Інтенсивність вібраційних впливів залежить від частоти. Як наслідок, весь діапазон частот коливань розбивають на відрізки (смуги частот) і визначають рівні вібрації для кожної смуги окремо. Як стандартні частотні смуги при оцінці вібраційної безпеки приймають октавні смуги, у яких відношення верхніх граничних частот до нижніх частот дорівнює 2. Кожну октавну смугу прийнято позначати середньогеометричним значенням її граничних частот.
Тут f min – нижня, а f max – верхня гранична частота (Гц).
Ступінь відчуття вібрації оцінюють за законом Вебера-Фехнера логарифмічною відносною величиною – рівнем віброшвидкості L vу децибелах.
Тут V- діюче середньоквадратичне значення віброшвидкості, м/с; V 0 - порогова віброшвидкість, що дорівнює 5 * 10 -8 м / с.
Середньоквадратична віброшвидкість приблизно 1,4 менше амплітудного значення.
Враховуючи зв'язок віброшвидкості та віброприскорення, закон Вебера-Фехнера може бути застосований для оцінювання ступеня відчуття вібрації за допомогою рівня віброприскорення.
Тут а- діюче середньоквадратичне значення віброприскорення, м/с; а 0 - граничне віброприскорення, що дорівнює 3 * 10 -4 м / с.
Вібрації машин та механізмів є складними коливаннями, які можуть бути представлені сумою гармонійних коливань. Вібрацію, як і шум, характеризують спектром октавних смугах частот, який можна представити графічно.
Класифікація вібрації
За способом передачі на людину вібрацію ділять на дві групи.
1. Загальна, яка діє на тіло людини, що сидить або стоїть, і оцінюється в октавних смугах f= 2, 4, 8, 16, 31,5; 63 Гц.
2. Локальна, яка передається через руки на частотах f = 8, 16, 31,5; 63, 125, 250, 500, 1000 Гц.
За джерелом виникнення вібрацію ділять на три категорії:
1. Транспортна (рухливі машини біля).
2. Транспортно-технологічна (крани, навантажувачі).
3. Технологічна (робочі місця).
За часом дії вібрацію поділяють такі категорії.
1. Постійна. Тут величина контрольованого параметра під час спостереження змінюється лише вдвічі;
2. Непостійна. Тут величина контрольованого параметра змінюється більш ніж 2 рази під час спостереження щонайменше 10 хв при вимірі з постійної часу 1 з.
Непостійна вібрація може бути коливається, переривчастою та імпульсною.
2.8. Вібрація. Вплив вібрації на людину та її нормування
При дії вібрації високих рівнів виникають болючі відчуття та патологічні зміни в організмі.
1. Болючі відчуття викликаються резонансом внутрішніх органів, з'являються болі в попереку, а при локальній вібрації - спазм судин, оніміння пальців та кистей рук.
2. При тривалому впливі вібрації можливий розвиток вібраційної хвороби, важка стадія якої невиліковна. Вібрація негативно впливає на ЦНС, виникають головний біль, запаморочення, порушення серцевої діяльності, розлад вестибулярного апарату.
Виділяються три стадії прояву віброхвороби: початкова (Істадія), помірковано виражена (ІІстадія) та виражена (ІІІстадія).
Віброхвороба відноситься до групи захворювань, ефективне лікування яких можливе лише на ранніх стадіях. Відновлення порушених функцій протікає дуже повільно, а особливо важких випадках в організмі наступають незворотні зміни, що призводять до інвалідності.
Таблиця 2.3.
Негативний вплив вібрації на людину
|
Вид змін в організмі |
Симптоми змін |
Результати вібраційної дії |
|
Функціональні Фізіологічні |
Підвищення стомлюваності Збільшення часу рухової реакції Збільшення часу зорової реакції Порушення вестибулярних реакцій та координації рухів Розвиток нервових захворювань Порушення функцій серцево-судинної системи Порушення функцій опорно-рухового апарату Ураження м'язових тканин та суглобів Порушення функцій органів внутрішньої секреції Порушення функцій статевих органів |
Зниження продуктивності праці та якості роботи Виникнення вібраційної хвороби |
Розрізняють технічне та гігієнічне нормування вібрації.
Технічне нормування встановлює допустимі значення вібраційних характеристик машин. Основу гігієнічного нормування становлять критерії здоров'я людини при дії на нього вібрації з урахуванням напруженості та тяжкості праці.
Нормованими показниками вібраційного навантаження на оператора на робочих місцях у процесі праці є такі.
1) при постійній вібрації – спектральні чи кориговані за частотою значення контрольованого параметра;
2) при непостійній вібрації – значення дози вібрації чи еквівалентного коригованого значення контрольованого параметра.
Кориговане за частотою значення контрольованого параметра U визначається за такою формулою:
.
Тут U i -Середнє квадратичне значення контрольованого параметра (віброшвидкості або віброприскорення) в i-ї частотної смуги; n - Число частотних смуг в нормованому діапазоні; k i– ваговий коефіцієнт для i- й частотної смуги для середнього квадратичного значення контрольованого параметра (визначаються ГОСТ та СН).
Доза вібрації D
.
Тут U(t) - Кориговане за частотою значення контрольованого параметра в момент часу t;Т- Час дії вібрації.
Еквівалентне кориговане значення U екввизначається за такою формулою:
.
Зменшення вібрації
Класифікація засобів зменшення вібрації
1. Зменшення вібрації у джерелі виникнення. Ці кошти здійснюють у процесі проектування та будівництва машини. До них відносяться: центрування, динамічне балансування, зміна характеру впливів, що обурюють.
2. Організаційно-технічні заходи, які включають зменшення часу впливу вібрації застосуванням дистанційного керування, скорочення робочого дня, влаштування перерв у роботі.
3. Засоби колективного захисту: віброізолюючі кріплення механізмів та робочих місць, динамічне віброгасіння, демпфування.
4. Засоби індивідуального захисту: віброзахисні рукавиці та взуття.
Для зменшення вібрації застосовують гумові, пружинні або пневматичні віброізолятори, які знижують динамічну силу, що передається від машини на фундамент.
Ефективність віброізоляції L віб(дБ) – це різниця рівнів вібрації на фундаменті при жорсткому N ж(дБ) та еластичному N ел(ДБ) кріпленні машини.
При виборі віброізоляторів вирішують дві задачі: досягнення високої віброізоляції та забезпечення надійності роботи системи.
Малюнок 2.16.
Залежність рівня віброізоляції
від відношення частот вільних та вимушених коливань системи
При зниженні вільної частоти коливань віброізоляція зростає.
F 0 ,f в- Частоти вільних і вимушених коливань, Гц.
При встановленні машини на гумові віброізолятори зазвичай f 0 = 20-50 Гц, але в пружинні – f 0 = 2-6 Гц, тому ефективність пружинних віброізоляторів більша, ніж гумових особливо в діапазоні низьких та середніх частот.
В разі 
з'являється явище резонансу. Як наслідок, встановленню віброізоляторів повинен передувати етап розрахунку їх ефективності.
Якість віброізоляції оцінюється коефіцієнтом передачі при віброізоляції. . Коефіцієнт є відношенням амплітуди вібропереміщення S про(віброшвидкості V про, віброприскорення а про) об'єкта, що захищається до амплітуди тієї ж величини джерела збудження при гармонійній вібрації.
.
Тут fв – частота сили, що змушує; fпро – частота своїх коливань системи на віброізоляторах.
Частота власних коливань системи на віброізоляторах визначається за такою формулою:
.
Тут x ст - Статичне зміщення (осаду) джерела коливань (віброізольованої машини) на віброізоляторах під дією сили тяжіння (см).
Віброізолятори знижують вібрацію при 
.
Крім коефіцієнта віброізоляцію можна оцінити за такою формулою логарифмічної величини віброізоляції L:
.
Ця формула є окремим випадком закону Вебера-Фехнера.
2.9. Електромагнітні випромінювання
Спектр електромагнітних коливань частотою досягає 10 21 Гц. Його поділяють на область неіонезуючих та іонізуючих випромінювань.
До неіонезуючого випромінювання відносять інфрачервоне, видиме (світлове), ультрафіолетове та лазерне випромінювання. У гігієнічній практиці до нього також відносять електричні та магнітні поля.
Джерела електромагнітних полів бувають природні та техногенні.
До природних джерел відносять атмосферну електрику, випромінювання Сонця, електричне та магнітне поля Землі та ін.
До техногенних джерел відносять трансформатори, електродвигуни, телеапаратуру, лінії електропередач, комп'ютери, мобільні телефони та ін.
