ISO 20816-1 — 機器振動 評估標準
振動評估工具
ISO 20816-3 區域檢查器、警報設定值計算器及振動單位轉換器
什麼是 ISO 20816-1？
ISO 20816-1:2016 (full title: "Mechanical vibration — Measurement and evaluation of machine vibration — Part 1: General guidelines") is the current international standard providing the framework for how machinery vibration should be measured and evaluated. It was published in 2016 and replaces two older foundational standards that had been in use since the 1990s.
最重大的改變是 統一 將兩種先前獨立的測量理念整合為單一、連貫的文件：
- ISO 10816-1 — 涵蓋在 非旋轉部件 （軸承座、機殼）上使用地震感測器（加速規）測量的振動。
- ISO 7919-1 — 涵蓋在 旋轉軸 使用非接觸式接近感測器。
ISO 20816-1 combines both approaches into one framework, recognizing that comprehensive machine assessment often requires both types of measurement. A machine might have acceptable casing vibration but dangerous shaft movement (indicating a rotor-dynamic problem), or vice versa (indicating a structural/foundation issue). Only by evaluating both can you get the full picture.
ISO 20816-1 是一份 一般指南 文件。它定義了 概念、方法論與評估架構 （區域、標準、測量類型），但並不含具體的數值限值。特定機器類型的實際區域邊界數值位於該系列的其他部分（ISO 20816-2 至 20816-9）。對於大多數工業機器， ISO 20816-3 提供這些數值。
標準涵蓋範圍
- 範圍與測量類型 — 定義機殼與軸振動測量方法論
- 儀器設備要求 — 感測器類型、頻率範圍、校準、安裝標準
- 評估標準 — 雙標準方法（絕對限值 + 相對於基線的變化）
- 評估區域 — 四區分類系統（A、B、C、D）
- 綜合評估與驗收 — 如何結合兩種測量類型，驗收測試與運轉監控
完整的 ISO 20816 系列
ISO 20816 是多部分標準。第 1 部分提供一般架構；其他部分提供不同機器類別的具體數值限值。
| 零件 | 標題 / 範圍 | 取代 | 狀態 |
|---|---|---|---|
| 20816-1 | 一般指南 | ISO 10816-1 + ISO 7919-1 | 2016 年發布 |
| 20816-2 | 陸上燃氣渦輪機、汽輪機、發電機 >40 MW | ISO 10816-2 + ISO 7919-2 | 2017 年發布 |
| 20816-3 | 功率 >15 kW 且轉速 120–15000 RPM 的工業機器 | ISO 10816-3 + ISO 7919-3 | 2022 年發布 |
| 20816-4 | 燃氣渦輪機驅動組（不含航空衍生型） | ISO 10816-4 + ISO 7919-4 | 2018 年發布 |
| 20816-5 | 水力機械組，含功率 >15 kW 的泵 | ISO 10816-5 + ISO 7919-5 | 2018 年發布 |
| 20816-6 | 往復式機器 >100 kW | ISO 10816-6 | 2016 年發布 |
| 20816-7 | 動壓泵（工業用，含旋轉軸測量） | ISO 10816-7 | 2017 年發布 |
| 20816-8 | 往復式壓縮機系統 | ISO 10816-8 | 2018 年發布 |
| 20816-9 | 齒輪箱 | 新標準（無前身標準） | 2020 年發布 |
| 20816-21 | 陸上風力渦輪機（水平軸，≥100 kW） | 新標準 | 2015 年發布 |
ISO 10816-3:2009 在 ISO 20816-3:2022 發布時已正式撤銷。然而，ISO 10816-3 的區域界限在工業界仍被廣泛使用，因為它們已根深蒂固，且大多數監控系統皆以此設定。ISO 20816-3 中的機殼振動限值與 ISO 10816-3 非常相似（許多情況下完全相同）。如果您現有的監控計畫使用 ISO 10816-3 數值，則無緊急變更之必要——但新安裝設備應參考 ISO 20816-3。
測量類型
ISO 20816-1 正式統一了兩種根本不同的測量方法。理解其差異對於正確應用至關重要。
機殼振動（非旋轉部件）
- 定義： 靜態機體結構的振動——軸承座、基座、框架、機殼。
- 感測器： Seismic transducers — piezoelectric accelerometers (most common) or velocity transducers — mounted on the bearing housing per ISO 5348.
