Расчет вибрации машин по стандарту ISO 10816: как не допустить аварии
Практическое применение на насосах и вентиляторах
Содержание
Введение
Вибрация является одним из ключевых индикаторов технического состояния промышленного оборудования. Чрезмерная вибрация не только снижает эффективность работы машин, но и существенно сокращает срок их службы, а в критических случаях может привести к катастрофическим авариям. Согласно статистике, более 30% аварий насосного и вентиляционного оборудования происходят из-за повышенной вибрации, которую можно было бы заблаговременно выявить и устранить.
Стандарт ISO 10816 был разработан для установления единых международных критериев оценки вибрации промышленных машин на основе измерений, проводимых на невращающихся частях. Он предоставляет четкие руководящие принципы для классификации уровней вибрации и определения дальнейших действий по обслуживанию оборудования.
В данной статье рассматриваются принципы расчета и оценки вибрации насосов и вентиляторов в соответствии с актуальными требованиями стандарта ISO 10816, включая последние обновления по состоянию на 2025 год. Особое внимание уделяется практическому применению стандарта для предотвращения аварийных ситуаций.
Важно: Последним обновлением стандарта стал ISO 20816-3:2022, который заменил ISO 10816-3 и его поправку ISO 10816-3:2009/Amd1:2017. Несмотря на изменения в нумерации, основные принципы оценки вибрации сохраняются в актуальной версии стандарта.
Обзор стандарта ISO 10816
ISO 10816 устанавливает общие условия и процедуры для измерения и оценки вибрации на невращающихся частях машин, таких как подшипники, опоры подшипников или корпуса. Стандарт служит общим руководством для определения общего состояния машины на основе величины вибрации и изменений уровней вибрации с течением времени.
Структура стандарта и его части
Стандарт ISO 10816 состоит из нескольких частей, каждая из которых распространяется на определенные типы машин:
- ISO 10816-1: Общие руководящие принципы (заменен на ISO 20816-1)
- ISO 10816-2: Крупные стационарные паровые турбины и генераторы мощностью свыше 50 МВт (заменен на ISO 20816-2)
- ISO 10816-3: Промышленные машины с номинальной мощностью более 15 кВт и номинальными скоростями от 120 до 15000 об/мин (заменен на ISO 20816-3)
- ISO 10816-4: Газотурбинные установки, исключая авиационные производные
- ISO 10816-5: Машинные агрегаты на гидроэлектростанциях и насосных станциях
- ISO 10816-6: Возвратно-поступательные машины с номинальной мощностью более 100 кВт
- ISO 10816-7: Ротодинамические насосы для промышленного применения с номинальной мощностью более 1 кВт
- ISO 10816-8: Системы компрессоров возвратно-поступательного типа
- ISO 10816-21: Ветряные турбины с горизонтальной осью и редуктором
Для насосов и вентиляторов наиболее применимы части 3 и 7 стандарта, хотя для больших вентиляторов промышленного назначения может также использоваться часть 3.
Классификация машин и зоны вибрации
Согласно ISO 10816-3, машины разделены на две основные группы в зависимости от мощности:
- Группа 1: Электродвигатели и машины с мощностью более 300 кВт (400 л.с.)
- Группа 2: Электродвигатели и машины с мощностью от 15 до 300 кВт (20-400 л.с.)
Кроме того, каждая группа подразделяется в зависимости от типа крепления:
- Жесткое крепление: Машины, установленные на жестком фундаменте
- Гибкое крепление: Машины с гибким креплением, например, на изоляционных пружинах или неопреновых подушках
Стандарт определяет четыре зоны оценки вибрации:
| Зона | Оценка | Описание |
|---|---|---|
| Зона A | Хорошо | Вибрация новых введенных в эксплуатацию машин |
| Зона B | Допустимо | Машины могут работать без ограничений длительное время |
| Зона C | Неудовлетворительно | Машины могут работать ограниченное время до принятия корректирующих мер |
| Зона D | Недопустимо | Повышенный уровень вибрации, который может вызвать повреждение машины |
Методика измерения вибрации
Для корректной оценки вибрационного состояния машин согласно ISO 10816 необходимо соблюдать определенную методику измерения, которая включает выбор точек измерения, параметров и соответствующего оборудования.
