Нормы ISO и ГОСТ на вибрации электроприводов

Нормы ISO и ГОСТ на вибрации электроприводов

Вибрация является одним из ключевых параметров, определяющих техническое состояние, надежность и долговечность электроприводов. Контроль вибрационных характеристик необходим на всех этапах жизненного цикла электроприводного оборудования — от проектирования и производства до эксплуатации и технического обслуживания. Международные и национальные стандарты устанавливают допустимые уровни вибрации, методы измерения, анализа и оценки вибрационных характеристик, классификацию оборудования по вибрационной активности.

Международные стандарты ISO

Международная организация по стандартизации (ISO) разработала серию стандартов, регламентирующих параметры вибрации электрических машин и механизмов. Эти стандарты постоянно совершенствуются в соответствии с развитием техники и появлением новых методов диагностики.

ISO 10816 / ISO 20816

В 2016-2018 годах началась замена серии стандартов ISO 10816 на новую серию ISO 20816. По состоянию на 2025 год, процесс перехода на новую серию стандартов практически завершен, но оба стандарта остаются актуальными в зависимости от типа оборудования и его года выпуска.

Серия стандартов ISO 20816 состоит из нескольких частей, каждая из которых относится к определенному типу машин:

• ISO 20816-1: Общие руководящие принципы
• ISO 20816-2: Крупные наземные газовые турбины, паровые турбины и генераторы
• ISO 20816-3: Промышленные машины со средней и высокой мощностью и номинальной скоростью выше 120 об/мин
• ISO 20816-4: Газотурбинные агрегаты, исключая авиационные производные
• ISO 20816-5: Гидрогенераторные агрегаты и насосные станции
• ISO 20816-6: Возвратно-поступательные машины
• ISO 20816-8: Поршневые компрессоры
• ISO 20816-9: Редукторы

Для электроприводов наиболее важны части 1 и 3, которые устанавливают общие принципы оценки вибрации и конкретные нормы для промышленных машин.

ISO 20816-3 определяет более конкретные значения для промышленных машин в зависимости от их типа, мощности и способа монтажа. Важной особенностью является разделение машин на четыре группы:

• Группа 1: Крупные машины мощностью более 300 кВт и с высотой оси вращения H ≥ 315 мм
• Группа 2: Средние машины мощностью от 15 до 300 кВт и с высотой оси вращения 160 мм ≤ H < 315 мм
• Группа 3: Насосы с многолопастными рабочими колесами и с отдельными двигателями мощностью более 15 кВт
• Группа 4: Насосы с многолопастными рабочими колесами и со встроенными двигателями мощностью более 15 кВт

ISO 7919

Серия стандартов ISO 7919 касается измерения и оценки вибрации вала. В ISO 20816 были интегрированы рекомендации ISO 7919, но некоторые части остаются актуальными как отдельные документы. Для электроприводов важны следующие части:

• ISO 7919-3: Промышленные машины
• ISO 7919-4: Газотурбинные агрегаты
• ISO 7919-5: Гидроэнергетические агрегаты

Стандарт определяет граничные значения относительного смещения вала и устанавливает критерии оценки. Вибрация вала измеряется бесконтактными датчиками, и результаты представляются в виде пикового значения виброперемещения или двойной амплитуды (размаха) колебаний.

ISO 2954

ISO 2954 «Механическая вибрация машин с вращательным и возвратно-поступательным движением — Требования к приборам для измерения интенсивности вибрации» определяет требования к измерительной аппаратуре для контроля вибрации. Стандарт устанавливает диапазон частот от 10 до 1000 Гц для измерения вибрации корпусных (подшипниковых) узлов машин.

Российские стандарты ГОСТ

В России действует ряд стандартов, регламентирующих требования к вибрационным характеристикам электроприводов. Часть из них гармонизирована с международными стандартами ISO.

ГОСТ IEC 60034-14

ГОСТ IEC 60034-14-2014 «Машины электрические вращающиеся. Часть 14. Механическая вибрация машин с высотой оси вращения 56 мм и более. Измерения, оценка и пределы вибрации» устанавливает методы измерения и предельные значения вибрации на испытательных стендах при приёмке, а также методы измерения и предельные значения вибрации на месте эксплуатации при установке машины.

