使用 Balanset-1A 系統進行 ISO 10816-1 標準與振動診斷的儀器實施

摘要

本報告針對 ISO 10816-1 及其衍生標準中定義的工業設備振動狀態國際法規要求進行全面分析。本文回顧了標準化從 ISO 2372 到當前 ISO 20816 的演進，解釋了測量參數的物理意義，並描述了評估振動狀態嚴重度的方法論。特別關注使用便攜式平衡與診斷系統 Balanset-1A 實施這些規則的實務操作。報告包含儀器技術特性的詳細說明、其在振動計與平衡模式下的運作演算法，以及執行測量以確保符合旋轉機械可靠性與安全性標準的方法論指南。

第 1 章。振動診斷的理論基礎與標準化的演進

1.1. 振動的物理性質與測量參數的選擇

作為診斷參數，振動是機械系統動態狀態最具資訊量的指標。與溫度或壓力等積分指標不同，後者通常對故障反應延遲，振動信號即時攜帶關於機制內部作用力的資訊。

ISO 10816-1 標準與其前身一樣，基於測量振動速度。此選擇並非偶然，而是源於損壞的能量性質。振動速度與振動質量的動能成正比，因此與機器組件中產生的疲勞應力成正比。

振動診斷使用三個主要參數，每個參數都有其應用領域：

振動位移（Displacement）：以微米（µm）測量的振盪振幅。此參數對於低速機器（低於 600 rpm）和評估軸頸軸承游隙至關重要，在此情況下防止轉子與定子接觸非常重要。在 ISO 10816-1 的背景下，位移的用途有限，因為在高頻率下，即使微小的位移也會產生破壞性力量。

振動速度（Velocity）：以毫米每秒（mm/s）測量的表面點速度。這是 10 至 1000 Hz 頻率範圍的通用參數，涵蓋主要機械缺陷：不平衡、不對心和鬆動。ISO 10816 採用振動速度作為主要評估標準。該標準指定 RMS（均方根）值，該值特徵化振動的平均能量。

振動加速度（Acceleration）：以米每秒平方（m/s²）或 g 單位（1 g = 9.81 m/s²）測量的振動速度變化率。加速度特徵化慣性力，對高頻過程（1000 Hz 及以上）最敏感，例如早期滾動軸承缺陷、齒輪嚙合問題和馬達電氣故障。

1.2. 歷史背景：從 ISO 2372 到 ISO 20816

理解當前需求需要分析其歷史發展。振動標準的演進跨越了五十多年：

本報告聚焦於 ISO 10816-1 與 ISO 10816-3，因為這些文件是約 90% 使用 Balanset-1A 等便攜式儀器進行診斷的工業設備的主要工作工具。

第二章. ISO 10816-1 方法論詳細分析

2.1. 範圍與限制

ISO 10816-1 適用於在機器非旋轉部件（軸承座、機腳、支撐框架）上進行的振動測量。該標準不適用於由聲學噪聲引起的振動，也不涵蓋往復式機器（由 ISO 10816-6 涵蓋），因為往復式機器因其工作原理會產生特定的慣性力。

一個關鍵方面是該標準規範現場測量——即在實際運行條件下，而不僅是在試驗台上。這意味著限值考慮了實際基礎、管道連接和運行負荷條件的影響。

2.2. 設備分類

方法論的一個關鍵要素是將所有機器劃分為不同類別。將 IV 類限值應用於 I 類機器可能會導致工程師錯過危險狀況，而反之則可能導致健康設備的不當停機。

表 2.1. 根據 ISO 10816-1 的機器分類

基礎類型識別問題（剛性 vs. 柔性）

該標準將基礎定義為：若「機器—基礎」系統的第一階固有頻率高於主要激振頻率（轉頻），則為剛性基礎；若其固有頻率低於轉頻，則為柔性基礎。

實際上這意味著：

• 螺栓固定在大型混凝土車間地板上的機器通常屬於剛性基礎類別。
• 安裝在隔振器（彈簧、橡膠墊）或輕型鋼框架（例如上層結構）上的機器屬於柔性基礎類別。
• 同一台物理機器若從一種基礎移至另一種基礎，其類別可能會改變——在搬遷設備時務必記住這一點。

2.3. 振動評估區域

該標準並非採用二元的「良好／不良」評估，而是提供支援狀態基礎維護的四區量表：

2.4. 振動限值

下表彙整了依ISO 10816-1附錄B所訂定的振動速度均方根（RMS，mm/s）限值。這些數值屬於經驗值，僅在缺乏製造商規格時作為參考準則使用。

表 2.2. 區間邊界值 (ISO 10816-1 附錄 B)

