СТАНДАРТИЗАЦИЯ В ОБЛАСТИ ВИБРАЦИИ,

КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ,

ДИАГНОСТИКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕСУРСА

ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН

А. А. Стеценко, Н.В. Коныгин, О. А. Стеценко (НТЦ « Диагностика», г. Сумы)

    На современном этапе реформирования и развития экономических и социальных отношений в Украине одним из главных для нее стратегическим заданием есть интеграция в европейские и мировые структуры, членство в ЕС и вхождения в Мировую организацию торговли.

    Улучшение экономического состояния машиностроительных предприятий Украины невозможно без улучшения качества и конкурентоспособности продукции и снижения затрат ресурсов на ее создание.

    Концепция увеличения эффективности, надежности и повышение безопасности продукции изложена в серии стандартов ИСО 9000 –ИСО 9004, ИСО 8402, принятых в качестве национальных стандартов во многих странах. Надежность и безопасность изделий на всех этапах их жизненного цикла являются аспектами качества продукции, которое характеризует ее способность удовлетворять установленным и предполагаемым потребностям общества. Требования общества – обязательства, вытекающие из законов, инструкций, правил, кодексов, уставов и других соображений относительно обеспечения качества изделий. Они становятся все более жесткими и более определенными.

    Контроль качества продукции – деятельность, включающая проведение измерений, экспертиз, испытаний для оценки одной или нескольких характеристик объекта, проверки его соответствие установленным требованиям по качеству, способности обеспечить декларированные изготовителем показатели надежности и безопасности продукции.

    При проведении контроля и проверке качества продукции государственные надзорные органы и специализированные организации руководствуются нормативными актами и стандартами Украины. Поэтому изделия должны удовлетворять обязательным требованиям, соответствующих стандартов. Разработчик и изготовитель за нарушения обязательных требований нормативных документов (стандартов, норм, правил) выплачивают штрафы и, кроме того, устраняют нарушения за свой счет, а также, по требованию заказчика (потребителя), возмещают ему убытки[1].

    Разработчик и изготовитель изделий несут ответственность за декларированные показатели на всех этапах жизненного цикла. Потребитель – работодатель несет ответственность за безопасную эксплуатацию изделий, за обеспечение требуемых режимов работы и технического состояния, за своевременное проведение проверок и ремонтов.

    Следует отметить следующие аспекты качества продукции:

    а) определение требований к продукции и приведение их к современному уровню;

    б) разработка продукции, характеристики которой позволяют отвечать требованиям и возможностям рынка и иметь необходимую потребителям ценность;

    в) обеспечение производства качественной продукции (соблюдения требований, заложенных разработчиком при проектировании изделий);

    г) обеспечение технического обслуживания изделий в процессе их эксплуатации, для поддержания требуемого уровня надежности и безопасности.

    Превращение в машинах и механизмах одних видов энергии в другие, преобразование форм движения, осуществление рабочих процессов неизбежно связано с появлением переменных сил и моментов, порождающих вибрацию. Она отрицательно влияет на прочность и износ изделий, на надежность и безопасность машин, несущих конструкций, сооружений и оказывает вредное влияние на физиологическое состояние людей. При достижении определенных значений вибрация может вызвать нарушение рабочих процессов, привести к расстройке систем управления и регулирования, искажению показаний приборов, усиленному износу кинематических пар, поломкам деталей и авариям машин. Статистика показывает, что в большинстве случаев поломки и аварии машин происходят по причине вибрации, возникающей при отклонении показателей режима работы машин от допустимых значений, изменении формы и взаимного положения деталей, ослаблении креплений и посадок деталей, появлении значительной неуравновешенности движущихся частей. В настоящее время снижение весогабаритных характеристик, повышение скорости и мощности машин приводит к увеличению вибрационных нагрузок на их детали и узлы. Это приводит к необходимости контроля вибрации машин. Связь вибрации с качеством изготовления и сборки машин, износом их деталей и узлов, режимом работы, надежностью и безопасностью позволяет использовать ее характеристики для оценки технического состояния составных частей машин, прогнозирования их ресурса и оптимизации режима работы.

