Вибрация – движение точки (или тела) вокруг исходного положения, повторяющееся точно через определенные промежутки времени (периодически). Простейшую форму периодического колебания представляют собой гармонические колебания , график которого в зависимости от времени и представляет собой синусоиду (см.рис.1). Время между двумя последующими, в точности схожими положениями колеблющейся точки (или тела) называют периодом колебания (Т).

Частота колебания связана с периодом через соотношение:

Что же касается величины колебания, то она может быть описана, согласно ГОСТ 10816-1-99, тремя основными параметрами: вибросмещением ( s ) , виброскоростью ( v ) и виброускорением ( a ) . Эти параметры имеют определенные математические соотношения друг к другу при рассмотрении гармонических (простейших) колебаний. Если вибрация точки (или тела) имеет чисто продольную форму колебаний вдоль одной оси (х) , то мгновенное смещение (вибросмещение) от исходного положения может быть описано математическим уравнением:

где - угловая частота;

– максимальное смещение точки (или тела) от исходного положения;

t – время.

Изменение смещения во времени является скоростью (виброскорость) движения точки (или тела). Поэтому колебания так же можно описать через скорость (v )

Таким образом, вибросмещение может быть преобразовано в скорость посредством дифференцирования.

Дифференцирование сопровождается умножением амплитуды на частоту, поэтому амплитуда виброскорости на определенной частоте пропорциональна смещению (s) умноженному на частоту (f) . При фиксированном смещении скорость с увеличением частоты возрастет в два раза, а если частоту увеличить в 10 раз, то скорость возрастет в 10 раз.

Изменение скорости движения точки (или тела) во времени является ускорением (виброускорение) движения:

То есть, чтобы получить из скорости ускорение, необходимо еще одно дифференцирование, а значит еще одно умножение на частоту. Поэтому ускорение при фиксированном смещении будет пропорционально квадрату частоты.

По второму закону Ньютона, сила равна массе, умноженной на ускорение. Поэтому при заданном смещении сила будет пропорциональна квадрату частоты. Именно поэтому на практике не сталкиваются с колебаниями, где большие ускорения сопровождаются большими смещениями , просто не существует таких очень больших сил, которые были бы крайне разрушительными.

Как видно из вышеприведенных уравнений, форма и период колебаний остается неизменным независимо от того рассматривается ли смещение, скорость или ускорение.

Следует отметить, что мгновенные значения s , v , a отличаются по фазе . Так скорость опережает смещение на фазовый угол 90 0 (в уравнении) и ускорение опережает скорость на фазовый угол 90 0 (в уравнении). В качестве характеризующей величины было применено пиковое значение амплитуды колебаний , то есть. Применение пикового значения амплитуды колебаний эффективны при рассмотрении гармонических (простейших) колебаний.

Величины вибросмещения, виброскорости и виброускорения в стандартных единицах измерения связаны следующими уравнениями:

При рассмотрении колебаний (рис.2) используют другие величины амплитуд.

Среднее арифметическое абсолютное значение амплитуды колебания характеризует общую интенсивность вибрации и определяется по формуле:

Среднее значение амплитуды колебаний используется при анализе колебаний за очень большой промежуток времени (сутки, несколько суток), в основном в стационарных системах мониторинга оборудования. Поэтому эта величина особого практического интереса не представляет.

Другой величиной амплитуды колебаний является среднее квадратическое значение (СКЗ). СКЗ является важной характеристикой амплитуды вибрации. Для ее расчета необходимо возвести в квадрат мгновенные значения амплитуды колебаний , и усреднить получившиеся величины по времени. Для получения правильного значения, интервал усреднения должен быть не меньше одного периода колебания. После этого извлекается квадратный корень и получается СКЗ.

Для чисто гармонических колебаний (вибрация содержит только одну частоту колебаний) соотношение между пиковым, средним и средним квадратическим значениями амплитуды определяются по следующим формулам:

В более общем виде эти соотношения можно описать так:

Коэффициенты F f и F c называются соответственно коэффициентом формы и коэффициентом амплитуды. Эти коэффициенты дают представление о форме волны изучаемой вибрации.

Для чисто гармонических колебаний эти коэффициенты равны:

Колебания, встречающиеся на практике, не являются чисто гармоническими колебаниями, хотя многие из них могут быть периодическими. На рис.3 дан пример типичного колебания встречающегося в практике.

Определив пиковое, среднее и среднее квадратическое значения этой вибрации, а так же ее коэффициенты формы и амплитуды можно получить много полезной информации и в результате сказать о негармоническом характере вибрации. Однако практически невозможно на основе этой информации предсказать о возможных дефектах вызываемых вибрацию в элементах конструкции машины или механизма. Поэтому нужно использовать другие

Параметры вибрации в различных единицах измерения можно пересчитать не только по выше приведенным формулам, но и с помощью калькуляторов пересчета вибрации, которые предлагают как зарубежные, так и отечественные фирмы. На рис.4 вы видите один из таких калькуляторов. Для знакомства с его работой Вы можете его скачать на свой диск и запустить его.

R.S. Если кто-то из вас дорогой читатель не совсем понял данную статью, так как не в ладах с математикой, то рекомендую для начала изучить данный вопрос с помощью книги: . В этой книге весь материал изложен обыкновенным языком, без единой формулы.

ГОСТ ИСО 10816-1-97

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

ВИБРАЦИЯ

КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ МАШИН ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИЗМЕРЕНИЙ
ВИБРАЦИИ НА НЕВРАЩАЮЩИХСЯ ЧАСТЯХ

Часть 1

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ
ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ
Минск

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Российской Федерацией

ВНЕСЕН Техническим секретариатом Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации

2 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол № 11 от 25 апреля 1997 г.)

Наименование государства	Наименование национального органа по стандартизации
Азербайджанская Республика	Азгосстандарт
Республика Армения	Армгосстандарт
Республика Белоруссия	Госстандарт Белоруссии
Республика Казахстан	Госстандарт Республики Казахстан
Киргизская Республика	Киргизстандарт
Республика Молдова	Молдовастандарт
Российская Федерация	Госстандарт России
Республика Таджикистан	Таджикгосстандарт
Туркменистан	Главная государственная инспекция Туркменистана
Республика Узбекистан	Узгосстандарт
	Госстандарт Украины

3 Настоящий стандарт содержит полный аутентичный текст международного стандарта ИСО 10816-1-95 «Вибрация. Контроль вибрационного состояния машин по измерениям вибрации на невращающихся частях. Часть 1: Общее руководство»

4 Постановлением Государственного комитета Российской Федерации по стандартизации, метрологии и сертификации от 17 сентября 1998 г. № 353 межгосударственный стандарт ГОСТ ИСО 10816-1-97 введен в действие в качестве государственного стандарта Российской Федерации с 1 июля 1999 г.

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

6 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Июль 2009 г.

Введение

Настоящий стандарт является базовым нормативным документом, в котором изложены общие руководящие принципы измерения и оценки механической вибрации статорных элементов машин, например опор подшипников. Требования к вибрационным измерениям и критерии оценки состояния машин конкретных типов устанавливают в стандартах на эти машины, разрабатываемых на базе данного стандарта.

Для многих машин результаты измерений вибрации статорных элементов являются достаточными для адекватной оценки условий надежности их эксплуатации, а также влияния на работу соседних агрегатов. Однако для некоторых машин, например с гибкими роторами, измерения вибрации на неподвижных частях могут оказаться недостаточными. В этих случаях осуществляют также измерения вибрации вращающихся роторов, т.е. надежный контроль должен базироваться на результатах измерений вибрации как статорных, так и роторных элементов.

Результаты измерений вибрации могут быть использованы при эксплуатационном контроле, приемочных испытаниях, диагностических и аналитических исследованиях. Данный стандарт является руководством только по эксплуатационному контролю вибрации и измерениям вибрации при приемочных испытаниях оборудования.

В стандарте использованы три основных параметра вибрации: виброперемещение, виброскорость и виброускорение, - и дан порядок установления их предельных значений. Выполнение предлагаемых руководящих принципов в большинстве случаев должно гарантировать удовлетворительную работу оборудования.

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

Вибрация КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ МАШИН ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИЗМЕРЕНИЙ ВИБРАЦИИ НА НЕВРАЩАЮЩИХСЯ ЧАСТЯХ Часть 1. Общие требования Mechanical vibration. Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts. Part 1. General guidelines

Дата введения 1999-07-01

1 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Настоящий стандарт устанавливает общие условия и порядок определения и оценки вибрационного состояния на основе измерений, выполняемых на статорных элементах машин. Общие критерии оценки, основанные на измерении как собственно значений параметров вибрации, так и значений их изменений, относящиеся как к эксплуатационному контролю, так и к приемочным испытаниям, должны быть установлены с учетом необходимости обеспечить следующие факторы:

Безопасную продолжительную работу машины;

Отсутствие влияния вибрации машины на работу соседних машин и механизмов.

