船用設備振動診斷

1. 技術診斷基礎

為何振動分析成為監控船用旋轉機械的主要方法 — 以及有哪些替代方案。

1.1 診斷原理

技術診斷是評估機器當前狀態並預測其狀態隨時間變化的學科。對於船用設備而言，此任務尤為關鍵：海上意外故障可能危及船員、貨物及船隻本身。

核心理念很簡單。每台旋轉機械都會產生可測量的物理訊號 — 振動、熱量、聲發射、油液污染等。隨著內部組件磨損、裂紋、腐蝕或鬆動，這些訊號會以通常可預測的方式改變。系統化的監控計畫能及早偵測這些變化，依類型與嚴重度分類，並將建議納入維護排程。

關鍵術語

一般診斷工作流程

實務上，此流程是迭代的：若模式與任何已知故障不符，分析師會回溯、優化處理流程、新增量測點，或與其他診斷方法（熱成像、油液分析、超聲波檢測）進行關聯。

功能診斷與測試台診斷

功能診斷 在機器正常負載運轉時收集資料。它反映真實的運轉條件，但限制了可執行的測試項目——例如，您無法向正在為主機供應冷卻水的泵浦注入人工激振。

測試台（測試器）診斷 施加受控激振——如衝擊錘、掃頻正弦激振器或類似設備——通常在停機期間進行。它能揭示功能診斷無法提供的自然頻率、傳遞函數與結構特性。在船上，實務上的困難顯而易見：停機成本高昂，且對關鍵系統而言有時根本無法停機。

選擇監控項目

並非船上每台機器都值得同等程度的關注。選擇在哪些設備上追蹤哪些參數，需要在診斷覆蓋率與實務成本之間取得平衡。典型的選擇標準包括對故障發展的敏感度、量測重複性、感測器與安裝成本，以及設備本身的重要性。

1.2 維護策略

海事業已歷經四種廣泛的維護理念，每種皆具有不同的成本–風險特徵。

大多數現代艦隊採用組合方式。關鍵的推進與發電設備採用基於狀況或主動式維護。輔助設備可能仍遵循基於時間的排程，甚至在備件便宜且後果輕微的情況下採用運轉至故障策略。振動分析是 CBM 層面的核心。

1.3 振動作為主要診斷訊號

振動分析在海洋狀況監控中佔據主導地位，原因如下：

• 所有旋轉機械皆會產生振動——無需額外激振。
• 故障會以文獻記載完善、具故障特徵的方式改變振動模式。
• 量測非侵入式，且可在機械正常運轉時進行。
• 早期預警時間通常以週或月計，而非小時。
• 此技術具量化特性——結果可直接對應至國際標準定義的嚴重度區域。

該方法論涵蓋六個階段：建立基線、趨勢監測、異常偵測、故障分類、嚴重度評估及預測（剩餘使用壽命）。每個階段運用不同的工具組——從第一階段的簡單 RMS 趨勢分析到 包絡分析、倒頻譜及後期階段的機器學習分類器。

狀況狀態

經濟觀點

船上振動監測計畫的投資報酬率因情況而異，但文獻中常引用的比率為 5:1 至 10:1。大部分節省來自三個來源：避免災難性的二次損壞（例如軸承失效導致軸損壞）、透過消除不必要的 overhaul 延長零組件壽命，以及降低港口緊急維修成本（相較於計畫中的船廠維修）。

2. 振動物理、單位與標準

位移、速度、加速度——振動的三個面向，以及用於判斷何種程度過高的 ISO 框架。

2.1 核心參數

振動是機械系統圍繞平衡位置的往復運動。它由三個相互關聯的運動學量描述，每個量在不同頻率範圍內各有用處。

由於速度與頻率呈線性比例（ω 因子），而加速度與 ω² 成比例，這三個參數在頻譜上的靈敏度差異很大。這就是工程師選擇其中一個而非另一個的實際原因。

統計量測

RMS （均方根）代表有效振幅，並與振動的能量含量相關。它是基於 ISO 的嚴重度評估的預設指標。

峰值 捕捉最大瞬時振幅——適用於檢測衝擊和瞬態事件。

峰對峰值 給出從正峰值到負峰值的總擺幅。它常用於位移測量和游隙分析。

峰值因子 是峰值與 RMS 的比值。絕對值取決於機器類型、測量頻寬及運轉狀態——純正弦波約為 1.4，健康的旋轉機器通常落在 3–4 之間——因此沒有單一通用的「正常」數值。診斷上重要的是 趨勢：波峰因數上升表示衝擊性增加，這是軸承表面缺陷或衝擊的常見早期徵兆。

