Віброаналіз (ISO 10816/20816) — предиктивне обслуговування підшипників двигунів і насосів

Посібник про тепловізійні камери описує одну техніку предиктивного обслуговування для електричних з'єднань. Обертове обладнання — двигуни, насоси, вентилятори — має власну, окрему техніку предиктивного обслуговування: віброаналіз, стандартизований у серії ISO 10816 / ISO 20816. Ця стаття описує, як працюють зони оцінки цього стандарту, і чому конкретний стан підшипника, що стоїть за зростаючим показанням вібрації, вимагає більшого, ніж просто одне загальне число.

Що насправді вимірюється

Датчик вібрації (зазвичай акселерометр, встановлений на або поблизу корпусу підшипника) вимірює механічну вібрацію, і для загальної оцінки стану за ISO 10816/20816 сигнал зазвичай виражається як середньоквадратична (RMS) віброшвидкість у мм/с, у визначеній смузі частот (зазвичай приблизно 10–1000 Гц). Швидкість використовується замість сирого прискорення чи переміщення, оскільки вона добре корелює, у широкому діапазоні розмірів і частот обертання машин, із втомно значущим механічним навантаженням у машині.

ISO 10816 → ISO 20816: та сама концепція, перенумерований стандарт

ISO 10816 (загальні керівні принципи плюс машиноспецифічні частини) поступово замінюється приблизно з 2016–2017 року серією ISO 20816 без зміни базової концепції: загальна інтенсивність вібрації оцінюється за межами зон, які залежать від класу машини (у загальних рисах за номінальною потужністю та жорсткістю фундаменту), а не за одним універсальним числом для всіх машин.

Чотири зони оцінки

Примітка: конкретні межі мм/с RMS між цими зонами відрізняються залежно від класу машини (малі машини, середні машини на жорсткому фундаменті, великі машини, машини на гнучкому/м'якому фундаменті) — ця стаття описує концепцію, а не одне число, застосовне до кожної машини; застосовна машиноспецифічна частина ISO 20816 (чи власні межі виробника) дає правильну межу для конкретної установки.

Абсолютний рівень проти тренду: чому одномоментне вимірювання недостатнє

Одне вимірювання вібрації, порівняне лише з таблицею зон, показує, де машина перебуває сьогодні відносно щойно введеної в експлуатацію машини — але мало говорить про те, наскільки швидко змінюється стан. Той самий практичний принцип, що використовується при тренді струму витоку та оцінці дельта-T при тепловізійній зйомці, однаковою мірою застосовний до вібрації: машина, що роками стабільно працювала в зоні B і раптово показала висхідний тренд, — сильніший і раніший попереджувальний сигнал, ніж просто перетин абсолютної межі зони B/C. Задокументоване базове вимірювання, виконане невдовзі після введення в експлуатацію, коли машина завідомо справна, робить подальший тренд значущим.

Визначення причини: характерні частоти пошкодження підшипників

Загальне значення віброшвидкості сигналізує про те, що щось змінилося, але не автоматично про те, що саме. Частотний аналіз (FFT) того самого сигналу вібрації дозволяє розрізнити принципово різні першопричини:

• 1× частота обертання — домінуючий пік зазвичай вказує на дисбаланс ротора.
• 2× частота обертання — часто вказує на неспіввісність (у поєднанні з 1×).
• Характерні частоти дефектів підшипника — частота проходження тіл кочення по зовнішньому кільцю (BPFO), частота проходження тіл кочення по внутрішньому кільцю (BPFI), частота обертання тіла кочення (BSF) та частота обертання сепаратора (FTF), кожна обчислюється з власної геометрії підшипника та частоти обертання вала — пік на одній із цих конкретних частот вказує на дефект саме цього елемента підшипника (зовнішнє кільце, внутрішнє кільце, тіло кочення чи сепаратор), задовго до того, як пошкодження стане достатньо великим, щоб підняти загальний широкосмуговий рівень вібрації.

Співвідношення з електричним пошкодженням підшипників (інший механізм відмови)

Пошкодження підшипника не завжди має механічне походження. Посібник про струми підшипників у частотних перетворювачах описує електроерозію (EDM) доріжок кочення підшипників, спричинену синфазною напругою від частотного перетворювача — окремий механізм відмови, що виявляється іншою технікою (вимірювання напруги вала чи струму підшипника, а не віброаналіз). До того моменту, коли пов'язана з EDM рифленість (fluting) стає явно видимою у спектрі вібрації, електрична першопричина зазвичай уже діє певний час; обидві техніки є доповнюючими, а не взаємозамінними.

Практична значущість

Для програми предиктивного обслуговування критичного обертового обладнання (насоси, вентилятори, двигуни) базове вимірювання вібрації під час введення в експлуатацію, періодичне вимірювання тренду відносно власного базового значення машини та діагностика на основі FFT, щойно тренд входить у зону C, дають значно раніше та конкретніше попередження, ніж очікування лише абсолютної сигналізації вібрації — аналогічно тому, як тренд дельта-T при тепловізійному обстеженні дає раніше попередження, ніж одне абсолютне вимірювання температури.

Типові помилки

1. Оцінка стану за одним абсолютним вимірюванням без базового значення чи тренду — машина може вже стабільно деградувати, тоді як кожне окреме вимірювання ще потрапляє в зону B.
2. Непослідовний монтаж акселерометра між вимірюваннями (магнітна основа під іншим кутом чи в іншому місці, нещільний контакт) — це змінює високочастотну відповідь вимірювання і робить порівняння тренду недійсним.
3. Застосування меж зон для жорстко змонтованого класу машини до машини на гнучкому/м'якому фундаменті — правильна межа для цього класу вимірювано відрізняється, і використання неправильної таблиці дає необґрунтоване схвалення чи необґрунтовану тривогу.
4. Плутанина між вібрацією на частоті 1×/2× обертання (дисбаланс, неспіввісність) і специфічною для підшипника частотою дефекту — вони вказують на абсолютно різні коригувальні дії (балансування/центрування проти заміни підшипника), і неправильний діагноз призводить до неправильного ремонту.

Пов'язані матеріали

• Тепловізійна камера — ступінь чорноти та відбита температура
• Критерії оцінки дельта-T при тепловізійній зйомці та терміновість
• Тренд струму витоку як предиктивне обслуговування
• Струми підшипників у частотних перетворювачах та електрично ізольовані підшипники
• Вимірювання пускового струму двигуна (locked-rotor current)