Обзор некоторых стандартов ISO/TC 108 в области диагностики машинного оборудования

Апробирование в течение последних десятилетий современных методов обработки и анализа данных, организации контроля и мониторинга технического состояния энергомеханического оборудования, представления и передачи информации и т.п. способствовало разработке рекомендаций по диагностированию, хорошо зарекомендовавших себя в мировой практике. ISO/ТС 108 «Механическая вибрация и удар» разработан ряд международных стандартов, направленных на обеспечение порядка, технологии измерения и контроля состояния вращающихся машин.

Диагностирование машинного оборудования необходимо обеспечивать за счет регистрации и анализа целого комплекса параметров, наиболее полно отражающих техническое состояние конкретного типа машины. В общем случае рекомендуется фиксировать следующие характеристики: температура, давление и степень сжатия, утечка рабочей среды, сила тока и напряжение, сопротивление, входная и выходная мощности, шум и вибрация, давление и расход масла, трибологические свойства масла, вращающий момент, скорость, удлинение деталей, угловое положение, КПД. Анализ вышеуказанных характеристик необходимо проводить совместно, поскольку между ними существует взаимосвязь. Общие требования на сбор и анализ этих данных, методы контроля, критерии и границы зон состояний и другие важные факторы регламентированы в стандарте [1].

В продолжение к изложенному, в стандарте [2] для 9-и основных типов машин (электродвигатели, паровые, авиационные и промышленные газовые турбины, насосы, компрессоры, электрогенераторы, вентиляторы, двигатели внутреннего сгорания) отмечены наиболее типичные неисправности и их симптомы. В табл. 1 на примере компрессора приведена рекомендуемая диагностическая матрица. Из нее видно, что 8 из 10 типовых дефектов компрессора могут быть обнаружены с помощью измерений уровня вибрации.

Контроль этих и других основных диагностических параметров, рассмотренных в стандарте [2], предполагает комплексное использование параметрической, трибологической, вибрационной и других методов диагностики. Их анализ и области применения в современном энергомеханическом оборудовании дан в работе [3].

Особое внимание при диагностировании необходимо уделять обеспечению требуемого уровня достоверности результатов контроля и прогнозирования изменения состояния. В стандарте [4] по бальной шкале регламентированы различные факторы, отражающие возможность обнаружения неисправности, точность диагностирования и прогнозирования, правильность используемого метода при контроле состояния и риск повреждения машины от воздействия неисправности. Указанные основные положения по определению количественных характеристик этих параметров с применением современной вычислительной техники позволяют определить, в том числе, и эффективность системы диагностики.

Практический опыт показал, что для контроля технического состояния узлов машинного оборудования вибрационный метод является одним из наиболее информативных. Основным и одновременно самым простым способом оценки состояния машин является определение их соответствия нормам по интегральному критерию вибрации. Он основан на допущении, что подобные по мощности, высоте оси вращения, частоте вращения, способам установки, условиям монтажа и эксплуатации агрегаты имеют примерно одинаковые допустимые значения механических колебаний при достижении предельного состояния.

Вопросы нормирования вибрации различных типов машин подробно рассмотрены в работе [5], где проанализированы основные национальные стандарты, некоторые из которых являются аутентичным текстом одноименных ISO. Они представляют нормы на вибрацию как на невращающихся частях, так и на вращающихся валах для крупных стационарных паровых турбин и генераторов, различных промышленных машин, газотурбинных установок. В них указано, что в отличие от ранее действовавших ISO 2372, VDI 2056 и других стандартов, в [6, 7] кроме оценки состояния машин по абсолютному значению вибрации (характеризующие зоны состояния A, B, C, D), введен дополнительный критерий по изменению этих значений. Он основан на сравнении измеренной величины широкополосной вибрации с эталонным (опорным) значением каждого узла агрегата в установившемся режиме работы (базовой линией), которое определяется по опыту эксплуатации этой машины. В большинстве случаев считается, что изменения уровня колебаний в сторону увеличения или уменьшения на 25% значения верхней границы зоны В следует рассматривать как существенные, даже когда еще не достигнута граница зоны С по первому критерию. Это предусматривает проведение диагностического обследования с целью выявления причин такого изменения и предотвращения возникновения опасных ситуаций. Важность этого подхода состоит в том, что независимо от исходного уровня вибрации, значимые изменения будут замечены и использованы для диагностирования возникших дефектов.