    Для ограничения вибрации в различных областях техники устанавливают требования и нормы для ее регламентации. Под требованиями подразумевают предельно допустимые уровни вибрации, которые необходимы для полного удовлетворения частных условий без учета их выполнения в данный момент времени. Под нормами обычно понимают установленные с помощью статистических методов реально достижимые минимальные уровни вибрации, выполнение которых является обязательным. В большинстве случаев нормы устанавливались с учетом всех наиболее важных условий. Поскольку они не могут в равной степени удовлетворять всем требованиям, нормы являются результатом компромиссного решения. Снижение вибрации машин и оборудования ниже определенного значения отражается на других ее показателях, в том числе, на стоимости и сроках изготовления и ремонта, весогабаритных характеристиках. При установлении норм вибрации машин необходимо исходить из требований обеспечения необходимых показателей надежности (наработка на отказ, ресурс до капитального ремонта и другими) и безопасности. Существующие нормы и требования по ограничению вибрации машин можно подразделить:

    а) нормы, регламентирующие виброактивность и качество изготовления (модернизации, ремонта) машин;

    б) эксплуатационные нормы допустимой вибрации;

    в) санитарно-гигиенические нормы вибрации (требования);

    г) нормы на вибростойкость приборов, машин и строительных конструкций при воздействии внешней вибрации.

    Санитарно-гигиенические нормы вибрации машин установлены в ГОСТ 12.2.012-90, который сейчас пересматривается с целым комплексом стандартов, связанных с воздействием вибрации на человека. В общей структуре этого комплекса, по аналогии с европейскими стандартами, выделены три уровня. Стандарты типа А устанавливают общие правила оценки общей и локальной вибрации. Стандарты типа В устанавливают общие требования к проведению испытаний для заявления и подтверждения вибрационных характеристик машин и оборудования. Стандарты типа С развивают положения стандартов группы В в отношении конкретных видов продукции. Европейские стандарты последней группы называются испытательными кодами.

    Вначале для оценки работоспособности машин многие изготовители устанавливали свои нормы (на их виброактивность, для оценки качества изготовления и технического состояния при эксплуатации), исходя из опыта эксплуатации машин. В основном нормировали общие значения амплитуды или размаха вибросмещения корпусов подшипников или ротора, относительно подшипников. Нормы на вибростойкость устанавливали только для специальных машин, приборов контроля, строительных конструкций. В кораблестроении нормировалось среднее квадратическое значение виброускорения в третьоктавных полосах частот до 10 кГц в местах передачи колебаний машины конструкциям корабля.

    В большинстве отраслей точного машиностроения в качестве норм обеспечивающих вибростойкость приборов применяли величину виброускорения 0,1g , такая вибрация не оказывала влияния на работу приборов. Для роторных машин величину виброускорения устанавливали 1g, для быстроходных машин с подшипниками скольжения уровень 8-10 g не лимитирует надежность их работы. Считают, что строительные конструкции производственных зданий имеют повышенную нагрузку, если их виброускорение превышает 0.03g [2].

    На основе работ немецких специалистов были разработаны нормы вибрации VD1 2056 (охватывающий всю номенклатуру машин) и стандарт ИСО 2372, который заменен в 1995-2000 г.г. серией стандартов ИСО 10816. В СНГ также были разработаны стандарты и приняты стандарты ИСО (с уточнениями и добавлениями) [3-11].

    ИСО 10816/3 устанавливает нормы вибрации (СКЗ виброскорости и вибросмещения) промышленных машин (центробежных компрессоров и насосов, электродвигателей всех типов, промышленных газовых турбин мощностью до 3 МВт, вентиляторов и воздуходувок) на корпусах подшипников. Нормы вибрации установлены в зависимости от мощности машин или высоты вала, типа и класса опор (жесткие или податливые) в частотном диапазоне от 10 Гц до 1000 Гц (для машин, скорость которых ниже 600 об/мин от 2 Гц до 1000 кГц). Нормы установлены для четырех зон технического состояния (А; В; С и Д). По сравнению с ИСО 2372 в ИСО 10816/3 нормы для границы зон С/Д ужесточены с целью обеспечения требований непрерывной работы машин в течение 3 лет. В стандарте ИСО 10816/3 установлены два критерия оценки вибрационного состояния машин. Один из них рассматривает сами значения, а другой – их изменения. Если изменение вибрации превышает 25% значения верхней границы зоны В, то оно является существенным. В ИСО 10816/3 также установлены ограничения на функционирование машин. Установлен уровень «предупреждение» и «останов». Уровень «предупреждение» устанавливают относительно некоторого базового значения для конкретной машины и определенных точках контроля, исходя из опыта эксплуатации этой машины. Рекомендуется уровень «предупреждение» устанавливать выше базовой линии на 25% значений верхней границы зоны В.

    Уровень «останов» рекомендуется устанавливать в пределах зон С или Д. Он не должен превышать более чем в 1,25 раза верхнюю границу зоны С (для отечественных машин это жесткий критерий).