視覺比較：各機器類別的區間邊界

分析解釋。 以4.5 mm/s這個數值為例：對於小型機器（Class I）而言，這已是需要停機的緊急狀態邊界（C/D區）；對於中型機器（Class II），這正處於「需要注意」區的中段；對於安裝在剛性基礎上的大型機器（Class III），這只是「合格」與「不合格」區之間的邊界；而對於安裝在柔性基礎上的機器（Class IV），這則屬於正常運行振動水平（B區）。這樣的差異說明了：若不先進行正確分級，套用統一限值將帶來風險。

2.5. 兩項評估準則：絕對值與相對變化

ISO 10816-1 定義了兩項應同時應用的獨立評估準則：

準則 I — 振動幅值： 與區域限值比較的絕對寬頻 RMS 振動速度。這是上述表格中描述的主要準則。

準則 II — 振動變化： 相對於既定基線的振動水平顯著變化（增加或減少），無論絕對水平是否跨越區域邊界。即使機器仍處於 B 區，振動水平突然變化超過 25% 可能表示故障正在發展。相反，突然下降可能表示聯軸器失效或部件斷裂。

第 3 章。ISO 10816 / 20816 系列完整概述

ISO 10816 標準以多部分系列形式發布，其中第 1 部分提供一般框架，後續部分定義不同機器類型的特定要求。了解哪一部分適用於您的特定設備對於正確評估至關重要。

表 3.0. ISO 10816 各部分及其 ISO 20816 替代標準完整清單

3.1. ISO 7919 系列（軸振動）— 現為 ISO 20816 的一部分

ISO 10816 專注於軸承座振動,而與其並行的 ISO 7919 系列則針對透過非接觸式接近感測器(渦流感測器)測量的軸振動。對於大型蒸汽渦輪機、燃氣渦輪機及發電機等關鍵旋轉機械而言,軸相對振動通常是資訊量更豐富的參數,因為它能直接測量轉子在軸承間隙內的運動。

將這兩個系列統一為 ISO 20816 反映了現代的理解，即關鍵機器的全面狀態監測需要軸承座振動（用於結構評估）和軸振動（用於轉子動力學評估）。

3.2. 相關國際標準

ISO 10816 並非孤立存在。幾項配套標準定義了感測器規格、平衡品質和測量方法：

3.3. ISO 1940 平衡品質與 ISO 10816 振動區域的關係

實務中最常見的問題之一，是平衡品質等級（依ISO 1940的G值）與ISO 10816振動分區之間有何關聯。雖然兩者之間並沒有精確的數學公式可以換算（其關係取決於軸承剛度、機器質量與支撐動力學特性），但仍存在一個大致的對應關係：

• 平衡等級 G2.5（風機、泵、馬達的典型等級）在正確安裝的機器上通常可達到 A 區或 B 區。
• 平衡等級 G6.3（一般機械）通常可達到 B 區，但在剛性輕型結構中可能處於 C 區。
• 平衡等級 G16（農業設備、破碎機）通常對應 ISO 10816 的 C 區或更差。

Balanset-1A 系統可達到 G2.5 及更好的平衡品質，這直接有助於滿足 ISO 10816 A 區要求。

第 4 章。工業機械之特定規範：ISO 10816-3

雖然 ISO 10816-1 定義了通用框架，但在實際操作中，大多數工業單元（15 kW 以上的泵、風機、壓縮機）受標準更具體的第三部分（ISO 10816-3）管轄。理解這一差異很重要，因為 Balanset-1A 經常用於平衡該部分涵蓋的風機和泵。

4.1. ISO 10816-3 中的機械分組

與第一部分的四個類別不同，第三部分將機器分為兩個主要組別：

第 1 組：額定功率超過 300 kW 的大型機械，或軸伸高度大於 315 mm 的電機，運轉速度介於 120 rpm 至 15,000 rpm 之間。

第 2 組：額定功率介於 15 kW 至 300 kW 的中型機械，或軸伸高度介於 160 mm 至 315 mm 的電機，運轉速度介於 120 rpm 至 15,000 rpm 之間。

4.2. ISO 10816-3 中的振動限值

限值取決於基礎類型（剛性 / 柔性），其定義與第 1 部分相同。

表 4.1. 依據 ISO 10816-3 的振動限值 (RMS, mm/s)