Настоящий стандарт распространяется на вибрацию, создаваемую самой машиной, и не распространяется на вибрацию, передаваемую извне.

Угловая вибрация в данном стандарте не рассматривается.

2 НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

4 ИЗМЕРЕНИЕ ВИБРАЦИИ

4.1 Измеряемые характеристики

4.1.1 Диапазон частот

Измерения вибрации следует проводить в диапазоне частот, охватывающем частотный спектр колебаний машины. Ширина диапазона частот зависит от типа машины (например, диапазон частот, необходимый для оценки целостности подшипников качения, должен включать в себя частоты более высокие, чем для машин с подшипниками скольжения). Рекомендации по выбору диапазона частот для машин конкретных типов должны быть приведены в соответствующих стандартах, например для паротурбинных стационарных агрегатов - в ГОСТ 25364.

Примечание - В прошлые годы контроль вибрационного состояния в основном связывали с измерением вибрации в фиксированном диапазоне частот 10 ... 1000 Гц и оценкой среднего квадратического значения виброскорости в этом диапазоне; требования к соответствующим средствам измерений приведены в ГОСТ ИСО 2954. Однако для машин некоторых типов могут потребоваться измерения в другом диапазоне частот и иных параметров вибрации.

4.1.2 Измеряемая величина

Исходя из целей данного стандарта в качестве измеряемой величины может быть использована одна из следующих:

Виброперемещение, в микрометрах (мкм);

Виброскорость, в миллиметрах на секунду (мм/с);

Виброускорение, в метрах на секунду в квадрате (м/с 2).

Порядок использования, случаи применения и ограничения, налагаемые на эти величины, рассмотрены в .

Как правило, для вибрации, измеряемой в широком диапазоне частот, не существует простых соотношений между виброускорением, виброскоростью и виброперемещением, а также между пиковыми и средними квадратическими значениями вибрационных величин. Краткий анализ причин этого дан в , в котором приведены также некоторые точные зависимости между указанными выше параметрами для случая, когда частотные составляющие вибрации известны.

Следует четко определять, по какому параметру вибрации оценивают вибрационное состояние: размаху виброперемещения, среднему квадратическому значению виброскорости и пр.

4.1.3 Значения параметров вибрации

Под значением параметра вибрации для определенного положения и направления измерений понимают результат измерений, выполненных с помощью оборудования, удовлетворяющего требованиям .

Как правило, при контроле широкополосной вибрации машин роторного типа в качестве оцениваемого параметра используют среднее квадратическое значение виброскорости, поскольку оно связано с энергией колебаний. В ряде случаев, однако, предпочтительно использование других параметров: связанных с виброперемещением или виброускорением или пиковых значений вместо средних квадратических. В этих случаях должны быть использованы другие критерии, которые не всегда связаны простыми соотношениями с критериями для средних квадратических значений виброскорости.

Обычно измерения проводят в различных точках в двух или трех взаимно перпендикулярных направлениях, что позволяет получить набор значений параметров вибрации. Под уровнем вибрации машины понимают максимальное значение вибрации, измеренной в одной определенной точке или группе точек в выбранных направлениях, при определенных условиях и установившемся режиме работы.

Вибрационное состояние машин многих типов может быть оценено по уровню вибрации для одной точки измерения. Однако для некоторых машин такой подход является неприемлемым и уровни вибрации следует определять на основе независимых измерений в ряде точек.

4.2 Точки измерения

Измерения следует проводить на подшипниках, корпусах подшипников или других элементах конструкции, которые в максимальной степени реагируют на динамические силы и характеризуют общее вибрационное состояние машины. Типичные примеры расположения точек измерения приведены на рисунках 1а - 1д.

Рисунок la - Точки измерения на опоре подшипника	Рисунок 16 - Точки измерения на корпусе подшипника
Рисунок 1в - Точки измерения на малых электрических машинах
Рисунок 1г - Точки измерения на двигателе	Рисунок 1д - Точки измерения на вертикально установленной машине

Полную оценку вибрационного состояния крупных агрегатов дают результаты измерений в контролируемых точках в трех взаимно перпендикулярных направлениях, как указано на рисунках 1а - 1д. Как правило, подобная полнота измерений требуется только для приемочных испытаний. При эксплуатационном контроле обычно выполняют одно или два измерения в радиальном направлении [как правило, горизонтальном и(или) вертикальном]. Кроме того, дополнительно можно также проводить измерения осевой вибрации, обычно в месте расположения упорного подшипника.

Расположение точек измерения для машин конкретных типов должно быть приведено в соответствующих стандартах на машины этих типов.

4.3 Требования к состоянию машины при эксплуатационном контроле

Эксплуатационный контроль выполняют только при полностью собранной на штатных опорах машине на месте ее эксплуатации.

4.4 Требования к опорам машины при приемочных испытаниях

4.4.1 На месте эксплуатации

Если приемочные испытания проводят на месте эксплуатации, роторы должны быть установлены на штатные опоры. В этом случае важно, чтобы при проведении приемочных испытаний были смонтированы все основные элементы машины; для головных образцов машин это требование является обязательным, а для серийных машин, если это невозможно, оценочные критерии должны быть соответствующим образом корректированы. Результаты сравнения вибрационного состояния однотипных машин, установленных на различных фундаментах, сопоставимы лишь при условии сходства динамических характеристик фундаментов.

4.4.2 На испытательном стенде

Необходимо создать условия, при которых исключается совпадение частот собственных колебаний испытательной установки с частотой вращения машины или с какой-либо из ее мощных гармоник. Обычно полагают, что данное требование выполняется, если значение горизонтальной и вертикальной вибрации несущих элементов фундамента вблизи опор подшипников не превышает 50% значения вибрации соответствующего подшипника в том же направлении. Испытательная установка не должна вызывать также изменений значения какой-либо из основных собственных частот машины в эксплуатации. Если резонансы опоры устранить не удается, следует проводить приемочные испытания полностью собранной машины на месте эксплуатации.

Приемочные испытания машин некоторых классов, например небольших электрических машин, проводят на упругом основании. В этом случае низшие собственные частоты системы машина - испытательные опоры, рассматриваемой как жесткое тело, должны быть менее 1 / 2 минимальной частоты возбуждения. Соответствующие условия опирания могут быть достигнуты путем установки машины на упругоопирающийся фундамент (основание) или с помощью свободной подвески на мягких пружинах.

4.5 Условия эксплуатации машины

Оценка уровня вибрации должна быть проведена после достижения нормальных условий эксплуатации. Дополнительные измерения при других условиях не должны быть использованы для оценки вибрационного состояния в соответствии с .

Оценку влияния виброактивности окружающих механизмов на вибрацию конкретной машины проводят на основании результатов измерений на остановленной машине. Если измеренное значение параметра вибрации превышает ⅓ рекомендуемого предельного значения, следует принять меры по уменьшению этого влияния.

5 КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА

Конструкция контрольно-измерительной аппаратуры (далее - аппаратура) должна обеспечивать ее нормальное функционирование в условиях проводимых измерений (температура окружающей среды, влажность воздуха и т.д.). Следует особое внимание уделить креплению вибропреобразователя и убедиться в том, что это крепление не изменяет вибрационные характеристики машины. Требования к аппаратуре, предназначенной для измерения среднего квадратического значения вибрации в диапазоне 10 … 1000 Гц, - по ГОСТ ИСО 2954.

В настоящее время для контроля широкополосной вибрации наиболее часто используют приборы двух типов:

Приборы, содержащие детектор среднего квадратического значения и индикатор для считывания средних квадратических значений измеряемой величины;

Приборы, содержащие либо детектор среднего квадратического значения, либо усредняющий детектор, но калиброванные для считывания размаха или амплитуды колебаний; при этом калибровка основана на соотношении между средними квадратическими и пиковыми значениями для чисто синусоидального сигнала.

Если оценка вибрации базируется на результатах измерения более чем одной величины (перемещение, скорость, ускорение), применяемые приборы должны обеспечивать измерение всех этих величин.

Измерительная система должна предусматривать возможность калибровки всего измерительного тракта (желательно встроенное устройство калибровки) и иметь независимые выходы для подсоединения дополнительных анализаторов и т. д.