Точки измерения
Измерения вибрации проводятся на невращающихся частях машины в определенных точках:
- Корпуса подшипников или места, максимально приближенные к ним
- Опоры подшипников
- Основной корпус машины (для определения общей вибрации)
Для насосов и вентиляторов типичными точками измерения являются:
- Корпус подшипника со стороны привода (горизонтальное и вертикальное направления)
- Корпус подшипника со стороны рабочего колеса (горизонтальное и вертикальное направления)
- Осевое направление (обычно на подшипнике, воспринимающем осевую нагрузку)
Примечание: Для точной оценки вибрационного состояния машины рекомендуется измерять вибрацию в трех взаимно перпендикулярных направлениях на каждом подшипниковом узле.
Измеряемые параметры
Основными параметрами при измерении вибрации по ISO 10816 являются:
- Среднеквадратичное значение (RMS) виброскорости в диапазоне частот от 10 до 1000 Гц, выраженное в мм/с (метрическая система) или дюйм/с (британская система)
- Пиковые значения виброскорости для оценки ударной нагрузки
- Виброперемещение для низкочастотных колебаний (для машин с частотой вращения менее 600 об/мин)
- Виброускорение для высокочастотных вибраций (дополнительно)
Преобразование между пиковым значением и RMS для синусоидальной вибрации:
VRMS = Vpeak / √2 ≈ 0.707 × Vpeak
Для практических целей часто используют следующие приближения:
| Метрическая система | Британская система | Соотношение |
|---|---|---|
| 1.0 мм/с (RMS) | 0.05 дюйм/с (peak) | Приблизительно |
| 2.8 мм/с (RMS) | 0.16 дюйм/с (peak) | Приблизительно |
| 4.5 мм/с (RMS) | 0.25 дюйм/с (peak) | Приблизительно |
Инструменты и оборудование
Для измерения вибрации в соответствии с ISO 10816 используются следующие типы оборудования:
- Портативные виброметры – для периодических измерений вибрации
- Датчики вибрации (акселерометры, велосиметры) – для непрерывного мониторинга
- Системы мониторинга вибрации – для непрерывного контроля критически важного оборудования
- Анализаторы спектра вибрации – для углубленной диагностики
Современные системы вибромониторинга, такие как Falcon от Acoem или системы Monnit, имеют встроенное программное обеспечение для автоматической диагностики на основе спецификаций ISO 10816-3, что позволяет быстро оценивать состояние оборудования и выявлять проблемы на ранней стадии.
Совет: При выборе оборудования для измерения вибрации важно учитывать его частотный диапазон и диапазон измерения. Для соответствия ISO 10816 прибор должен охватывать диапазон частот от 10 до 1000 Гц и иметь подходящий диапазон измерения виброскорости (до 100 мм/с или выше).
Допустимые пределы вибрации
Стандарт ISO 10816 устанавливает предельные значения вибрации для различных типов машин, включая насосы и вентиляторы. Эти пределы зависят от типа, мощности и способа крепления машины.
Пределы для насосов
Для насосов применяются следующие части стандарта:
- ISO 10816-3 – для насосов с мощностью от 15 кВт до 300 кВт (применялся до выхода специализированной части 7)
- ISO 10816-7 – специальная часть для ротодинамических насосов промышленного применения с мощностью более 1 кВт
ISO 10816-7 разделяет насосы на категории:
- Категория 1: Насосы для применения, где требуется высокая надежность, готовность или безопасность
- Категория 2: Насосы для применения, где требуется надежная долгосрочная эксплуатация
Предельные значения виброскорости (RMS) для насосов согласно ISO 10816-7:
| Зона | Категория 1 (мм/с, RMS) | Категория 2 (мм/с, RMS) | Оценка |
|---|---|---|---|
| A/B | ≤ 2.5 | ≤ 3.5 | Новая машина |
| B/C | ≤ 4.0 | ≤ 5.0 | Без ограничений |
| C/D | ≤ 6.5 | ≤ 8.0 | Ограниченная эксплуатация |
| D | > 6.5 | > 8.0 | Риск повреждения |
Внимание! Для насосов с гидростатическими подшипниками, центробежных насосов с раздельно смонтированными интегральными подшипниками и насосов с низкой удельной скоростью могут применяться другие критерии, указанные в приложениях к стандарту.
