Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Любое механическое колебание описывается одновременно тремя кинематическими параметрами — виброперемещением, виброскоростью и виброускорением, связанными между собой как функция и её производные. Выбор того, какой именно параметр контролировать, определяется частотным диапазоном дефекта, чувствительностью средств измерения и нормативной базой. В статье — связь параметров, частотные диапазоны их применения, почему общее вибрационное состояние машин оценивают по среднеквадратичному значению (СКЗ) виброскорости и как выбирать параметр под конкретный тип дефекта.
Колеблющаяся точка корпуса машины описывает в пространстве траекторию, которую полностью характеризует её зависимость координаты от времени. Виброперемещение, виброскорость и виброускорение — это разные физические описания одного и того же процесса.
Смещение колеблющейся точки от положения равновесия. Единицы — микрометры (мкм) или миллиметры (мм). Виброперемещение характеризует геометрическую амплитуду колебаний: насколько далеко точка отходит от равновесного положения. Этот параметр напрямую связан с зазорами в опорах, с износом подшипников скольжения, с условиями работы уплотнений и с динамическим прогибом валов. Измеряется бесконтактными датчиками (вихретоковыми, оптическими) для оценки относительного перемещения вала в подшипниках скольжения либо вычисляется двойным интегрированием сигнала ускорения для измерений на корпусе.
Производная виброперемещения по времени; скорость движения колеблющейся точки. Единицы — мм/с. Виброскорость характеризует энергию колебаний: кинетическая энергия колеблющейся массы пропорциональна квадрату скорости. Именно этот параметр исторически принят как универсальный индикатор общего вибрационного состояния машин: он одинаково «справедливо» взвешивает компоненты колебаний в широком диапазоне частот, не пересиливая ни низкие, ни высокие. Стандарт ISO 2954:2012 нормирует требования к приборам для измерения СКЗ виброскорости.
Производная виброскорости по времени; вторая производная виброперемещения. Единицы — м/с² или g (1 g = 9,81 м/с²). Виброускорение характеризует инерционные силы, возникающие при колебаниях: F = m·a. Этот параметр пересиливает высокочастотные компоненты сигнала и применяется для диагностики дефектов, проявляющихся на высоких частотах — износа подшипников качения, дефектов зубчатых зацеплений, кавитации в насосах, ослабления креплений. Большинство современных вибропреобразователей — пьезоэлектрические акселерометры, то есть измеряют именно ускорение; виброскорость и виброперемещение получают численным интегрированием сигнала.
Один и тот же сигнал, представленный как перемещение, скорость или ускорение, выявляет разные стороны одного процесса. Не существует «правильного» параметра — выбор зависит от того, что именно ищут.
Сигнал вибрации — это функция времени. Чтобы дать ему численную оценку (одно число для сравнения с нормативом), используют скалярные меры. Их три, и они дают разные значения даже для одного и того же сигнала.
Для чисто гармонического (синусоидального) колебания эти меры связаны простыми соотношениями: пиковое значение = СКЗ · √2 ≈ СКЗ · 1,414; размах = 2 · пик. Для реальных сигналов машин, содержащих сумму гармоник и шумовых компонент, соотношения зависят от формы сигнала. Отношение пик/СКЗ — так называемый пик-фактор (crest factor) — само по себе используется как диагностический признак: его рост указывает на появление импульсных составляющих, типичных для зарождающихся дефектов подшипников качения.
Для гармонической вибрации с амплитудой X и круговой частотой ω = 2πf формальные соотношения между параметрами получаются простым дифференцированием.
Перемещение: x(t) = X · sin(ωt)
x(t) = X · sin(ωt)
Скорость: v(t) = ω · X · cos(ωt)
v(t) = ω · X · cos(ωt)
Ускорение: a(t) = −ω² · X · sin(ωt)
a(t) = −ω² · X · sin(ωt)
В пиковых значениях: Vпик = ω · Xпик и Aпик = ω² · Xпик = ω · Vпик
Vпик = ω · Xпик
Aпик = ω² · Xпик = ω · Vпик
В СКЗ: Vскз = ω · Xскз и Aскз = ω · Vскз
Vскз = ω · Xскз
Aскз = ω · Vскз
Из этих соотношений видно физическую природу частотной зависимости параметров: при увеличении частоты вдвое перемещение остаётся прежним, скорость удваивается, ускорение увеличивается в четыре раза. Это объясняет, почему разные параметры удобны для разных диапазонов частот: одно и то же значение энергии колебаний «выглядит» в этих трёх параметрах по-разному.