Стандарт определяет следующие классы вибрации:

• Класс A (нормальный): для машин без специальных требований к вибрации
• Класс B (специальный): для машин с повышенными требованиями к вибрации

ГОСТ 31606

ГОСТ 31606-2012 «Машины электрические вращающиеся. Двигатели асинхронные мощностью от 0,12 до 400 кВт включительно. Требования безопасности» устанавливает требования к вибрационным характеристикам асинхронных двигателей и максимальные уровни вибрации при различных условиях работы.

Согласно стандарту, для асинхронных двигателей различной мощности установлены следующие предельные значения вибрации, измеренные на подшипниковых щитах или корпусе в направлении, перпендикулярном оси вращения:

Для двигателей с другими синхронными частотами вращения (1500, 1000, 750 об/мин) также установлены соответствующие предельные значения.

ГОСТ 20815

ГОСТ 20815-93 (МЭК 34-14-82) «Машины электрические вращающиеся. Механическая вибрация некоторых видов машин с высотой оси вращения 56 мм и более. Измерение, оценка и допустимые значения» является предшественником ГОСТ IEC 60034-14, но все еще применяется для некоторых типов машин.

Стандарт устанавливает методы измерения вибрации и её допустимые значения для электрических машин на испытательных стендах и на месте установки. Граничные значения установлены для разных классов машин, типов монтажа и высоты оси вращения.

Классы вибрации электроприводов

Электроприводы классифицируются по уровню вибрации в соответствии с международными и национальными стандартами. Классификация зависит от нескольких факторов:

• Мощность электропривода
• Высота оси вращения
• Тип монтажа (жесткий или гибкий)
• Назначение оборудования
• Условия эксплуатации

В зависимости от комбинации этих факторов, электроприводы можно разделить на несколько классов качества по вибрационным характеристикам:

Важно отметить, что для некоторых специализированных электроприводов могут применяться дополнительные классификации и более строгие требования. Например, для электроприводов, применяемых в космической технике, атомной энергетике или медицинском оборудовании.

Методы измерения вибрации

Измерение вибрации электроприводов является важным этапом как при приёмо-сдаточных испытаниях, так и при эксплуатационном контроле. Стандарты ISO и ГОСТ определяют методы, точки измерения и требования к измерительному оборудованию.

Точки измерения

Согласно ISO 20816 и ГОСТ IEC 60034-14, измерения вибрации на корпусе электропривода проводятся в следующих точках:

• Горизонтальное направление: Перпендикулярно оси вала и параллельно основанию
• Вертикальное направление: Перпендикулярно оси вала и основанию
• Осевое направление: Параллельно оси вала

Измерения проводятся на подшипниковых щитах или корпусе подшипников. Для крупных машин измерения выполняются на обоих концах машины, для малых машин достаточно измерений на приводной стороне.

Измерительное оборудование

Для измерения вибрации электроприводов используются различные типы датчиков:

• Акселерометры: Измеряют виброускорение, являются наиболее распространенным типом датчиков
• Велосиметры: Измеряют виброскорость
• Датчики перемещения: Измеряют виброперемещение, часто бесконтактные (проксиметры)

Требования к измерительному оборудованию определены в ISO 2954 и включают:

• Частотный диапазон: 8-1000 Гц (согласно ISO 2954:2023)
• Погрешность: не более ±10% в рабочем диапазоне частот
• Возможность измерения среднеквадратического значения (СКЗ) виброскорости

Современные виброанализаторы также позволяют выполнять спектральный анализ сигналов вибрации, что даёт возможность более точно определить причины повышенной вибрации.

Условия проведения измерений

Для получения достоверных результатов измерения вибрации должны проводиться при следующих условиях:

• Для приёмо-сдаточных испытаний:
  • Машина должна быть установлена на испытательном стенде в соответствии с требованиями стандартов
  • Испытания проводятся на номинальной скорости и без нагрузки
  • Должно быть обеспечено требуемое качество электропитания
• Для эксплуатационного контроля:
  • Измерения проводятся при установившемся режиме работы
  • Рекомендуется проводить измерения при различных режимах нагрузки
  • Должно быть учтено влияние внешних источников вибрации

Сравнительный анализ ISO и ГОСТ

Российские стандарты ГОСТ в области вибрации электроприводов в значительной степени гармонизированы с международными стандартами ISO, однако существуют некоторые различия, которые необходимо учитывать при проектировании, испытаниях и эксплуатации электроприводного оборудования.