- 參數： 寬頻 RMS 速度 在 mm/s （或 in/s，視地區而定）。
- 頻率範圍： 10–1000 Hz 標準；低速機（<120 RPM）為 2–1000 Hz。
- 其意義： 傳入機體結構的振動能量。反映作用於軸承的力及結構響應。與軸承疲勞及結構損壞風險直接相關。
- 設備： The Balanset-1A 在其 Vibrometer 模式（F5）下測量寬頻 RMS 速度，使其直接適用於 ISO 20816 機殼評估。
軸振動（旋轉部件）
- 定義： 軸相對於軸承座的動態位移——軸在軸承游隙內實際移動的幅度。
- 感測器： Non-contact eddy-current proximity probes, typically installed in orthogonal pairs (X-Y) at each bearing per API 670.
- 參數： 峰峰值位移 在 μm （微米）或 mils（1 mil = 25.4 μm）。
- 頻率範圍： 主要為軸同步（1×）及次同步分量。
- 其意義： The actual rotor dynamic behavior — orbit shape, whirl direction, rub contact. Critical for detecting shaft bow, oil whirl, seal contact, and misalignment that may not transfer efficiently to the casing.
- 設備： Permanently installed proximity probes (not typically portable instruments). Primarily used on large turbo-machinery with fluid-film (journal) bearings.
| 方面 | 機殼（非旋轉部件） | 軸（旋轉部件） |
|---|---|---|
| 感測器 | 加速規 / 速度感測器 | 近接探測器（渦流式） |
| 安裝 | 於軸承座上（外部） | 於軸承座內（內部） |
| 參數 | RMS 速度（mm/s） | 峰峰值位移（μm） |
| 頻率範圍 | 10–1000 Hz（寬頻） | 次同步至 1× RPM |
| 最擅長偵測 | Unbalance, misalignment, looseness, bearing defects, structural resonance | Shaft bow, oil whirl/whip, seal rub, rotor instability, journal bearing condition |
| 典型設備 | 所有類型——風機、泵浦、馬達、壓縮機、一般工業設備 | 配備軸頸軸承的大型渦輪機組 |
| 便攜式測量 | 是（Balanset-1A、便攜式分析儀） | 僅限永久安裝之探測器 |
| 標準參考 | 原為 ISO 10816，現為 ISO 20816 | 原為 ISO 7919，現為 ISO 20816 |
設備可能出現 機殼振動低但軸位移高 — the forces aren't being transmitted to the structure (e.g., very stiff bearing housing), but the shaft is moving dangerously inside the bearing clearance. Conversely, 機殼振動高但軸位移正常 暗示結構問題（基礎鬆動、共振）而非轉子動力學問題。ISO 20816-1 建議在可能的情況下同時評估兩者，以獲得完整診斷。
儀器要求
該標準規定，整個測量鏈——感測器、電纜、信號調理及分析儀——必須經過校準，並能在所需頻率範圍內進行準確測量。主要參考：
- 加速規安裝： 每 ISO 5348 — 首選螺柱安裝，磁吸安裝適用於常規監控，黏著劑安裝適用於永久安裝。
- 近接探測器安裝： 依 API 670 — 探頭間隙、目標表面粗糙度、正交對向配置，以及電纜佈線要求。
- 校準： 定期針對可追溯標準對整個測量鏈進行校準。Balanset-1A 出廠時已校準，並可針對已知振動源進行驗證。
評估區 A、B、C、D
四區系統是 ISO 振動標準中最具代表性的特徵。它提供了一套通用的、以顏色編碼的框架，用於分類振動嚴重度並決定適當的處置措施。
| 公差帶 | 顏色 | 機器狀態 | 所需處置措施 |
|---|---|---|---|
| A | 綠色 | 新投運或翻新機器的振動。狀態極佳。 | 正常運轉。將此設為未來趨勢分析的基線。維護後的目標狀態。 |
| B | 黃色 | 適合無限制長期運轉。正常的磨合狀態。 | 繼續運轉。監控趨勢 — 若向 C 區移動則需調查。適合大多數運轉中的機器。 |
| C | 橘色 | 不適合長期連續運轉。故障發展中或狀態惡化。 | 規劃校正措施。 增加監控頻率。調查根本原因。於下次可用機會安排維護。 |
| D | 紅色 | 嚴重程度足以造成損壞。有災難性故障的風險。 | 立即採取行動。 考慮緊急停機。切勿繼續運轉 — 軸承、密封件及結構部件正在受損。 |
區域邊界值 — 機殼振動 (ISO 20816-3)
這些是針對 軸承座上的寬頻 RMS 速度的具體數值限制，適用於功率大於 15 kW 且轉速介於 120 至 15,000 RPM 的工業機器。這些數值最初確立於 ISO 10816-3，並在 ISO 20816-3:2022 中沿用並進行小幅更新。
| 區域邊界 | 第 1 組 大型，剛性 (>300 kW) | 第 2 組 中型，剛性 (15–300 kW) | 第 3 組 大型，柔性 (>300 kW) | 第 4 組 中型，柔性 (15–300 kW) |
|---|---|---|---|---|
| A/B | 2.3 | 1.4 | 3.5 | 2.3 |
| B/C (警示) | 4.5 | 2.8 | 7.1 | 4.5 |
| C/D (跳脫) | 7.1 | 7.1 | 11.2 | 11.2 |