Зазвичай розглядаються електричні та магнітні поля так званої промислової частоти (50 Гц).
Процес поширення електромагнітного поля має характер хвилі, при цьому в кожній точці простору відбуваються гармонійні коливання напруженості електричного. Eта магнітного Hполів. Вектор Eі Hвзаємно перпендикулярні.
Довжина хвилі λ (м) пов'язана зі швидкістю поширення коливань з(м/с) та частотою f(Гц) співвідношенням:
.
Тут з=3*10 8 м/с – швидкість поширення електромагнітних хвиль повітря.
Напрямок руху потоку енергії визначається вектором Умова-Пойтинга 
.
.
ЕМП викликає підвищене нагрівання тканин людини, і якщо механізм терморегуляції не справляється з цим явищем, то можливе підвищення температури тіла. Тепловий поріг складає 100Вт/м 2 . . Теплова дія найбільш небезпечна для мозку, очей, нирок, кишківника. Опромінення може спричинити помутніння кришталика ока (катаракту).
Під впливом ЕМП змінюються мікропроцеси в тканинах, послаблюється активність білкового обміну, відбувається гальмування рефлексів, зниження кров'яного тиску, а результаті – головний біль, задишка, порушення сну.
При постійній роботі в умовах хронічного впливу ЕМП, що перевищує ПДК, розвиваються порушення функцій нервової, серцево-судинної та дихальної систем, травного тракту, відбуваються зміни в крові. При переважно локальному впливі можуть виявлятися відчуття сверблячки, блідість та синюшність шкірних покривів, набряклість та ущільненість шкіри.
Вплив ЕМІ особливо шкідливий для тканин із слаборозвиненою судинною системою або недостатнім кровообігом (очі, мозок, нирки, шлунок, жовчний та сечовий міхур).
Нормування ЕМП промислової частоти здійснюють за гранично допустимими рівнями напруженості ЕМП частотою 50 Гц залежно від часу перебування в ньому. Регламентується нормування «Санітарними нормами та правилами виконання робіт в умовах впливу електричних полів промислової частоти» та ГОСТ електричним полем, а також СанПіН змінним магнітним полем частоти 50 Гц у виробничих умовах.
Норми встановлюють допустимі значення напруженості E(в/м) в діапазоні радіочастот (3*10 4 -3*10 8 Гц) залежно від часу опромінення окремо для професійної та непрофесійної діяльності, а в діапазоні надвисоких частот нормують інтенсивність I(Вт/м 2), яка чисельно дорівнює модулю вектора Умова-Пойтинга 
.
Перебування в електричному полі напругою до 5 кВ/м включно допускається протягом усього робочого дня. Допустимий час перебування в годиннику в ЕП напруженістю 5-20кВ/м обчислюється за такою формулою:
.
Допустиме перебування в ЕП може бути реалізовано одноразово або дробово протягом усього робочого дня. В решту часу напруженість ЕП не повинна перевищувати 5 кВ/м. При напруженості ЕП 20-25 кВ/м час перебування в ЕП не повинен перевищувати 10 хв. Протягом робочого дня. ПДК напруженості ЕП встановлюється рівним 25 кВ/м.
Гранично допустимі значення ЕП ( Е перед) МП ( H перед) в діапазоні частот від 60кГц-300мГц на робочих місцях встановлюють виходячи з допустимого енергетичного навантаження та часу дії.
Вони можуть бути визначені за такими формулами:
,
де 
– гранично допустимі значення енергетичного навантаження протягом робочого дня.
Ступінь і характер впливу ЕМІ на організм визначаються щільністю потоку енергії, частотою випромінювання, тривалістю впливу, режимом опромінення, розміром поверхні, що опромінюється, індивідуальними особливостями організму і наявністю супутніх факторів.
Вплив на людину електростатичного поля (статичної електрики) пов'язаний із протіканням через людину слабкого струму (кілька мікроампер). При цьому електротравм не буває, проте рефлекторна реакція на струм може призвести до механічної травми, падіння тощо.
Найбільш чутливі до ЕСП центральна нервова система, серцево-судинна система, аналізатори. Вплив ЕСП може виявлятися у дратівливості, головному болі, порушенні сну тощо. Також спостерігаються своєрідні "фобії", зумовлені страхом розряду.
Класифікація методів захисту людини від електромагнітних випромінювань
1. Професійний медичний добір. До роботи з установками електромагнітних випромінювань не допускаються особи молодше 18 років, а також із захворюваннями крові, серцево-судинної системи, очей.
2. Організаційні заходи: захист часом та відстанню; знаки безпеки.
3. Технічні засоби, спрямовані на зниження рівня ЕМП до допустимих значень (екрани, що відбивають і поглинають, плоскі, сітчасті, оболонкові).
4. Засоби індивідуального захисту (комбінезони, капюшони, халати з металізованої тканини, спеціальні окуляри зі склом, покритими напівпровідниковим оловом).
Захист радіочастотного та надвисокочастотного діапазону, що працюють від випромінювань.
Радіочастотний діапазон: 3 * 10 4 -3 * 10 8 Гц.
Надвисокочастотний діапазон: 3*108-3*1012 Гц.
1. Інтенсивність електромагнітних випромінювань I(Вт/м 2) від джерела потужністю Р іст(Вт) зменшується зі збільшенням відстані Rпо залежності:
.
Тому робоче місце оператора має бути максимально віддалено від джерела.
2. Відбивні екрани виготовляють з металів, що добре проводять: міді, алюмінію, латуні, сталі. ЕМП створює на екрані т.зв. струми Фуко, які наводять у ньому вторинне поле, що перешкоджає проникненню у матеріал екрана первинного поля. Ефективність екранування L(дБ) визначається за такою формулою:
.
Тут I,I 1 – інтенсивність ЕМП без екрана та з екраном; L= 50 - 100 дБ.
3. Іноді для екранування ЕМП застосовують металеві сітки. Сітчасті екрани мають меншу ефективність, ніж суцільні. Їх використовують, коли потрібно зменшити інтенсивність (щільність потоку потужності) на 20 – 30 дБ (100 – 1000 разів).
4. Поглинаючі екрани виконують з радіопоглинаючих матеріалів (гума, поролон, волокниста деревина).
5. Багатошарові екрани складаються з немагнітних і магнітних шарів, що послідовно чергуються. В результаті здійснюється багаторазове відображення хвиль, що зумовлює високу ефективність екранування.
Найбільш поширеним джерелом електромагнітного випромінювання у побуті та на роботі останнім часом став комп'ютер.
Визначено такі фактори негативного впливу комп'ютера на людину: - статичні навантаження; навантаження на зір; гіподинамія (порушення функцій організму у зв'язку з обмеженням рухової активності, зниженням сили скорочення м'язів); електромагнітні випромінювання; електричні поля; психологічне навантаження.
Санітарні норми встановлюють граничні значення напруженості електричного та магнітного поля під час роботи на ПК.
Для людей, які регулярно працюють на комп'ютері, встановлені такі тривалості роботи.
Тривалість роботи на ПК без перерви – трохи більше 2 годин.
Тривалість роботи на ПК викладачів – не більше чотирьох годин на день.
Тривалість роботи на ПК студентів – не більше ніж 3 години на день.
При цьому мінімальна відстань від очей до екрана не повинна бути меншою за 50 см.
За порушення встановлених вимог виявляються такі захворювання.
1. Захворювання органів зору – 60%.
2. Хвороби серцево-судинної системи – 60%.
3. Захворювання шлунка – 40%.
4. Шкірні захворювання – 10%.
5. Комп'ютерна хвороба (синдром стресу оператора) – 30%.
Основними параметрами вібрації, що вимірюються для оцінки технічного стану динамічних машин відповідно до ГОСТ ИСО 10816-1, є віброшвидкість, вібропереміщення та віброприскорення. Всім відомо, що в системі СІ як одиниця виміру швидкості приймається [м/с], переміщення – [м] та прискорення – [м/с2]. У разі вібрації динамічних машин, виходячи з існуючих порядків величин даних параметрів вібрації, як одиниці вимірювання вібрації приймаються:
- вібропереміщення (розмах) - [мкм] (мікрон);
- віброшвидкості (СКЗ або амплітуда (пік)) - [мм/с] або [м/с];
- віброприскорення (СКЗ чи амплітуда (пік)) – [м/с 2 ] або g, де g – прискорення вільного падіння (g=9,81 м/с 2).
Віброприскорення, віброшвидкість та вібропереміщення є взаємозалежними величинами і, наприклад, знаючи функцію вібропереміщення, можна одноразовим диференціюванням перейти до функції віброшвидкості, а дворазовим диференціюванням – функції віброприскорення. Правильне і зворотне: одноразовим інтегруванням функції віброприскорення отримаємо функцію віброшвидкості, а дворазовим інтегруванням – функцію вібропереміщення.