2.2 船用系統中的振動類型

船用機械產生幾類振動，每類都源自不同的物理機制。

按激振源分類

• 自由振動 — 系統在瞬態激振（啟動、停機、衝擊）後以其自然頻率振盪。
• 受迫振動 — 在與轉速、葉片數量或電源相關的頻率下持續激振。大多數穩態振動都是強制振動。
• 自激振動 — 機械透過內部反饋機制產生自身的激振：滑動軸承中的油膜渦動、空氣動力顫振、黏滑摩擦。
• 參數振動 — 系統剛性或阻尼週期性變化，將能量泵入響應中。每轉一次改變嚙合剛性的裂紋齒輪齒是典型範例。

按與轉速的關係分類

• 同步（與轉數相關） — 頻率是軸轉速的整數或簡單有理數倍。不平衡（1×）、不對心（2×）和鬆動（多倍頻）屬於此類。
• 非同步 ——頻率並非軸轉速的整數倍。軸承缺陷頻率、電網頻率諧波及皮帶滑動振動皆屬此類。

按方向分類

徑向 徑向振動（垂直於軸）在大多數旋轉設備中佔主導地位，且是第一個測量的方向。 軸向 軸向振動（平行於軸）標示推力軸承問題、聯軸器問題和空氣動力。 扭轉 扭轉振動（繞軸線扭轉）需要專用感測器，主要用於長推進系統，因為扭轉共振可能具有破壞性。

自然頻率與共振

每個機械系統都有由其質量、剛性和阻尼決定的自然頻率。當激振頻率接近自然頻率時，響應會被放大——有時放大 10 倍或更多。在旋轉機械中，這些重合稱為共振。 臨界轉速.

振動來源

機械 — 不平衡、不對心、軸承缺陷、鬆動、齒輪問題、軸彎曲。頻率通常與軸轉速和零組件幾何形狀相關。

電磁 — 轉子條缺陷、定子偏心、供電電壓不平衡。頻率集中在兩倍線頻率（50 Hz 電源為 100 Hz，60 Hz 電源為 120 Hz）及其倍數附近。

液壓 / 空氣動力 — 葉片通過頻率、空蝕、湍流、回流。葉片通過頻率等於葉片數量乘以轉動頻率；空蝕產生集中在 1–2 kHz 以上的寬頻隨機噪聲。

2.3 單位與標準

振動測量同時使用線性與對數（分貝）刻度。分貝形式可壓縮寬廣的動態範圍，並強調相對變化：

參考值在 ISO 1683 中已標準化：速度為 10⁻⁹ m/s (1 nm/s)，加速度為 10⁻⁶ m/s² (1 μm/s²)。以分貝報告數值時，務必註明參考值。

ISO 20816（前身為 ISO 10816）——非旋轉部件上的振動

The ISO 10816 系列在歷史上是評估非旋轉部件（軸承座）上測量的機械振動最廣泛使用的框架。它正逐漸被 ISO 20816 系列取代：ISO 20816-1:2016 取代了 ISO 10816-1 與 ISO 7919-1，而 ISO 20816-3:2022 取代了 ISO 10816-3，適用於額定功率 15 kW 以上的工業機械。兩個系列皆保留相同的四區評估邏輯（A 至 D）；數值限值取決於機器組別與支撐類別。

下表顯示 範例 特定分類（ISO 10816-3 / ISO 20816-3，第 2 組機器 15–300 kW，剛性支撐）的區間邊界。這些數值並非通用——務必諮詢適用於您機器類型、功率範圍及安裝方式的標準章節。

海事與特定機械標準

除了通用機械系列外，另有數項標準直接針對船舶與特定機器類型：

機器組別與支撐類別

在 ISO 10816-3 / ISO 20816-3 框架下，工業機械的主要組別為： 第 1 組 ——額定功率 300 kW 以上至 50 MW 的大型機器； 第 2 組 ——額定功率 15–300 kW 的中型機器。針對泵浦，依驅動器為整合式或外置式另有規定。限值進一步依支撐剛性劃分。

支撐系統被視為 剛性 當機器加基礎組件的最低自然頻率遠高於主要激振頻率時——實務上常見的指導原則為至少高出 25%。 柔性 支撐的最低自然頻率低於激振頻率，這會放大軸承座振動，並分配較寬鬆的驗收限值。此區別應透過測量（衝擊測試）驗證，而非僅憑外觀假設——這在船上尤為重要，因為船上常見彈性安裝的機械。