範例： 您在固定於混凝土樓板的 55 kW 馬達上測得 3.2 mm/s RMS。這屬於第 2 組（中型功率，剛性基礎）。A/B 邊界 = 1.4，B/C = 2.8，C/D = 7.1。您的讀數 3.2 超過 2.8 (B/C) 但低於 7.1 (C/D)，因此機器處於 C 區 — 請安排校正措施。使用上方的計算機可立即檢查任何數值。
區域邊界值 — 軸位移 (ISO 20816-2)
對於配備近接探頭的渦輪機械，軸位移限制取決於轉速。該標準採用基於轉速比平方根的公式。
結果單位為 μm 峰峰值 | 轉速越高 → 限制越嚴格
| 區域邊界 | k 係數 | @ 1500 RPM | @ 3000 RPM | @ 6000 RPM | @ 10000 RPM |
|---|---|---|---|---|---|
| A/B | 50 | 122 μm | 87 μm | 61 μm | 47 μm |
| B/C (警示) | 80 | 196 μm | 139 μm | 98 μm | 76 μm |
| C/D (跳脫) | 100 | 245 μm | 173 μm | 122 μm | 95 μm |
兩項評估準則
ISO 20816-1 規定，振動評估必須同時考量 兩者 兩項準則。僅使用其中一項會導致評估結果不完整。
準則 1 — 絕對幅值
Compare the measured vibration value against the fixed zone boundaries from the applicable part of ISO 20816. This tells you the machine's condition relative to the general population of similar machines.
- 適用場景： 新機或修復機器的驗收測試、基線評估、設定跳脫警報、跨機隊機器比較。
- 限制： A machine that has always been at 4.0 mm/s (Zone B for Group 1) might be perfectly healthy — that's its normal operating level. Criterion 1 alone doesn't tell you if something has changed.
準則 2 — 相對於基線的變化
將當前振動值與已建立的參考值（基線）進行比較。基線通常是在調試後、維護後，或在穩定運轉期間的統計平均值時測量。
- 適用場景： Trend-based predictive maintenance, early fault detection, detecting deterioration regardless of absolute level.
- 關鍵洞察： 顯著的 變化 在振動方面 — 即使絕對值仍處於 A 區或 B 區 — 通常是 最早且最可靠的指標 顯示故障正在發展。
情境： A pump has a baseline of 1.0 mm/s. Over three weeks, it rises to 2.5 mm/s. By Criterion 1 (Group 2), 2.5 mm/s is still in Zone B — "acceptable." But by Criterion 2, the vibration has 相對於基線增加了 2.5 倍 這屬於顯著變化，顯示故障正在發展（可能是軸承磨損或對心不良）。若無準則 2，您將錯過此警報，直到機器進一步惡化至 C 區或 D 區。
| 方面 | 準則 1 — 絕對值 | 準則 2 — 相對於基線的變化 |
|---|---|---|
| 參考 | 標準中固定的區域邊界 | Machine's own established baseline |
| 最適用於 | 驗收測試、機隊比較、跳脫警報 | 預測性維護、早期故障偵測、趨勢分析 |
| 警報觸發條件 | 數值超過 B/C 區邊界 | 數值超過基線的 2.0–2.5 倍 |
| 優點 | 客觀、通用的基準 | 對變化敏感、針對特定機器 |
| 缺點 | Doesn't detect change from "normal" baseline | 需要已建立的基線；若基線不穩定則可能產生誤報 |
| 在 ISO 20816 中 | A/B/C/D 區邊界 | "Significant change" threshold (standard recommends 2.0–2.5×) |
機器分組（ISO 20816-3）
ISO 20816-3（及其前身 ISO 10816-3）根據 額定功率 與 基礎類型將機器分為四組。各組的區域邊界不同，因為安裝在柔性基礎上的大型機器，其振動自然高於安裝在剛性基礎上的小型機器。
| 組別 | 功率 | 基礎 | 典型機器 | A/B | B/C | C/D |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 第 1 組 | >300 kW | 剛性 | 大型馬達、發電機、渦輪壓縮機（安裝於混凝土基座） | 2.3 | 4.5 | 7.1 |
| 第 2 組 | 15–300 kW | 剛性 | 標準馬達、泵浦、風機（安裝於混凝土或重型鋼結構） | 1.4 | 2.8 | 7.1 |
| 第 3 組 | >300 kW | 柔性 | 大型機組（安裝於鋼結構、海上平台、高樓層） | 3.5 | 7.1 | 11.2 |
| 第 4 組 | 15–300 kW | 柔性 | 中型機組（安裝於彈性框架、撬裝設備） | 2.3 | 4.5 | 11.2 |
剛性基礎： The foundation's lowest natural frequency is well above the machine's operating speed. Practically: heavy concrete block, thick steel baseplate grouted to concrete. The foundation doesn't amplify or modify the machine's vibration.