6 КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ВИБРАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ МАШИН

6.1 Виды критериев

Рассматриваются критерии двух видов, распространяющиеся на эксплуатационный контроль и приемочные испытания и предназначенные для оценки уровней вибрации машин различных типов. Критерий 1 связан со значениями измеряемых параметров вибрации, а критерий 2 - с изменениями этих значений (независимо от направления изменений).

6.2 Критерий 1

6.2.1 Зоны вибрационного состояния

Критерий 1 связан с определением границ для абсолютного значения параметра вибрации, соответствующих допустимым динамическим нагрузкам на подшипники и допустимой вибрации, передаваемой вовне через опоры и фундамент. Максимальное значение, полученное в результате измерения на каждом подшипнике или опоре (т.е. значение уровня вибрации - как определено в ), сравнивают с границами четырех зон, установленных исходя из международного опыта проведения исследований и эксплуатации. Данные зоны предназначены для качественной оценки вибрационного состояния машин и принятия решения о необходимых мерах. Иное (сравнительно с приведенным ниже) число зон и их расположение может быть использовано для машин специальных типов, которые рассматриваются в соответствующих стандартах. Примерные значения границ зон приведены в .

Зона А - В эту зону попадают, как правило, новые машины, только что введенные в эксплуатацию.

Зона В - Машины, попадающие в эту зону, обычно считают пригодными для дальнейшей эксплуатации без ограничения сроков.

Зона С - Машины, попадающие в эту зону, обычно рассматривают как непригодные для длительной непрерывной эксплуатации. Обычно данные машины могут функционировать ограниченный период времени, пока не появится подходящая возможность для проведения ремонтных работ.

Зона D - Уровни вибрации в данной зоне обычно рассматривают как достаточно серьезные, для того чтобы вызвать повреждение машины.

Числовые значения границ упомянутых зон не предназначены служить в качестве технических условий при приемочных испытаниях, это является предметом соглашения между производителем машины и потребителем. Однако данные границы могут служить в качестве руководства с тем, чтобы избежать чрезмерно завышенных и нереалистических требований. В определенных случаях для машин некоторых типов могут быть установлены особенности, которые потребуют изменения значений границ зон (в большую или меньшую сторону). Тогда производителю машин, как правило, следует объяснить причину данных изменений и, в частности, подтвердить, что машину не следует подвергать опасности, эксплуатируя при более высоких уровнях вибрации.

Вибрация конкретной машины зависит от ее размеров, динамических характеристик вибрирующих деталей, способа монтажа и назначения. При выборе зон допустимой вибрации машины необходимо учитывать также условия, влияющие на ее вибрационное состояние. Независимо от типа подшипников среднее квадратическое значение виброскорости статорных элементов (например, опор подшипников) машин большинства типов, как правило, адекватно характеризует условия работы роторов, их воздействие на опорные элементы и соседние механизмы, а также состояние самих машин в широком диапазоне рабочих скоростей. Однако для некоторых машин, например с очень низкими рабочими скоростями, применение одного параметра - среднего квадратического значения виброскорости - без учета значения рабочей скорости может узаконить недопустимые высокие виброперемещения, в частности, когда доминируют колебания с оборотной частотой. С другой стороны, применяя принцип постоянства виброскорости к машинам с высокими рабочими скоростями или наличием высокочастотных спектральных составляющих вибрации, возбуждаемых некоторыми узлами машины, можно прийти к недопустимо высокому уровню виброускорений.

С учетом вышеизложенного критерии приемки, основанные на использовании среднего квадратического значения виброскорости, должны иметь общую форму, приведенную на рисунке 2 (см. также ), на котором указаны границы частотного диапазона измерений f u и f l и показано, что ниже частоты; f x и выше частоты f y допустимое значение виброскорости является уже функцией частоты f /вибрации. Для зоны от f x до f y применим критерий постоянной виброскорости - именно для данного критерия приведены значения границ в . Более точное определение критериев приемки и значений f l , f u , f x и f y должно быть дано в стандартах на машины конкретных типов.

Вибрация многих машин содержит доминирующую частотную составляющую, нередко на частоте вращения вала. Для таких машин допустимые значения вибрации могут быть получены из рисунка 2 как значения для данной доминирующей частоты.

Если же для некоторой машины значительная часть вибрационной энергии сосредоточена за пределами диапазона частот f x … f y , возможны следующие решения:

а) Помимо измерений виброскорости проводят измерения в широкой полосе частот виброперемещения (если основная часть энергетического спектра лежит ниже f х ) или виброускорения (если основная часть энергетического спектра лежит выше f y ). Допустимые значения параметров виброперемещения или виброускорения получают из рисунка 2, переводя значения виброскорости на краях кривых (т.е. в диапазонах . f l … f x , f y … f u ) в постоянные значения виброскорости и виброускорения соответственно. Вибрацию можно считать допустимой, если она является таковой по всем критериям (перемещения, скорости и ускорения).

б) С помощью анализатора спектра в спектре вибрации выделяют все мощные частотные составляющие и определяют для них значения виброперемещения, виброскорости и виброускорения. После этого на основе уравнения () рассчитывают эквивалентное значение параметра виброскорости; для частотных составляющих, лежащих ниже f x и выше f y , весовые коэффициенты берут в соответствии с рисунком 2. Окончательную оценку делают на основе сравнения со значениями границ в диапазоне f x … f y .

Следует иметь в виду, что, кроме случая единственной доминирующей составляющей, непосредственное сравнение составляющих частотного спектра с границами, определяемыми кривыми на рисунке 2, приведет к ошибочным заключениям.

в) Используют измерительный прибор, форма частотной характеристики которого в области, где сосредоточена вибрационная энергия машины, совпадает с формой кривых на рисунке 2. Окончательную оценку также делают на основе сравнения со значениями границ в диапазоне f x … f y .

Дополнительное руководство по определению границ зон приведено в . Для машин некоторых типов, возможно, потребуется определение границ зон иных, чем те, что представлены на рисунке 2 (см., например, ).

6.3 Критерий 2

Данный критерий основан на оценке изменения значения параметра вибрации по сравнению с предварительно установленным эталонным значением в установившемся режиме работы машины. Значительные изменения (увеличение или уменьшение) значения параметра широкополосной вибрации могут потребовать принятия определенных мер даже в том случае, когда граница зоны С в соответствии с критерием 1 еще не достигнута. Такие изменения могут иметь внезапный характер или постепенно нарастать во времени и указывают на возможное возникновение повреждения машины в начальной стадии или другие неполадки.

При использовании критерия 2 важно, чтобы измерения значений параметров вибрации, подлежащие впоследствии сравнению, проводили при одних и тех же положении и ориентации преобразователя вибрации и приблизительно в одном и том же режиме работы машины. Необходимо определить очевидные изменения значения параметра вибрации независимо от его общего значения, чтобы предотвратить возникновение опасной ситуации. Насколько данное изменение является значительным, должно быть определено в соответствующих стандартах на машины конкретных типов.

Следует иметь в виду, что некоторые существенные изменения в состоянии машины могут быть обнаружены только при контроле отдельных спектральных составляющих (см. ).

6.4 Предельные уровни вибрации

6.4.1 Общие положения

Как правило, для машин, предназначенных для длительной эксплуатации, устанавливают предельные уровни вибрации, превышение которых в установившемся режиме работы машины приводит к подаче сигналов ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ или ОСТАНОВ:

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ - для привлечения внимания к тому, что вибрация или изменения вибрации достигли определенного уровня, когда может потребоваться проведение восстановительных мероприятий. Как правило, при появлении сигнала ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ машину можно эксплуатировать в течение некоторого периода времени, пока исследуют причины изменения вибрации и определяют комплекс необходимых мероприятий.

ОСТАНОВ - для индикации уровня вибрации, при превышении которого дальнейшая эксплуатация может привести к повреждениям. При достижении уровня ОСТАНОВ следует принять немедленные меры к снижению вибрации или же остановить машину.

Вследствие разницы в динамических нагрузках и жесткостях опор для различных положений и направлений измерения могут быть установлены разные предельные уровни вибрации. Определение таких уровней для машин конкретных типов должно быть приведено в соответствующих стандартах.

6.4.2 Установка уровня ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ

Уровень ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ может существенно изменяться в сторону возрастания или уменьшения от машины к машине. Обычно данное значение устанавливают относительно некоторого базового значения, полученного для каждого конкретного экземпляра машины при фиксированном положении и направлении измерения на основе накопленного опыта эксплуатации.