測量點

標準規定在軸承座上進行測量，盡可能靠近負荷區，並涵蓋三個方向：水平徑向、垂直徑向及軸向（通常僅在驅動端軸承進行）。測量應在穩定的運轉條件下進行——額定轉速與代表性負荷——並在足夠長的時間內取平均，以捕捉任何週期性變化。

3. 船舶運轉環境

船上振動工作與工廠相同工作有何不同——變速、浮動的柔性鋼製基礎，以及軸線末端的螺旋槳。

3.1 變速與負荷

與大多數工業廠房不同，船用推進機械很少維持單一轉速。主引擎遵循駕駛台指令，發電機組隨電氣負荷增減，配備可變螺距螺旋槳的船舶則在恆定軸轉速下改變負荷。對診斷而言，這有兩項後果：

• 頻譜模糊。 在轉速漂移期間取得的傳統 FFT 會將每個旋轉分量分散至多個頻率區間。階次追蹤——依轉速計參考訊號重新取樣——可確保與轉速相關的峰值無論漂移皆保持清晰。
• 基線必須標註狀態。 在平靜水域以 85% MCR 取得的讀數，無法與在浪況中以 50% 負荷取得的讀數相比較。每筆儲存的測量資料應包含轉速、負荷及海況的後設資料，趨勢比較應確保條件一致。

3.2 螺旋槳葉片頻率激振與船體共振

螺旋槳是船上最強的週期性激振源之一。每片葉片穿過船體後方非均勻的尾流場時會產生壓力脈衝，在 葉片通過頻率 （葉片通過頻率）及其諧波處產生振動：

由於船體是大型且相對柔性的焊接結構，葉片通過頻率激振可能耦合至船體總縱彎曲模態、局部板件模態及上層建築模態。症狀涵蓋從居住區船員不適，到管路支架裂縫及局部結構疲勞。ISO 20283-2 規範此類結構振動的量測；ISO 20283-5 則提供居住性評估框架。改善措施包括螺旋槳重新設計或修復（葉片損傷會增加尾流激振）、改變葉片數量、結構補強，以及避免在共振轉速下長時間運轉。

3.3 軸系與扭振

船舶軸系——主機或齒輪箱、中間軸、尾軸管軸承、螺旋槳——是一個長而重的轉子系統，其對中取決於周圍船體。船體撓度會隨貨載、壓載狀態及溫度變化，因此在乾船塢完美對中的軸系，出海後可能出現不對心。症狀包括中間軸承處 1× 與 2× 振動升高、尾軸管軸承過熱，以及軸向位移讀數不均。

由柴油機驅動的長軸系也容易發生 扭振。引擎點火順序會激發曲軸–軸系系統的扭振自然頻率；若顯著的扭振臨界轉速落在運轉範圍內，則會劃定 禁轉區 ，禁止在此區間連續運轉。扭振對一般安裝於機殼的加速規幾乎不可見——必須使用專用儀器（扭振儀、應變規、基於編碼器的扭轉量測）。ISO 20283-4 涵蓋推進機械振動的量測與評估。

3.4 船級社與環境因素

船級社（DNV、Lloyd's Register、Bureau Veritas、ABS 等）發布機械與振動指導方針，並提供狀態監測船級符號，經核准且可稽核的監測計畫可取代部分定期檢驗項目。各船級社具體要求不同且會隨時間調整，因此應隨時向船舶所屬船級社確認適用規範——但共同原則是：資料品質、文件化程序與分析師專業能力必須可驗證。

最後，海洋環境本身也會干擾量測鏈：含鹽空氣腐蝕接頭、機艙溫度大幅循環變化、沖洗區域要求感測器與纜線具備適當防護。環境防護等級、不鏽鋼配件與嚴謹的纜線維護並非奢侈——腐蝕的接頭會產生間歇性訊號，模擬機械故障。

4. 測量方法與感測器

感測器選型、安裝、訊號調理，以及在船上收集良好振動資料的實務考量。

4.1 量測原理

運動學 vs. 動力學

大多數振動感測器測量 運動 僅測量位移、速度或加速度，而不量化產生該運動的力。這屬於運動學測量。動力學測量結合運動與力資料，通常透過配對的加速規與力感測器實現，主要用於受控的測試台情境，例如模態分析或傳遞函數測量。

絕對 vs. 相對

絕對振動 是相對於慣性參考座標系的點運動。螺固於軸承座的加速規可提供絕對機殼振動量測。 相對振動 是兩個部件之間的運動——通常為軸與軸承座之間。接近感測器提供此類測量，並為大型渦輪機械的標準配備，用於獲取軸軌跡資訊。