柔性基礎： The foundation has natural frequencies near or below the machine's operating speed. Practically: elevated steel platform, lightweight frame, spring-mounted skid, upper-floor installation. The foundation can amplify or attenuate vibration at certain frequencies.
If in doubt, a simple test: measure vibration on the foundation surface next to the machine. If it's significantly lower than on the bearing housing, the foundation is likely rigid. If it's similar, the foundation may be acting as a flexible mount.
警示與跳脫設定值
ISO 20816 在監測系統中的實際應用需要設定 警報 （警示）與 危險 （跳脫）設定值。該標準提供了絕對與相對設定值的指導方針。
絕對設定值（來自準則 1）
- 警報 = B/C 區間邊界值。當振動超過此值時，應加強監測、調查根本原因並規劃校正措施。
- 跳脫 = C/D 區間邊界值。當振動超過此值時，應自動關機（若具備此功能）或立即採取手動措施以防止損壞。
相對設定值（來自準則 2）
- 相對警示 = 基線 × 倍數（通常為 2.0–2.5 倍）。振動值相對於基線翻倍或更多，表示故障正在發展。
- The 有效警示設定值 應為絕對警示與相對警示之間 較低 較低者。這可確保最先被違反的準則會觸發警示。
機器： 75 kW 馬達，剛性基礎（第 2 組）。驗收後基線：1.2 mm/s RMS。
絕對警示 （B/C 邊界，第 2 組）：2.8 mm/s
相對警示 （基線 × 2.5）：1.2 × 2.5 = 3.0 mm/s
有效警示 = 2.8 mm/s（兩者中較低者）
跳脫 （C/D 邊界）：7.1 mm/s
If this motor's vibration rises to 2.9 mm/s, both criteria are violated — take action.
驗收測試與運轉監測
ISO 20816-1 清楚區分了兩種評估情境：
驗收測試
用於新機組的驗收或大修後的驗收。通常要求振動值落在 A 區或 B 區。這是一個嚴格的通過/失敗準則——若新機組交付時處於 C 區，通常會被拒收。
- 測量條件必須嚴格控制（穩定轉速、滿載、熱平衡）。
- 每個測量點需進行多次讀數。
- 結果需記錄於正式的驗收報告中。
運轉監測
用於在役機組的持續狀態評估。重點從通過/失敗轉向 趨勢分析與變化偵測 （準則 2）。警示與跳脫設定值是主要工具。
- 便攜式巡檢資料採集（Balanset-1A）或永久性線上監測。
- 一致的測量點、條件與程序，以確保趨勢比較的有效性。
- 決策基於絕對區間與趨勢方向兩者。
從 ISO 10816 過渡至 ISO 20816
Many facilities still reference ISO 10816 in their procedures, monitoring databases, and specifications. Here's what you need to know about the transition.
| 舊標準 | 新標準 | 對區間數值之影響 |
|---|---|---|
| ISO 10816-1:1995 | ISO 20816-1:2016 | 一般指南——無數值變更 |
| ISO 10816-2:2009 | ISO 20816-2:2017 | 針對現代渦輪機械修訂了部分限值 |
| ISO 10816-3:2009 | ISO 20816-3:2022 | 機殼速度限值基本不變；新增軸向限值 |
| ISO 10816-4:2009 | ISO 20816-4:2018 | 更新為軸向位移準則 |
| ISO 10816-5:2000 | ISO 20816-5:2018 | 針對水力機械修訂 |
| ISO 10816-6:1995 | ISO 20816-6:2016 | 針對往復式機械進行小幅更新 |
| ISO 10816-7:2009 | ISO 20816-7:2017 | 更新泵浦評估準則 |
| ISO 10816-8:2014 | ISO 20816-8:2018 | 往復式壓縮機 — 小幅變更 |
| ISO 7919-1 至 -5 | 已併入 20816 系列 | 軸向位移準則現與機殼準則位於同一文件中 |
針對現有監測計畫： 若您的系統已設定 ISO 10816-3 區間值，則 ISO 20816-3 中的機殼振動限值基本不變。無需緊急重新設定。建議在方便時更新文件中的參考編號。
針對新安裝設備： 指定 ISO 20816-3 (2022) 為參考標準。建議在適用情況下（如配備軸頸軸承的大型機械）新增軸向位移監測。
針對規格書與合約： Update references from "ISO 10816" to "ISO 20816" in new purchase orders and maintenance contracts. Include both casing and shaft criteria where relevant.
