Проект издательского дома «МедиаПро»
Получать дайджест новостей

Статьи

Назад к списку статей
Другое

Оценка воздействия вибрации в помещениях на чувствительное оборудование

Подходы к оценке воздействия вибрации

Высокоточное оборудование, работающее с малыми объектами, в большей или меньшей степени чувствительно к воздействию вибрации. Существуют разные подходы к оценке вибрации в помещениях, к которым предъявляются повышенные требования. Их можно разделить на методы, учитывающие собственные вибрационные характеристики чувствительного оборудования, и упрощенные методы. Первый способ оценки более точный, но требует исходных данных об оборудовании (резонансные частоты, добротность), которых, как правило, нет. Подобные способы оценки вибрации изложены в стандартах серии ГОСТ Р ИСО/ ТС 10811. Упрощенные методы заключаются в измерении вибрации в помещении, где будет устанавливаться оборудование, с последующим сравнением с заданными предельными значениями. Такая оценка проводится безотносительно наличия или отсутствия виброчувствительного оборудования в обследуемом помещении, например на этапе оборудования цеха или лаборатории. Тип и величину предельных значений задает производитель чувствительного оборудования. Далее мы рассмотрим подробнее упрощенные методы.

Какие вибрационные характеристики измеряются

Чтобы разобраться в методах измерения и оценки вибрации, важно понять, что «вибрация» — это не какая-то величина, а физическое явление. Численно это явление характеризуется несколькими физическими величинами — ускорение, скорость, частота, фаза и т. п. Поэтому, например, выражение «вибрация превышает допустимые значения» некорректно — необходимы уточнения, какие конкретно параметры вибрации рассматриваются. При контроле воздействия вибрации на чувствительное оборудование, как правило, измеряют ускорение, перемещение или скорость вибрации. Обычно эти параметры вибрации оцениваются не «одним числом», а вместо этого проводится частотный анализ и с предельными значениями сравниваются величины ускорения (скорости, перемещения) в определенных частотных диапазонах. Ускорение (а также скорость и перемещение) вибрации — это быстроменяющиеся процессы. Для их оценки проводят среднеквадратическое (СКЗ,RMS) усреднение по времени, обычно за 1...10 секунд, или выделяют максимальные мгновенные значения (Пик, Пик-Пик). Конкретный выбор зависит от того, как производитель виброчувствительного оборудования задает требования по вибрации. Энергия вибрации на полу зданий сосредоточена преимущественно в диапазоне ниже 100 Гц. При этом характерные частоты вибрации, создаваемые техногенными источниками, лежат выше 1 Гц, чаще всего — выше 8–10 Гц. Примеры распространенных требований к вибрации:

  • определены предельные значения к средней (СКЗ) виброскорости в третьоктавных полосах частот 4…80 Гц (этот способ еще называют определением вибрационного критерия);
  • определены предельные значения среднего (СКЗ) ускорения на частотах от 10–16 Гц. Могут задаваться критерии как к ускорению в широкой полосе частот, например 10–100 Гц, так и к спектру, например к ускорению в третьоктавах;
  • определены предельные значения перемещения на низких частотах — до 10 Гц. Обычно рассматриваются пиковые значения перемещения или характеристика Пик-Пик. Часто при таком способе задания не оговаривается частотный диапазон, хотя это и важно для проведения измерений и анализа. Из нашей практики — если рассматривается воздействие техногенных источников вибрации, например транспортные потоки, то достаточно рассматривать вибрацию на частотах от 1…4 Гц.

Вибрационные кривые VC

Один из наиболее популярных методов оценки вибрации в помещениях, предназначенных для установки высокоточного оборудования, — вибрационные критерии (vibration criteria), они же или кривые VC. Этот метод оценки изложен в рекомендациях IEST RP-CC012. Суть такого метода оценки вибрации заключается в измерении среднеквадратичных значений виброскорости в третьоктавных полосах частот 4–80 Гц и сравнении их с предельными значениями. Предельные значения скорости заданы отдельно для каждой из третьоктав в диапазоне частот 4–80 Гц и объединены в группы, которые еще называют «кривые» или «критерии». Для удобства эти кривые имеют названия VC-A, VC-B,…, VC-E (где VC-A — самый слабый критерий, а VC-E — наиболее жесткий). Если уровень скорости хотя бы в одной из третьоктав превышает предельное значение для данного критерия, то вибрация не считается соответствующей этому критерию. В литературе встречаются и другие названия вибрационных критериев. Так, например, по классификации ASHRAE кривые вибрационных критериев называются иначе. Соответствие названий вибрационных критериев в различных документах изложено в таблице:

Жесткость требований к вибрации в помещении с виброчувствительным оборудованием зависит от типовых размеров объектов, с которыми это оборудование работает. В таблице ниже приведены некоторые типовые вибрационные критерии для различных видов оборудования.

В последнее время в стали использоваться еще критерии VC-F (1,56 мкм/с на частотах 8–80 Гц) и VC-G (0,78 мкм/с на частотах 8–80 Гц). Эти критерии соответствуют сверхмалым уровням вибрации, сложно достижимым на практике даже в специально подготовленных помещениях и используют их для промежуточных расчетов. Кроме того, следует учесть, что провести измерение вибрации на соответствие таким критериям чаще всего невозможно ввиду отсутствия достаточно малошумящих датчиков.

Метод измерения вибрации для оценки соответствия критериям VC

Оценка с использованием вибрационных критериев VC построена на предположении, что вибрация имеет постоянный или слабо меняющийся характер. В этой ситуации можно измерить среднеквадратичное значение виброскорости в 1/3-октавных полосах частот напрямую с помощью датчиков скорости либо опосредованно, с помощью датчиков ускорения с последующим пересчетом. Вторая возможность важна, так как большинство датчиков виброскорости обладают существенными ограничениями по частотному диапазону и массо-габаритным размерам. Если непосредственно измеряли стандартизованные уровни виброускорения в ⅓-октавных полосах, то произвести пересчет измеренных значений в виброскорость в ⅓-октавных полосах можно по формуле:

где f — номинальная среднегеометрическая частота третьоктавной полосы в Гц,

 La,f — измеренные уровни виброускорения в соответствующей третьоктаве в дБ отн. мкм/с2.

Но если вибрация имеет импульсный характер или состоит из переходных процессов, то приведенная выше формула будет давать лишь ориентировочные значения из-за погрешностей измерения спектра и особенностей спектрального анализа. Оценка вибрации с заданием перемещения или ускорения

В ряде случаев производители чувствительного оборудования задают требования к вибрации не через вибрационные критерии, а вместо этого нормируют ускорение или скорость. Метод измерения ускорения вибрации в таких случаях сводится к измерению ⅓-октавных спектров. Если требование к виброускорению задано в широкой полосе частот, например 10-100 Гц, то искомое значение получают методом энергетического суммирования соответствующих третьоктав. Метод измерения перемещения зависит от характера вибрации и того, какая именно характеристика перемещения нормируется. Если требования предъявляются к среднему перемещению, то руководствуются следующим алгоритмом:

• измеряют третьоктавные спектры СКЗ ускорения в искомом диапазоне частот;

• вычисляют СКЗ перемещение в искомом диапазоне частот  по формуле;

• проводят энергетическое суммирование перемещения по искомому диапазону частот. Если требования предъявляются пиковому перемещению, например, норматив задан для характеристики Пик-Пик перемещения, то измеряют временную форму сигнала перемещения. Одним из способов ее получить — измерить временную форму сигнала ускорения и наложить двойной интегрирующий фильтр, такую процедуру реализует ПО Signal+3G RTA с записями, полученными приборами Экофизика.

 Есть и экспресс метод измерения пикового перемещения, который применяют для ориентировочной оценки: получают СКЗ перемещение D(f) для всех третьоктав со средними частотами f, которые попали в рассматриваемый диапазон, умножают их на 1,41 и складывают. Для такого способа не требуется постобработка и достаточно только третьоктавного анализатора спектра.

Практические вопросы оценки вибрации в помещениях с чувствительным оборудованием При планировании и проведении измерений вибрации в помещениях часто возникают две проблемы: На вибрацию по каким направлениям (горизонтальные, вертикальное) распространяются требования?