Рекомендуется устанавливать уровень ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ выше базового значения на некоторую долю, в процентах, значения верхней границы зоны В. Если базовое значение мало, уровень ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ может лежать ниже зоны С.

В том случае, если базовое значение не определено, например для новых машин, начальную установку положения ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ следует выполнить либо исходя из опыта эксплуатации аналогичных машин, либо на основе соглашения. Спустя некоторое время следует установить постоянное базовое значение и соответствующим образом скорректировать положение ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ.

Если произошло изменение постоянного базового значения (например, вследствие капитального ремонта машины), может потребоваться соответствующее изменение положения ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ. Вследствие разницы в динамических нагрузках и коэффициентах жесткости опор для различных опор машины могут быть установлены свои предельные уровни.

6.4.3 Установка уровня ОСТАНОВ

Уровень ОСТАНОВ, который обычно связывают с необходимостью сохранения механической целостности машины, может зависеть от различных конструктивных особенностей, применяемых для того, чтобы машина могла противостоять возникновению аномальных динамических сил. Таким образом, данное значение, как правило, будет одним и тем же для машин аналогичных конструкций и не будет связано с базовым значением, как это имело место для уровня ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ.

Вследствие многообразия машин различных конструкций не представляется возможным дать четкое руководство для точного установления уровня ОСТАНОВ. Обычно положение ОСТАНОВ устанавливают в пределах зон С или D.

6.5 Дополнительные характеристики

Метод контроля, рассматриваемый в данном базовом стандарте, ограничен оценкой вибрации в широком диапазоне частот без анализа частотных составляющих или учета фазы вибрации. В большинстве случаев для приемочных испытаний и эксплуатационного контроля этого достаточно. Однако при оценке вибрационного состояния машин определенных типов целесообразно использовать векторное представление вибрации.

Использование в качестве критерия изменения вектора вибрации особенно полезно при обнаружении и идентификации изменения в динамических характеристиках машины. Иногда такие изменения невозможно обнаружить в условиях контроля только лишь общего уровня широкополосной вибрации. Пример такой ситуации приведен в . Однако установление критерия на основе изменения вектора вибрации выходит за рамки настоящего стандарта.

6.5.2 Вибрационная чувствительность

Вибрация, измеряемая на какой-либо конкретной машине, может зависеть от режима ее работы. В большинстве случаев подобное влияние условий работы незначительно, но иногда чувствительность к режиму может быть такова, что, в то время как вибрация некоторой определенной машины при некоторых условиях работы признается допустимой, она может перестать считаться таковой при изменении этих условий.

В тех случаях, когда некоторые аспекты вибрационной чувствительности вызывают сомнение, между потребителем и изготовителем машины должно быть достигнуто соглашение о необходимом объеме испытаний или о методах теоретической оценки.

Особые методы используют для оценки состояния элементов роликовых подшипников. Данный вопрос рассмотрен в . Определение оценочных критериев для этих методов выходит за рамки настоящего стандарта.

ПРИЛОЖЕНИЕ А
(справочное)
СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ РАЗЛИЧНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ КОЛЕБАНИЙ

Уже в течение многих лет и по настоящее время вибрационное состояние машин широкого класса успешно оценивают путем измерения среднего квадратического значения виброскорости. Для вибрации, имеющей дискретный состав частотных составляющих известных амплитуды и фазы и малый пьедестал, определяемый случайными и ударными процессами, основные вибрационные параметры (например, перемещение, скорость, ускорение, пиковые и средние квадратические значения) связаны строго определенными математическими зависимостями. Вывод этих зависимостей известен, и в данном приложении не ставится задача повторно исследовать этот аспект проблемы. Однако ниже приведен ряд полезных соотношений.

Определив путем измерений зависимость виброскорости от времени, ее среднее квадратическое значение можно подсчитать следующим образом:

где v r . m. s - соответствующее среднее квадратическое значение;

v(t) - функция виброскорости от времени;

Т - период выборки, который должен быть много больше периода любого из основных частотных компонентов, содержащихся в v(t).

Значения вибрационного ускорения, скорости или перемещения (соответственно a j , v j , S j , j = 1, 2, …, n ) определяют в результате анализа вибрационных спектров как функции угловой частоты (ω 1 , ω 2 , ..., ω n ). Если известны средние квадратические значения амплитуд виброскорости v 1 , v 2 , ..., v n или средние квадратические значения амплитуд ускорения a 1 , a 2 , … а п, то связанное с ними и характеризующее колебательный процесс среднее квадратическое значение виброскорости определяется выражением

Рисунок А.1 - График, указывающий соотношения между ускорением, скоростью и перемещением для гармонической вибрации

При наличии только двух значительных составляющих вибрации, определяющих биения среднего квадратического значения виброскорости между максимальным v max и минимальным v min значениями, среднее квадратическое значение вибрации приблизительно выражается в виде

где S f - размах виброперемещения, мкм;

v f - среднее квадратическое значение виброскорости на частоте f , мм/с;

ω f = 2π f - угловая частота.

График для пересчета приведен на рисунке А.1.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б
(справочное)
ПРИМЕРНЫЕ КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ВИБРАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ МАШИН РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ

Настоящий стандарт является базовым документом для разработки руководств по измерению и оценке вибрации машин. Критерии оценки для машин конкретных типов должны быть установлены в соответствующих отдельных стандартах. В таблице Б.1 приведены только временные, примерные критерии, которыми можно пользоваться при отсутствии подходящих нормативных документов. По ней можно определить верхние границы зон от А до С (см. 5.3.1), выраженные в средних квадратических значениях виброскорости v r . m. s , мм/с, для машин различных классов:

Класс 1 - Отдельные части двигателей и машин, соединенные с агрегатом и работающие в обычном для них режиме (серийные электрические моторы мощностью до 15 кВт являются типичными машинами этой категории).

Класс 2 - Машины средней величины (типовые электромоторы мощностью от 15 до 875 кВт) без специальных фундаментов, жестко установленные двигатели или машины (до 300 кВт) на специальных фундаментах.

Класс 3 - Мощные первичные двигатели и другие мощные машины с вращающимися массами, установленные на массивных фундаментах, относительно жестких в направлении измерения вибрации.

Класс 4 - Мощные первичные двигатели и другие мощные машины с вращающимися массами, установленные на фундаменты, относительно податливые в направлении измерения вибрации (например, турбогенераторы и газовые турбины с выходной мощностью более 10 МВт).

Таблица Б.1- Примерные границы зон для машин различных классов

v r . m. , м/ c	Класс 1	Класс 2	Класс 3	Класс 4
0,28	А	А	А	А
0,45
0,71
1,12	В
		В
	С		В
		С		В
	D		С
11,2		D f w) m ,

где v r . m. s - допустимое среднее квадратическое значение виброскорости, мм/с;

v A - среднее квадратическое значение виброскорости, которое соответствует диапазону частот между f x и f y , мм/с;

G - коэффициент, определяющий границы зон (например, предельное значение для зоны А может быть получено подстановкой G = 1,0; предел зоны B : G = 2,56; предел зоны С: G = 6,4). Данный коэффициент может зависеть от рабочих характеристик машины: скорости, нагрузки, давления и т. п.;

f x , f y - установленные границы диапазона частот, в пределах которого критерий определяется на основе одного значения параметра виброскорости (см. ), Гц;

где f - частота, для которой определяется среднее квадратическое значение, Гц;

k, т - заданные константы для машин данного типа.

ПРИЛОЖЕНИЕ Г
(справочное)
ВЕКТОРНЫЙ АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЙ ВИБРАЦИИ

Критерии оценки вибрационного состояния машины основываются на измеренном уровне установившейся вибрации и любых изменениях этого уровня. Однако в некоторых случаях изменения вибрации могут быть зафиксированы только с помощью анализа отдельных частотных составляющих. Такая методика для составляющих с частотами, некратными оборотной, находится на начальной стадии развития, поэтому в данном стандарте не рассматривается.

Г.1 Общие положения

Полученный в результате измерений широкополосный установившийся вибрационный сигнал имеет сложный характер и состоит из ряда гармоник. Каждая из этих составляющих определяется ее частотой, амплитудой и фазой относительно некоторого известного начала отсчета. Стандартные приборы для вибрационного контроля измеряют интегральный уровень сигнала и не разделяют его на отдельные частотные составляющие. Однако современные диагностические устройства способны анализировать сложный сигнал путем определения амплитуды и фазы каждой составляющей, что позволяет определить вероятные причины аномального вибрационного состояния машины.