    Базовое значение вибрации машин рекомендуется периодически (после ремонта, изменения условий эксплуатации) уточнять.

    Для машин, имеющих легкий ротор и массивные подшипниковые опоры, а также гибкий ротор целесообразно контролировать вибрацию ротора. Нормы вибрации (размаха вибросмещения) роторов промышленных машин установлены в ИСО 7919/3[12]. Определение уровня вибрации вала основывается на измерении абсолютной или относительной вибрации вала относительно элементов конструкции машины. В случае, когда критерием оценки является изменение вибрации вала, то:

    а) если вибрация поверхности, на которой установлен датчик относительной вибрации, мала (меньше 20% относительной вибрации вала), то в качестве измеряемой величины может быть принята как относительная, так и абсолютная вибрация;

    б) если вибрация поверхности, на которую установлены датчики относительной вибрации, составляет 20% и более относительной вибрации вала, следует измерять абсолютную вибрацию вала, и если они окажется больше, принять ее в качестве измеряемой величины.

    В случае, когда критерием оценки является динамическая нагрузка на подшипники, в качестве измеряемой величина следует принимать относительную вибрацию вала.

    В случае, когда критерием оценки является зазор между статором и ротором, то:

    а) если вибрация поверхности, на которую установлен датчик, мала (меньше 20% относительной вибрации вала), в качестве меры заполнения принимается относительная вибрация;

    б) если вибрация поверхности составляет 20% и более относительной вибрации вала, относительная вибрация вала может еще рассматриваться как мера заполнения зазора, пока вибрация статора поверхности, на который установлен вибродатчик, может рассматриваться как полная вибрация статора. Для вибрации ротора может быть установлен уровень предупреждения состояния, как и для подшипников.

    В настоящее время в области диагностики и прогнозирования технического состояния разрабатываются ряд проектов стандартов ИСО[13-22], требования которых целесообразно знать до их ввода в действие.

    На Украине в 1993 году были разработаны первые редакции ДСТУ 3160 – ДСТУ 3163[23-26]. Которые полностью соответствовали требованиям ИСО 2372 и ИСО 7919/3, а также существенно их дополняли. Они и сейчас дополняют требования ИСО 10816/3. При введении его в России (2000 г.) ДСТУ 3161 и ДСТУ 3163 были включены в библиографию стандарта. ДСТУ 3162 является пока единственным стандартом для оценки вибрационного состояния поршневых компрессоров. Эти стандарты Украины используются при сертификации компрессорного оборудования, т.к. требования их являются обязательными.

    В стандартах Украины установлено:

    - перечень вибрационных характеристик для оценки работоспособности компрессоров и вибрационного воздействия на работающих (приведена их классификация и дано определение);

    - четыре уровня контроля технического состояния машин (по общим значениям параметров вибрации, по их значениям в третьоктавных полосах и узких полосах, по интенсивности основных виброакустических источников). Нормы вибрации составных частей промышленных машин для 1-го уровня контроля приведены в табл. 1 и 2;

    - метод оценки технического состояния подшипников по изменению общих значений виброскорости и по уровню субгармонических колебаний. Уровень субгармонических колебаний не должен превышать 0,5 мм/с. Компрессоры не рекомендуется эксплуатировать при внезапном и необратимом изменении виброскорости на 1 мм/с в двух или более точках, а также при непрерывном росте виброскорости в течение 2-3 суток на 3 мм/с в любой из точек контроля;

    - требования к разделам технической документации компрессорного оборудования в части вибрации, качества производства, надежности;

    - требования к режиму работы компрессора во время его испытаний, а также объем вибрационного исследования опытного образца;

    - методы определения значений гарантированных и базовых вибрационных характеристик;

    - правила оценки стабильности качества серийного производства (или ремонта) компрессного оборудования и технического состояния его составных частей при эксплуатации;

    - требования по определению и контролю параметров надежности, по прогнозированию остаточного ресурса составных частей компрессорного оборудования;

    - требования по защите обслуживающего персонала от вибрационного воздействия компрессорного оборудования.

    Для оценки технического состояния проточной части турбомашин (компрессоров, насосов, турбин) и оптимизации режима их работы целесообразно контролировать вибрацию в районе расположения первого и последнего колеса, на подводе и отводе. Для выполнения этого контроля в ДСТУ 3161 установлены нормы виброускорения. В ДСТУ 3162 приведены нормы вибрации коренных подшипников, крейцкопфов и цилиндров поршневых компрессоров.