Пределы для вентиляторов
Для вентиляторов обычно применяется стандарт ISO 10816-3 (заменен на ISO 20816-3), который устанавливает следующие предельные значения виброскорости (RMS) в зависимости от типа крепления и мощности:
| Зона | Группа 1: >300 кВт | Группа 2: 15-300 кВт | ||
|---|---|---|---|---|
| Жесткое крепление | Гибкое крепление | Жесткое крепление | Гибкое крепление | |
| A | ≤ 2.3 мм/с | ≤ 3.5 мм/с | ≤ 1.4 мм/с | ≤ 2.3 мм/с |
| B | ≤ 4.5 мм/с | ≤ 7.1 мм/с | ≤ 2.8 мм/с | ≤ 4.5 мм/с |
| C | ≤ 7.1 мм/с | ≤ 11.0 мм/с | ≤ 4.5 мм/с | ≤ 7.1 мм/с |
| D | > 7.1 мм/с | > 11.0 мм/с | > 4.5 мм/с | > 7.1 мм/с |
Для практических целей эти значения можно перевести в британскую систему (пиковые значения):
| Зона | Группа 1: >300 кВт (400 л.с.) | Группа 2: 15-300 кВт (20-400 л.с.) |
|---|---|---|
| A | ≤ 0.12 дюйм/с (pk) для жесткого крепления | ≤ 0.08 дюйм/с (pk) для жесткого крепления |
| B | ≤ 0.25 дюйм/с (pk) для жесткого крепления | ≤ 0.16 дюйм/с (pk) для жесткого крепления |
Практическое применение
Применение стандарта ISO 10816 на практике позволяет эффективно оценивать состояние оборудования и предотвращать аварийные ситуации. Рассмотрим конкретные примеры для насосов и вентиляторов.
Пример расчета для насосов
Задача
Оценить вибрационное состояние центробежного насоса со следующими характеристиками:
- Мощность: 75 кВт
- Скорость вращения: 1450 об/мин
- Тип крепления: жесткое
- Категория по ISO 10816-7: категория 2 (обычное применение)
- Измеренные значения виброскорости (RMS):
- Корпус подшипника со стороны привода (горизонтальное): 4.2 мм/с
- Корпус подшипника со стороны привода (вертикальное): 3.8 мм/с
- Корпус подшипника со стороны рабочего колеса (горизонтальное): 5.3 мм/с
- Корпус подшипника со стороны рабочего колеса (вертикальное): 4.7 мм/с
Решение
Согласно ISO 10816-7 для насосов категории 2, предельные значения зон следующие:
- Зона A/B (хорошо): ≤ 3.5 мм/с
- Зона B/C (допустимо): ≤ 5.0 мм/с
- Зона C/D (ограниченная эксплуатация): ≤ 8.0 мм/с
- Зона D (риск повреждения): > 8.0 мм/с
Анализ измеренных значений:
- Подшипник со стороны привода (горизонтальное): 4.2 мм/с → Зона B (допустимо)
- Подшипник со стороны привода (вертикальное): 3.8 мм/с → Зона B (допустимо)
- Подшипник со стороны рабочего колеса (горизонтальное): 5.3 мм/с → Зона C (ограниченная эксплуатация)
- Подшипник со стороны рабочего колеса (вертикальное): 4.7 мм/с → Зона B (допустимо)
Вывод
Насос находится преимущественно в зоне B, что означает допустимую эксплуатацию без ограничений. Однако вибрация на подшипнике со стороны рабочего колеса в горизонтальном направлении (5.3 мм/с) находится в зоне C, что требует планирования корректирующих мер. Рекомендуется:
- Провести более детальную диагностику для выявления причины повышенной вибрации (дисбаланс, расцентровка, проблемы с подшипником и т.д.)