接觸式 vs. 非接觸式

接觸式感測器（加速規、速度拾振器、應變規）實體附著於振動表面。它們提供高靈敏度、寬頻寬與成熟的程序。非接觸式感測器（渦流探頭、雷射測振儀）從遠距離測量，對於旋轉表面、高溫區域，以及接觸式感測器質量載荷會改變測量的位置而言，不可或缺。

4.2 感測器技術

壓電加速規

船用振動測量的主力。壓電元件（石英或陶瓷）產生與施加力成正比的電荷。內部電子元件（IEPE / ICP 標準）將其轉換為低阻抗電壓訊號，可在嘈雜的機艙環境中透過長電纜可靠傳輸。

高頻型號（高達 50 kHz，靈敏度較低）用於早期軸承缺陷檢測。高靈敏度型號（100–1000 mV/g，頻寬達 ~5 kHz）則用於精密機械的低階振動。

MEMS 加速規

微機電系統（MEMS）加速規比壓電單元更小、更便宜且耗電更低。它們已成為非關鍵機械永久監測與無線感測器網路的可行方案。近年來頻寬與動態範圍已有顯著改善，儘管壓電感測器在高頻性能上仍居領先。

速度感測器（地震換能器）

懸掛的磁性質量塊相對於線圈移動，產生與速度成正比的電壓。此類感測器無需外部供電、結構堅固，並直接輸出速度訊號——方便進行 ISO 20816 / 舊版 ISO 10816 評估而無需積分。缺點包括低頻響應有限（通常高於 10 Hz）、溫度敏感，以及體積相對較大。

接近感測器（渦流感測器）

高頻振盪器在探頭尖端產生電磁場。鄰近導電軸表面的渦流會改變阻抗，電子元件將此變化轉換為與間隙距離成正比的直流電壓。在每個軸承上以 90° 安裝兩個探頭，可提供 X-Y 軸位置資料以進行軌跡分析。解析度約為 0.1 μm，且探頭具有直流響應（可追蹤緩慢的靜態位移以及動態振動）。

4.3 安裝與校正

安裝方式

感測器安裝於機械的方式決定了可用的高頻上限。每種方法都會引入安裝共振，高於此頻率時測量將不可靠。

信號調節

IEPE 感測器需要恆流電源（通常為 18–28 V DC 下的 2–4 mA）。資料擷取前端通常會提供此電源。電荷模式感測器需要獨立的電荷放大器。無論哪種情況，信號路徑都應使用屏蔽、低噪聲電纜，並且電纜長度應盡可能短，以最小化來自機艙電源電纜的電磁干擾。

校正

感測器和通道應至少每年一次針對可追溯的參考標準進行檢查——在嚴苛的海洋環境中應更頻繁。標準的現場工具是便攜式校準激振器，能在已知頻率下產生已知加速度（通常為 159.15 Hz 下的 10 m/s²）。與參考加速規進行背靠背比較可提供更高的信心，並且可以在船上進行。

5. 訊號分析

從原始振動波形到診斷結論——使故障識別成為可能的信號處理鏈。

5.1 訊號類型

了解您的機器產生哪種類型的信號，將決定哪些分析技術能提取有用資訊。

週期性與諧波信號

單一頻率的純正弦波是最簡單的情況（實際中很少見）。大多數旋轉機械產生 多諧波 信號——基頻加上其整數倍。四衝程柴油機產生發火順序諧波；齒輪系產生嚙合頻率及其諧波。

調變訊號

振幅調變 (AM) ——訊號包絡呈週期性變化。滾動軸承內圈缺陷每轉一次通過負荷區，即在軸轉速處對高頻衝擊響應產生調幅（AM）。 頻率調變 (FM) ——瞬時頻率會變化。往復式壓縮機的速度波動是常見來源。

脈衝與瞬態信號

短時程、高振幅事件，同時激發多個共振。滾動軸承缺陷、齒輪斷齒與鬆動緊固件均會產生衝擊振動。特徵包括：高波峰因子、寬頻頻譜內容、快速衰減，以及以缺陷頻率週期性重複。

隨機信號

湍流、空蝕和嚴重的表面退化產生的振動沒有主導的週期性成分。統計上，它由功率譜密度 (PSD) 而非個別頻率峰值來特徵化。

5.2 時域與頻域

時域分析

檢查原始波形可揭示頻譜分析可能掩蓋的資訊：衝擊時機、調變模式、不對稱性（截斷、削波）以及瞬態事件的存在。從波形計算的統計參數——RMS、峰值因數、峰度、偏度——量化信號特徵，通常是軸承惡化的最早指標。