Пусть на корпусе подшипника измерена виброскорость Vскз = 4,5 мм/с на оборотной частоте f = 50 Гц (то есть ω = 2π · 50 ≈ 314 рад/с).
Vскз = 4,5 мм/с
f = 50 Гц
Тогда виброперемещение Xскз = Vскз / ω = 4,5 / 314 ≈ 0,014 мм = 14 мкм СКЗ, что соответствует размаху примерно 40 мкм.
Xскз = Vскз / ω = 4,5 / 314 ≈ 0,014 мм = 14 мкм СКЗ
Виброускорение Aскз = ω · Vскз = 314 · 0,0045 ≈ 1,4 м/с² СКЗ, или около 0,14 g.
Aскз = ω · Vскз = 314 · 0,0045 ≈ 1,4 м/с² СКЗ
Те же 4,5 мм/с на частоте 1000 Гц давали бы перемещение около 0,7 мкм (СКЗ) и ускорение около 28 м/с² (СКЗ) — почти 3 g.
Из соотношений выше следует, что один и тот же параметр чувствителен не ко всему спектру одинаково. Для практического применения сложилось разделение по частотным диапазонам, опирающееся на физическую логику и на типовые источники колебаний в роторных машинах.
Эти границы не абсолютные. ISO 20816-1 прямо отмечает, что «классический» диапазон 10–1000 Гц, исторически связанный с измерениями СКЗ виброскорости, не охватывает всех потребностей мониторинга и диагностирования отдельных видов машин. Для машин с рабочей частотой ниже 600 об/мин нижнюю границу полосы измерений расширяют, для высокооборотных машин и при поиске зарождающихся дефектов подшипников и зубчатых передач — расширяют верхнюю.
Виброперемещение пересиливает низкие частоты, виброускорение — высокие, виброскорость даёт примерно равный вес тем и другим в широкой полосе. Поэтому именно виброскорость стала универсальной мерой общего состояния машин.
Выбор СКЗ виброскорости в качестве универсального индикатора общего вибрационного состояния машин не случаен и опирается на три обстоятельства.
В практике мониторинга СКЗ виброскорости измеряют широкополосно (без выделения отдельных гармоник) в диапазоне частот, заданном применяемым стандартом, и сравнивают с пороговыми значениями зон оценки A, B, C, D. Зона A соответствует только что введённой в эксплуатацию машине, B — допустимому продолжительному эксплуатационному уровню, C — состоянию, требующему планового вмешательства, D — состоянию, при котором возможны повреждения.
В практической диагностике параметр вибрации выбирают исходя из частотного диапазона ожидаемого дефекта.
На практике это означает, что для надёжного мониторинга машины с подшипниками качения и зубчатыми передачами одного контроля СКЗ виброскорости недостаточно — нужны также измерения по высокочастотному виброускорению с применением специализированных методов (анализ огибающей, метод ударных импульсов SPM, пик-фактор). СКЗ виброскорости показывает общее состояние, но зарождающиеся дефекты подшипников и зубчатых передач выявляются раньше через высокочастотный канал.
Систему оценки вибрационного состояния машин формируют международные стандарты серии ISO 20816, заменяющие более ранние серии ISO 10816 (измерения на невращающихся частях) и ISO 7919 (измерения на валу). На территории Российской Федерации они введены в действие как идентичные национальные стандарты серии ГОСТ Р ИСО 20816.
Стандарты серии ISO 20816 определяют четыре зоны оценки состояния (A, B, C, D) с дифференциацией пороговых значений по группам машин (по номинальной мощности или высоте оси) и по типу опор/фундамента (жёсткий или податливый). Для большинства промышленных машин общего назначения с мощностью 15–300 кВт на жёстком фундаменте типовые границы зон по СКЗ виброскорости лежат в диапазоне 1,4–4,5 мм/с; для крупных машин и податливых опор пороги выше. Конкретные значения зон для каждой группы машин приведены в соответствующих частях стандарта.
Ранее действовавшие на территории РФ межгосударственные стандарты ГОСТ ИСО 10816-1-97 и ГОСТ ИСО 10816-3-2002 утратили силу с введением соответствующих частей серии ГОСТ Р ИСО 20816. При работе с регламентами, ссылающимися на серию 10816, следует учитывать эту замену и применять действующие редакции.