- Установить более частый мониторинг этой точки
- Спланировать корректирующие меры при ближайшем плановом обслуживании
Пример расчета для вентиляторов
Задача
Оценить вибрационное состояние промышленного вентилятора со следующими характеристиками:
- Мощность: 150 кВт
- Скорость вращения: 1800 об/мин
- Тип крепления: гибкое (на виброизоляторах)
- Измеренные значения виброскорости (RMS):
- Корпус подшипника со стороны привода (горизонтальное): 3.9 мм/с
- Корпус подшипника со стороны привода (вертикальное): 4.2 мм/с
- Корпус подшипника со стороны рабочего колеса (горизонтальное): 5.1 мм/с
- Корпус подшипника со стороны рабочего колеса (вертикальное): 4.8 мм/с
Решение
Согласно ISO 10816-3 (ISO 20816-3) для вентиляторов группы 2 (15-300 кВт) с гибким креплением, предельные значения зон следующие:
- Зона A (хорошо): ≤ 2.3 мм/с
- Зона B (допустимо): ≤ 4.5 мм/с
- Зона C (ограниченная эксплуатация): ≤ 7.1 мм/с
- Зона D (риск повреждения): > 7.1 мм/с
Анализ измеренных значений:
- Подшипник со стороны привода (горизонтальное): 3.9 мм/с → Зона B (допустимо)
- Подшипник со стороны привода (вертикальное): 4.2 мм/с → Зона B (допустимо)
- Подшипник со стороны рабочего колеса (горизонтальное): 5.1 мм/с → Зона C (ограниченная эксплуатация)
- Подшипник со стороны рабочего колеса (вертикальное): 4.8 мм/с → Зона C (ограниченная эксплуатация)
Вывод
Вентилятор имеет повышенные уровни вибрации на подшипнике со стороны рабочего колеса, которые попадают в зону C. Это свидетельствует о необходимости принятия мер в ближайшее время. Рекомендуется:
- Провести диагностику причин повышенной вибрации (дисбаланс рабочего колеса, износ подшипников, расцентровка и т.д.)
- Запланировать корректирующие меры в течение 1-2 недель
- Увеличить частоту мониторинга до ежедневного до устранения проблемы
- Проверить состояние виброизоляторов, так как они могут быть повреждены или неправильно подобраны
Важно: При оценке вибрации следует использовать наихудшее измеренное значение среди всех точек измерения. Также критически важно следить за трендом изменения вибрации с течением времени, так как резкое изменение уровня вибрации может свидетельствовать о развивающейся неисправности, даже если абсолютные значения находятся в допустимых пределах.
Превентивные меры
Применение стандарта ISO 10816 позволяет не только оценить текущее состояние машины, но и предотвратить аварийные ситуации путем своевременной диагностики и технического обслуживания.
Диагностика неисправностей
На основе измерений вибрации можно диагностировать следующие распространенные неисправности насосов и вентиляторов:
| Тип неисправности | Проявление в спектре вибрации | Рекомендуемые меры |
|---|---|---|
| Дисбаланс | Пик на частоте вращения (1X) | Балансировка ротора или рабочего колеса |
| Расцентровка | Пики на частоте вращения (1X) и гармониках (2X, 3X) | Центровка агрегата |
| Износ подшипников | Высокочастотные составляющие, характерные частоты подшипника | Замена подшипников |
| Ослабление крепления | Субгармонические составляющие (0.5X) и высокий шумовой фон | Проверка и затяжка крепежных элементов |
| Кавитация | Случайный высокочастотный шум | Пересмотр условий эксплуатации, проверка всасывающей линии |
| Резонанс | Резкое увеличение амплитуды при определенной скорости | Изменение жесткости конструкции или рабочей скорости |
Для точной диагностики рекомендуется использовать спектральный анализ вибрации, который позволяет выявить характерные частоты различных неисправностей и точно определить причину повышенной вибрации.