Насправді процес диференціювання супроводжується великим зростанням шумів, тому мало застосовується. А інтегрування навпаки дуже точно передає форму сигналу і дуже легко реалізується за допомогою простих електричних кіл. Саме цією обставиною обумовлено широке застосування акселерометрів (вимірників віброприскорення) як основні датчики вібрації.
Віброшвидкість (V - velocity), віброприскорення (А - acceleration), вібропереміщення (D - displacement) пов'язані наступними співвідношеннями:
Як можна бачити з наведених вище формул, величини вібропереміщення значні за величиною в низькочастотній області, а віброприскорення - у високочастотній області при ослабленні в низькочастотній області. Це дуже добре видно при порівнянні одного і того ж сигналу, зробленого віброаналізатором BALTECH VP-3470-Ex, на графіках вібропереміщення, віброприскорення та віброшвидкості (див. рис.1):
 |
 |
 |
| Вібропереміщення | Віброшвидкість | Віброприскорення |
Рис.1 Спектри вібропереміщення (S), віброшвидкості (V) та віброприскорення (A)
З рис.1 можна бачити, що при користуванні графіком вібропереміщення практично відсутня корисна інформація у високочастотній області, аналогічно і з графіком віброприскорення: при гарній інформативності в області високих частот та мінімум інформації в низькочастотній області. Графік ж віброшвидкості має більш менш рівномірний характер і найбільш придатний для вібродіагностики більшості стандартних машин. Однак зустрічаються ситуації, коли рівномірнішим може бути графік вібропереміщення або віброприскорення і, в загальному випадку, завжди вибирають той параметр вібрації, який має найбільш рівномірний характер у всьому частотному діапазоні.
У зв'язку з великим розкидом можливих величин будь-якого стандартного параметра вібрації (віброшвидкості, віброприскорення, вібропереміщення), як одиниця виміру вібрації також приймається децибел (дБ), який визначається як:
L = 20 lg (U/Uo), де L - рівень сигналу в дБ; U - рівень вібрації у звичайних одиницях прискорення, швидкості або усунення; Uo – опорний рівень, що відповідає 0 дБ. Введення децибелу як одиниця виміру вібрації добре ілюструється таблицею 1 відповідності зміни рівня в децибелах з відповідною зміною амплітуд параметра вібрації:
Таблиця 1. Зміна рівня вібрації у децибелах 
Як приклад, наводимо Таблицю 2 відповідності віброшвидкості (дБ) з її амплітудою в стандартних одиницях (мм/с):
Щоб легко оперувати одиницями вимірювання вібрації, радимо пройти навчання на курсі підвищення кваліфікації ТОР-103 «Основи вібродіагностики. Одиниці виміру вібрації» в Навчальному центрі нашої компанії в Санкт-Петербурзі, Астані або Любеку (Німеччина).
Будь-яку працюючу машину в першому наближенні можна розглядати як складну систему коливання з зосередженими параметрами вібрації, які мають складну форму і спектральний склад. Як правило, вібросигнал містить у собі гармонійні, квазігармонічні та випадкові складові. Періодично повторювані (гармонічні та квазігармонічні) складові вібрації можна представити у вигляді сукупності найпростіших гармонічних коливань різної частоти та амплітуди, і точно визначати для них результуючу амплітуду, розмах та інші параметри вібрації. А ось для випадкової вібрації можливе визначення лише інтегральних (усереднених) значень за вибіркою за великий проміжок часу.
- Найпростіші гармонічні коливання
Рис.1 Приклади найпростіших коливальних систем
Рис.2 Графік залежності вібропереміщення від часу за гармонійних коливань.
Гармонічні коливання описуються за синусоїдальним законом: x=A*sin(ωt+φ 0) Де: x - поточна координата; A - Амплітуда коливань; ω – циклічна (кутова) частота; t- Час; φ 0 -Початкова фаза. Тоді миттєва швидкість v v=ẋ=Aωcos(ωt+φ 0) І миттєве прискорення a a=ẋ=-Aω 2 sin(ωt+φ 0) Як можна бачити, параметри вібрації є взаємозалежними величинами, і перехід між ними може бути здійснений операціями диференціювання або інтегрування. Фізичний зміст взаємозв'язку параметрів вібрації можна трактувати так: вібропереміщення характеризує величину деформації об'єкта, віброшвидкість відбиває ступінь втомної міцності, а, по віброприскоренню можна будувати висновки про величині коливальних сил, які діють об'єкт. У зв'язку з тим, що операція диференціювання сигналу супроводжується великим рівнем шуму, а інтегрування позбавлене цієї неприємної обставини, у практиці моніторингу та вібродіагностики динамічних машин найчастіше використовуються акселерометри (датчики прискорення) у парі з пристроями, що інтегрують.
- Одиниці виміру параметрів вібрації
Рис.3 Характеристики амплітуди вібрації
При цьому контроль параметрів вібрації можливий за характеристиками амплітуди вібрації (рис.3):
- Піку – максимальній амплітуді вібрації A ;
- Розмаху (Пік-Пік) – сумі позитивного та негативного піків. Для синусоїдального сигналу розмах точно дорівнює подвоєної пікової амплітуді, а в загальному випадку це не так через несиметрію тимчасової реалізації. До вимірювання розмаху вібропереміщення вдаються, коли критично усунення деталей один щодо одного з точки зору допустимих механічних напруг та зазорів;
- Середньо-квадратичному значенню (СКЗ), що дорівнює квадратному кореню із середнього квадрата амплітуди вібрації:
Величина СКЗ характеризує енергію коливань і використовується у тих випадках, коли необхідно оцінити руйнівний вплив вібрації. Що стосується синусоїдального сигналу СКЗ=A/√2=0,707А. - Середнє значення амплітуди, яке досить рідко сьогодні використовується. Тут просто відзначимо, що середнє значення для гармонійного сигналу дорівнює 0,637 Aі менше величини СКЗ.
Як можна бачити з таблиці 1, подвоєння амплітуди вимірюваного параметра, незалежно від його початкового значення, відповідає зміна рівня 6 дБ, і в шкалі від нуля до 100 дБ можна «укласти» піки, що різняться між собою в 100 тисяч разів. Таким чином, використання логарифмічної шкали в дБ дозволяє на єдиному графіку наочно досліджувати як складові вібрації з великою амплітудою, так і не втрачати з уваги складові з малою амплітудою, що часто несуть корисну діагностичну інформацію. - Вимірювання віброприскорення, вимір віброшвидкості або вимір вібропереміщення - що краще?
Рис.4 Частотні характеристики віброшвидкості, вібросміщення (вібропереміщення) та віброприскорення
Як можна бачити, саме в цьому частотному діапазоні віброшвидкість має рівномірний характер. Але навіть для вирішення деяких завдань віброконтролю необхідно проводити вимірювання у розширеному діапазоні частот. І в даному випадку в області низьких частот (від 0 до 300 Гц) проводять вимір вібропереміщення, а в області високих частот (понад 1000 Гц) - виміри віброприскорення. Що стосується вібродіагностики машин, то більшість дефектів виявляють себе збудженням випадкової високочастотної (ВЧ) вібрації в діапазоні до 20-30 кГц, тому у вібродіагностиці на додаток до вимірювання віброшвидкості в стандартному діапазоні частот (до 1000 Гц) проводять вимірювання віброприскорення в розширеному частотному діапазоні (До 10-20 кГц).
- Датчики параметрів вібрації(дати посиланням на стор. Зі статтею «Датчики вібрації»)
- Точки вимірювання параметрів вібрації
ГОСТ ИСО 10816-1-97
Група Т34
МІЖДЕРЖАВНИЙ СТАНДАРТ
Вібрація
КОНТРОЛЬ СТАНУ МАШИН ЗА РЕЗУЛЬТАТАМИ ВИМІРЮВАНЬ
ВІБРАЦІЇ НА ЧАСТЯХ, ЩО НЕ ОБРАЧАЮТЬСЯ
Частина 1. Загальні вимоги
Механічна вибрація. Evaluation of machine vibration by measurements
on non-rotating parts. Part 1. General guidelines
МКС 17.160
ОКП 42 7791
Дата введення 1999-07-01
Передмова
1 РОЗРОБЛЕН Російською Федерацією
ВНЕСЕН Технічним секретаріатом Міждержавної Ради зі стандартизації, метрології та сертифікації
2 ПРИЙНЯТЬ Міждержавною Радою зі стандартизації, метрології та сертифікації (протокол N 11-97 від 25 квітня 1997 р.)
