Стандартизація у сфері вібрації, контролю технічного стану, діагностики та прогнозування ресурсу промислових машин

120

«Вісник СумДУ», №1(73), 2005

Стандартизація у сфері вібрації, контролю технічного стану, діагностики та прогнозування ресурсу промислових машин

А.А. Стеценко**; Б.М. Родельс**; В.О. Залога*, д-р техн. наук; З.А. Здельнік**

* Сумський державний університет

** ДП ”Сумистандартметрологія”

На сучасному етапі реформування та розвитку економічних і соціальних відносин в Україні одним з головних стратегічних завдань є інтеграція в європейські та світові структури, членство в ЄС і входження до Світової організації торгівлі.

Поліпшення економічного стану машинобудівних підприємств України неможливе без підвищення якості й конкурентоспроможності продукції та зниження витрат на її створення.

Перетворення в машинах і механізмах одних видів енергії в інші, зміна форми руху та здійснення робочих процесів пов'язано з появою змінних сил і моментів, що викликають вібрацію. Вона негативно впливає на міцність та зношування виробів, надійність та безпечність машин, несучих конструкцій, споруд і фізіологічний стан людей. При досягненні певних значень вібрація може викликати порушення робочих процесів, призводити до розладу систем керування і регулювання, спотворення показань приладів, посиленого зносу кінематичних пар, поломок деталей та аварій машин. Статистичні дані свідчать, що в більшості випадків ці поломки та аварії відбуваються через вібрацію, що виникає при відхиленні показників режиму роботи машин від допустимих значень, зміні форми та взаємного розміщення деталей, послабленні їх кріплень і посадок, значній неврівноваженості рухомих частин. Зниження вагових і габаритних характеристик, підвищення швидкості та потужності машин приводить до збільшення вібраційних навантажень на їх деталі й вузли, що викликає необхідність контролю вібрації. Зв'язок вібрації з якістю виготовлення та складання машин, зносом деталей і вузлів, режимом роботи, надійністю та безпечністю дозволяє використовувати її характеристики для оцінки технічного стану складових частин машин, прогнозування ресурсу й оптимізації режиму роботи.

Санітарно-гігієнічні норми вібрації машин викладено в ГОСТі 12.2.012, який у цей час переглядається разом з комплексом стандартів, що стосуються впливу вібрації на людину. У загальній структурі цього комплексу (за аналогією до європейських стандартів) виділено три їх типи. Стандарти типу А встановлюють основні правила оцінки загальної та локальної вібрації, типу В - загальні вимоги до проведення випробувань для заяви та підтвердження вібраційних характеристик машин і устаткування. Стандарти типу С розвивають положення стандартів типу В відносно конкретних видів продукції. Європейські стандарти останньої групи називаються тестовими кодами.

Раніше для оцінки працездатності машин багато виготовлювачів установлювали свої норми (на віброактивність, якість виготовлення і технічний стан при експлуатації) виходячи з досвіду роботи машин. В основному нормували загальні значення амплітуди або розмаху віброзміщення корпусів підшипників чи ротора відносно підшипників. Норми на вібростійкість установлювали тільки для спеціальних машин, приладів контролю, будівельних конструкцій. У суднобудуванні нормувалося середньоквадратичне значення віброприскорення в третиннооктавних смугах частот (до 10 кГц) у місцях передавання коливань машини конструкціям судна.

У більшості галузей точного машинобудування як норма віброприскорення, що забезпечує вібростійкість приладів, застосовували величину 0,1g, яка не впливає на роботу приладів. Для роторних машин вона становила 1g, для швидкохідних машин з підшипниками ковзання - від 8g до 10g, що не знижує надійність їх роботи. Вважалося, що будівельні конструкції промислових будівель мають підвищене навантаження, якщо їх віброприскорення перевищує 0,03g [1].

На основі праці німецьких фахівців було розроблено норми вібрації VDI 2056, що охоплюють усю номенклатуру машин, і стандарт ІSО 2372, замінений у 1995-2000 рр. серією стандартів ІSО 10816. У СНД також було розроблено і прийнято стандарти ІSО (з уточненнями та доповненнями) [2-10].