    Для контроля вибрации трубопроводов в ДСТУ 3161 и ДСТУ 3162 установлены нормы виброскорости. Уровни виброускорения трубопровода необходимо устанавливать по результатам расчета деформации его конструкции от температуры, статической и динамической нагрузки, учета отстройки от собственных частот.

    В ДСТУ 3163 изменение интенсивности основных виброакустических источников на 4-8 дБ в какой-либо точке контроля является предупреждением о нарушении нормального функционирования машин или существенного отклонения режима ее работы от номинального (расчетного).

    В практике виброконтроля принято вибросмещение измерять в диапазоне частот от 0 до 10 Гц, виброскорость - от 10 до 1000 Гц, виброускорение – свыше 1кГц до 10 – 20 кГц. Это позволяет более объективно оценивать действующую нагрузку на элементы машины.

    Вибрационные характеристики машин необходимо определять при проведении приемочных, периодических, типовых, сертификационных и приемо-сдаточных испытаниях, а также при эксплуатации. Результаты обследования компрессорного оборудования на производствах и местах их эксплуатации, а также экспертиза технических документов показала, что многие предприятия до сих пор незнакомы со стандартами или пренебрегают обязательными их требованиями. Это негативно влияет на показатели надежности и безопасности эксплуатируемого оборудования на предприятиях.

    Повышение надежности и безопасности машин было всегда одной из первоочередных технических проблем. Согласно нормативным документам Украины необходимо определять и периодически контролировать основные показатели надежности и безопасности машин и оборудования. При достижении их предельного состояния (при котором эксплуатация недопустима или нецелесообразна) они направляются в ремонт или списываются. Продление ресурса объекта до списания и предотвращения незапланированных отказов, а также повышение безопасности работающих является одной из важнейших задач предприятия.

    В ДСТУ 2826 [27] установлены требования к эксплуатационной и ремонтной документации в части виброакустики из которых следует отметить:

    - журнал оценки технического состояния по вибрационным характеристикам и основным показателям назначения (ДСТУ 3161 – ДСТУ 3163);

    - паспорт вибрационной нагрузки (ГОСТ 12.1.012, ДСТУ 3160);

    Как уже отмечалось выше, в настоящее время повышение безопасности и надежности машин, оценки остаточного ресурса их составных частей есть одной из первоочередных технических проблем, так как качество производства, ремонта и монтажа машин снизилось, на предприятиях увеличился парк машин, имеющих значительный износ. Решение проблемы проводится по многим направлениям. Совершенствование методов мониторинга и диагностики - одно из них. Эффективный контроль готовой продукции закрывает путь к потребителю некачественной продукции, а внедрение в эксплуатацию средств, позволяющих быстро и точно определить техническое состояние работающих машин, дает возможность принять верное решение, по времени проведения и объему ремонта, организовать ремонт составных частей по фактическому состоянию. Предприятия – потребители продукции машиностроения начали создавать системы мониторинга и диагностики машин и оборудования. Для этого им требуется больше информации о поставляемых изделиях, прежде всего, сведения о кинематике и базовые вибрационные характеристики, а также о влиянии режима работы на интенсивность основных виброакустических источников.

    Изготовители при приемочных и квалификационных испытаниях компрессорного оборудования должны определить вибрационные характеристики составных частей компрессорного оборудования (перечень их установлен в ДСТУ 3160, а точки контроля и методы в ДСТУ 3161 – ДСТУ 3163), основные показатели надежности и оценить вибрационную безопасность объекта исследования.

    При серийном производстве компрессорного оборудования по ДСТУ 3163 необходимо проводить выборочный вибрационный контроль месячных (или квартальных) партий выпускаемой продукции и оценивать стабильность ее качества.

    При эксплуатации машин рекомендуется ежедневно контролировать общие уровни виброскорости и виброускорения подшипников, а также оценивать интенсивность основных виброакустических источников через 600 – 1200 часов работы компрессорного оборудования (периодичность целесообразно устанавливать в зависимо от наработки на отказ самого слабого узла). При вводе в эксплуатации объекта необходимо проверять качество его изготовления или ремонта, а также монтажа и функционирование систем регулирования и контроля, смазки и охлаждения.

    В Украине из-за отсутствия недорогих технических средств и необходимого программного обеспечения по мониторингу и диагностике, обязательной сертификации качества компрессорного оборудования сдерживалось внедрение стандартов ДСТУ 3160 – ДСТУ 3163, которые можно использовать и для других промышленных машин (см. ИСО 10816/3). Необходимо только уточнить требования по режиму работы машины.