Изменения отдельных частотных составляющих, которые могут быть значительными, не всегда в той же степени отражаются на значении общей вибрации, и, следовательно, критерий, основанный на изменении общей вибрации, имеет ограниченное применение.

Г.2 Важность оценки изменения вектора

Рисунок Г.1, представляющий собой график в полярных координатах, используется для одновременного представления модуля и фазы одной из частотных составляющих сложного вибрационного сигнала в векторной форме. Вектор А 1 соответствует исходному установившемуся вибрационному состоянию машины, характеризуемому средним квадратическим значением виброскорости 3 мм/с и фазовым утлом 40°. Вектор А 2 соответствует установившемуся вибрационному состоянию после некоторых изменений состояния машины и определяется средним квадратическим значением виброскорости 2,5 мм/с при фазовом угле 180°. Из рисунка Г.1 видно, что хотя среднее квадратическое значение виброскорости уменьшилось на 0,5 мм/с, истинное изменение вибрации характеризуется вектором (А 2 - A 1), модуль которого равен 5,2 мм/с, что в 10 раз больше того значения, которое получается при сравнении абсолютных значений вибрации.

Рисунок Г.1 - Сравнение разности двух векторных гармоник вибрации с разностью их модулей

Г.3 Контроль за изменением вектора вибрации

Приведенный выше пример ясно показывает возможности наблюдения за изменением вектора вибрации. Однако нельзя забывать, что общий вибрационный сигнал состоит из ряда частотных составляющих, для каждой из которых можно регистрировать изменение вектора. Кроме того, недопустимое изменение вектора для одной из составляющих может быть вполне приемлемо для другой. В связи с этим применительно к настоящему стандарту, посвященному, в основном, эксплуатационному контролю вибрации, установить критерий изменения вектора отдельных частотных составляющих не представляется возможным.

ПРИЛОЖЕНИЕ Д
(справочное)
СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ И АНАЛИЗА ВИБРАЦИИ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ

Простой метод определения вибрации в широкой полосе частот путем контроля виброускорения корпусов подшипников качения, как описано в основной части настоящего стандарта, нередко дает достаточную информацию о состоянии этих подшипников. Однако этот простой метод не во всех случаях может дать хорошие результаты. В частности, возможно появление ошибок в случае, когда в пределы частотного диапазона измерений попадают резонансные частоты подшипника, или в случае вибрационного влияния других источников, например зубчатых зацеплений.

Вследствие указанных обстоятельств возникает необходимость использования других средств измерений и методов анализа, которые разрабатывают специально для подшипников качения. Но ни один из приборов и методов не является универсальным для всех случаев. Так, невозможно с помощью какого-либо метода диагностировать все виды дефектов подшипников, и если какой-либо метод может с успехом обеспечить диагностирование основных дефектов машины определенного типа, он может оказаться совершенно непригодным для машины другого типа. Получаемые вибрационные характеристики зависят от типа подшипника, конструкции его опорных элементов, измерительной аппаратуры и методов обработки результатов. Все эти факторы должны быть хорошо изучены, и только в этом случае может быть разработан объективный метод оценки состояния подшипников. Выбор подходящего метода требует специальных знаний в части методов исследования, а также механизмов, к которым их применяют.

Ниже дано краткое описание некоторых измерительных приборов и методов анализа, которые получили распространение. Однако достаточной информации о соответствующих критериях оценки, пригодных для использования в стандартах, не имеется.

Д.1 Анализ исходных данных (измерение общей вибрации)

Имеется ряд предложений о применении простых измерений как альтернативы контролю среднего квадратического значения вибрационного ускорения с целью диагностировать состояние подшипников качения, а именно:

Измерение пикового ускорения;

Измерение отношения пикового значения ускорения к его среднему квадратическому значению (пик-фактор);

Определение произведения измеренных среднего квадратического и пикового значений ускорения.

Д.2 Частотный анализ

Отдельные частотные составляющие вибрационного спектра могут быть определены путем применения различных фильтров или спектрального анализа. При наличии достаточных данных о каком-либо конкретном типе подшипника могут быть определены путем расчета частотные составляющие, характеризующие определенные дефекты подшипника, а затем сопоставлены с соответствующими компонентами полученного спектра вибрации. Таким образом, можно не только получить информацию о наличии дефектов, но и диагностировать их.

Для более точного получения компонентов спектра, связанных с подшипниками, при наличии посторонних вибрационных воздействий (фона) достаточно эффективными являются методы когерентного усреднения, адаптивного подавления шума и выделения полезного спектра сигналов. Сравнительно новым является метод спектрального анализа огибающей вибрационного сигнала, прошедшего через полосовой высокочастотный фильтр.

Удобным вариантом метода спектрального анализа является анализ боковых полос основных характеристических частот подшипников (суммарных и разностных частот), а не самих составляющих на этих частотах. Для исследования боковых полос может быть использован анализ кепстра (определяемого как спектр мощности от логарифма спектра мощности), применяемый обычно для обнаружения дефектов в зубчатых зацеплениях.

Д.3 Метод анализа ударных импульсов

Существует ряд промышленных измерительных приборов, действие которых основано на том, что дефекты подшипников качения вызывают появление коротких импульсов очень высокой частоты, обычно называемых ударными импульсами.

Вследствие высокой крутизны ударных импульсов в их спектре присутствуют составляющие на очень высоких частотах. Указанные приборы обнаруживают эти высокочастотные составляющие и преобразуют их в величину, значение которой связано с состоянием подшипников.

Другим способом является спектральный анализ огибающей ударных импульсов.

Д.4 Другие методы

Существует несколько методов контроля, позволяющих обнаруживать дефекты в подшипниках без измерения вибрации. Такими методами являются, в частности: анализ акустического шума, анализ продуктов износа (феррография) и термография. Однако ни один из подобных методов не может претендовать на универсальное успешное применение, в некоторых же случаях они неприемлемы.

Ключевые слова: машины, вибрация, измерение, оценка, вибросостояние

При контроле уровня вибрации следует учитывать, что значение уровня в децибелах одного и того же сигнала вибрации, измеренное для разных виброхарактеристик (вибросмещения, виброскорости и виброускорения), на одной и той же частоте будет различно. Исключение составляет только частота 1000 Гц. При измерении вибрации на этой частоте приборами, градуированными в децибелах

(при нулевых уровнях виброперемещения Sq = 8 * 10 -12 м, виброскорости vq = 5 10 -8 м/с и виброускорения я 0 = 3 10 -4 м/с 2), значения всех трех виброхарактеристик совпадают. Поэтому непосредственное сравнение измеренного уровня вибрации с заданной технической документацией на проверяемую машину не всегда возможно. Это, например, имеет место при несовпадении вида виброхарактеристики, указанной в документации, и виброхарактеристики, для измерения которой предназначен используемый прибор: если прибором измеряли величину вибросмещения или виброскорости (в дБ), а в документации на проверяемую машину указано предельно допустимое виброускорение (также в дБ). В таких случаях значение намеренной на любой частоте /(в Гц) виброхарактеристики пересчитывают в соответствующие значения требуемой характеристики для той же частоты, используя известные соотношения:

Виброхарактеристики в указанных соотношениях выражены в децибелах. Возможны случаи, когда не совпадают не только виды виброхарактеристик, но и единицы измерения. Например, при измерениях использовался прибор, градуированный в децибелах виброускорения, а допустимая величина вибрации машины задана в технической документации значением вибросмещения в микрометрах. В этом случае вначале необходимо, пользуясь приведенными выше выражениями логарифмических единиц, пересчитать измеренные децибелы виброускорения (в логарифмических единицах), а значение виброускорения - в м/с 2 (натуральных единицах). Затем для данной частоты измеряемого сигнала надо пересчитать полученное значение виброускорения в соответствующие значения вибросмещения. Для этого пересчета используется соотношение

где а т, v m , S m - амплитуды виброускорения, виброскорости и вибросмещения в натуральных единицах; / - частота измеряемого сигнала вибрации.

Так как полученная величина оценивает ту же виброхарактеристику (вибросмещение), что приведена в технической документации на проверяемую машину, и выражена в тех же единицах измерения (мкм), возможно их сравнение. Для ускорения подобных пересчетов можно использовать готовые таблицы и номограммы.

Уровень виброускорения (дБ) - относительная величина виброускорения: где а - измеряемый параметр, - начальное (пороговое) значение.

Уровень виброскорости (дБ) - относительная величина вибрационной скорости:

где v - измеряемый параметр вибрации; - начальное (пороговое) значение.