Стандартом ІSО 10816/3 встановлено норми вібрації (середньоквадратичне значення віброшвидкості та віброзміщення) промислових машин (відцентрових компресорів і насосів, електродвигунів усіх типів, промислових газових турбін потужністю до 3 МВт, вентиляторів і повітродувок) для корпусів підшипників. Норми вібрації визначалися потужністю машин або висотою вала, їх типом і класом опор (жорсткі або податливі) у частотному діапазоні від 10 Гц до 1000 Гц (для машин, швидкість яких нижча 600 об/хв, - від 2 Гц до 1000 Гц). Норми встановлено для чотирьох зон оцінки технічного стану (А, В, С і Д). Для забезпечення вимоги безперервної роботи машин протягом 3 років у ІSО 10816/3 порівняно з ІSО 2372 норми для межі зон С/Д більш жорсткі. У стандарті ІSО 10816/3 встановлено два критерії оцінки вібраційного стану машин. За одним оцінюються самі значення, а за іншим - їх зміни. Якщо зміна вібрації перевищує 25% від значення верхньої межі зони В, то вона є істотною.

У ІSО 10816/3 також встановлено обмеження на функціонування машин. Визначено рівні: «попередження» і «зупинка». Рівень «попередження» встановлено відносно деякого базового значення для конкретної машини та певних точок контролю, виходячи з досвіду експлуатації даної машини. Цей рівень рекомендовано встановлювати відносно базового вище на 25% від значення верхньої межі зони В. Рівень «зупинка» встановлено в межах зони С або Д. Він не повинен перевищувати верхню межу зони С більше ніж у 1,25 разу (для вітчизняних машин - це жорсткий критерій). Базове значення вібрації машин рекомендовано періодично (після ремонту, зміни умов експлуатації) уточнювати.

Що стосується машин, які мають легкий з масивними підшипниковими опорами чи гнучкий ротор, доцільно контролювати його вібрацію. Норми вібрації (розмаху віброзміщення) роторів промислових машин встановлено в ІSО 7919/3 [11]. Рівень вібрації вала визначено шляхом вимірювання абсолютної або відносної його вібрації щодо елементів конструкції машини. У випадку, коли критерієм оцінки є зміна вібрації поверхні, на якій встановлено датчик відносної вібрації вала, маємо таке:

- якщо вона мала (менше 20% відносної вібрації вала), то за вимірювану величину може бути взято як відносну, так і абсолютну вібрацію;

- якщо вона становить 20% і більше відносної вібрації вала, слід виміряти абсолютну вібрацію. Якщо остання виявиться більшою за відносну вібрацію, взяти її як вимірювану величину.

Коли критерій оцінки - динамічне навантаження на підшипники, то як вимірювану величину слід брати відносну вібрацію вала.

У випадку, коли критерієм оцінки вібрації поверхні, на якій встановлено датчик, є зазор між статором і ротором, маємо таке:

- якщо вона мала (менше 20% відносної вібрації вала), то за вимірювану величину береться відносна вібрація;

- якщо вона становить 20% і більше відносної вібрації вала, то остання може ще розглядатися як міра заповнення зазору за умови розгляду вібрації поверхні статора, на який встановлено вібродатчик, як повної вібрації статора. Для вібрації ротора, як і для підшипників, може бути встановлено рівень попередження стану.

На сьогодні у сфері діагностики та прогнозування технічного стану розробляються проекти стандартів ІSО [12-21], вимоги яких доцільно знати до моменту їх упровадження в дію.

В Україні розроблені ДСТУ 3160, ДСТУ 3161, ДСТУ 3162 та ДСТУ 3163 [22-25], що відповідають вимогам ІSО 2372 і ІSО 7919/3 та істотно їх доповнюють. Вони і зараз доповнюють вимоги ІSО 10816/3. При введенні цього стандарту в Росії (2000 р.) ДСТУ 3161 і ДСТУ 3163 було включено до його бібліографії. ДСТУ 3162 - поки єдиний стандарт для оцінювання вібраційного стану поршневих компресорів. Ці стандарти України використовуються при сертифікації компресорного устаткування (КУ), оскільки їх вимоги є обов'язковими.