За ухвалення проголосували:
Найменування держави | Найменування національного органу зі стандартизації |
Азербайджанська республіка | Азгосстандарт |
республіка Арменія | Армдержстандарт |
Республіка Білорусь | Держстандарт Білорусії |
Республіка Казахстан | Держстандарт Республіки Казахстан |
Киргизька Республіка | Киргизстандарт |
Республіка Молдова | Молдовастандарт |
Російська Федерація | Держстандарт Росії |
Республіка Таджикистан | Таджикдержстандарт |
Туркменістан | Головна державна інспекція Туркменістану |
Республіка Узбекистан | Узгосстандарт |
Україна | Держстандарт України |
3 Цей стандарт містить повний автентичний текст міжнародного стандарту ISO 10816-1-95 "Вібрація. Контроль вібраційного стану машин за вимірюванням вібрації на частинах, що не обертаються. Частина 1: Загальний посібник"
4 Постановою Державного комітету Російської Федерації зі стандартизації, метрології та сертифікації від 17 вересня 1998 р. N 353 міждержавний стандарт ГОСТ ИСО 10816-1-97 введено в дію безпосередньо як державний стандарт Російської Федерації з 1 липня 1999 р.
5 ВВЕДЕНО ВПЕРШЕ
Вступ
Вступ
Цей стандарт є базовим нормативним документом, в якому викладено загальні керівні принципи вимірювання та оцінки механічної вібрації статорних елементів машин, наприклад, опор підшипників. Вимоги до вібраційних вимірів та критерії оцінки стану машин конкретних типів встановлюють у стандартах на ці машини, що розробляються на базі цього стандарту.
Для багатьох машин результати вимірювання вібрації статорних елементів є достатніми для адекватної оцінки умов надійності їх експлуатації, а також впливу на роботу сусідніх агрегатів. Однак для деяких машин, наприклад, з гнучкими роторами, вимірювання вібрації на нерухомих частинах можуть виявитися недостатніми. У цих випадках здійснюють також вимірювання вібрації роторів, що обертаються, тобто надійний контроль повинен базуватися на результатах вимірювань вібрації як статорних, так і роторних елементів.
Результати вимірювань вібрації можуть бути використані при експлуатаційному контролі, приймальних випробуваннях, діагностичних та аналітичних дослідженнях. Даний стандарт є посібником лише з експлуатаційного контролю вібрації та вимірювань вібрації при приймальних випробуваннях обладнання.
У стандарті використано три основні параметри вібрації: вібропереміщення, віброшвидкість та віброприскорення, - і надано порядок встановлення їх граничних значень. Виконання пропонованих керівних принципів здебільшого має гарантувати задовільну роботу устаткування.
1 ОБЛАСТЬ ЗАСТОСУВАННЯ
Цей стандарт встановлює загальні умови та порядок визначення та оцінки вібраційного стану на основі вимірювань, що виконуються на статорних елементах машин. Загальні критерії оцінки, засновані на вимірі як власне значень параметрів вібрації, так і значень їх змін, що стосуються як експлуатаційного контролю, так і приймальних випробувань, повинні бути встановлені з урахуванням необхідності забезпечити наступні фактори:
- безпечну тривалу роботу машини;
- Відсутність впливу вібрації машини на роботу сусідніх машин та механізмів.
Цей стандарт поширюється на вібрацію, що створюється самою машиною, і не поширюється на вібрацію, що передається ззовні.
Кутова вібрація у цьому стандарті не розглядається.
2 НОРМАТИВНІ ПОСИЛАННЯ
У цьому стандарті використані посилання на такі стандарти:
ГОСТ 24346-80 (СТ РЕВ 1926-79) Вібрація. терміни та визначення
ГОСТ 25364-97 Агрегати паротурбінні стаціонарні. Норми вібрації опор валопроводів та загальні вимоги до проведення вимірювань
ГОСТ ИСО 2954-97 Вібрація машин зі зворотно-поступальним та обертальним рухом. Вимоги до засобів вимірювань
3 ВИЗНАЧЕННЯ
У стандарті використані терміни за ГОСТ 24346.
4 ВИМІР ВІБРАЦІЇ
4.1 Вимірювані характеристики
4.1.1 Діапазон частот
Вимірювання вібрації слід проводити в діапазоні частот, що охоплює частотний діапазон коливань машини. Ширина діапазону частот залежить від типу машини (наприклад, діапазон частот, необхідний для оцінки цілісності підшипників кочення, повинен включати частоти більш високі, ніж для машин з підшипниками ковзання). Рекомендації щодо вибору діапазону частот для машин конкретних типів повинні бути наведені у відповідних стандартах, наприклад для паротурбінних стаціонарних агрегатів - ГОСТ 25364.
Примітка - У минулі роки контроль вібраційного стану переважно пов'язували з вимірюванням вібрації у фіксованому діапазоні частот 10...1000 Гц і оцінкою середнього квадратичного значення віброшвидкості в цьому діапазоні; вимоги до відповідних засобів вимірювань наведені в ГОСТ ИСО 2954. Однак для машин деяких типів можуть знадобитися вимірювання в іншому діапазоні частот та інших параметрів вібрації.
4.1.2 Вимірювана величина
Виходячи з цілей даного стандарту як вимірювана величина може бути використана одна з наступних:
- вібропереміщення, у мікрометрах (мкм);
- віброшвидкість, у міліметрах на секунду (мм/с);
- віброприскорення, у метрах на секунду у квадраті (м/с).
Порядок використання, випадки застосування та обмеження, що накладаються на ці величини, розглянуті у розділі 6.
Як правило, для вібрації, що вимірюється в широкому діапазоні частот, не існує простих співвідношень між віброприскоренням, віброшвидкістю та вібропереміщенням, а також між піковими та середніми квадратичними значеннями вібраційних величин. Короткий аналіз причин цього дано в додатку А, в якому наведені деякі точні залежності між зазначеними вище параметрами для випадку, коли частотні складові вібрації відомі.
Слід чітко визначати, за яким параметром вібрації оцінюють вібраційний стан: розмаху вібропереміщення, середнього квадратичного значення віброшвидкості та ін.
4.1.3 Значення параметрів вібрації
Під значенням параметра вібрації для певного положення та напрямки вимірювань розуміють результат вимірювань, виконаних за допомогою обладнання, що відповідає вимогам розділу 5.
Як правило, при контролі широкосмугової вібрації машин роторного типу як параметр, що оцінюється, використовують середнє квадратичне значення віброшвидкості, оскільки воно пов'язане з енергією коливань. У ряді випадків, однак, переважно використання інших параметрів: пов'язаних з вібропереміщення або віброприскорення або пікових значень замість середніх квадратичних. У цих випадках мають бути використані інші критерії, які завжди пов'язані простими співвідношеннями з критеріями для середніх квадратичних значень віброшвидкості.
4.1.4 Рівень вібрації
Зазвичай вимірювання проводять у різних точках двох або трьох взаємно перпендикулярних напрямках, що дозволяє отримати набір значень параметрів вібрації. Під рівнем вібрації машини розуміють максимальне значення вібрації, виміряної в одній певній точці або групі точок у вибраних напрямках, за певних умов і режимі роботи.
Вібраційний стан машин багатьох типів може бути оцінений за рівнем вібрації однієї точки вимірювання. Однак для деяких машин такий підхід є неприйнятним і рівні вібрації слід визначати на основі незалежних вимірювань у ряді точок.
4.2 Точки виміру
Вимірювання слід проводити на підшипниках, корпусах підшипників або інших елементах конструкції, які максимально реагують на динамічні сили і характеризують загальний вібраційний стан машини. Типові приклади розташування точок виміру наведено на рисунках 1а-1д.
Малюнок 1a - Точки вимірювання на опорі підшипника
Малюнок 1б - Точки вимірювання на корпусі підшипника
Малюнок 1в - Точки вимірювання на малих електричних машинах
Малюнок 1г - Точки вимірювання на двигуні
Малюнок 1д - Точки вимірювання на вертикально встановленій машині
Повну оцінку вібраційного стану великих агрегатів дають результати вимірювань у контрольованих точках у трьох взаємно перпендикулярних напрямках, як вказано на рисунках 1а-1д. Як правило, подібна повнота вимірювань потрібна лише для приймальних випробувань. При експлуатаційному контролі зазвичай виконують один або два виміри в радіальному напрямку [як правило, горизонтальному та (або) вертикальному]. Крім того, додатково можна проводити вимірювання осьової вібрації, зазвичай в місці розташування завзятого підшипника.