Вибрационный процесс в полосах частот оценивается суммарным (общим) уровнем (в децибелах) всех спектральных составляющих, входящих в данную частотную полосу в соответствии с выражением

где а,- - значение составляющих колебательного процесса; - пороговое значение измеряемой составляющей; / = 1,п - число спектральных составляющих.

Если уровни отдельных составляющих вибрации в рассматриваемой полосе частот L t выражены в децибелах, то общий уровень вибрации (в децибелах) может быть определен по формуле:

Наиболее удобно пользоваться средним квадратическим значением переменного параметра, определяемым как

так как оно приводит к единому эквиваленту как чисто гармонические, так и сложные колебательные процессы и тем самым допускает их сравнение. Оценка вибрации с помощью средних квадратических значений исключает необходимость определения фазового угла между отдельными составляющими.

Если виброскорость известна, амплитуда пикового смещения (одинарная) может быть вычислена из зависимости

где бу - амплитуда пикового смещения; iу - эффективное значение виброскорости при частоте/; оу= 2uf- угловая скорость.

Пример. Интенсивность вибрации (эффективное значение) при данном измерении вибрации равна 4 мм/с, то есть максимальная эффективная величина виброскорости в диапазоне 10... 1000 Гц не превышает 4 мм/с. Спектральный анализ показал, что основной частотой является 25 Гц и при 25 Гц эффективная виброскорость - 2,8 мм/с.

Таким образом, пиковая амплитуда определяется из следующего уравнения:

Необходимо отметить, что виброскорость является главным параметром при измерении интенсивности вибрации, и поэтому вообще нежелательно выводить ее значение с помощью амплитуды виброперемещения основной гармоники.

Если уровни виброускорения в децибелах известны, то виброскорость в мм/с может быть вычислена из зависимости

где L - уровни вибрации в децибелах по ускорению, дБ; а 0 - нулевой уровень ускорения (3 10 -4 м/с 2); /- частота.

Пример. Уровень виброускорения на частоте 25 Гц составляет 92 дБ.

Допускается определение вибрационной скорости подшипниковых опор в октавной полосе путем измерения вибрационного перемещения с последующим пересчетом по формуле (ГОСТ 20615-88)

где Л - пиковое значение вибрационного перемещения, мкм; п - частота вращения, об/мин.

Допускается определение пикового значения вибрационного перемещения подшипниковых опор путем измерения составляющей вибрационной скорости опор (частотой, равной частоте вращения машины) с последующим пересчетом по формуле (ГОСТ 20615-88)

Среднее квадратическое значение виброскорости по данным спектрального анализа в указанной для v e полосе частот определяется по формуле (ГОСТ 12379-75)

где v ei - среднее квадратическое значение виброскорости, полученное при спектральном анализе для 1-й полосы фильтра; i = 1,2, ..., п, при этом первая и п -я полосы фильтра должны включать соответственно нижнюю и верхнюю граничные частоты заданной для измерения полосы частот.

При контроле вибрации в частотных полосах, осуществляемом с помощью полосовых фильтров, возникает затруднение, связанное с установлением, к какой конкретной частоте в данной полосе следует относить измеренный уровень вибрации. Поэтому приходится оперировать центральной частотой:

где /| и / 2 - соответственно нижняя и верхняя границы полосы.

Интенсивность вибрационных воздействий зависит от частоты. Как следствие весь диапазон частот колебаний разбивают на отрезки (полосы частот) и определяют уровни вибрации для каждой полосы в от­дельности. В качестве стандартных частотных полос при оценке вибрационной безо­пасности принимают октавные полосы, у которых отношение верхних граничных час­тот к нижним частотам равно 2. Каждую октавную полосу принято обозначать средне­геометрическим значением ее граничных частот.

Здесь f min – нижняя, аf max – верхняя граничная частота (Гц).

Степень ощущения вибрации оценивают по закону Вебера-Фехнера логарифмической относительной величиной – уровнем виброскорости L v в децибелах.

Здесь V - действующее среднеквадратичное значение виброскорости, м/с;V 0 - пороговая виброскорость, равная 5*10 -8 м/с.

Среднеквадратичная виброскорость примерно в 1,4 меньше амплитудного значения.

Учитывая связь виброскорости и виброускорения, закон Вебера-Фехнера может быть применен и для оценивания степени ощущения вибрации с помощью уровня виброускорения.

Здесь а - действующее среднеквадратичное значение виброускорения, м/с;а 0 - пороговое виброускорение, равное 3*10 -4 м/с.

Вибрации машин и механизмов являются сложными колебаниями, которые могут быть представлены суммой гармонических колебаний. Вибрацию, как и шум, характеризуют спектром в октавных полосах частот, который можно представить графически.

Классификация вибрации

По способу передачи на человека вибрацию делят на две группы.

1. Общая, которая действует на тело сидящего или стоящего человека и оценивается в октавных полосах f = 2, 4, 8, 16, 31,5; 63 Гц.

2. Локальная, которая передаётся через руки на частотах f = 8, 16, 31,5; 63, 125, 250, 500, 1000 Гц.

По источнику возникновения вибрацию делят на три категории:

1. Транспортная (подвижные машины на местности).

2. Транспортно-технологическая (краны, погрузчики).

3. Технологическая (рабочие места).

По времени действия вибрацию подразделяют на следующие категории.

1. Постоянная. Здесь величина контролируемого параметра за время наблю­дения изменяется не более чем в два раза;

2. Непостоянная. Здесь величина контролируемого параметра изменяется более чем в 2 раза за время наблюдения не менее 10 мин при измерении с по­стоянной времени 1 с.

Непостоянная вибрация может быть колеблющейся, прерывистой и импульсной.

2.8. Вибрация. Воздействие вибрации на человека и её нормирование

При действии вибрации высоких уровней возникают болезненные ощущения и патологические изменения в организме.

1. Болезненные ощущения вызываются резонансом внутренних органов, появляются боли в пояснице, а при локальной вибрации - спазм сосудов, онемение пальцев и кистей рук.

2. При длительном воздействии вибрации возможно развитие вибрационной болезни, тяжёлая стадия которой неизлечима. Вибрация отрицательно воздействует на ЦНС, возникают головные боли, головокружение, нарушение сердечной деятельности, расстройство вестибулярного аппарата.

Выделяются три стадии проявления виброболезни: начальная (Iстадия), уме­ренно выраженная (IIстадия) и выраженная (IIIстадия).

Виброболезнь относится к группе заболеваний, эффективное лечение которых возможно лишь на ранних стадиях. Восстановление на­рушенных функций протекает очень медленно, а в особо тяжелых случаях в организме наступают необратимые изменения, приводящие к инвалидности.

Таблица 2.3.

Негативное влияние вибрации на человека

Вид изменений в организме	Симптомы изменений	Результаты вибраци­онного воздействия
Функциональные Физиологические	Повышение утомляемости Увеличение времени двигательной реакции Увеличение времени зрительной ре­акции Нарушение вестибулярных реакций и координации движений Развитие нервных заболеваний Нарушение функций сердечно-сосу­дистой системы Нарушение функций опорно-двига­тельного аппарата Поражение мышечных тканей и сус­тавов Нарушение функций органов внут­ренней секреции Нарушение функций половых орга­нов	Снижение произво­дительности труда и качества работы Возникновение виб­рационной болезни

Различают техническое и гигиеническое нормирование вибрации.

Техническое нормирование устанавливает допустимые значения вибрационных характеристик ма­шин. Основу гигиени­ческого нормирования составляют критерии здоровья человека при воздействии на него вибрации с учетом напряженности и тяжести труда.

Нормируемыми показателями вибрационной нагрузки на оператора на рабочих местах в процессе труда являются следующие.

1) при постоянной вибрации – спектральные или корректированные по частоте значения контролируемого параметра;

2) при непостоянной вибрации – значения дозы вибрации или эквивалентного кор­ректированного значения контролируемого параметра.

Корректированное по частоте значение контролируемого параметра U определя­ется по следующей формуле:

.

Здесь U i –cреднее квадратическое значение контролируемого параметра (виброскорости или виброускорения) вi -й частотной полосе;n – число частотных полос в нормируе­мом диапазоне;k i – весовой коэффициент дляi - й частотной полосы для среднего квадратического значения контролируемого параметра (определяются ГОСТ и СН).

Доза вибрации D

.

Здесь U (t ) – корректированное по частоте значение контролируемого параметра в момент времениt ;Т – время воздействия вибрации.

Эквивалентное корректированное значение U экв определяется по следующей формуле:

.

Уменьшения вибрации

Классификация средств уменьшения вибрации

1. Уменьшение вибрации в источнике возникновения. Эти средства осуществляют в процессе проектирования и строительства машины. К ним относятся: центровка, динамическая балансировка, изменение характера возмущающих воздействий.

