Виброанализ (ISO 10816/20816) — предиктивное обслуживание подшипников двигателей и насосов

Руководство о тепловизионных камерах описывает одну технику предиктивного обслуживания для электрических соединений. Вращающееся оборудование — двигатели, насосы, вентиляторы — имеет собственную, отдельную технику предиктивного обслуживания: виброанализ, стандартизированный в серии ISO 10816 / ISO 20816. Эта статья описывает, как работают зоны оценки этого стандарта, и почему конкретное состояние подшипника, стоящее за растущим показанием вибрации, требует большего, чем просто одно общее число.

Что на самом деле измеряется

Датчик вибрации (обычно акселерометр, установленный на или вблизи корпуса подшипника) измеряет механическую вибрацию, и для общей оценки состояния по ISO 10816/20816 сигнал обычно выражается как среднеквадратичная (RMS) виброскорость в мм/с, в определённой полосе частот (обычно приблизительно 10–1000 Гц). Скорость используется вместо сырого ускорения или перемещения, поскольку она хорошо коррелирует, в широком диапазоне размеров и частот вращения машин, с усталостно значимой механической нагрузкой в машине.

ISO 10816 → ISO 20816: та же концепция, перенумерованный стандарт

ISO 10816 (общие руководящие принципы плюс машиноспецифичные части) постепенно заменяется примерно с 2016–2017 года серией ISO 20816 без изменения лежащей в основе концепции: общая интенсивность вибрации оценивается по границам зон, которые зависят от класса машины (в общих чертах по номинальной мощности и жёсткости фундамента), а не по одному универсальному числу для всех машин.

Четыре зоны оценки

Примечание: конкретные границы мм/с RMS между этими зонами различаются в зависимости от класса машины (малые машины, средние машины на жёстком фундаменте, крупные машины, машины на гибком/мягком фундаменте) — эта статья описывает концепцию, а не одно число, применимое к каждой машине; применимая машиноспецифичная часть ISO 20816 (или собственные пределы производителя) даёт верную границу для конкретной установки.

Абсолютный уровень против тренда: почему одномоментное измерение недостаточно

Одно измерение вибрации, сравниваемое только с таблицей зон, показывает, где машина находится сегодня относительно только что введённой в эксплуатацию машины — но мало говорит о том, насколько быстро меняется состояние. Тот же практический принцип, используемый при тренде тока утечки и оценке дельта-T при тепловизионной съёмке, в равной мере применим к вибрации: машина, годами стабильно работавшая в зоне B и внезапно показавшая восходящий тренд, — более сильный и более ранний предупреждающий сигнал, чем просто пересечение абсолютной границы зоны B/C. Задокументированное базовое измерение, выполненное вскоре после ввода в эксплуатацию, когда машина заведомо исправна, делает последующий тренд значимым.

Определение причины: характерные частоты повреждения подшипников

Общее значение виброскорости сигнализирует о том, что что-то изменилось, но не автоматически о том, что именно. Частотный анализ (FFT) того же сигнала вибрации позволяет различить принципиально разные первопричины:

• 1× частота вращения — доминирующий пик обычно указывает на дисбаланс ротора.
• 2× частота вращения — часто указывает на несоосность (в сочетании с 1×).
• Характерные частоты дефектов подшипника — частота прохождения тел качения по наружному кольцу (BPFO), частота прохождения тел качения по внутреннему кольцу (BPFI), частота вращения тела качения (BSF) и частота вращения сепаратора (FTF), каждая рассчитывается из собственной геометрии подшипника и частоты вращения вала — пик на одной из этих конкретных частот указывает на дефект именно этого элемента подшипника (наружное кольцо, внутреннее кольцо, тело качения или сепаратор), задолго до того, как повреждение станет достаточно большим, чтобы поднять общий широкополосный уровень вибрации.

Соотношение с электрическим повреждением подшипников (другой механизм отказа)

Повреждение подшипника не всегда имеет механическое происхождение. Руководство о токах подшипников в частотных преобразователях описывает электроэрозию (EDM) дорожек качения подшипников, вызванную синфазным напряжением от частотного преобразователя — отдельный механизм отказа, обнаруживаемый другой техникой (измерение напряжения вала или тока подшипника, а не виброанализ). К тому моменту, когда связанная с EDM рифлёность (fluting) становится явно видимой в спектре вибрации, электрическая первопричина обычно уже действует некоторое время; обе техники являются дополняющими, а не взаимозаменяемыми.

Практическая значимость

Для программы предиктивного обслуживания критического вращающегося оборудования (насосы, вентиляторы, двигатели) базовое измерение вибрации при вводе в эксплуатацию, периодическое измерение тренда относительно собственного базового значения машины, и диагностика на основе FFT, как только тренд входит в зону C, дают значительно более раннее и более конкретное предупреждение, чем ожидание только абсолютной сигнализации вибрации — аналогично тому, как тренд дельта-T при тепловизионном обследовании даёт более раннее предупреждение, чем одно абсолютное измерение температуры.

Типичные ошибки

1. Оценка состояния по одному абсолютному измерению без базового значения или тренда — машина может уже стабильно деградировать, в то время как каждое отдельное измерение ещё попадает в зону B.
2. Непоследовательный монтаж акселерометра между измерениями (магнитное основание под другим углом или в другом месте, неплотный контакт) — это изменяет высокочастотный отклик измерения и делает сравнение тренда недействительным.
3. Применение границ зон для жёстко смонтированного класса машины к машине на гибком/мягком фундаменте — верная граница для этого класса измеримо отличается, и использование неверной таблицы даёт необоснованное одобрение или необоснованную тревогу.
4. Путаница между вибрацией на частоте 1×/2× вращения (дисбаланс, несоосность) и специфичной для подшипника частотой дефекта — они указывают на совершенно разные корректирующие действия (балансировка/центровка против замены подшипника), и неверный диагноз приводит к неверному ремонту.

Связанные материалы

• Тепловизионная камера — степень черноты и отражённая температура
• Критерии оценки дельта-T при тепловизионной съёмке и срочность
• Тренд тока утечки как предиктивное обслуживание
• Токи подшипников в частотных преобразователях и электрически изолированные подшипники
• Измерение пускового тока двигателя (locked-rotor current)