Стандартами України встановлено:

- перелік вібраційних характеристик для оцінювання працездатності компресорів і впливу на працюючих (наведено їх класифікацію та визначення);

- чотири рівні контролю технічного стану машин (за загальними значеннями параметрів вібрації, їх значеннями у третиннооктавних і вузьких смугах та інтенсивністю основних віброакустичних джерел). Норми вібрації складових частин промислових машин для 1-го рівня контролю наведено в таблиці 1;

- метод оцінки технічного стану підшипників за зміною загальних значень віброшвидкості та рівнем субгармонійних коливань, який не повинен перевищувати 0,5 мм/с. Компресори не рекомендується експлуатувати при раптовій та необоротній зміні віброшвидкості на 1 мм/с у двох або більше точках контролю, а також при безперервному її зростанні протягом 2-3 діб на 3 мм/с у будь-якій з точок контролю;

- вимоги до розділів технічної документації КУ щодо вібрації, якості виготовлення та надійності;

- вимоги до режиму роботи компресора під час його випробувань, а також обсяг вібраційних випробувань дослідного зразка;

- методи визначення рівнів гарантованих і базових вібраційних характеристик;

- правила оцінки стабільності якості серійного виробництва (або ремонту) КУ і технічного стану його складових частин при експлуатації;

- вимоги щодо визначення і контролю показників надійності, прогнозування залишкового ресурсу складових частин КУ;

- вимоги щодо захисту обслуговуючого персоналу від вібраційного впливу КУ.

Для оцінки технічного стану проточної частини турбомашин (компресорів, насосів, турбін) та оптимізації режиму їх роботи доцільно контролювати вібрацію в місцях розміщення першого й останнього коліс, на підводі та відводі турбомашин. Для виконання цього контролю в ДСТУ 3161 встановлено норми віброприскорення. У ДСТУ 3162 наведено норми вібрації корінних підшипників, крейцкопфів і циліндрів поршневих компресорів. Для контролю вібрації трубопроводів у ДСТУ 3161 і ДСТУ 3162 встановлено норми віброшвидкості. Рівні віброприскорення трубопроводу слід визначати за результатами розрахунку деформації його конструкції від статичного і динамічного навантаження, а також аналізу відстройки вимушених частот від власних.

Згідно з ДСТУ 3163 зміна інтенсивності основних віброакустичних джерел на 4 - 8дБ у будь-якій точці контролю є попередженням про порушення нормального функціонування машин або істотного відхилення режиму їх роботи від номінального (розрахункового).

На практиці віброзміщення прийнято вимірювати в діапазоні частот від 0 Гц до 10 Гц, віброшвидкість - від 1 Гц до 1000 Гц, віброприскорення - від 1 кГц до 20 кГц. Це дозволяє об'єктивніше оцінювати навантаження на елементи машини.

Вібраційні характеристики машин необхідно визначати при проведенні приймальних, періодичних, типових, сертифікаційних і приймально-здавальних випробувань, а також при експлуатації. Результати обстежень КУ на виробництвах і місцях їх експлуатації, а також експертиза технічних документів показали, що відповідні служби багатьох підприємств дотепер незнайомі зі стандартами або нехтують їх обов'язковими вимогами. Це негативно позначається на показниках надійності та безпечності устаткування, що експлуатується на підприємствах.

У ДСТУ 2826 [26] встановлено вимоги щодо ведення експлуатаційної та ремонтної документації у сфері віброакустики, у тому числі:

- журналу оцінки технічного стану за вібраційними характеристиками та основними показниками призначення (ДСТУ 3161, ДСТУ 3162, ДСТУ 3163);

- паспорта вібраційного навантаження (ГОСТ 12.1.012, ДСТУ 3160);

- паспорта шумового режиму (ГОСТ 12.2.016.1).