Не напрямую. Виброскорость характеризует энергию колебаний, а не амплитуду движения. Для оценки геометрической амплитуды нужно знать частоту: одно и то же значение виброскорости (например, 4,5 мм/с СКЗ) на частоте 10 Гц соответствует виброперемещению около 70 мкм СКЗ, а на частоте 1000 Гц — менее 1 мкм. Поэтому при необходимости оценить размах движения вала или ротора смотрят виброперемещение напрямую — либо измерением, либо численным интегрированием сигнала ускорения.
Подавляющее большинство современных вибропреобразователей — пьезоэлектрические акселерометры. Они измеряют именно ускорение, а виброскорость и виброперемещение прибор получает численным интегрированием сигнала ускорения в полосе частот, заданной прибором. Это позволяет одним датчиком получать все три параметра. Точность интегрирования определяется частотным диапазоном датчика и схемы обработки — особенно критичен корректный отсчёт на нижней границе полосы.
Классический диапазон, заданный ISO 2954:2012, составляет от 10 до 1000 Гц. Этот диапазон охватывает наиболее распространённые источники возбуждения вибрации в роторных машинах: дисбаланс, расцентровку, ослабления, эффекты первых гармоник зацеплений. Для машин с частотой вращения ниже 600 об/мин нижнюю границу расширяют, чтобы охватить оборотную частоту и её ближайшие гармоники. Для тихоходных машин вместо виброскорости предпочтительнее контролировать виброперемещение.
Виброускорение в высокочастотной полосе (как правило, до 10–20 кГц) с применением специальных методов обработки: анализа огибающей, метода ударных импульсов SPM, отслеживания пик-фактора. Импульсы при дефектах беговых дорожек или тел качения возбуждают резонансы подшипниковой системы на частотах в килогерцовом диапазоне, которые виброскорость и виброперемещение не выделяют. Общий уровень СКЗ виброскорости тоже растёт при развитом дефекте подшипника — но изменение становится заметным значительно позже, чем по высокочастотным методам.
Серия ISO 20816 — современная редакция стандартов оценки вибрационного состояния машин, которая постепенно заменяет ранее действовавшие ISO 10816 (измерения на невращающихся частях) и ISO 7919 (измерения на валу). Ключевое отличие — объединение этих двух подходов в единую систему оценки. ISO 20816-3:2022 заменил ISO 10816-3:2009 и ISO 7919-3:2009, расширив верхнюю границу частот вращения до 30 000 мин⁻¹, упростив классификацию машин на группы и уточнив требования к измерениям на переходных режимах. В России соответствующие национальные стандарты серии ГОСТ Р ИСО 20816 действуют с 2022–2023 годов.
СКЗ (среднеквадратичное значение, RMS) — квадратный корень из среднего значения квадрата сигнала за выбранный интервал времени. Физически СКЗ виброскорости пропорционально средней мощности колебательного процесса, то есть энергии, идущей на циклическое нагружение элементов конструкции. Эта мера устойчива к одиночным выбросам, повторяема при разных измерениях, имеет понятный физический смысл и применяется как стандартная во всех международных и национальных нормах оценки вибрационного состояния машин.
Для оценки общего состояния — да, для глубокой диагностики и раннего выявления дефектов — нет. Широкополосная СКЗ виброскорости фиксирует совокупный уровень колебаний и позволяет вовремя заметить ухудшение, но не указывает на причину. Полноценная программа предиктивного обслуживания дополняет контроль СКЗ виброскорости спектральным анализом, анализом огибающей, контролем виброускорения в высокочастотной полосе, отслеживанием пик-фактора и других статистических признаков, периодическим контролем температуры подшипников и анализом смазки.
В принципе — да, численным интегрированием. Но точность пересчёта ограничена частотным диапазоном датчика и точностью обработки. На нижнем краю полосы шум интегрирования может «всплыть» и исказить результат — поэтому при пересчёте применяют фильтрацию верхних частот, отсекающую низкочастотный шум. Для гармонических сигналов соотношения Vскз = ω · Xскз и Aскз = ω · Vскз выполняются точно; для широкополосных сигналов реальной машины эти соотношения справедливы покомпонентно — на каждой частоте спектра отдельно.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.