Техническое обслуживание
На основе результатов вибродиагностики по ISO 10816 рекомендуется следующий алгоритм технического обслуживания:
- Зона A (хорошо):
- Продолжать регулярный мониторинг согласно графику
- Техническое обслуживание по графику
- Зона B (допустимо):
- Увеличить частоту мониторинга (например, с ежемесячного до еженедельного)
- Проанализировать тренды изменения вибрации
- Запланировать диагностику при следующем ТО
- Зона C (ограниченная эксплуатация):
- Ежедневный мониторинг
- Детальная диагностика для выявления причины
- Планирование корректирующих мер в ближайшее время
- Подготовка запасных частей
- Зона D (риск повреждения):
- Немедленная остановка машины (если возможно)
- Немедленное проведение ремонтных работ
- Детальное обследование для предотвращения повторения проблемы
Внимание! Для критически важного оборудования рекомендуется устанавливать системы непрерывного мониторинга вибрации с автоматической защитой (отключением) при превышении предельных значений зоны D.
Заключение
Стандарт ISO 10816 предоставляет надежную методологию для оценки вибрационного состояния машин, включая насосы и вентиляторы. Правильное применение стандарта позволяет:
- Выявлять проблемы на ранней стадии, до развития серьезных повреждений
- Оптимизировать график технического обслуживания
- Продлить срок службы оборудования
- Предотвратить аварийные ситуации и связанные с ними простои производства
- Снизить затраты на ремонт и обслуживание
Для эффективного применения стандарта необходимо:
- Выбрать соответствующую часть стандарта в зависимости от типа машины
- Правильно классифицировать машину по группе и типу крепления
- Проводить измерения в соответствии с методикой
- Сравнивать результаты с предельными значениями
- Принимать соответствующие меры в зависимости от зоны вибрации
Регулярный мониторинг вибрации в соответствии с ISO 10816 является важной частью современной стратегии обслуживания по состоянию (Condition-Based Maintenance, CBM) и позволяет значительно повысить надежность и эффективность работы промышленного оборудования.
Дисклеймер: Данная статья носит ознакомительный характер и не заменяет официальных документов стандарта ISO 10816 и его частей. Для конкретного применения рекомендуется приобрести и изучить официальные тексты стандартов. Автор не несет ответственности за возможные неточности или ошибки, а также за любые последствия, возникшие в результате применения информации, изложенной в статье. Все рекомендации должны быть адаптированы к конкретным условиям эксплуатации и согласованы с соответствующими техническими специалистами.
Источники
- ISO 10816-3:2009/Amd1:2017 - Mechanical vibration — Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts — 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 — Amendment 1
- ISO 20816-3:2022 - Mechanical Vibration — Measurement And Evaluation Of Machine Vibration — Part 3: Industrial Machinery With A Power Rating Above 15 KW And Operating Speeds Between 120 R/Min And 30 000 R/Min
- ISO 10816-7:2009 - Mechanical vibration — Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts — Part 7: Rotodynamic pumps for industrial applications, including measurements on rotating shafts (подтверждено в 2020 году)
- Acoem USA. (январь 2025). Understanding the ISO 10816-3 Vibration Severity Chart. Источник: https://acoem.us/blog/other-topics/understanding-the-iso-10816-3-vibration-severity-chart/
- Monnit Knowledge Base. (февраль 2025). ISO 10816 and Monnit Standard Vibration Sensors. Источник: https://support.monnit.com/article/288-iso-10816-and-monnit-standard-vibration-sensors
- CBM CONNECT. (апрель 2023). ISO 10816-3 Guidelines: Vibration Monitoring. Источник: https://www.cbmconnect.com/simplified-vibration-monitoring-iso-10816-3-guidelines/
- Vibsens. (2023). ISO10816 Charts. Источник: https://www.vibsens.com/index.php/en/knowledge-base/iso10816-iso7919-charts/iso10816-charts
- DSP Analytic. (2024). Understanding the ISO 10816-3 Vibration Severity Table. Источник: https://dspanalytic.com/en/vibrations/understanding-the-iso-10816-3-vibration-severity-table/