Під час приймальних і кваліфікаційних випробувань КУ виготовлювачі повинні визначати вібраційні характеристики його складових частин (перелік встановлено ДСТУ 3160, а точки контролю і методи - ДСТУ 3161, ДСТУ 3162, ДСТУ 3163), основні показники надійності та оцінювати вібраційну безпечність об'єкта дослідження.

При серійному виробництві КУ відповідно до вимог ДСТУ 3163 слід проводити вибірковий вібраційний контроль місячних (або квартальних) партій продукції, що випускається, та оцінювати стабільність її якості. При експлуатації машин рекомендується щоденно контролювати загальні рівні віброшвидкості та віброприскорення підшипників, а також оцінювати інтенсивність основних віброакустичних джерел через 600-1200 годин роботи КУ (періодичність доцільно встановлювати залежно від напрацювання на відмову найслабкішого вузла). При введенні в експлуатацію об'єкта необхідно перевіряти якість його виготовлення або ремонту, а також монтажу і функціонування систем регулювання та контролю, змащення й охолодження.

В Україні через відсутність недорогих технічних засобів і необхідного програмного забезпечення з моніторингу та діагностики, обов'язкової сертифікації якості КУ стримувалося впровадження стандартів ДСТУ 3160, ДСТУ 3161, ДСТУ 3162, ДСТУ 3163, які можна застосовувати також для інших промислових машин (див. ІSО 10816/3). Необхідно тільки уточнити вимоги, що пов'язані з режимами роботи машин.

Таблиця 1 - Нормативні граничні значення вібраційних характеристик промислових машин для чотирьох зон оцінки технічного стану

Інші стандарти щодо вимог безпеки КУ та методів контролю його шумових характеристик наведено в статтях [27, 28].

Висновки

1 Підвищення надійності та безпечності машин завжди було однією з першочергових технічних проблем. Відповідно до нормативних документів України слід визначати і періодично контролювати основні показники надійності та безпечності машин, устаткування. У разі досягнення граничного стану (при якому експлуатація недопустима або недоцільна) вони направляються на ремонт або списуються. Продовження ресурсу техніки до списання і запобігання незапланованим відмовам, а також підвищення безпеки працюючих є одним з найважливіших завдань підприємства.

2 У цей час підприємствам пропонуються різні технічні засоби та програмне забезпечення для моніторингу і діагностики устаткування, при виборі яких необхідно враховувати вимоги стандартів України. Впровадження систем контролю та діагностики машин на підприємствах дозволить підвищити якість виготовлення і ремонту машин, їх надійність і безпечність при експлуатації, знизити витрати на підтримку працездатності, а також вчасно вивести з експлуатації (для ремонту або утилізації).

Summari

The article contains analysis of international and national standards in sphere of vibration, monitoring of technical state, diagnostics and prediction of durability of industrial machines. The maximum acceptable values of vibration characteristics of industrial machines are presented for four zones of evaluation of technical state. The article will be useful for many specialists of enterprises and organizations that deal with activity related to monitoring of technical state, vibration, diagnostics and prediction of resource of industrial machines.

Список Літератури

1. Руководство по эксплуатации строительных конструкций производственных зданий промышленных предприятий / ЦНИИпромзданий. - М.: Стройиздат, 1981. - 56с.

2. ГОСТ 20815-93. Машины электрические вращающиеся. Механическая вибрация некоторых видов машин с высотой оси вращения 56 мм и более. Измерение, оценка и допустимые значения.

3. ГОСТ 25364-97. Вибрация. Агрегаты паротурбинные стационарные. Нормы вибрации опор валопровода и общие требования к проведению измерений.

4. ГОСТ 27165-97. Агрегаты паротурбинные стационарные. Нормы вибрации валопровода и общие требования к проведению измерений.

5. ГОСТ ISO 10816-1-1997. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерения вибрации на невращающихся частях. Часть 1. Общие требования.