峰度對於軸承診斷特別有价值。健康的軸承產生大致高斯的振動（峰度 ≈ 3）。發展中的缺陷會使峰度大幅高於 4——有時高於 10——遠在總體 RMS 升高到觸發警報之前。

頻域分析 (FFT)

快速傅立葉變換將時間記錄轉換為頻譜，揭示哪些頻率攜帶最多能量。這是主要的診斷工具，因為不同的故障類型會在不同的、可預測的頻率下產生振動。

關鍵 DSP 考量

採樣率 必須超過感興趣的最高頻率的兩倍（奈奎斯特準則）。抗混疊濾波器在數位化之前會衰減奈奎斯特頻率以上的所有信號。實用規則：以分析頻寬的 2.56 倍進行採樣（以允許濾波器滾降）。

頻率解析度 = 1 / T，其中 T 是記錄長度。要分離兩個接近的頻率，您需要更長的記錄。對於速度略有變化的海洋應用，階次追蹤（與轉速計脈衝同步重新採樣）無論速度漂移如何，都能在階次域保持恆定的解析度。

加窗 抑制由有限記錄長度引起的頻譜洩漏。Hanning 是通用預設值；Flat-top 提供最佳的振幅精度（與絕對限值比較時很重要）；矩形僅適用於真正的瞬態信號。

5.3 進階技術

包絡分析（振幅解調）

滾動軸承診斷的首選方法。步驟：(1) 以帶通濾波器過濾由軸承衝擊激發的結構共振（通常 2–8 kHz），(2) 透過 Hilbert 變換或整流 + 低通濾波器提取振幅包絡，(3) 計算包絡的 FFT。 軸承缺陷頻率 （BPFO、BPFI、BSF、FTF）隨後在包絡頻譜中呈現為獨立峰值，與軸轉速諧波及其他來源清晰分離。

倒頻譜分析

倒頻譜是對數幅度頻譜的反向 FFT。它能檢測週期性模式 在 頻譜中——這正是齒輪嚙合頻率周圍的邊帶或鬆動產生的諧波族所呈現的特徵。該技術不如直接 FFT 直觀，但在多個邊帶族重疊時表現出色。

轉數追蹤

對於變速機械（常見於配備變頻驅動器或操縱中的船舶），常規 FFT 會使與轉速相關的峰值模糊。階次追蹤使用測速儀或轉速參考對時間信號進行重採樣，將分析從頻域轉換為階次域。每個階次對應於軸轉速的固定倍數。

相干函數

量測兩個訊號間隨頻率變化的線性關係。特定頻率處相干性接近 1.0，表示響應點的振動主要由參考點的激振引起。適用於隔離傳遞路徑、驗證量測品質，以及評估機械振動有多少傳遞至鄰近結構——或在船舶上，評估「機械」振動有多少實際來自螺旋槳並透過船體傳遞。

6. 狀態監測計畫

建立並運行船載振動監測計劃——從驗收測試到趨勢分析。

6.1 驗收測試

振動驗收測試確認新安裝或大修設備在投入服務前符合設計規格。船舶設備通常分階段進行：製造商處的工廠驗收測試（FAT）——ISO 20283-3 涵蓋船上設備安裝前振動量測——安裝上船後的港區驗收測試（HAT），以及滿載海試。

驗收測試能發現的問題

• 殘餘不平衡超過規定的 ISO 21940-11 （前 ISO 1940-1）平衡品質等級
• 軟腳——一個或多個安裝機腳未與基礎正確接觸
• 安裝過程中引入的聯軸器不對心
• 傳遞至泵或壓縮機法蘭的管路應力
• 與運轉轉速或螺旋槳葉片通過頻率重合的基礎共振

驗收測試期間的量測將成為未來狀態監測的基線。應在多個負荷等級（通常 25 %、50 %、75 %、100 %）下量測，並記錄運轉參數（轉速、負荷、溫度、海況）。

6.2 監測系統

便攜式（基於路線）系統

技術人員沿著預先定義的路線穿過機艙，使用手持式數據採集器在每個標記的測點收集數據。岸上或辦公室電腦上的軟體負責存儲、趨勢分析和數據分析。對於不需要連續監測的輔助機械，這是最具成本效益的方法。

