán, trong đó người dùng nhập khối lượng và tốc độ của rotor, và hệ thống tính toán giới hạn dao động dư cho phép bằng đơn vị gram-millimet. Điều này giúp kết nối khoảng cách giữa “dao động quá cao” (ISO 20816) và “lượng trọng lượng cần loại bỏ” (ISO 1940).11

4.3 Tương thích cảm biến và cấu hình đầu vào

Như đã đề cập trong nghiên cứu mẫu, khả năng tương tác với các loại cảm biến khác nhau là yếu tố quan trọng.

• Máy đo gia tốc: Các cảm biến mặc định. Hệ thống tích phân tín hiệu gia tốc (g) thành vận tốc (mm/s) hoặc tích phân hai lần thành dịch chuyển (µm) tùy thuộc vào chế độ xem được chọn. Quá trình tích phân này được thực hiện kỹ thuật số để giảm thiểu sự trôi nhiễu.
• Cảm biến dòng điện xoáy: Hệ thống chấp nhận tín hiệu analog từ 0-10V hoặc tương tự. Người dùng phải cấu hình hệ số chuyển đổi trong cài đặt. Ví dụ, một đầu dò tiêu chuẩn Bently Nevada có thể có hệ số tỷ lệ 200 mV/mil (7,87 V/mm). Người dùng nhập độ nhạy này, và phần mềm Balanset-1A sẽ quy đổi điện áp đầu vào để hiển thị độ dịch chuyển theo micromet, cho phép so sánh trực tiếp với Phụ lục B của ISO 20816-3.3.

Phần V: Triển khai vận hành: Từ chẩn đoán đến cân bằng động

Phần này mô tả quy trình vận hành tiêu chuẩn (SOP) cho kỹ thuật viên sử dụng Balanset-1A để đảm bảo tuân thủ tiêu chuẩn ISO 20816-3.

5.1 Bước 1: Đo lường cơ sở và phân loại

Kỹ thuật viên tiếp cận quạt ly tâm công suất 45 kW.

• Phân loại: Công suất > 15 kW, < 300 kW. Đây là Nhóm 2. Nền móng được cố định bằng bulong vào bê tông (cứng).
• Xác định giới hạn: Theo Phụ lục A của ISO 20816-3 (Nhóm 2, Cứng), giới hạn giữa Khu vực B và C là 2,8 mm/s.
• Đo lường: Các cảm biến được lắp đặt bằng các đế từ tính. Chế độ “Vibrometer” của Balanset-1A đã được kích hoạt.
• Kết quả: Tốc độ đọc là 6,5 mm/s. Đây là khu vực C/D. Cần có hành động.

5.2 Bước 2: Phân tích chẩn đoán

Sử dụng chức năng FFT của Balanset-1A:

• Biểu đồ phổ cho thấy một đỉnh chính tại tốc độ quay (1x RPM).
• Phân tích pha cho thấy góc pha ổn định.
• Chẩn đoán: Sự mất cân bằng tĩnh. (Nếu pha không ổn định hoặc có hài cao, có thể nghi ngờ do sai lệch hoặc lỏng lẻo).

5.3 Bước 3: Quy trình cân bằng (tại chỗ)

Vì chẩn đoán là mất cân bằng, kỹ thuật viên sử dụng chế độ cân bằng của Balanset-1A. Tiêu chuẩn yêu cầu giảm rung động xuống mức Zone A hoặc B.

5.3.1 Phương pháp ba lần chạy (Hệ số ảnh hưởng)

Balanset-1A tự động hóa các phép toán véc-tơ cần thiết cho quá trình cân bằng.

• Chạy 0 (Ban đầu): Đo biên độ A₀ và pha φ₀ của dao động ban đầu.
• Chạy 1 (Trọng lượng thử nghiệm): Một khối lượng đã biết M_{phiên tòa} được thêm vào với một góc tùy ý. Hệ thống đo lường vectơ rung động mới (A)₁, φ₁).

Tính toán: Phần mềm tính toán Hệ số Ảnh hưởng α, đại diện cho độ nhạy của rô-to đối với sự thay đổi khối lượng.

α = (V₁ − V₀) / M_{phiên tòa}

Sửa lỗi: Hệ thống tính toán khối lượng điều chỉnh cần thiết M._{điều chỉnh} Để loại bỏ dao động ban đầu.

M_{điều chỉnh} = − V₀ / α

Chạy 2 (Xác minh): Trọng lượng thử nghiệm được loại bỏ, và trọng lượng điều chỉnh được tính toán được thêm vào. Dao động dư được đo.

.11

5.4 Bước 4: Xác minh và Báo cáo

Sau khi cân bằng, độ rung giảm xuống còn 1,2 mm/s.
Kiểm tra: 1,2 mm/s nhỏ hơn 1,4 mm/s. Máy hiện đang ở Khu vực A.