搭配 Balanset-1A 的實務應用
The Balanset-1A 便攜式振動分析儀透過其內建測量模式，直接支援 ISO 20816 機殼振動評估。
測振儀模式 (F5)
測量 寬頻 RMS 速度 — 即 ISO 20816 針對機殼振動指定的精確參數。顯示畫面包含：
- V1s （整體振動）— 可直接與區間邊界值比較
- V1o （1× RPM 成分）— 指示總振動中有多少來自不平衡
- 雙通道同時測量 — 一次測量即可涵蓋近端與遠端軸承
頻譜分析儀 (F1 / F8)
顯示 FFT 頻率頻譜，讓您能夠識別 來源 高振動的成因（不平衡為 1×，不對心為 2×，軸承缺陷為特徵頻率）。請參閱 振動分析指南 以了解頻譜解讀方式。
平衡模式
若診斷振動成因為不平衡（1× RPM 峰值主導），Balanset-1A 可立即進行現場動平衡以校正問題 — 將振動從 C 區或 D 區降低回 A 區或 B 區。請參閱 現場動平衡指南 以了解完整程序。
工作流程： 測量 (F5) → 診斷區間 → 若為 C/D 區且 1× 主導 → 分析頻譜 (F1) → 動平衡校正 → 驗證是否回到 A/B 區。
常見問題
ISO 20816 與 ISO 10816 有何差異？
ISO 20816 透過將機殼振動（原 ISO 10816）與軸向振動（原 ISO 7919）結合為統一標準，取代了 ISO 10816。ISO 20816-3 中機殼振動的區間邊界值與 ISO 10816-3 非常相似。主要改進在於將兩種測量理念整合於同一文件中。
ISO 10816 是否仍然有效？
ISO 10816 各部分已因被對應的 ISO 20816 部分取代而正式撤銷。然而，其振動限值已廣泛應用於現有監測系統與合約中。機殼振動的數值基本不變，因此基於 ISO 10816 的現有計畫在實務上仍具技術有效性。
我應該測量哪個參數 — 速度或位移？
針對配備滾動軸承且從外部測量（便攜式儀器）的一般工業機械： RMS 速度（單位 mm/s）。針對配備軸頸軸承且已安裝近接感測器的大型渦輪機械： 峰對峰軸向位移（單位 μm）。若兩者皆可測量，建議同時評估 — 它們能提供互補資訊。
如何確定機械組別？
兩個因素：額定功率（高於或低於 300 kW）與基礎類型（剛性或彈性）。75 kW 馬達螺栓固定於混凝土基座 = 第 2 組。500 kW 壓縮機安裝於鋼製平台 = 第 3 組。請參閱上方的機械組別章節。
位於 B 區的機械是否仍可能有發展中的故障？
Yes — this is exactly why Criterion 2 exists. If a machine's baseline was 0.8 mm/s and it rises to 2.2 mm/s, it's still in Zone B for Group 2 (below 2.8 mm/s), but the 2.75× increase from baseline indicates a significant developing problem.
動平衡校正後，我應該將振動值控制在什麼水平？
現場動平衡後，目標應為 A 區 （低於您機器組別的 A/B 邊界值）。對於 2 組機器，這意味著低於 1.4 mm/s。 動平衡校正指南 詳細說明了該程序。
寬頻 RMS 速度涵蓋的頻率範圍是多少？
標準範圍為 10–1000 Hz，符合 ISO 20816-1。這涵蓋了最常見的故障特徵：對於轉速為 1000 RPM（約 17 Hz）的機器，為 1× 至約 60×；對於轉速為 3000 RPM（50 Hz）的機器，為 1× 至約 20×。低速機器（<120 RPM）使用 2–1000 Hz 的擴展範圍。
我是否需要購買 ISO 20816-1 文件才能使用區域值？
ISO 20816-1 本身不包含具體的區域值——它僅定義了方法論。區域邊界數值位於 ISO 20816-3 （針對一般工業機器）。如需包含所有程序和附錄的完整官方文件，請向 ISO 商店購買。本指南中發布的區域值來自公開可用的參考資料，並在工業界廣泛使用。
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