За какой период времени проводить измерение виброскорости и что вообще считать результатом: средние за период контроля значения, средняя за наихудшие 5 или 10 секунд вибрация или что-то еще? Рассмотрим эти два вопроса. Вибрацию оценивают по трем взаимно перпендикулярным направлениям.

Характеристикой виброскорости (ускорения, перемещения) будут три компоненты для каждой третьоктавы. Каждая из компонент должна соответствовать критерию VC.

При этом на полу зданий вибрация в вертикальном направлении практически всегда превышает вибрацию в горизонтальных направлениях.

Поэтому для упрощения измерения часто проводят только в одном направлении — вертикальном. Это допущение особенно снижает затраты если вибрацию сравнивают со строгими критериями VC-D или VC-E, так как при таких измерениях задействуют дорогостоящие однокомпонентные малошумящие акселерометры. К вопросу выбора интервала измерения можно подойти по-разному. Если источники вибрации известны, то измерения могут проводиться в течение короткого представительного промежутка времени.

Если же источники вибрации неизвестны или неизвестен их режим работы, то проводят длительные мониторинговые измерения — от нескольких часов до нескольких суток, в течение которых произойдут все представляющие интерес вибрационные события. При таком способе измерений в мониторинговую запись результатов измерений попадает множество помех — вибрация, связанная с деятельностью людей, искажения от разовых непредставительных процессов, к примеру, ремонтных работ. Если выбирать из всей длительной мониторинговой записи максимальные уровни виброскорости (ускорения, перемещения), то наверняка такие результаты измерений не будут соответствовать даже самым слабым критериям. Но вывод о непригодности помещения в такой ситуации будет некорректен — когда чувствительное оборудование и все помещение введут в эксплуатацию, то вибрация будет уже другая.

Наша лаборатория в подобных ситуациях использует риск-ориентированный подход к оценке помещения. Для этого мы проводим длинные мониторинговые измерения с автоматической записью в память. После этого осуществляем статистический анализ данных, например, определяем какой процент всего времени измерения вибрация соответствует тому или иному критерию.

Для упрощенной оценки соответствия вибрационным критериям VC в статье [1] применяются такой алгоритм:

  • для каждой третьоктавы вычисляются средние за период измерения значения виброскорости;
  • за результат измерения виброскорости в третьоктаве принимают среднее значение плюс среднеквадратичное отклонение; 
  • требования к измерительному оборудованию.

При выборе оборудования для проверки вибрации на соответствие тем или  иным вибрационным критериям следует обратить внимание на следующие нюансы:

  • количество измерительных каналов виброметра. Измерения рекомендуется проводить одновременно по трем взаимно перпендикулярным направлениям;
  • диапазон измерений виброускорения или виброскорости в 1/3-октавах;
  • частотный диапазон измерений;
  • погрешность измерений вибрации;
  • возможность проведения автоматического мониторинга с записью в память.

Приборостроительное объединение Октава-ЭлектронДизайн предлагает следующие измерительные системы для оценки вибрации:

  • виброметр-анализатор спектра — Экофизика-111В (3 измерительных канала) или Экофизика-110А в исполнении HF (4 измерительных канала). Если вибрация сравнивается с критериями VC-E или VC-D или иными строгими критериями, то применяют Экофизика-110А. Встроенное в приборы ПО (наборы «Инженерная виброметрия», «Санитарная виброметрия») и внешнее ПО для обработки результатов измерений — Signal+3G RTA. Датчики вибрации — по числу измерительных каналов; тип акселерометра зависит строгости критериев к оцениваемой вибрации. Рекомендации по выбору акселерометров — представлены в таблице.
  • адаптеры, с помощью которых датчики вибрации устанавливают на пол обследуемого помещения — напольная платформа 004ОП, магниты АМ-01ОКТ, мастика AW-01.

При необходимости это оборудование может быть оснащено каналом связи с Интернет для передачи и данных в режиме реального времени на удаленный сервер.

 

Источник: «Журнал главного инженера», №8-9, 2019.

Убедитесь, что вы подписаны на журнал и вся необходимая информация — под рукой!

Подписаться на рассылку