永久（線上）系統

感測器永久安裝在關鍵設備上，並連線至中央數據採集系統。測量按計劃間隔自動進行或連續進行。當超過閾值時觸發警報。主機、發電機、推進馬達和減速齒輪箱是典型的應用對象。

混合方法

大多數現代船隊結合使用這兩種方式。連續監測覆蓋 10–15 台最關鍵的機器。基於路線的便攜式測量覆蓋 50–200 項輔助設備，週期為每週至每季。統一軟體將兩組數據合併到單一資料庫中。

實務起點

下表為商船典型起始矩陣。此表刻意保持通用——針對特定船舶，關鍵性分析、船級社要求與製造商說明書優先適用。

資料庫與層級結構

監測資料庫以樹狀結構組織設備：船舶 → 部門（機艙、甲板、電氣） → 系統（推進、輔助冷卻、消防） → 機器 → 組件 → 測點。每個測點都有定義的感測器類型、方向、單位、警報級別和分析設定。良好的層級設計使整個船隊的基準比較和報告變得切實可行。

6.3 警報閾值與趨勢分析

設定警報級別

有三種常見方法，它們可以結合使用。

• 基於標準 — 直接使用 ISO 20816（前身為 ISO 10816）或 API 區域邊界。簡單但為一刀切方式。
• 統計法 — 將警報設定為基線平均值 + 2–3 個標準差，危險閾值設定為平均值 + 4–6 σ。針對每台機器量身定制，但需要足夠的基線數據。
• 基於經驗 — 源自分析師對特定機器類型的知識。對於通用標準涵蓋不佳的特殊或非常舊的設備，這通常是最有效的方法。

趨勢分析

繪製參數隨時間的變化圖，可在達到警報級別之前揭示正在發展中的故障。趨勢分析適用於總體 RMS、個別頻率成分、統計參數（峰值因子、峭度）以及包絡衍生的指標。趨勢線的斜率——尤其是斜率的任何突然變化——是主要的決策依據。

方法從簡單的時間序列圖目視檢查到統計過程控制（CUSUM、EWMA）以及基於回歸的剩餘使用壽命模型。對於關鍵機械，在單一「健康指數」中結合多個趨勢參數，比單獨使用任何一個參數都能提供更穩健的視圖。

7. 故障偵測與識別

將頻譜峰值、波形形狀和統計參數轉換為特定的故障診斷。

7.1 滾動軸承診斷

滾動軸承是船舶振動監測計畫中最常監測的部件。每個缺陷位置都會產生獨特的 特徵頻率 由軸承幾何形狀與軸速決定。

缺陷頻率

外圈頻率始終為兩個滾道頻率中較低者（BPFO ≈ 0.4 · N · f_軸 作為粗略規則），而內圈頻率較高（BPFI ≈ 0.6 · N · f_軸）；兩者相加等於 N · f_軸 — 這是一個方便的合理性檢查。

故障進展階段

1. 起始 — 高頻噪聲底層有細微增加（超音頻段，> 20 kHz）。尚無離散峰值。僅能透過專用高頻技術（聲發射、尖峰能量）偵測。
2. 離散缺陷頻率出現 — 軸承特徵頻率（BPFO、BPFI 等）在包絡頻譜或高頻帶加速規頻譜中變得可見。
3. 諧波與邊頻發展 — 故障頻率諧波增長；軸承頻率周圍出現轉速調制邊帶。
4. 拓寬與增加 — 軸承頻帶內的底噪上升；整體加速度與速度 RMS 開始攀升；隨著隨機成分增加，峰值因子可能開始下降。
5. 嚴重損壞 — 寬頻隨機振動佔主導地位；位移水平上升；溫度升高；可聽見噪音。故障即將發生。

實務中的包絡分析

對 2–8 kHz 範圍內的原始加速度訊號進行帶通濾波（或圍繞最高軸承激發共振頻率——從衝擊測試或頻譜本身識別）。計算 Hilbert 轉換包絡。對包絡進行 FFT。如果您在 BPFO、BPFI、BSF 或 FTF（及其諧波）處看到峰值，則已確認軸承故障。

7.2 齒輪故障與軸問題

齒輪診斷

基本齒嚙合頻率 (GMF) 等於齒數乘以軸旋轉頻率。健康的齒輪會產生乾淨的嚙合峰值，邊帶較低。發展中的問題表現為嚙合振幅增加、間隔為受損齒輪軸頻率的邊帶增長，最終產生 GMF 的高次諧波。