Розташування точок вимірювання для машин конкретних типів має бути наведено у відповідних стандартах на машини цих типів.
4.3 Вимоги до стану машини під час експлуатаційного контролю
Експлуатаційний контроль виконують лише при повністю зібраній на штатних опорах машині дома її експлуатації.
4.4 Вимоги до опор машини при приймальних випробуваннях
4.4.1 На місці експлуатації
Якщо приймальні випробування проводять дома експлуатації, ротори повинні бути встановлені на штатні опори. У цьому випадку важливо, щоб під час проведення приймальних випробувань було змонтовано всі основні елементи машини; для головних зразків машин ця вимога є обов'язковою, а для серійних машин, якщо це неможливо, оціночні критерії повинні відповідним чином коригуватися. Результати порівняння вібраційного стану однотипних машин, встановлених на різних фундаментах, можна порівняти лише за умови подібності динамічних характеристик фундаментів.
4.4.2 На випробувальному стенді
Необхідно створити умови, за яких виключається збіг частот власних коливань випробувальної установки з частотою обертання машини або з будь-якої її потужних гармонік. Зазвичай вважають, що ця вимога виконується, якщо значення горизонтальної та вертикальної вібрації несучих елементів фундаменту поблизу опор підшипників вбирається у 50% значення вібрації відповідного підшипника у тому напрямі. Випробувальна установка не повинна викликати також змін значення якоїсь із основних власних частот машини в експлуатації. Якщо усунути резонанси опори не вдається, слід проводити приймальні випробування повністю зібраної машини на місці експлуатації.
Приймальні випробування машин деяких класів, наприклад, невеликих електричних машин, проводять на пружній основі. У цьому випадку нижчі власні частоти системи машина - випробувальні опори, що розглядаються як жорстке тіло, повинні бути менше 1/2 мінімальної частоти збудження. Відповідні умови спирання можуть бути досягнуті шляхом встановлення машини на фундамент, що пружно спирається (основа) або за допомогою вільної підвіски на м'яких пружинах.
4.5 Умови експлуатації машини
Оцінка рівня вібрації має бути проведена після досягнення нормальних умов експлуатації. Додаткові вимірювання за інших умов не повинні використовуватися для оцінки вібраційного стану відповідно до розділу 6.
4.6 Оцінка вібрації, що наводиться зовнішніми джерелами
Оцінку впливу віброактивності навколишніх механізмів на вібрацію конкретної машини проводять на підставі результатів вимірювань на зупиненій машині. Якщо виміряне значення параметра вібрації перевищує 1/3 граничного значення, що рекомендується, слід вжити заходів щодо зменшення цього впливу.
5 КОНТРОЛЬНО-ВИМІРЮВАЛЬНА АПАРАТУРА
Конструкція контрольно-вимірювальної апаратури (далі - апаратура) повинна забезпечувати її нормальне функціонування в умовах вимірювань, що проводяться (температура навколишнього середовища, вологість повітря і т.д.). Слід особливу увагу приділити кріпленню віброперетворювача і переконатися, що це кріплення не змінює вібраційні характеристики машини. Вимоги до апаратури, призначеної для вимірювання середнього квадратичного значення вібрації в діапазоні 10...1000 Гц, - ГОСТ ИСО 2954.
В даний час для контролю широкосмугової вібрації найчастіше використовують прилади двох типів:
- прилади, що містять детектор середнього квадратичного значення та індикатор для зчитування середніх квадратичних значень вимірюваної величини;
- прилади, які містять або детектор середнього квадратичного значення, або середній детектор, але калібровані для зчитування розмаху або амплітуди коливань; при цьому калібрування засноване на співвідношенні між середніми квадратичними та піковими значеннями для суто синусоїдального сигналу.
Якщо оцінка вібрації базується на результатах вимірювання більш ніж однієї величини (переміщення, швидкість, прискорення), прилади, що застосовуються, повинні забезпечувати вимірювання всіх цих величин.
Вимірювальна система повинна передбачати можливість калібрування всього вимірювального тракту (бажано вбудований пристрій калібрування) та мати незалежні виходи для приєднання додаткових аналізаторів тощо.
6 КРИТЕРІЇ ОЦІНКИ ВІБРАЦІЙНОГО СТАНУ МАШИН
6.1 Види критеріїв
Розглядаються критерії двох видів, що поширюються на експлуатаційний контроль та приймальні випробування та призначені для оцінки рівнів вібрації машин різних типів. Критерій 1 пов'язаний зі значеннями параметрів вібрації, що вимірюються, а критерій 2 - зі змінами цих значень (незалежно від напрямку змін).
6.2 Критерій 1
6.2.1 Зони вібраційного стану
Критерій 1 пов'язаний з визначенням меж для абсолютного значення параметра вібрації, що відповідають допустимим динамічним навантаженням на підшипники та допустимій вібрації, що передається зовні через опори та фундамент. Максимальне значення, отримане в результаті вимірювання на кожному підшипнику або опорі (тобто значення рівня вібрації - як визначено в 4.1.4), порівнюють із межами чотирьох зон, встановлених, виходячи з міжнародного досвіду проведення досліджень та експлуатації. Дані зони призначені для якісної оцінки вібраційного стану машин та прийняття рішення про необхідні заходи. Інше (порівняно з наведеним нижче) число зон та їх розташування може бути використане для машин спеціальних типів, що розглядаються у відповідних стандартах. Приблизні значення меж зон наведено у додатку Б.
Зона А- У цю зону потрапляють, як правило, нові машини, які щойно введені в експлуатацію.
Зона У- Машини, які потрапляють до цієї зони, зазвичай вважають придатними для подальшої експлуатації без обмеження термінів.
Зона З- Машини, які потрапляють до цієї зони, зазвичай розглядають як непридатні для тривалої безперервної експлуатації. Зазвичай дані машини можуть функціонувати обмежений період часу, доки з'явиться потрібна можливість проведення ремонтних робіт.
Зона D- Рівні вібрації в даній зоні зазвичай розглядають як досить серйозні для того, щоб викликати пошкодження машини.
Числові значення меж згаданих зон не призначені служити як технічні умови при приймальних випробуваннях, це предмет угоди між виробником машини і споживачем. Однак ці межі можуть служити керівництвом для того, щоб уникнути надмірно завищених і нереалістичних вимог. У певних випадках для деяких типів машин можуть бути встановлені особливості, які вимагають зміни значень меж зон (у більшу або меншу сторону). Тоді виробнику машин, як правило, слід пояснити причину цих змін і, зокрема, підтвердити, що машину не слід наражати на небезпеку, експлуатуючи при більш високих рівнях вібрації.
6.2.2 Кордони зон станів
Вібрація конкретної машини залежить від її розмірів, динамічних характеристик деталей, що вібрують, способу монтажу і призначення. При виборі зон допустимої вібрації машини необхідно враховувати умови, що впливають її вібраційний стан. Незалежно від типу підшипників середнє квадратичне значення віброшвидкості статорних елементів (наприклад опор підшипників) машин більшості типів, як правило, адекватно характеризує умови роботи роторів, їх вплив на опорні елементи і сусідні механізми, а також стан самих машин в широкому діапазоні робочих швидкостей. Однак для деяких машин, наприклад з дуже низькими робочими швидкостями, застосування одного параметра - середнього квадратичного значення віброшвидкості без урахування значення робочої швидкості може узаконити неприпустимі високі вібропереміщення, зокрема, коли домінують коливання з оборотною частотою. З іншого боку, застосовуючи принцип сталості віброшвидкості до машин з високими робочими швидкостями або наявністю високочастотних спектральних складових вібрації, які порушують деякі вузли машини, можна прийти до неприпустимо високого рівня віброприскорень.
З урахуванням вищевикладеного критерії приймання, засновані на використанні середнього квадратичного значення віброшвидкості, повинні мати загальну форму, наведену на малюнку 2 (див. також додаток В), на якому вказані межі частотного діапазону вимірювань і , і показано, що допустиме нижче частоти і вище частоти значення віброшвидкості вже є функцією частоти вібрації. Для зони від до застосуємо критерій постійної віброшвидкості - саме для даного критерію наведено значення кордонів у додатку Б. Більш точне визначення критеріїв приймання та значень , , і має бути дано у стандартах на машини конкретних типів.
Рисунок 2 – Загальний вигляд кривих для критерію на основі середнього квадратичного значення віброшвидкості
Вібрація багатьох машин містить домінуючу частотну складову, часто на частоті обертання валу. Для таких машин допустимі значення вібрації можуть бути отримані з малюнка 2 як значення даної домінуючої частоти.