2. Организационно-технические мероприятия, которые включают уменьшение времени воздействия вибрации применением дистанционного управления, сокращение рабочего дня, устройство перерывов в работе.

3. Средства коллективной защиты: виброизолирующие крепления механизмов и рабочих мест, динами­ческое виброгашение, демпфирование.

4. Средства индивидуальной защиты: виброзащитные рукавицы и обувь.

Для уменьшения вибрации применяют резиновые, пружинные или пневматические виброизоляторы, которые снижают динамическую силу, передающуюся от машины на фундамент.

Эффективность виброизоляции L виб (дБ) - это разность уровней вибрации на фундаменте при жёсткомN ж (дБ) и эластичномN эл (дБ) креплении машины.

При выборе виброизоляторов решают две задачи: достижение высокой виброизоляции и обеспечение надёжности работы системы.

Рисунок 2.16.

Зависимость уровня виброизоляции

от отношения частот свободных и вынужденных колебаний системы

При понижении свободной частоты колебаний виброизоляция возрастает.

F 0 ,f в – частоты свободных и вынужденных колебаний, Гц.

При установке машины на резиновые виброизоляторы обычно f 0 =20-50 Гц, а на пружинные –f 0 =2-6 Гц, поэтому эффективность пружинных виброизоляторов больше, чем резиновых особенно в диапазоне низких и средних частот.

В случае
возникает явление резонанса. Как следствие, установке виброизоляторов должен предшествовать этап расчета их эффективности.

Качество виброизоляции оценивается коэффициентом передачи при виброизоляции  . Коэффициент представляет собой отношение амплитуды виброперемещенияS о (виброскоростиV о , виброу­скоренияа о ) защищаемого объекта к амплитуде той же величины источника возбуждения при гармонической вибрации.

.

Здесь f в – частота вынуждающей силы;f о – частота собственных колебаний системы на виброизоляторах.

Частота собственных колебаний системы на виброизоляторах определяется по следующей формуле:

.

Здесь x ст – статическое смещение (осадка) источника колебаний (виброизолируемой машины) на виброизоляторах под действием силы тяжести (см).

Виброизоляторы снижают вибрацию при
.

Помимо коэффициента  виброизоляцию можно оценить по следующей формуле логарифмической величины виброизоляцииL :

.

Эта формула является частным случаем закона Вебера-Фехнера.

2.9. Электромагнитные излучения

Спектр электромагнитных колебаний по частоте достигает 10 21 Гц. Его подразделяют на область неионезирующих и ионизирующих излучений.

К неионезирующему излучению относят инфракрасное, видимое (световое), ультрафиолетовое и лазерное излучение. В гигиенической практике к нему также относят электрические и магнитные поля.

Источники электромагнитных полей бывают природные и техногенные.

К природным источникам относят атмосферное электричество, излучение Солнца, электрическое и магнитное поля Земли и др.

К техногенным источникам относят трансформаторы, электродвигатели, телеаппаратуру, линии электропередач, компьютеры, мобильные телефоны и др.

Обычно рассматриваются электрические и магнитные поля так называемой промышленной частоты (50 Гц).

Процесс распространения электромагнитного поля имеет характер волны, при этом в каждой точке пространства происходят гармонические колебания напряжённости электрического E и магнитногоH полей. ВектораE иH взаимно перпендикулярны.

Длина волны λ (м) связана со скоростью распространения колебанийс (м/с) и частотойf (Гц) соотношением:

.

Здесь с =3*10 8 м/с – скорость распространения электромагнитных волн в воздухе.

Направление движения потока энергии определяется вектором Умова-Пойтинга - .

.

ЭМП вызывает повышенный нагрев тканей человека, и если механизм терморегуляции не справляется с этим явлением, то возможно повышение температуры тела. Тепловой порог составляет 100вт/м 2 . . Тепловое воздействие наиболее опасно для мозга, глаз, почек, кишечника. Облучение может вызвать помутнение хрусталика глаза (катаракту).

Под действием ЭМП изменяются микропроцессы в тканях, ослабляется активность белкового обмена, происходит торможение рефлексов, снижение кровяного давления, а в результате – головные боли, одышка, нарушение сна.

При постоянной работе в условиях хронического воздействия ЭМП, превышающего ПДУ, развиваются нарушения функций нервной, сердечно-сосудистой и дыхательной систем, пищеварительного тракта, происходят изменения в крови. При преимущественно локальном воздействии могут проявляться ощущения зуда, бледность и синюшность кожных покровов, отечность и уплотненность кожи.

Воздействие ЭМИ особенно вредно для тканей со слаборазвитой сосудистой системой или недостаточным кровообращением (глаза, мозг, почки, желудок, желчный и мочевой пузырь).

Нормирование ЭМП промышленной частоты осуществляют по предельно допустимым уровням напряженности ЭМП частотой 50 Гц в зависимости от времени пребывания в нем. Регламентируется нормирование «Санитарными нормами и правилами выполнения работ в условиях воздействия электрических полей промышленной частоты» и ГОСТ по электрическому полю, а также СанПиН по переменному магнитному полю частоты 50 Гц в производственных условиях.

Нормы устанавливают допустимые значения напряжённости E (в/м) в диапазоне радиочастот (3*10 4 -3*10 8 Гц) в зависимости от времени облучения отдельно для профессиональной и непрофессиональной деятельности, а в диапазоне сверхвысоких частот нормируют интенсивностьI (вт/м 2), которая численно равна модулю вектора Умова-Пойтинга.

Пребывание в электрическом поле напряженностью до 5 кВ/м включительно допускается в течение всего рабочего дня. Допустимое время пребывания в часах в ЭП напряженностью 5-20кВ/м вычисляется по следующей формуле:

.

Допустимое пребывание в ЭП может быть реализовано одноразово или дробно в течение всего рабочего дня. В остальное время напряженность ЭП не должна превышать 5 кВ/м. При напряженности ЭП 20-25 кВ/м время пребывания в ЭП не должно превышать 10 мин. В течение рабочего дня. ПДУ напряженности ЭП устанавливается равным 25 кВ/м.

Предельно допустимые значения ЭП (Е пред ) МП (H пред ) в диапазоне частот от 60кГц-300мГц на рабочих местах устанавливают исходя из допустимой энергетической нагрузки и времени воздействия.

Они могут быть определены по следующим формулам:

,

где
– предельно допустимые значения энергетической нагрузки в течение рабочего дня.

Степень и характер воздействия ЭМИ на организм определяются плотностью потока энергии, частотой излучения, продолжительностью воздействия, режимом облучения, размером облучаемой поверхности, индивидуальными особенностями организма и наличием сопутствующих факторов.

Воздействие на человека электростатического поля (статического электричества) связано с протеканием через человека слабого тока (несколько микроампер). При этом электротравм не бывает, однако рефлекторная реакция на ток может привести к механической травме, падению и т.п.

Наиболее чувствительны к ЭСП центральная нервная система, сердечно-сосудистая система, анализаторы. Воздействие ЭСП может проявляться в раздражительности, головной боли, нарушении сна и т.п. Также наблюдаются своеобразные «фобии», обусловленные страхом разряда.

Классификация методов защиты человека от электромагнитных излучений

1. Профессиональный медицинский отбор. К работе с установками электромагнитных излучений не допускаются лица моложе 18 лет, а также с заболеваниями крови, сердечно-сосудистой системы, глаз.

2. Организационные меры: защита временем и расстоянием; знаки безопасности.

3. Технические средства, направленные на снижение уровня ЭМП до допустимых значений (экраны отражающие и поглощающие, плоские, сетчатые, оболочковые).

4. Средства индивидуальной защиты (комбинезоны, капюшоны, халаты из металлизированной ткани, специальные очки со стёклами, покрытыми полупроводниковым оловом).

Защита работающих от излучений радиочастотного и сверхвысокочастотного диапазона

Радиочастотный диапазон: 3*10 4 -3*10 8 Гц.

Сверхвысокочастотный диапазон: 3*10 8 -3*10 12 Гц.

1. Интенсивность электромагнитных излучений I (вт/м 2) от источника мощностьюР ист (вт) уменьшается с увеличением расстоянияR по зависимости:

.

Поэтому рабочее место оператора должно быть максимально удалено от источника.

2. Отражающие экраны изготовляют из хорошо проводящих металлов: меди, алюминия, латуни, стали. ЭМП создаёт в экране т.н. токи Фуко, которые наводят в нём вторичное поле, препятствующее проникновению в материал экрана первичного поля. Эффективность экранирования L (дБ) определяется по следующей формуле:

.