資料綜合。 比較 ISO 10816-1 與 ISO 10816-3 的表格可發現,ISO 10816-3 對剛性基礎上的中功率機械(第 2 組)提出了更嚴格的要求。D 區的邊界設在 4.5 mm/s,恰與第 1 部分中 I 級的限值一致。這證實了現代、更快、更輕型設備的限值趨向更嚴格的走向。使用 Balanset-1A 診斷安裝於混凝土地面的 45 kW 風機時,應著重參考此表中「第 2 組/剛性」欄位,其進入危險區的轉折點為 4.5 mm/s。

4.3. ISO 10816-3 的額外要求

ISO 10816-3 在基本分區限值之外，增加了重要的規定：

• 驗收測試： 對於新安裝或維修後的機械，振動應位於 A 區。若落入 B 區，建議進行調查以確定原因。
• 運轉警報： 標準建議設定兩個警報層級 — 警告（通常位於 B/C 邊界）與危險（位於 C/D 邊界）。這些可實施於連續監測系統中。
• 瞬態條件： 標準承認在啟動與停機期間，振動可能會暫時超過穩態限值，特別是在通過臨界速度（共振）時。
• 耦合機械： 對於耦合設備（例如馬達-泵浦組），每部機械應使用符合其分組分類的限值進行個別評估。

第 5 章。Balanset-1A 系統的硬體架構

為符合 ISO 10816/20816 的規範，您需要具備精確且可重複測量能力，並符合所需頻率範圍的儀器。由 Vibromera 開發的 Balanset-1A 系統為一體化解決方案，結合雙通道振動分析儀與現場動平衡儀的功能。

5.1. 測量通道與感測器

Balanset-1A 系統具有兩個獨立的振動測量通道（X1 和 X2），允許在兩個點或兩個平面上同時進行測量。

感測器類型。 該系統使用加速規（測量加速度的振動變送器）。這是現代工業標準，因為加速規提供高可靠性、寬頻率範圍和良好的線性度。

信號積分。 由於 ISO 10816 要求評估振動速度（mm/s），加速規的信號會在硬體或軟體中進行積分。這是一個關鍵的信號處理步驟，且類比至數位轉換器的品質扮演著關鍵角色。

測量範圍。 儀器測量範圍為 0.05 至 100 mm/s 的振動速度 (RMS)。此範圍完全涵蓋所有 ISO 10816 評估分區（從 A 區 < 0.71 到最大機械的 D 區 > 45 mm/s）。

5.2. 頻率特性與精度

Balanset-1A 的計量特性完全符合標準要求。

頻率範圍。 儀器的基本版本運作於 5 Hz – 550 Hz 頻帶。5 Hz（300 rpm）的下限甚至超過 ISO 10816 標準要求的 10 Hz，並支援低速機械的診斷。550 Hz 的上限涵蓋至轉頻為 3000 rpm（50 Hz）機械的 11 次諧波，足以檢測不平衡（1×）、不對心（2×, 3×）以及鬆動。可選配將頻率範圍擴展至 1000 Hz，完全涵蓋所有標準要求。

振幅精度。 振幅測量誤差為滿量程的 ±5%。對於運轉監測任務而言，由於分區邊界差異達數百倍，此精度已綽綽有餘。

相位精度。 儀器測量相位角的精度為 ±1 度。雖然 ISO 10816 未規範相位，但它在動平衡校正程序中至關重要。

5.3. 轉速計通道

套件包含一支雷射轉速計(光學感測器),具備兩項功能:測量轉子轉速(RPM),範圍為150至60,000 rpm(部分型號可達100,000 rpm),藉此可判斷振動是否與旋轉頻率(1×)同步或不同步;並產生用於同步平均及平衡過程中計算校正質量角度的參考相位訊號(相位標記)。

5.4. 連接與佈局

標準套件包含 4 公尺長的感測器電纜（可選 10 公尺）。這提高了現場測量時的安全性。長電纜讓操作員能與旋轉機件保持安全距離，符合操作旋轉設備的工業安全要求。

表 5.1. Balanset-1A 關鍵規格與 ISO 10816 要求之比較

第 6 章。使用 Balanset-1A 進行測量方法與 ISO 10816 評估

6.1. 測量準備

識別機器。 確定機器等級或類別（依本報告第2章與第4章）。例如「安裝於隔振器上的45 kW風機」屬於第2類（ISO 10816-3），採柔性基礎。

軟體安裝。 從隨附的 USB 隨身碟安裝 Balanset-1A 驅動程式與軟體。將介面單元連接至筆記型電腦的 USB 埠。

安裝感測器。 將感測器安裝於軸承座上 — 切勿安裝於薄蓋、護罩或薄金屬外殼上。使用磁座並確保磁鐵穩固吸附於清潔、平整的表面。磁鐵下方的油漆或鏽蝕會產生阻尼效應並降低高頻讀數。保持正交性：在每個軸承處進行垂直 (V)、水平 (H) 與軸向 (A) 方向的測量。Balanset-1A 具有兩個通道，因此您可以在單一支撐點同時測量 V 與 H。