Якщо ж для деякої машини значна частина вібраційної енергії зосереджена поза діапазону частот …, можливі наступні рішення:
а) Крім вимірів віброшвидкості проводять вимірювання в широкій смузі частот вібропереміщення (якщо основна частина енергетичного спектра лежить нижче) або віброприскорення (якщо основна частина енергетичного спектра лежить вище). Допустимі значення параметрів вібропереміщення або віброприскорення одержують з малюнка 2, переводячи значення віброшвидкості на краях кривих (тобто в діапазонах ..., ....) у постійні значення віброшвидкості та віброприскорення відповідно. Вібрацію можна вважати допустимою, якщо вона є такою за всіма критеріями (переміщення, швидкість та прискорення).
б) За допомогою аналізатора спектра у спектрі вібрації виділяють всі потужні частотні складові та визначають для них значення вібропереміщення, віброшвидкості та віброприскорення. Після цього з урахуванням рівняння (А.2) розраховують еквівалентне значення параметра віброшвидкості; для частотних складових, що лежать нижче і вище, вагові коефіцієнти беруть відповідно до рисунка 2. Остаточну оцінку роблять на основі порівняння зі значеннями меж у діапазоні ….
Слід мати на увазі, що, крім випадку єдиної домінуючою складової, безпосереднє порівняння складових частотного спектра з межами, що визначаються кривими малюнку 2, призведе до помилкових висновків.
в) Використовують вимірювальний прилад, форма частотної характеристики якого в області, де зосереджена вібраційна енергія машини, збігається з формою кривих малюнку 2. Остаточну оцінку також роблять на основі порівняння зі значеннями меж в діапазоні ….
Додатковий посібник з визначення меж зон наведено в додатку В. Для машин деяких типів, можливо, знадобиться визначення меж зон інших, ніж ті, що представлені на малюнку 2 (див., наприклад,
6.3 Критерій 2
Даний критерій заснований на оцінці зміни значення параметра вібрації в порівнянні з попередньо встановленим еталонним значенням режимі роботи машини, що встановився. Значні зміни (збільшення або зменшення) значення параметра широкосмугової вібрації можуть вимагати вжиття певних заходів навіть у тому випадку, коли межа зони Звідповідно до критерію 1 ще не досягнуто. Такі зміни можуть мати раптовий характер або поступово наростати в часі і вказують на можливе виникнення пошкодження машини на початковій стадії або інші неполадки.
При використанні критерію 2 важливо, щоб вимірювання значень параметрів вібрації, що підлягають згодом порівнянню, проводили при одних і тих же положенні та орієнтації перетворювача вібрації і приблизно в тому самому режимі роботи машини. Необхідно визначити очевидні зміни значення параметра вібрації незалежно від загального значення, щоб запобігти виникненню небезпечної ситуації. Наскільки ця зміна є значною, має бути визначено у відповідних стандартах на машини конкретних типів.
Слід мати на увазі, що деякі суттєві зміни у стані машини можуть бути виявлені лише під час контролю окремих спектральних складових (див. 6.5.1).
6.4 Граничні рівні вібрації
6.4.1 Загальні положення
Як правило, для машин, призначених для тривалої експлуатації, встановлюють граничні рівні вібрації, перевищення яких в режимі роботи машини, що встановився, призводить до подачі сигналів ПОПЕРЕДЖЕННЯ або ЗАЛИШЕНЬ:
ПОПЕРЕДЖЕННЯ - для привернення уваги до того, що вібрація або зміни вібрації досягли певного рівня, коли може знадобитися проведення відновлювальних заходів. Як правило, при появі сигналу ПОПЕРЕДЖЕННЯ машину можна експлуатувати протягом деякого періоду часу, доки досліджують причини зміни вібрації та визначають комплекс необхідних заходів.
Зупинка - для індикації рівня вібрації, при перевищенні якого подальша експлуатація може призвести до пошкоджень. При досягненні рівня ЗАСТАНІВ слід вжити негайних заходів до зниження вібрації або зупинити машину.
Внаслідок різниці в динамічних навантаженнях і жорсткості опор для різних положень та напрямів вимірювання можуть бути встановлені різні граничні рівні вібрації. Визначення таких рівнів для конкретних типів машин повинно бути наведено у відповідних стандартах.
6.4.2 Встановлення рівня ПОПЕРЕДЖЕННЯ
Рівень ПОПЕРЕДЖЕННЯ може суттєво змінюватися у бік зростання або зменшення від машини до машини. Зазвичай це значення встановлюють щодо деякого базового значення, отриманого для кожного конкретного екземпляра машини при фіксованому положенні та напрямку вимірювання на основі накопиченого досвіду експлуатації.
Рекомендується встановлювати рівень ПОПЕРЕДЖЕННЯ вище базового значення на деяку частку, у відсотках, значення верхньої межі зони У. Якщо базове значення мало, рівень ПОПЕРЕДЖЕННЯ може лежати нижче зони З.
Якщо базове значення не визначено, наприклад, для нових машин, початкову установку положення ПОПЕРЕДЖЕННЯ слід виконати або виходячи з досвіду експлуатації аналогічних машин, або на основі угоди. Через деякий час слід встановити постійне базове значення і відповідним чином скоригувати положення ПОПЕРЕДЖЕННЯ.
Якщо зміна постійного базового значення (наприклад, внаслідок капітального ремонту машини), може знадобитися відповідна зміна положення ПОПЕРЕДЖЕННЯ. Внаслідок різниці в динамічних навантаженнях та коефіцієнтах жорсткості опор для різних опор машини можуть бути встановлені свої граничні рівні.
6.4.3 Встановлення рівня ЗАЛИШЕНЬ
Рівень залишків, який зазвичай пов'язують із необхідністю збереження механічної цілісності машини, може залежати від різних конструктивних особливостей, які застосовуються для того, щоб машина могла протистояти виникненню аномальних динамічних сил. Таким чином, це значення, як правило, буде одним і тим же для машин аналогічних конструкцій і не буде пов'язане з базовим значенням, як це мало місце для ПОПЕРЕДЖЕННЯ.
Внаслідок різноманіття машин різних конструкцій неможливо дати чітке керівництво для точного встановлення рівня ЗАЛИШЕНЬ. Зазвичай положення ЗАЛИШЕНЬ встановлюють у межах зон Забо D.
6.5 Додаткові характеристики
6.5.1 Частотні складові (векторні) вібрації
Метод контролю, який розглядається в даному базовому стандарті, обмежений оцінкою вібрації в широкому діапазоні частот без аналізу частотних складових або обліку фази вібрації. У більшості випадків для приймальних випробувань та експлуатаційного контролю цього достатньо. Проте в оцінці вібраційного стану машин певних типів доцільно використовувати векторне уявлення вібрації.
Використання як критерій зміни вектора вібрації особливо корисно при виявленні та ідентифікації зміни динамічних характеристик машини. Іноді такі зміни неможливо виявити в умовах контролю лише загального рівня широкосмугової вібрації. Приклад такої ситуації наведено у додатку Г. Однак встановлення критерію на основі зміни вектора вібрації виходить за рамки цього стандарту.
6.5.2 Вібраційна чутливість
Вібрація, яка вимірюється на будь-якій конкретній машині, може залежати від режиму її роботи. У більшості випадків подібний вплив умов роботи незначний, але іноді чутливість до режиму може бути такою, що, в той час як вібрація певної певної машини за деяких умов роботи визнається допустимою, вона може перестати вважатися такою при зміні цих умов.
У тих випадках, коли деякі аспекти вібраційної чутливості викликають сумнів, між споживачем та виробником машини має бути досягнуто згоди про необхідний обсяг випробувань або про методи теоретичної оцінки.
6.5.3 Спеціальні методи контролю для підшипників кочення
Особливі методи використовують із оцінки стану елементів роликових підшипників. Це питання розглянуто у додатку Д. Визначення оціночних критеріїв цих методів виходить поза рамки цього стандарту.
ДОДАТОК А (довідкове). Співвідношення між різними параметрами коливань
ДОДАТОК А
(довідкове)
Вже протягом багатьох років і по сьогодні вібраційний стан машин широкого класу успішно оцінюють шляхом вимірювання середнього квадратичного значення віброшвидкості. Для вібрації, що має дискретний склад частотних складових відомих амплітуди та фази і малий п'єдестал, що визначається випадковими та ударними процесами, основні вібраційні параметри (наприклад, переміщення, швидкість, прискорення, пікові та середні квадратичні значення) пов'язані строго певними математичними залежностями. Висновок цих залежностей відомий, і в цьому додатку не поставлено завдання повторно дослідити цей аспект проблеми. Однак нижче наведено низку корисних співвідношень.