軸與聯軸器問題

葉輪 / 流動相關問題

葉片通過頻率（BPF）= 葉片數量 × 軸頻率。BPF 及其諧波升高表示葉輪損壞、擴散器–葉輪間隙問題或入口流場扭曲。空蝕會產生寬頻高頻噪聲——高於 2 kHz 的「噼啪」聲特徵，且具有高峭度。低流量下的回流會產生低頻隨機不穩定。在船舶上，請記住螺旋槳本身會產生葉片頻率振動，並透過結構傳播（見第 3.2 節）。

7.3 嚴重度評估與預測

偵測故障只是工作的一半。維護團隊需要知道 速度多快 故障正在惡化且 機器 能安全運轉多久。

嚴重度指標

• 故障頻率峰值相對於其基線值的振幅
• 該振幅的變化率（趨勢斜率）
• 諧波與邊帶的數量與強度
• 峰值因子與峰度進展
• 整體速度或加速度 RMS 相對於 ISO 區域邊界

故障預測方法

使用線性或指數外推的簡單趨勢分析可提供粗略的剩餘壽命估計。更複雜的方法包括基於物理的退化模型（例如赫茲應力下的剝落擴展）以及基於失效運行資料集訓練的資料驅動模型。無論哪種情況，預測都應包含明確的信賴區間——「剩餘 42 天」的點估計遠不如「90 % 信賴度下剩餘 30–60 天」有用。

8. 對中與動平衡

消除船用旋轉設備最大比例振動問題的兩項糾正措施。

8.1 軸對中

聯軸軸系不對心是船用機械前三大振動原因之一（與不平衡和軸承磨損並列）。它會在軸承、密封件和聯軸器上產生過大應力，並產生以 2× 軸速為主的特徵振動訊號。

不對心類型

靜態與動態對中

靜態對中在機器冷卻且靜止時測量。動態（運轉）對中可能因熱膨脹、負載下基礎撓度以及隨溫度與壓力產生的管線力而顯著不同。例如，柴油發電機在引擎達到運轉溫度時，聯軸器中心可能會垂直增長 1–2 mm。在船舶上還有一層額外因素：船體撓度會隨貨物與壓載狀態變化，導致滿載與壓載航程之間的軸線對中改變。

雷射對中系統會計算冷態偏移量以補償預期的熱膨脹，確保設備在運轉溫度下對中正確，而非僅在環境溫度下正確。

軟腳

若一個或多個機腳未與基礎妥善接觸，鎖緊固定螺栓會導致機架變形、軸承對中偏移，並依負載改變振動特性。檢測軟腳是任何對中程序的第一步：依序鬆開各螺栓，並使用百分表或雷射系統測量位移。使用精密墊片進行校正。

8.2 動平衡理論

靜態不平衡會產生隨軸旋轉的離心力，在 1× RPM 處產生振動。該力與 ω² 成正比，因此轉子在低速時振動適中，在高速時可能具破壞性。

不平衡類型

• 靜態 — 單一重點；轉子會使重側朝下靜止於刀口上。單一校正平面即足夠。
• 力偶 — 兩個等質量在不同軸向平面上相隔 180°。無靜態不平衡，但轉子在旋轉時會晃動。需要兩個校正平面。
• 動態 — 一般情況：靜態與力偶不平衡的組合。始終需要雙平面校正才能完全消除。

平衡品質 — ISO 21940-11（前身為 ISO 1940-1）

ISO 21940-11 定義允許的殘餘轉子不平衡為轉子質量與服務速度的函數，以平衡品質等級 G 表示。等級值等於乘積 e_每 · ω（單位 mm/s），其中 e_每 為允許的比不平衡量（質量中心相對於軸線的位移），ω 為服務轉速下的角速度。以實用單位表示：

8.3 現場動平衡

現場動平衡在設備自身的軸承與支撐下，於實際運轉條件中校正不平衡。當不平衡是由於運行中的污垢、侵蝕或熱變形而非製造缺陷引起時，這幾乎總是優於將轉子拆下進行車間平衡。

單平面程序（影響係數法）

1. 在 1× RPM 處測量初始振動振幅與相位（參考運轉）。
2. 在轉子的已知角位置安裝已知試重。
3. 運轉設備並再次測量振動（試運轉）。
4. 計算影響係數：該半徑處單位質量產生的振動變化量。
5. 計算將振動降至零的校正質量與角度（向量運算）。
6. 移除試重，安裝校正配重，並透過最終運轉驗證。