    В настоящее время предприятиям предлагаются различные технические средств и программное обеспечение для мониторинга и диагностики оборудования. При их выборе необходимо учитывать требования стандартов Украины. Внедрение систем контроля и диагностики машин на предприятиях позволит улучшить качество изготовления и ремонта машин, повысить их безопасность и надежность при эксплуатации, уменьшить эксплуатационные затраты на поддержание работоспособности машин и своевременно выводить их из эксплуатации (для ремонта или утилизации).

    Другие стандарты по требованиям безопасности компрессорного оборудования и методам контроля шумовых их характеристик приведены в статьях [28, 29], которые необходимо использовать при оценке технического состояния компрессорного и другого оборудования.

Таблица 1 – Нормированные граничные значения вибрационных характеристик промышленных машин для четырех зон оценки

Примечание: Vскз, Аскз, Хскз – средние квадратические значения соответственно виброскорости (мм/с), виброускорения (м/с²) и вибросмещения (мкм), 2Х – размах вибросмещения, Nном – номинальная мощность машины,  n – частота вращения ротора (об/мин).

Таблица 2 - Нормированные граничные значения вибрационных характеристик поршневых компрессоров для четырех зон оценки

Примечание: ВХ – вибрационная характеристика, Vскз,  Аскз, Хскз – средние квадратические значения соответственно виброскорости (мм/с), виброускорения (м/с²) и вибросмещения (мкм), 2Х – размах вибросмещения,

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Декрет Кабинета Министров Украины No 30-93

2. Руководство по эксплуатации строительных конструкций производственных зданий промышленных предприятий/ ЦНИИпромиздат – М. Стройиздат. 1981.- 56с.

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

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

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

6. ГОСТ ИСО 10816/1-1997 Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерения вибрации на невращающихся частях. Общие требования.

7. ИСО 10816/2: 2001 Вибрация. Оценка состояния машин по результатам измерения вибрации на невращающихся частях. Часть 2. Крупные стационарные паровые турбины и генераторы мощность свыше 50 МВт и номинальной скоростью 1500, 1800, 3000 и 3600 об/мин.

8. ГОСТ ИСО 10816/3-1998 Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерения вибрации на невращающихся частях. Часть 3. Промышленные машины номинальной мощность свыше 15 кВт и номинальной скоростью вращения от 120 до 15000 об/мин.

9. ГОСТ ИСО 10816/4-1998 Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерения вибрации на невращающихся частях. Часть 4. Газотурбинные установки.

10. ИСО 10816/5: 2000 Вибрация. Оценка состояния машин по результатам измерения вибрации на невращающихся частях. Часть 5. Агрегаты на гидроэлектростанциях и насосных станциях.

11. ИСО 10816/6: 2000 Вибрация. Оценка состояния машин по результатам измерения вибрации на невращающихся частях. Часть 6. Машины возратно-поступательного действия номинальной мощность свыше 100 кВт.

12. ГОСТ ИСО 7919/3-2002 Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерения вибрации на вращающих валах. Промышленные машины и комплексы.

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

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

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

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

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

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

19. ИСО/ПК 13381-1 Вибрация. Контроль состояния машин. Методы прогнозирования.

20. ИСО/ ПМС 17359 Контроль состояния и диагностика машин. Общее руководство.

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

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

23. ДСТУ 3160-95 Компрессорное оборудование. Определение вибрационных характеристик. Общие требования.

24. ДСТУ 3161-95 Компрессорное оборудование. Определение вибрационных характеристик центробежных компрессоров и нормы вибрации.

25. ДСТУ 3162-95 Компрессорное оборудование. Определение вибрационных характеристик малых и средних поршневых компрессоров и нормы вибрации.

26. ДСТУ 3163-95 Компрессорное оборудование. Вибрационные характеристики и защита от вибрации. Правила изложения и оформления.

27. ДСТУ 2826-94. Станции компрессорные стационарные. Правила эксплуатации и ремонта.

28. Стеценко А.А, Зубарева Т.Ю, Наумов Е.Д. Стандартизация методов определения шумовых характеристик и определение шумобезопасности компрессорного оборудования. Компрессорная техника и пневматика. Ассоциация компрессорщиков и пневматиков. Выпуск 1. Санкт - Петербург. 1992г. с.32 – 33.

29. Стеценко А.А., Беззубцева А.М, Стеценко О.А. Стандарты по вопросам безопасности компрессорного оборудования. // Труды 2-й всеукраинской научно-практической конференции по охране труда: Национальный институт охраны труда, Киев, 1997 г., с. 172-180.