Визначивши шляхом вимірів залежність віброшвидкості від часу, її середнє квадратичне значення можна підрахувати так:
де - відповідне середнє квадратичне значення;
- функція віброшвидкості від часу;
- період вибірки, який повинен бути набагато більшим за період будь-якого з основних частотних компонентів, що містяться в .
Значення вібраційного прискорення, швидкості чи переміщення (відповідно ) визначають у результаті аналізу вібраційних спектрів як функції кутової частоти (). Якщо відомі середні квадратичні значення амплітуд віброшвидкості або середні квадратичні значення амплітуд прискорення, то пов'язане з ними і характеризує коливальний процес середнє квадратичне значення віброшвидкості визначається виразом
За наявності лише двох значних складових вібрації, що визначають биття середнього квадратичного значення віброшвидкості між максимальним та мінімальним значеннями, середнє квадратичне значення вібрації приблизно виражається у вигляді
Операцію перерахунку віброшвидкості у вібропереміщення можна здійснити лише для синусоїдальної вібрації. Якщо відома віброшвидкість синусоїдальної складової, то розмах (подвоєну амплітуду) вібропереміщення визначають так:
де – розмах вібропереміщення, мкм;
- Середнє квадратичне значення віброшвидкості на частоті, мм/с;
- Кутова частота.
Графік для перерахунку наведено малюнку А.1.
Малюнок А.1 - Графік, що вказує співвідношення між прискоренням, швидкістю та переміщенням для гармонійної вібрації
Малюнок А.1 - Графік, що вказує співвідношення між прискоренням,
швидкістю та переміщенням для гармонійної вібрації
ДОДАТОК Б (довідкове). ПРИКЛАДНІ КРИТЕРІЇ ОЦІНКИ ВІБРАЦІЙНОГО СТАНУ МАШИН РІЗНИХ ТИПІВ
ДОДАТОК Б
(довідкове)
Цей стандарт є базовим документом для розробки посібників з вимірювання та оцінки вібрації машин. Критерії оцінки для машин конкретних типів мають бути встановлені у відповідних окремих стандартах. У таблиці Б.1 наведено лише тимчасові, приблизні критерії, якими можна скористатися за відсутності відповідних нормативних документів. По ній можна визначити верхні межі зон від Адо З(див. 5.3.1), виражені в середніх квадратичних значеннях віброшвидкості, мм/с для машин різних класів:
Клас 1 - Окремі частини двигунів і машин, з'єднані з агрегатом і працюють у звичайному їм режимі (серійні електричні мотори потужністю до 15 кВт є типовими машинами цієї категорії).
Клас 2 – Машини середньої величини (типові електромотори потужністю від 15 до 875 кВт) без спеціальних фундаментів, жорстко встановлені двигуни або машини (до 300 кВт) на спеціальних фундаментах.
Клас 3 - Потужні первинні двигуни та інші потужні машини з масами, що обертаються, встановлені на масивних фундаментах, щодо жорстких у напрямку вимірювання вібрації.
Клас 4 - Потужні первинні двигуни та інші потужні машини з масами, що обертаються, встановлені на фундаменти, відносно податливі в напрямку вимірювання вібрації (наприклад, турбогенератори і газові турбіни з вихідною потужністю більше 10 МВт).
Таблиця Б.1- Зразкові межі зон для машин різних класів
Клас 1 | Клас 2 | Клас 3 | Клас 4 |
|
ДОДАТОК В (довідкове). ЗАГАЛЬНЕ КЕРІВНИЦТВО З ВИЗНАЧЕННЯ КОРДОНОК ЗОН СТАНУ
ДОДАТОК В
(довідкове)
Криві, зображені на малюнку 2 цього стандарту, можуть бути подані виразом:
де - Припустиме середнє квадратичне значення віброшвидкості, мм/с;
- середнє квадратичне значення віброшвидкості, яке відповідає діапазону частот між , мм/с;
Коефіцієнт, що визначає межі зон (наприклад, граничне значення для зони може бути отримано підстановкою = 1,0; межа зони = 2,56; межа зони = 6,4). Цей коефіцієнт може залежати від робочих характеристик машини: швидкості, навантаження, тиску тощо;
, - Встановлені межі діапазону частот, в межах якого критерій визначається на основі одного значення параметра віброшвидкості (див. 6.2.2), Гц;
де - Частота, для якої визначається середнє квадратичне значення, Гц;
- Задані константи для машин даного типу.
ДОДАТОК Г (довідкове). ВЕКТОРНИЙ АНАЛІЗ ЗМІН ВІБРАЦІЇ
ДОДАТОК Г
(довідкове)
Критерії оцінки вібраційного стану машини ґрунтуються на виміряному рівні вібрації, що встановилася, і будь-яких змінах цього рівня. Однак у деяких випадках зміни вібрації можуть бути зафіксовані лише за допомогою аналізу окремих частотних складових. Така методика для складових із частотами, неразовими оборотною, знаходиться на початковій стадії розвитку, тому в даному стандарті не розглядається.
Г.1 Загальні положення
Отриманий в результаті вимірювань широкосмуговий вібраційний сигнал, що встановився, має складний характер і складається з ряду гармонік. Кожна з цих складових визначається її частотою, амплітудою та фазою щодо деякого відомого початку відліку. Стандартні прилади для вібраційного контролю вимірюють інтегральний рівень сигналу і поділяють його на окремі частотні складові. Однак сучасні діагностичні пристрої здатні аналізувати складний сигнал шляхом визначення амплітуди та фази кожної складової, що дозволяє визначити ймовірні причини аномального стану вібраційного машини.
Зміни окремих частотних складових, які можуть бути значними, не завжди в тій же мірі відбиваються на значенні загальної вібрації, і, отже, критерій, що ґрунтується на зміні загальної вібрації, має обмежене застосування.
Г.2 Важливість оцінки зміни вектора
Рисунок Г.1, що є графіком у полярних координатах, використовується для одночасного представлення модуля і фази однієї з частотних складових складного вібраційного сигналу у векторній формі. Вектор відповідає вихідному вібраційному стану машини, що характеризується середнім квадратичним значенням віброшвидкості 3 мм/с і фазовим кутом 40°. Вектор відповідає вібраційному стану після деяких змін стану машини і визначається середнім квадратичним значенням віброшвидкості 2,5 мм/с при фазовому вугіллі 180°. З малюнка Г.1 видно, що хоча середнє квадратичне значення віброшвидкості зменшилося на 0,5 мм/с, справжня зміна вібрації характеризується вектором , модуль якого дорівнює 5,2 мм/с, що в 10 разів більше значення, яке виходить при порівнянні абсолютних значень вібрації.
Рисунок Г.1 - Порівняння різниці двох векторних гармонік вібрації з різницею їх модулів
Г.3 Контроль за зміною вектору вібрації
Наведений вище приклад ясно показує можливості спостереження зміною вектора вібрації. Проте не можна забувати, що загальний вібраційний сигнал складається з низки частотних складових, кожної з яких можна реєструвати зміна вектора. Крім того, неприпустима зміна вектора для однієї зі складових може бути цілком прийнятною для іншої. У зв'язку з цим стосовно цього стандарту, присвяченому, в основному, експлуатаційному контролю вібрації, встановити критерій зміни вектора окремих частотних складових неможливо.
ДОДАТОК Д (довідкове). СПЕЦІАЛЬНІ МЕТОДИ ВИМІРЮВАННЯ ТА АНАЛІЗУ ВІБРАЦІЇ ПІДШИПНИКІВ КАЧЕННЯ
ДОДАТОК Д
(довідкове)
Простий метод визначення вібрації у широкій смузі частот шляхом контролю віброприскорення корпусів підшипників кочення, як описано в основній частині цього стандарту, нерідко дає достатню інформацію про стан цих підшипників. Однак цей простий метод не завжди може дати хороші результати. Зокрема, можлива поява помилок у разі, коли у межі частотного діапазону вимірювань потрапляють резонансні частоти підшипника, або у разі вібраційного впливу інших джерел, наприклад, зубчастих зачеплень.
Внаслідок зазначених обставин виникає необхідність використання інших засобів вимірів та методів аналізу, які розробляють спеціально для підшипників кочення. Але жоден із приладів та методів не є універсальним для всіх випадків. Так, неможливо за допомогою будь-якого методу діагностувати всі види дефектів підшипників, і якщо який-небудь метод може успішно забезпечити діагностування основних дефектів машини певного типу, він може виявитися зовсім непридатним для машини іншого типу. Отримувані вібраційні характеристики залежать від типу підшипника, конструкції його опорних елементів, вимірювальної апаратури та методів обробки результатів. Всі ці фактори повинні бути добре вивчені, і тільки в цьому випадку можна розробити об'єктивний метод оцінки стану підшипників. Вибір відповідного методу вимагає спеціальних знань щодо методів дослідження, і навіть механізмів, яких їх застосовують.