雙平面平衡遵循相同邏輯，但求解 2×2 影響係數系統，允許同時校正靜態與力偶分量。

船舶特定挑戰

• 船體運動 — 波浪與引擎產生的背景振動可能掩蓋 1× 訊號。緩解措施：對多轉進行測量平均，選擇平靜條件或進港時進行。
• 存取受限 — 校正平面可能位於護罩內部。通常需要預先規劃與客製化的配重安裝方法。
• 熱效應 —— 冷態平衡的機器可能因差異膨脹而在運轉溫度下產生額外不平衡。理想情況下，應在正常運轉溫度下驗證平衡。

8.4 其他振動減緩方法

當動平衡與對中無法將振動降至可接受水平時，還有其他幾種技術可用。

震源修改

重新設計或修改零件以降低激振力——例如，優化泵葉輪與擴散器間隙、改善製造公差，或選擇遠離臨界速度的運轉速度。

剛性與阻尼調整

強化基礎會將其自然頻率移離激振頻率。增加阻尼（約束層處理、黏彈性支撐）可降低共振時的放大效應。這兩種方法均可在安裝後應用，儘管船舶的基礎強化受結構重量限制。

振動隔離

彈性支座（橡膠、彈簧、空氣）將機器與船體結構隔絕。當激振頻率超過約 √2 × 支座自然頻率時，隔絕效果顯著。船用隔振器還必須抵抗船舶運動產生的負荷，並耐受腐蝕性大氣。

調諧吸振器與阻尼器

調諧質量阻尼器（TMD）——一個調諧至問題頻率的微小二級質量-彈簧系統——在該特定頻率下吸收主結構的能量。對於窄帶問題（例如由發電機或螺旋槳葉片頻率激發的甲板共振）非常有效。缺點是每個 TMD 僅針對單一頻率。

9. 新興技術

船舶振動診斷的未來方向——無線感測器、邊緣運算、機器學習，以及走向自主維護的路徑。

9.1 人工智慧與機器學習

Machine learning is shifting vibration diagnostics from manually defined rule sets toward data-driven pattern recognition. The most immediate applications are automated fault classification and remaining-useful-life prediction.

分類

在標記振動資料集上訓練的卷積神經網路（CNN）可以分類軸承、齒輪、不平衡與不對心故障，準確度堪比經驗豐富的分析师——前提是訓練資料涵蓋實際運轉條件。遷移學習與領域適應透過從工業資料集訓練的模型開始，並使用船上資料進行微調，解決了標記船舶資料有限的常見問題。

異常檢測

自動編碼器與變分自動編碼器學習正常振動的壓縮表示。當新測量值落在學習到的分佈之外時，系統會將其標記為異常——無需事先具備每種可能故障類型的範例。這對於罕見的故障模式特別有價值。

數位孿生

數位孿生是機器的基於物理或混合模型，與實體機器平行運行，並持續透過感測器資料更新。模型預測與實際測量之間的偏差表示內部條件正在變化。數位孿生支援情境模擬（「如果我們將轉速提高 5 % 會怎樣？」），並因納入物理機制而非僅依賴統計外推，從而提供更可靠的預後。

9.2 無線感測器與邊緣運算

Wireless vibration sensors have matured to the point where battery life exceeds five years, communication reliability is sufficient for non-safety-critical monitoring, and on-board processing allows the sensor to compute statistical parameters locally, transmitting only summaries and alarms rather than raw waveforms. This drastically reduces installation cost — no cabling, no conduit, no junction boxes — and makes it economical to monitor hundreds of auxiliary machines that were previously unmonitored.

邊緣運算將運算能力置於感測器處或附近，實現即時警報生成、本地 FFT，甚至神經網路推論，無需依賴岸側雲端連線。這對衛星頻寬有限的船舶（數天或數週）至關重要。

9.3 自主診斷與整合

長期發展趨勢指向以最少人工干預進行檢測、診斷與執行的系統：

• 自校準感測器 驗證自身狀態並補償漂移。
• 自動化故障診斷 與船舶的計畫性維護系統整合——軸承缺陷檢測自動生成工作單、檢查備件庫存，並建議維護時間窗口。
• 艦隊級分析 — 比較整個艦隊中相同類型的設備，可識別單一船舶監測會遺漏的系統性問題（如不良批次的軸承、與設計相關的共振）。
• 多參數融合 — 將振動、油液分析、熱成像與效能資料結合於單一健康指數，比任何單一技術提供更可靠的狀態評估。

為採用做準備

僅靠技術並不足夠。成功採用需要人力資源發展（為習慣扳手而非演算法的工程師提供資料素養培訓）、網路安全規劃（連線監測系統是攻擊面），以及分階段方法——在少數船舶上進行試點，證明價值，然後擴展。