6. ISO 10816-2:1996. Вибрация. Оценка состояния машин по результатам измерения вибрации на невращающихся частях. Часть 2. Крупные стационарные паровые турбины и генераторы мощностью свыше 50 МВт и номинальной скоростью 1500, 1800, 3000 и 3600 об/мин.

7. ГОСТ ISO 10816-3-2000 ГОСТ Р ISO 10816-3-99. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерения вибрации на невращающихся частях. Часть 3. Промышленные машины номинальной мощностью свыше 15 кВт и номинальной скоростью вращения от 120 до 15000 об/мин.

8. ГОСТ ISO 10816-4-2002 ГОСТ Р ISO 10816-4-99. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерения вибрации на невращающихся частях. Часть 4. Газотурбинные установки.

9. ISO 10816-5:2000. Вибрация. Оценка состояния машин по результатам измерения вибрации на невращающихся частях. Часть 5. Агрегаты на гидроэлектростанциях и насосных станциях.

10. ISO 10816-6:1995. Вибрация. Оценка состояния машин по результатам измерения вибрации на невращающихся частях. Часть 6. Машины возвратно-поступательного действия номинальной мощностью свыше 100 кВт.

11. ГОСТ ISO 7919-3-2002 ГОСТ Р ISO 7919-3-99. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерения вибрации на вращающихся валах. Промышленные машины и комплексы.

12. ISO 13373-1:2002. Контроль состояния и диагностика машин. Вибрационный контроль состояния машин. Часть 1. Общие методы.

13. ISO/РП 13373-2. Контроль состояния и диагностика машин. Вибрационный контроль состояния машин. Часть 2. Процедуры, анализ и диагностика.

14. ISO/ПМС 13374-1. Контроль состояния и диагностика машин. Методы обработки, передачи и представления данных. Часть 1. Общее руководство.

15. ISO/ПМС 13374-2. Контроль состояния и диагностика машин. Методы обработки, передачи и представления данных. Часть 2. Методы обработки и анализа данных.

16. ISO/ПМС 13379. Вибрация. Интерпретация данных и методы диагностирования с использованием информации, связанной с контролем состояния машины.

17. ISO 13380:2002. Контроль состояния и диагностика машин. Общее руководство по применению результатов измерений рабочих характеристик машин.

18. ISO/ПК 13381-1. Вибрация. Контроль состояния машин. Часть 1. Методы прогнозирования.

19. ISO/ПМС 17359. Контроль состояния и диагностика машин. Общее руководство.

20. ISO/ПМС 18436-1. Контроль состояния и диагностика машин. Обучение и аттестация персонала и аккредитация испытательных лабораторий. Часть 1. Общее руководство.

21. ISO/ПМС 18436-2. Контроль состояния и диагностика машин. Обучение и аттестация персонала и аккредитация испытательных лабораторий. Часть 2. Вибрационный анализ.

22. ДСТУ 3160-95. Компресорне обладнання. Визначення вібраційних характеристик. Загальні вимоги.

23. ДСТУ 3161-95. Компресорне обладнання. Визначення вібраційних характеристик відцентрових компресорів та норми вібрації.

24. ДСТУ 3162-95. Компресорне обладнання. Визначення вібраційних характеристик малих та середніх поршневих компресорів і норми вібрації.

25. ДСТУ 3163-95. Компресорне обладнання. Вібраційні характеристики і захист від вібрації. Правила викладення та оформлення.

26. ДСТУ 2826-94. Станції компресорні стаціонарні. Правила експлуатації та ремонту.

27. Стеценко А.А., Зубарева Т.Ю., Наумов Е.Д. Стандартизация методов определения шумовых характеристик и определение шумобезопасности компрессорного оборудования // Компрессорная техника и пневматика. Ассоциация компрессорщиков и пневматиков. - Санкт-Петербург, 1992. - Вып.1. - С. 32-33.

28. Стеценко А.А., Беззубцева А.М., Стеценко О.А. Стандарты по вопросам безопасности компрессорного оборудования // Труды 2-й Всеукраинской научно-практической конференции по охране труда. - К.: Национальный НИИ охраны труда, 1997. - С. 172-180.