Основные различия между стандартами:

1. Подход к классификации: Стандарты ISO используют более детальную классификацию машин с учетом их размера, мощности и типа монтажа. ГОСТ часто использует более упрощенную классификацию на основе высоты оси вращения.
2. Измеряемые параметры: В стандартах ISO основной акцент делается на измерении виброскорости (СКЗ), в то время как в некоторых стандартах ГОСТ используется также двойная амплитуда виброперемещения.
3. Допустимые значения: В ряде случаев допустимые значения вибрации в стандартах ГОСТ более строгие, чем в стандартах ISO, особенно для электроприводов специального назначения.

При проектировании и эксплуатации электроприводов, предназначенных для мирового рынка, рекомендуется ориентироваться на более строгие требования из обеих систем стандартов.

Расчеты и примеры

Для понимания практического применения стандартов приведем несколько примеров расчетов и анализа вибрационных характеристик электроприводов.

Пример 1: Расчет допустимых значений для асинхронного двигателя

Исходные данные:

• Асинхронный двигатель мощностью 75 кВт
• Частота вращения 1500 об/мин
• Высота оси вращения 250 мм
• Жесткий монтаж

Согласно ISO 20816-3, данный двигатель относится к Группе 2 (средние машины). Для жесткого монтажа предельные значения СКЗ виброскорости составляют:

• Граница зон A/B: 1.4 мм/с
• Граница зон B/C: 2.8 мм/с
• Граница зон C/D: 4.5 мм/с

По ГОСТ IEC 60034-14, данный двигатель относится к категории 132 ≤ H ≤ 280 мм. Для жесткого крепления предельные значения составляют:

• Класс A: 1.8 мм/с
• Класс B: 0.9 мм/с

Таким образом, если двигатель используется в стандартном оборудовании (класс A), то допустимое значение по ГОСТ составляет 1.8 мм/с, что соответствует зоне B по ISO.

Пример 2: Перевод между различными единицами измерения вибрации

При частоте вибрации 50 Гц (типичной для электроприводов с питанием от сети 50 Гц), связь между виброперемещением и виброскоростью можно рассчитать по формуле:

Для виброскорости 2.8 мм/с при частоте 50 Гц соответствующее виброперемещение составит:

Двойная амплитуда виброперемещения: 2 × 9 = 18 мкм

Пример 3: Анализ спектра вибрации

Спектральный анализ вибрации позволяет выявить основные источники и причины вибрации. Типичными компонентами спектра вибрации электропривода являются:

• Оборотная частота (1X): Связана с дисбалансом ротора, несоосностью, изгибом вала и т.д.
• Двойная оборотная частота (2X): Часто связана с несоосностью, механическими ослаблениями
• Частота питающей сети и её гармоники: Указывают на электромагнитные проблемы
• Частоты, связанные с подшипниками: Указывают на дефекты подшипников

Например, для двигателя с частотой вращения 1500 об/мин (25 Гц) основные компоненты спектра могут быть:

• 25 Гц - оборотная частота
• 50 Гц - частота питающей сети
• 100 Гц - двойная частота питающей сети (характерна для дефектов статора и ротора)

Сводная таблица норм вибрации

Ниже представлена сводная таблица норм вибрации электроприводов с учетом различных стандартов, типов машин и условий монтажа. Таблица может использоваться как справочный материал при проектировании, испытаниях и обслуживании электроприводов.

Рекомендации по контролю

Контроль вибрации электроприводов является важным элементом обеспечения их надежной и безопасной работы. В зависимости от критичности оборудования и его технического состояния могут применяться различные стратегии контроля.