Tài liệu: Kỹ thuật viên lưu phiên làm việc trong Balanset-1A. Một báo cáo được tạo ra hiển thị phổ “Trước” (6,5 mm/s) và phổ “Sau” (1,2 mm/s), rõ ràng tham chiếu đến giới hạn của ISO 20816-3. Báo cáo này đóng vai trò là chứng chỉ tuân thủ.

Phần VI: Các vấn đề chuyên môn

6.1 Máy móc tốc độ thấp

ISO 20816-3 có các chú ý đặc biệt dành cho các máy hoạt động dưới 600 vòng/phút. Ở tốc độ thấp, tín hiệu vận tốc trở nên yếu, và dịch chuyển trở thành chỉ số chính để đánh giá ứng suất. Balanset-1A xử lý điều này bằng cách cho phép người dùng chuyển đổi đơn vị hiển thị sang Dịch chuyển (µm) hoặc đảm bảo rằng ngưỡng tần số thấp được đặt ở 5 Hz hoặc thấp hơn (2 Hz là lý tưởng) để ghi lại năng lượng chính. Các “Lưu ý cảnh báo” trong Phụ lục D của tiêu chuẩn cảnh báo không nên dựa hoàn toàn vào tốc độ ở tốc độ thấp 23, một điểm cần lưu ý mà người dùng Balanset-1A phải nắm rõ bằng cách kiểm tra cài đặt “Linear” hoặc bộ lọc tần số thấp.

6.2 Điều kiện tạm thời: Tăng tốc và giảm tốc

Dao động trong quá trình khởi động (hoạt động tạm thời) có thể vượt quá giới hạn trạng thái ổn định do đi qua các tốc độ quan trọng (cộng hưởng). Tiêu chuẩn ISO 20816-3 cho phép giới hạn cao hơn trong các giai đoạn tạm thời này.23

Balanset-1A bao gồm tính năng biểu đồ “RunDown” thử nghiệm.11 Tính năng này cho phép kỹ thuật viên ghi lại biên độ rung động so với tốc độ quay (RPM) trong quá trình giảm tốc. Dữ liệu này rất quan trọng cho:

• Xác định tốc độ cộng hưởng (cộng hưởng).
• Kiểm tra xem máy có vượt qua trạng thái cộng hưởng đủ nhanh để tránh hư hỏng hay không.
• Đảm bảo rằng dao động “cao” thực sự là tạm thời và không phải là trạng thái vĩnh viễn.

6.3 Phụ lục A so với Phụ lục B: Đánh giá kép

Một cuộc kiểm tra tuân thủ kỹ lưỡng thường đòi hỏi cả hai.

• Phụ lục A (Nhà ở): Các biện pháp truyền lực đến kết cấu. Phù hợp cho trường hợp mất cân bằng, lỏng lẻo.
• Phụ lục B (Trục): Đo động học của rotor. Phù hợp để phát hiện sự không ổn định, xoáy dầu và hiện tượng lau chùi.

Kỹ thuật viên sử dụng Balanset-1A có thể sử dụng cảm biến gia tốc để đáp ứng các yêu cầu của Phụ lục A, sau đó chuyển sang sử dụng các cảm biến Bently Nevada hiện có để xác minh tuân thủ Phụ lục B trên một tuabin lớn. Khả năng của Balanset-1A hoạt động như một “ý kiến thứ hai” hoặc “thiết bị xác minh tại hiện trường” cho các thiết bị giám sát cố định trên giá đỡ là ứng dụng quan trọng trong việc đáp ứng cả hai phụ lục.

Conclusion

Sự chuyển đổi sang ISO 20816-3 đánh dấu sự phát triển chín muồi trong lĩnh vực phân tích rung động, đòi hỏi một phương pháp tiếp cận tinh tế hơn, dựa trên cơ sở vật lý trong việc đánh giá máy móc. Nó vượt ra ngoài các con số đơn giản “đạt/không đạt” để tiến vào lĩnh vực phân tích độ cứng của giá đỡ, vectơ thay đổi và các đo lường hai miền (vỏ/trục).

Hệ thống Balanset-1A thể hiện mức độ tương thích cao với các yêu cầu hiện đại. Các thông số kỹ thuật của nó—dải tần số, độ chính xác và tính linh hoạt của cảm biến—khiến nó trở thành một nền tảng phần cứng mạnh mẽ. Tuy nhiên, giá trị thực sự của nó nằm ở quy trình làm việc phần mềm, hướng dẫn người dùng qua logic phức tạp của tiêu chuẩn: từ việc hiệu chỉnh rung động nền và phân loại vùng đến sự nghiêm ngặt toán học của việc cân bằng hệ số ảnh hưởng. Bằng cách kết hợp hiệu quả khả năng chẩn đoán của máy phân tích phổ với sức mạnh điều chỉnh của máy cân bằng động, Balanset-1A giúp các đội bảo trì không chỉ phát hiện sự không tuân thủ với ISO 20816-3 mà còn chủ động khắc phục nó, đảm bảo tuổi thọ và độ tin cậy của cơ sở tài sản công nghiệp.