В дополнение к вопросам нормирования вибрации следует выделить основные положения по поршневым машинам, рассмотренные в международном стандарте [8]. Оценке подвергаются среднее квадратическое значение (СКЗ) виброперемещения, виброскорости и виброускорения в полосе частот от 2 до 1000 Гц. При этом регламентируется расположение контрольных точек для машин с вертикальным, оппозитным и V-образным расположением цилиндров. На рис. 1 со стороны привода показано расположение точек контроля.

В качестве критерия используется интенсивность вибрации, которая определяется максимальным значением из измеренных СКЗ смещения, скорости и ускорения. В табл. 2 показаны границы зон вибрационного состояния машины:

Следует отметить, что в настоящее время обобщены статистические данные только по промышленным и судовым дизельным установкам, которые классифицируются номерами 5, 6, 7. По остальным типам машин, в том числе и газовым поршневым компрессорам, данных пока недостаточно.

В связи с тем, что в настоящее время разработано и введено в действие достаточно много стандартов по вибрационной диагностике, то с целью их систематизации в документе [9] изложены общие требования для виброконтроля машинного оборудования. Обобщены основные положения по выбору аппаратной части: средств измерения (on- или off-line), усилителей сигналов, преобразователей, а также указаны требования по условиям крепления и мест установки датчиков на частях машины. В соответствие со стандартами [6, 7], кратко даны основные рекомендации по проведению измерений абсолютной и относительной широкополосной вибрации.

В качестве дополнительной полезной информации, изложенной в документе [9], следует выделить описание особенностей устройства и применения, типовых рабочих характеристик 3-х основных видов преобразователей: акселерометров, велосиметров и датчиков перемещения. На рис. 2 в графической форме представлены рекомендации по их выбору.

В качестве справочного материала для всех основных промышленных машин указаны контролируемые параметры вибрации, наиболее предпочтительные места установки, ориентация и типы датчиков. Более конкретная информация по контролю и нормам каждого из этих типов машин представлена в указанных ссылках на соответствующие части стандартов ISO 10816 и ISO 7919.

Мониторинг состояния машины требует периодического контроля вибрации в определенных контрольных точках системами on- или off-line. Установленные границы зон состояния, рекомендованные в стандартах [6, 7], необходимо использовать, в том числе и для того, чтобы определить интервал контроля, который изменяется в зависимости от величины наблюдаемой вибрации и/или скорости ее изменения. На рис. 3 показан типовой тренд вибрации, где текущая величина находится в зоне. В зависимости от закона изменения скорости (линейный, нелинейный) и ее величины, временные интервалы могут оставаться прежними или может быть запланирован более частый контроль с последующим проведением диагностирования. Если прогнозируется превышение максимально-допустимой амплитуды до намеченного технического обслуживания, необходимо подтвердить скорость увеличения непрерывным или более частым контролем и перенести срок следующего обслуживания.

В современных стандартах отмечается, что метод определения вибрации в широкой полосе частот в ряде случаев не является достаточным для оценки технического состояния машины. В них показана необходимость применения анализа частотных составляющих вибрации, их фазовых соотношений, огибающей, кепстрального анализа и других методов, нашедших широкое применение. Однако установить соответствующие критерии и нормы оценки технического состояния, ввиду индивидуальных особенностей конструкций узлов и машин в целом пока не представляется возможным. Несмотря на это, в стандартах ISO, разрабатываемых в последнее время, указываются общие рекомендации для применения различных методов анализа. Основные положения для проведения спектрального анализа приведены в [9], где отмечены основные дефекты и гармоники вибрации (1х, 2х и т.д.), на которых они проявляются. Наиболее характерные неисправности машин и соответствующие частотные составляющие показаны в табл. 3. Степень развития этих и других дефектов, определяется путем сравнения текущих спектров с опорными, измеренными при вводе машины в эксплуатацию или после капитального ремонта.