Нижче наведено короткий опис деяких вимірювальних приладів та методів аналізу, які набули поширення. Однак достатньої інформації про відповідні критерії оцінки, придатні для використання в стандартах, немає.
Д.1 Аналіз вихідних даних (вимірювання загальної вібрації)
Є низка пропозицій щодо застосування простих вимірювань як альтернативи контролю середнього квадратичного значення вібраційного прискорення з метою діагностувати стан підшипників кочення, а саме:
- Вимір пікового прискорення;
- Вимірювання відношення пікового значення прискорення до його середнього квадратичного значення (пік-фактор);
Визначення твору виміряних середнього квадратичного та пікового значень прискорення.
Д.2 Частотний аналіз
Окремі частотні складові вібраційного спектра можуть бути визначені за допомогою різних фільтрів або спектрального аналізу. За наявності достатніх даних про якийсь конкретний тип підшипника можуть бути визначені шляхом розрахунку частотні складові, що характеризують певні дефекти підшипника, а потім зіставлені з відповідними компонентами отриманого спектра вібрації. Таким чином, можна отримати інформацію про наявність дефектів, а й діагностувати їх.
Для більш точного отримання компонентів спектра, пов'язаних з підшипниками, за наявності сторонніх вібраційних впливів (фону) досить ефективними є методи когерентного усереднення адаптивного придушення шуму і виділення корисного спектра сигналів. Порівняно новим є метод спектрального аналізу вібраційного сигналу, що огинає, що пройшов через смуговий високочастотний фільтр.
Зручним варіантом методу спектрального аналізу є аналіз бічних смуг основних характеристичних частот підшипників (сумарних та різницевих частот), а не самих складових цих частотах. Для дослідження бічних смуг може бути використаний аналіз кепстру (визначеного як спектр потужності від логарифму спектра потужності), який зазвичай застосовується для виявлення дефектів в зубчастих зачепленнях.
Д.3 Метод аналізу ударних імпульсів
Існує ряд промислових вимірювальних приладів, дія яких ґрунтується на тому, що дефекти підшипників кочення викликають появу коротких імпульсів дуже високої частоти, які зазвичай називають ударними імпульсами.
Внаслідок високої крутості ударних імпульсів у їхньому спектрі присутні складові на дуже високих частотах. Зазначені прилади виявляють ці високочастотні складові та перетворюють їх на величину, значення якої пов'язане зі станом підшипників.
Іншим способом є спектральний аналіз огинаючої ударних імпульсів.
Д.4 Інші методи
Існує кілька методів контролю, що дозволяють виявляти дефекти у підшипниках без виміру вібрації. Такими методами є, зокрема: аналіз акустичного шуму, аналіз продуктів зносу (ферографія) та термографія. Однак жоден з подібних методів не може претендувати на універсальне успішне застосування, в деяких випадках вони неприйнятні.
Текст документа звірений за:
офіційне видання
М: Видавництво стандартів, 1998
Вібрація- Рух точки (або тіла) навколо вихідного положення, що повторюється точно через певні проміжки часу (періодично). Найпростішу форму періодичного коливання є гармонійні коливання, графік якого залежно від часу і є синусоїдою (див. рис.1). Час між двома наступними, в точності схожими положеннями точки, що коливається (або тіла) називають періодом коливання (Т).
Частота коливанняпов'язана з періодом через співвідношення:
Що ж до величини коливання, вона може бути описана, згідно з ГОСТ 10816-1-99, трьома основними параметрами: вібросміщенням ( s ) , віброшвидкістю ( v ) і віброприскоренням ( a ) . Ці параметри мають певні математичні співвідношення друг до друга під час розгляду гармонійних (найпростіших) коливань. Якщо вібрація точки (або тіла) має суто поздовжню форму коливань вздовж однієї осі (х), то миттєве зміщення (викидання)від вихідного положення може бути описано математичним рівнянням:
де - Кутова частота;
– максимальне зміщення точки(або тіла) від вихідного стану;
t- Час.
Зміна усунення в часі швидкістю (віброшвидкість)рухи точки (або тіла). Тому коливання також можна описати через швидкість (v)
Таким чином, вібросміщення може бути перетворено на швидкість за допомогою диференціювання.
Диференціювання супроводжується множенням амплітуди на частоту, тому амплітуда віброшвидкостіна певній частоті пропорційна зсуву (s)помноженому на частоту (f). При фіксованому зміщенні швидкість зі збільшенням частоти зросте вдвічі, і якщо частоту збільшити удесятеро, то швидкість зросте удесятеро.
Зміна швидкості руху точки (або тіла) у часі є прискоренням (віброприскорення)руху:
Тобто, щоб отримати зі швидкості прискорення, потрібне ще одне диференціювання, а значить ще одне множення на частоту. Тому прискорення при фіксованому зміщенні буде пропорційне квадрату частоти.
За другим законом Ньютона, сила дорівнює масі, помноженої на прискорення. Тому при заданому зсуві сила буде пропорційна квадрату частоти. Саме тому на практиці не стикаються з коливаннями, де великі прискорення супроводжуються великими усуненнямипросто немає таких дуже великих сил, які були б вкрай руйнівними.
Як очевидно з вищенаведених рівнянь, форма і період коливань залишається незмінним незалежно від цього розглядається зсув, швидкість чи прискорення.
Слід зазначити, що миттєві значення s, v, aвідрізняються за фазі. Так швидкість випереджає зміщення на фазовий кут 90 0 (у рівнянні) та прискореннявипереджає швидкість фазовий кут 90 0 (у рівнянні). Як характерна величина була застосована пікове значення амплітуди коливань, тобто. Застосування пікового значення амплітуди коливаньефективні під час розгляду гармонійних (найпростіших) коливань.
Величини вібросміщення, віброшвидкості та віброприскорення у стандартних одиницях вимірювання пов'язані наступними рівняннями:
Під час розгляду коливань (рис.2) використовують інші величини амплітуд.
Середнє арифметичне абсолютне значенняамплітуди коливання характеризує загальну інтенсивність вібрації та визначається за формулою:
Середнє значення амплітуди коливань використовується під час аналізу коливань за дуже великий проміжок часу (добу, кілька діб), переважно у стаціонарних системах моніторингу устаткування. Тому ця величина особливого практичного інтересу не становить.
Інший величиною амплітуди коливань є середнє квадратичне значення (СКЗ).СКЗ є важливою характеристикою амплітуди вібрації. Для її розрахунку необхідно звести у квадрат миттєві значення амплітуди коливань, і усереднити вийшли величини за часом. Для отримання правильного значення інтервал усереднення повинен бути не менше одного періоду коливання. Після цього витягується квадратний корінь і виходить СКЗ.
Для чисто гармонійних коливань(вібрація містить лише одну частоту коливань) співвідношення між піковим, середнім та середнім квадратичнимзначеннями амплітудивизначаються за такими формулами:
У більш загальному вигляді ці співвідношення можна описати так:
Коефіцієнти F f і F cназиваються відповідно коефіцієнтом форми та коефіцієнтом амплітуди. Ці коефіцієнти дають уявлення про форму хвилі вібрації, що вивчається.
Для суто гармонійних коливань ці коефіцієнти рівні:
Коливання, які на практиці, не є суто гармонійними коливаннями, хоча багато з них можуть бути періодичними. На рис.3 дано приклад типового коливання що у практиці. 
Визначивши пікове, середнє та середнє квадратичне значення цієї вібрації, а також її коефіцієнти форми та амплітуди можна отримати багато корисної інформації і в результаті сказати про негармонійний характер вібрації. Однак практично неможливо на основі цієї інформації передбачити про можливі дефекти вібрації, що викликаються в елементах конструкції машини або механізму. Тому потрібно використовувати інші
Параметри вібрації в різних одиницях виміру можна перерахувати не тільки за наведеними вище формулами, але і за допомогою калькуляторів перерахунку вібрації, які пропонують як зарубіжні, так і вітчизняні фірми. На рис.4 ви бачите один із таких калькуляторів. Для знайомства з його роботою Ви можете завантажити його на свій диск і запустити його.
R.S. Якщо хтось із вас дорогий читач не зовсім зрозумів цю статтю, тому що не в ладах з математикою, то рекомендую для початку вивчити це питання за допомогою книги : . У цій книзі весь матеріал викладено звичайною мовою, без жодної формули.