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 （完整標題：「機械振動 — 機械振動之量測與評估 — 第 1 部分：一般指南」）是目前提供如何量測與評估機械振動之架構的國際標準。該標準於 2016 年發布，取代了自 1990 年代以來使用的兩項較舊的基礎標準。
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 將這兩種方法結合於單一架構中，承認全面的機器評估通常需要這兩種量測。機器可能具有可接受的機殼振動，但軸移動卻很危險（顯示轉子動力學問題），或反之（顯示結構/基礎問題）。只有評估兩者才能獲得完整圖景。
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： 地震感測器 — 壓電式加速規（最常見）或速度感測器 — 依規定安裝於軸承座上 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： 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： 非接觸式渦流接近感測器，通常依 API 670 規格在各軸承處安裝正交對（X-Y）。
- 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： 實際轉子動力學行為 — 軌跡形狀、渦動方向、摩擦接觸。對於偵測軸彎曲、油膜渦動、密封摩擦及可能無法有效傳遞至機殼的不對心至關重要。
- 設備： 永久安裝之接近感測器（通常非便攜式儀器）。主要用於配備液體薄膜（滑動）軸承之大型渦輪機械。
| 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 | 不平衡、不對心、鬆動、軸承缺陷、結構共振 | 軸彎曲、油膜渦動/油膜振盪、密封摩擦、轉子不穩定、滑動軸承狀況 |
| 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 — 力並未傳遞至結構（例如，極剛性之軸承座），但軸在軸承游隙內危險移動。反之， 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
將量測之振動值與適用之 ISO 20816 部分之固定區邊界進行比較。這可告訴您相對於類似機器之一般族群，該機器之狀況為何。
- 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： 一臺機器若一直處於 4.0 mm/s（第 1 組之 B 區），可能完全健康 — 那是其正常運轉水準。僅憑準則 1 並無法告訴您是否有變化。
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： 基於趨勢之預測性維護、早期故障偵測、偵測惡化而不考慮絕對水準。
- 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： 一臺泵浦之基線為 1.0 mm/s。在三個星期內，其上升至 2.5 mm/s。依準則 1（第 2 組），2.5 mm/s 仍處於 B 區 — 「可接受」。但依準則 2，振動已 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 | 機器自身建立之基線 |
| 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 | 無法偵測自「正常」基線之變化 | 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 | 「顯著變化」閾值（標準建議 2.0–2.5 倍） |
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： 基礎之最低自然頻率遠高於機器之運轉速度。實務上：重型混凝土塊、厚鋼製底板以灌漿料固定於混凝土。基礎不會放大或改變機器之振動。
柔性基礎： 基礎之自然頻率接近或低於機器之運轉速度。實務上：高架鋼製平台、輕型框架、彈簧安裝式滑軌、樓上安裝。基礎可能在特定頻率下放大或衰減振動。
若有疑問，可進行簡單測試：量測機器旁基礎表面之振動。若其顯著低於軸承座，則基礎可能為剛性。若其相似，則基礎可能作為彈性安裝。
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。
- 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
若此馬達之振動上升至 2.9 mm/s，則違反兩項準則 — 採取行動。
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
許多設施在其程序、監控資料庫及規格中仍參考 ISO 10816。以下是您需要了解之過渡資訊。
| 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： 在新採購訂單與維護合約中，將參考自「ISO 10816」更新為「ISO 20816」。在相關情況下，包含機殼與軸準則。
搭配 Balanset-1A 的實務應用
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？
是 — 這正是準則 2 存在之原因。若機器之基線為 0.8 mm/s 且上升至 2.2 mm/s，其仍處於第 2 組之 B 區（低於 2.8 mm/s），但自基線增加 2.75 倍顯示顯著發展中之問題。
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。
相關文章
依 ISO 20816 測量振動
Balanset-1A 測量寬頻 RMS 速度——這是 ISO 20816 為機殼振動評估所指定的精確參數。具備雙通道、FFT 頻譜及內建動平衡校正功能。
查看 Balanset-1A 設備 →