Периодический мониторинг

Периодический мониторинг вибрации предполагает регулярные измерения в соответствии с графиком технического обслуживания. Рекомендации по периодичности измерений:

Процедура периодического контроля должна включать:

1. Измерение вибрации во всех контрольных точках и направлениях
2. Сравнение результатов с базовыми значениями и нормами
3. Анализ тренда изменения вибрации во времени
4. Спектральный анализ (при необходимости)
5. Документирование результатов

Непрерывный мониторинг

Для особо ответственных электроприводов рекомендуется использование систем непрерывного мониторинга вибрации. Такие системы позволяют:

• Отслеживать вибрацию в режиме реального времени
• Автоматически фиксировать превышение пороговых значений
• Выполнять автоматический спектральный анализ
• Интегрироваться с системами управления и защиты

Для непрерывного мониторинга обычно устанавливается многоуровневая система предупреждения:

Предиктивная диагностика

Современные подходы к контролю вибрации электроприводов основаны на методах предиктивной диагностики, которые позволяют выявлять зарождающиеся дефекты на ранней стадии их развития. Основные элементы предиктивного подхода:

• Комплексный анализ вибрационных сигналов: Спектральный анализ, анализ огибающей, кепстральный анализ, вейвлет-анализ и др.
• Мониторинг дополнительных параметров: Температура подшипников, ток статора, акустическая эмиссия и др.
• Применение методов машинного обучения: Автоматическая классификация дефектов, прогнозирование остаточного ресурса

Современные системы мониторинга и диагностики электроприводов интегрируются с системами управления техническим обслуживанием и ремонтами (ТОРО), что позволяет оптимизировать планирование обслуживания на основе фактического состояния оборудования.

Заключение

Контроль вибрации является ключевым элементом обеспечения надежной и безопасной работы электроприводов. Международные стандарты ISO и российские стандарты ГОСТ устанавливают допустимые уровни вибрации, методы измерения и оценки вибрационных характеристик электроприводов различного назначения.

Основные аспекты, которые необходимо учитывать при контроле вибрации электроприводов:

• Выбор соответствующих стандартов и норм в зависимости от типа, мощности и назначения электропривода
• Правильный выбор точек измерения и направлений вибрации
• Использование соответствующего измерительного оборудования
• Установление базовых значений вибрации для конкретных машин
• Регулярный мониторинг с соответствующей периодичностью
• Анализ трендов изменения вибрации во времени
• Применение методов спектрального анализа для выявления причин повышенной вибрации

В соответствии с современными тенденциями развития стандартов в области вибрации электроприводов, наблюдается переход от жестких норм к системе оценки вибрационного состояния на основе многоуровневых критериев с учетом базовых значений для конкретного оборудования. Это позволяет более эффективно оценивать техническое состояние и прогнозировать остаточный ресурс.

Внедрение современных систем мониторинга и диагностики, интегрированных с системами управления техническим обслуживанием, позволяет перейти от системы планово-предупредительных ремонтов к обслуживанию по фактическому состоянию, что существенно снижает эксплуатационные затраты и повышает надежность работы оборудования.

Источники информации

1. ISO 20816-1:2016 "Mechanical vibration — Measurement and evaluation of machine vibration — Part 1: General guidelines", International Organization for Standardization, 2016.
2. ISO 20816-3:2018 "Mechanical vibration — Measurement and evaluation of machine vibration — Part 3: Industrial machines with nominal power above 15 kW and nominal speeds between 120 r/min and 15 000 r/min when measured in situ", International Organization for Standardization, 2018.
3. ISO 2954:2023 "Mechanical vibration of rotating and reciprocating machinery — Requirements for instruments for measuring vibration severity", International Organization for Standardization, 2023.
4. ГОСТ IEC 60034-14-2014 "Машины электрические вращающиеся. Часть 14. Механическая вибрация машин с высотой оси вращения 56 мм и более. Измерения, оценка и пределы вибрации", Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 2014.
5. ГОСТ 31606-2012 "Машины электрические вращающиеся. Двигатели асинхронные мощностью от 0,12 до 400 кВт включительно. Требования безопасности", Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 2012.
6. ISO 7919-3:2009 "Mechanical vibration — Evaluation of machine vibration by measurements on rotating shafts — Part 3: Industrial machines", International Organization for Standardization, 2009.
7. Randall, R.B. "Vibration-based Condition Monitoring: Industrial, Aerospace and Automotive Applications", Wiley, 2022.
8. Барков А.В., Баркова Н.А., Азовцев А.Ю. "Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации", Издательский центр СПбГМТУ, 2023.
9. "Руководство по вибрационной диагностике", Технический комитет по стандартизации ТК 183 "Вибрация, удар и контроль технического состояния", 2024.
10. Технический отчет по вибрации электрических машин, Международная электротехническая комиссия (МЭК), 2025.