6.2. 振動計模式 (F5)

Balanset-1A 軟體具有專用的 ISO 10816 評估模式。執行程式，按下 F5（或點擊介面上的「F5 - Vibrometer」按鈕），再按下 F9（Run）開始擷取數據。

指標分析：

• RMS（總值）：儀器會顯示整體振動速度均方根值（V1s、V2s）。這個數值就是您用來與標準所列限值進行比對的依據。
• 1× 振動：儀器會擷取轉動頻率（同步分量）處的振動振幅。

若 RMS 值偏高（C/D 區）但 1× 分量偏低，則問題並非不平衡。可能是軸承故障、空蝕（針對泵浦）或電磁問題。若 RMS 值接近 1× 值（例如，RMS = 10 mm/s，1× = 9.8 mm/s），則不平衡佔主導地位，進行動平衡校正可將振動降低約 95%。

6.3. 頻譜分析 (FFT)

若整體振動超過限值（C 區或 D 區），必須找出原因。F5 模式包含一個「圖表」分頁，可顯示 FFT 頻譜。

• 1×（轉動頻率）處的主峰表示不平衡。
• 2×、3× 處的峰值表示不對心或鬆動。
• 高頻「雜訊」或大量密集的諧波,顯示滾動軸承存在缺陷。
• 葉片通過頻率（葉片數 × rpm）表示風機的空力問題或泵浦的水力問題。
• 2× 線頻（100 Hz 或 120 Hz）表示馬達的電氣故障（定子偏心、轉子斷條）。

Balanset-1A 提供這些視覺化圖表,使其從單純的「合規性量測儀」,轉變為一款完整的診斷工具。

6.4. 測點與方向

ISO 10816-1 建議在每個軸承位置沿三個相互垂直的方向測量振動。對於典型的雙軸承機器，這意味著最多六個測點（3 個方向 × 2 個軸承）。實務上，最重要的測量項目為：

• 垂直方向 (V)： 對不平衡最敏感。通常讀數最高，因為軸承在垂直方向的剛性較低。
• 水平方向 (H)： 對不對心和鬆動敏感。若水平振動顯著高於垂直振動，通常表示軟腳或螺栓鬆動。
• 軸向 (A)： 軸向振動偏高（超過徑向振動的 50%）表示不對心、軸彎曲或懸臂轉子不平衡。

ISO 10816 評估通常採用所有測點與方向中最高的讀數。務必記錄所有測量值以供趨勢分析使用。

第 7 章 動平衡校正作為校正方法：Balanset-1A 的實務應用

當診斷結果（依據頻譜中1×成分的主導性）顯示不平衡是超出ISO 10816限值的主要原因時，下一步就是進行平衡作業。Balanset-1A採用影響係數法（三次運轉法）來實現這一點。

7.1. 動平衡理論

當轉子的質心與其旋轉軸不重合時,便會產生不平衡。這會導致離心力 F = m · r · ω² 產生旋轉頻率振動。動平衡校正的目標是增加校正配重，產生大小相等、方向相反於不平衡力的力。

7.2. 單平面動平衡程序

此程序適用於窄轉子（風機、皮帶輪、盤片）。在程式中選擇 F2 模式。

運轉 0 — 初始： 啟動轉子，按下 F9。儀器會測量初始振動（振幅與相位）。例如：120° 處 8.5 mm/s。

運轉 1 — 試重： 停止轉子，在任意位置安裝一個已知質量的試重（例如10克）。啟動轉子，按下F9。範例：5.2 mm/s，160°。

計算與校正： 程式會自動計算校正配重的質量與角度。例如,儀器可能會提示:「在試重位置45°角處添加15 g。」Balanset 的功能支援配重分割:若無法在計算出的位置放置配重,程式會將其分割為兩個配重,以便安裝,例如安裝在風機葉片上。

運轉 2 — 驗證： 安裝計算得出的校正配重（若需要則移除試重）。啟動轉子並確認殘餘振動已降至 ISO 10816 的 A 區或 B 區（例如，第 2 組 / 剛性基礎低於 2.8 mm/s）。