Здесь I ,I 1 – интенсивность ЭМП без экрана и с экраном;L = 50 – 100 дБ.

3. Иногда для экранирования ЭМП применяют металлические сетки. Сетчатые экраны имеют меньшую эффективность, чем сплошные. Их используют, когда требуется уменьшить интенсивность (плотность потока мощности) на 20 – 30 дБ (в 100 – 1000 раз).

4. Поглощающие экраны выполняют из радиопоглощающих материалов (резина, поролон, волокнистая древесина).

5. Многослойные экраны состоят из последовательно чередующихся немагнитных и магнитных слоёв. В результате осуществляется многократное отражение волн, что обусловливает высокую эффективность экранирования.

Наиболее распространенным источником электромагнитного излучения в быту и на работе в последнее время стал компьютер.

Определены следующие факторы отрицательного воздействия компьютера на человека: статические нагрузки; нагрузка на зрение; гиподинамия (нарушение функций организма, в связи с ограничением двигательной активности, снижением силы сокращения мышц); электромагнитные излучения; электрические поля; психологическая нагрузка.

Санитарные нормы устанавливают предельные значения напряжённости электрического и магнитного поля при работе на ПК.

Для людей, регулярно работающих на компьютере, установлены следующие длительности работы.

Длительность работы на ПК без перерыва – не более 2 часов.

Длительность работы на ПК преподавателей – не более 4 часов в день.

Длительность работы на ПК студентов – не более 3 часов в день.

При этом минимальное расстояние от глаз до экрана не должно быть меньше 50 см.

При нарушении установленных требований проявляются следующие заболевания.

1. Заболевания органов зрения – 60 %.

2. Болезни сердечно- сосудистой системы – 60%.

3. Заболевания желудка – 40%.

4. Кожные заболевания – 10%.

5. Компьютерная болезнь (синдром стресса оператора) – 30%.

Наиболее информативным методом получения данных о техническом состоянии механического оборудования в настоящее время является анализ параметров вибрационного сигнала. Для решения различного уровня практических и исследовательских задач используются:

• анализ шумов механизмов;
• измерение общего уровня вибрации;
• измерение параметров вибрации;
• анализ спектра вибрационного сигнала и анализ временных реализаций .

Предварительно рассмотрим природу возникновения механических колебаний на примере одномассовой системы (). Параметрами данной системы являются:

• масса (m );
• жёсткость (c );
• коэффициент демпфирования (h ).

Колебания системы возможны при воздействии силы (F ), переменной относительно направления колебаний. Сила F может быть и постоянной, однако параметры контактирующих поверхностей могут служить причиной её периодического изменения. Например, сила тяжести при взаимодействии с изношенной поверхностью подшипника при вращении вала служит источником колебаний. Частотная характеристика колебаний укажет на характер повреждения.

Параметры колебательного процесса определяются следующим уравнением, в котором k – частота собственных колебаний системы, ε – параметр, определяющий демпфирующие свойства системы:

Повреждения в механической системе могут приводить к изменению:

• жёсткости (например, износ деталей, ослабление резьбовых соединений);
• коэффициента демпфирования (в случае появления трещин);
• воздействующих сил (при изменении шероховатости контактирующих поверхностей).

Вибрационные процессы можно разделить на стационарные (определённые во времени) и нестационарные (не определённые во времени). Стационарные процессы могут быть периодическими, гармоническими или полигармоническими и непериодическими – почти периодическими, переходными, а также случайными. Периодические колебания – колебания, при которых каждое значение колеблющейся величины повторяется через равные интервалы времени. Простейший периодический сигнал – гармоническое колебание.

Гармонические колебания – колебания, при которых значения колеблющейся величины изменяются во времени по закону синуса или косинуса ():

S(t) = A × sin(ω × t + φ) ,

где А – амплитуда колебаний; φ – начальная фаза колебаний; ω – угловая скорость.

Рисунок 2.7 – Гармонический колебательный процесс

При гармонических колебаниях: А , φ , ω = сonst. При почти гармонических колебаниях: А , φ , ω – медленно меняющиеся функции времени, некоторые из них могут быть постоянными, некоторые возрастающими или убывающими. Например, амплитуда, угловая скорость при запуске либо при остановке механизма.

Полигармонические колебания могут быть представлены в виде суммы двух или более гармонических колебаний (гармоник), частоты гармоник кратны основной частоте ().

Рисунок 2.8 – Полигармонический колебательный процесс

Случайные процессы непредсказуемы по своим параметрам (частоте, амплитуде), но сохраняют свои статистические характеристики (среднее значение, дисперсию) на протяжении всего процесса наблюдения. Например: кавитация в проточной части насоса, шум работающего двигателя.

Нестационарные процессы разделяются на непрерывные и кратковременные. Это процессы, вероятностные характеристики которых являются функциями времени. Например: ударные процессы, проявление повреждений, трещин в процессе работы.

Вибрацию классифицируют:

• по природе:
  • механическая;
  • аэрогидродинамическая;
  • электромагнитная;
  • электродинамическая);
• по конструктивному узлу:
  • роторная;
  • лопаточная;
  • подшипниковая;
  • зубчатая.

Параметры периодических колебаний

1. Частота вибраций :

   f = 1 / T (Гц),

   где Т – период (время полного цикла колебаний), с; ω = 2 × π × f – угловая скорость. Позволяет идентифицировать источник вибрации, повреждения.

2. Виброперемещение S (мкм) – составляющая перемещения, описывающая вибрацию. Виброперемещение как диагностический параметр представляет интерес в тех случаях, когда необходимо знать относительное смещение элементов объекта или деформацию.
3. Виброскорость V (мм/с) – производная виброперемещения по времени. Виброскорость используют при определении технического состояния машин при измерении общего уровня вибрации. Этот параметр связывают с энергией механических колебаний, направленной на разрушение деталей.
4. Виброускорение а (м/с 2) – производная виброскорости по времени. Виброускорение используют при определении степени повреждения и силы ударов в подшипниках качения и зубчатых передачах.

Взаимосвязь колебательных величин при гармонических процессах:

S = V × 10 3 / (2 × π × f) = a × 10 6 / (2 × π × f) 2 ;
V = 2 × π × f × S × 10 -3 = a × 10 3 / (2 × π × f) ;
a = (2 × π × f) 2 × S × 10 -6 = 2 × π × f × V × 10 -3 .

Основные характеристики колебательных, вибрационных процессов

Размах колебаний – разность между наибольшим и наименьшим значениями колеблющейся величины в рассматриваемом интервале времени (двойная амплитуда).

Пиковое значение – определяется как наибольшее отклонение колебательной величины от среднего положения.

Среднеарифметическое мгновенных значений вибрации характеризует общую интенсивность вибрации.

Среднее квадратичное значение – квадратный корень из среднего арифметического или среднего интегрального значения квадрата колеблющейся величины в рассматриваемом периоде времени.

Коэффициент амплитуды (пикфактор) – отношение пикового значения к среднеквадратичному значению измеряемого параметра.

Измерения виброперемещения (пиковое или амплитудное, размах колебаний) проводят в низкочастотном диапазоне 2-400 Гц. Ориентировочные значения виброперемещения указаны в .

Таблица 2.2 – Значения виброперемещения и техническое состояние

Частота вращения, мин -1	Амплитуда виброперемещения, мкм
	отлично	хорошо	удовлетворительно	требует исправления	опасно
300	0-27	27-70	70-140	140-260	> 260
500	0-25	25-60	60-125	125-240	> 240
600	0-22	22-56	56-118	118-240	> 230
1000	0-18	18-45	45-100	100-200	> 200
1500	0-15	15-40	40-85	85-170	> 170

Измерение общего уровня вибрации

При определении значений общего уровня вибрации проводят измерение среднеквадратичного значения виброскорости в частотном диапазоне 10-1000 Гц. Это соответствует требованиям стандарта ИСО 10816. Регламентируется проведение измерений в трёх взаимно перпендикулярных направлениях: вертикальном, горизонтальном и осевом. При нормальной работе горизонтальная составляющая имеет максимальное, а осевая – минимальное значение. Виброскорость для большего количества механизмов не должна превышать 4,5 мм/с.

Значения виброскорости, определяющие границы состояний:

• до 4,5 мм/с – удовлетворительное;
• 4,5-10,0 мм/с – плохое;
• свыше 10,0 мм/с – аварийное.

Значения приведены для работы под нагрузкой.