7.3. 雙平面動平衡

長轉子（傳動軸、破碎機滾筒）需要在兩個校正平面上進行動態平衡。其流程與單平面類似，但需要兩個振動感測器（X1、X2）以及三次運轉（初始、平面1試重、平面2試重）。此流程請使用F3模式。

第 8 章 實務情境與解讀（案例研究）

第 9 章 振動參數之間的關係：位移、速度、加速度

了解這三個振動參數之間的數學關係，對於它們之間的轉換以及理解 ISO 10816 為何選擇速度作為主要指標至關重要。

對於頻率為 f (Hz) 的簡諧運動：

• 位移： D = D₀ · sin(2πft)，單位為 μm（峰值或峰峰值）
• 速度： V = 2πf · D₀ · cos(2πft)，單位為 mm/s
• 加速度： A = (2πf)² · D₀ · sin(2πft)，單位為 m/s²

關鍵關係式（針對頻率下的峰值） f):

• V_峰值 (mm/s) = π · f · D_{峰峰值 (p-p)} (μm) / 1000
• A_峰值 (m/s²) = 2πf · V_峰值 (mm/s) / 1000

這解釋了為何位移在低頻時佔主導地位，加速度在高頻時佔主導地位，而速度則在典型的機器轉速範圍內提供相對平坦（與頻率無關）的振動嚴重度表示。恆定的速度值代表結構中的應力恆定，與頻率無關——這就是 ISO 10816 使用速度的根本原因。

表 9.1. 50 Hz（3000 rpm）時的實用轉換範例

第 10 章. 常見測量誤差及避免方法

即使使用像 Balanset-1A 這樣經過正確校準的儀器，測量誤差也可能導致錯誤的結論。以下是常見的陷阱：

10.1. 感測器安裝誤差

問題： 感測器安裝在護罩、薄蓋板或鬆動的結構上，而非軸承座上。這會因蓋板的結構共振導致虛高的讀數，進而造成不必要的停機。

解決方案： 務必直接安裝在軸承座上。在清潔、平整的金屬表面使用磁吸安裝。對於塗漆厚度超過 0.1 mm 的表面，請刮除一小塊區域露出金屬。

10.2. 機器分類錯誤

問題： 將 I 類限值應用於 200 kW 壓縮機（根據 ISO 10816-3 應為第 2 組）會導致過早報警。

解決方案： 在選定適用的標準與類別之前，務必先確認機器的功率、轉速與基礎類型。

10.3. 忽略運轉條件

問題： 在啟動期間或部分負載下測量振動。ISO 10816 限值適用於正常運轉條件下的穩態運轉。

解決方案： 在記錄測量值之前，讓機器達到熱平衡和正常運轉速度/負載。對於電動機，這通常意味著至少運轉 15 分鐘。

10.4. 電纜與電氣噪聲

問題： 將感測器電纜與電源電纜並行佈線會引入電磁干擾，導致讀數人為升高，特別是在 50/60 Hz 及其諧波處。

解決方案： 將感測器電纜遠離電源電纜佈線。盡可能使用屏蔽電纜。Balanset-1A 的電纜設計上已具備屏蔽功能，但正確的佈線仍然重要。

10.5. 單點測量

問題： 只在一個軸承上測量單一方向,便斷定「機器狀態良好」。

解決方案： 在每個軸承至少測量兩個方向（V 和 H）。使用最高讀數進行 ISO 10816 評估。方向之間的顯著差異可能表明特定故障（例如，水平 > 垂直通常表示結構鬆動）。

常見問題 (FAQ)

結論

ISO 10816-1 及其專業的第 3 部分為確保工業設備可靠性提供了基礎。從主觀感知過渡到對振動速度（RMS，mm/s）的定量評估，使工程師能夠根據實際數據而非任意計劃來客觀分類機器狀態並規劃維護。

四區評估系統（A 至 D）為維護團隊、管理層和設備供應商之間溝通機器狀態提供了一種普遍理解的語言。結合頻譜分析，此方法不僅能夠檢測問題，還能識別根本原因——不平衡、不對心、軸承磨損、鬆動和電氣故障。

使用 Balanset-1A 系統實施這些標準已被證明有效。該儀器在 5–1000 Hz 範圍內提供符合計量準確度的測量（完全涵蓋大多數機器的標準要求），並提供識別振動升高原因（頻譜分析）與消除原因（動平衡校正）所需的功能。

對於營運公司而言，實施基於 ISO 10816 方法和 Balanset-1A 等儀器的定期監測，是直接投資於降低營運成本。能夠區分 B 區與 C 區有助於避免對健康機器的過早維修，以及因忽視關鍵振動水平而導致的災難性故障。

報告結束