ISO 20816-3：工業機器振動限值
ISO 20816-3:2022 工業機械振動區域評估的互動式計算機與綜合技術指南。涵蓋軸承座振動、軸振動、測量方法以及使用 Balanset-1A 進行現場動平衡。
⚙ 表 A.1 — 第 1 組機械（大型：>300 kW 或 H>315 mm）
| 公差帶 | 剛性 — 速度 (mm/s) | 剛性 — 位移 (μm) | 柔性 — 速度 (mm/s) | 柔性 — 位移 (μm) |
|---|---|---|---|---|
| A — 良好 | < 2.3 | < 29 | < 3.5 | < 45 |
| B — 可接受 | 2.3 – 4.5 | 29 – 57 | 3.5 – 7.1 | 45 – 90 |
| C — 有限制 | 4.5 – 7.1 | 57 – 90 | 7.1 – 11.0 | 90 – 140 |
| D — 危險 | > 7.1 | > 90 | > 11.0 | > 140 |
⚙ 表 A.2 — 第 2 組機械（中型：15–300 kW 或 H=160–315 mm）
| 公差帶 | 剛性 — 速度 (mm/s) | 剛性 — 位移 (μm) | 柔性 — 速度 (mm/s) | 柔性 — 位移 (μm) |
|---|---|---|---|---|
| A — 良好 | < 1.4 | < 22 | < 2.3 | < 37 |
| B — 可接受 | 1.4 – 2.8 | 22 – 45 | 2.3 – 4.5 | 37 – 71 |
| C — 有限制 | 2.8 – 4.5 | 45 – 71 | 4.5 – 7.1 | 71 – 113 |
| D — 危險 | > 4.5 | > 71 | > 7.1 | > 113 |
⚙ 附錄 B — 軸振動限值（位移）
| 區域邊界 | 公式 | @ 1500 rpm | @ 3000 rpm | @ 6000 rpm |
|---|---|---|---|---|
| A/B | 4800 / √n | 124 | 88 | 62 |
| B/C | 9000 / √n | 232 | 164 | 116 |
| C/D | 13200 / √n | 341 | 241 | 170 |
振動區域評估計算機
輸入機械參數和測得的振動值，以根據 ISO 20816-3 確定狀態分區
區間邊界已套用
| 邊界 | 速度 (mm/s) | 位移 (μm) |
|---|---|---|
| A/B | — | — |
| B/C | — | — |
| C/D | — | — |
軸振動限值（計算值）
| 邊界 | 公式 | S(p-p) μm |
|---|---|---|
| A/B | 4800/√n | — |
| B/C | 9000/√n | — |
| C/D | 13200/√n | — |
1. 範圍與適用設備
ISO 20816-3:2022 針對額定功率 大於 15 kW 且轉速介於 120 至 30,000 r/min之工業設備振動狀態評估提供指引。評估係基於正常運轉條件下，對非旋轉部件與旋轉軸之振動量測結果。
本標準適用於：
- 功率達 40 MW 之汽輪機與發電機
- 往復式壓縮機（離心式、軸流式）
- 功率達 3 MW 之工業燃氣渦輪機
- 配備彈性聯軸器之各類馬達
- 軋鋼機與軋機架
- 風機與鼓風機（見下方註記）
- 輸送機、變速聯軸器、渦輪扇發動機
特定設備註記
汽輪機/燃氣渦輪機 >40 MW 於 1500/1800/3000/3600 r/min → 請使用 ISO 20816-2。 燃氣渦輪機 >3 MW → 請使用 ISO 20816-4。 風機： 準則通常僅適用於 >300 kW 的風機或安裝於剛性基礎者。對於其他風機，需由製造商與客戶協商準則（另見 ISO 14694）。
本標準不適用於：
- 往復式機組 → ISO 10816-6 / ISO 20816-8
- 內建馬達之回轉動力泵 → ISO 10816-7
- 水力發電廠 → ISO 20816-5
- 容積式壓縮機、潛水馬達
- 風力渦輪機 → ISO 10816-21
關鍵限制
要求適用於 機器本身產生的振動，而非透過基礎傳遞之外部誘發振動。務必驗證並校正背景振動。
2. 機組分類
機組振動狀態之評估，取決於機組類型、額定功率或軸心高度，以及基礎剛性。
依功率 / 軸心高度分類
第一組 — 大型機器
- 額定功率 > 300 kW，或軸心高度為 H > 315 mm
- 通常配備滑動軸承（襯套軸承）
- 運轉轉速 120 至 30,000 r/min
第二組 — 中型機器
- 額定功率 15 – 300 kW，或 160 < H ≤ 315 mm
- 通常配備滾動軸承
- 運轉速度通常 > 600 r/min
依基礎剛性分類
基礎若為 剛性 若機械-基礎系統在測量方向之最低自然頻率高出主要激振頻率 至少 25%。其餘皆為 柔性.
依方向分類
基礎可能在某一方向具剛性，而在另一方向具彈性。例如垂直方向剛性，水平方向彈性。請依適用限值分別評估各方向。
3. 理解區間 A–D
設立四個振動狀態區間，供定性評估與決策使用：
區間 A — 新品 / 優良
新投運的機器通常屬於此區。代表最佳動態狀態。並非所有新機器都能達到 A 區——努力將振動控制在 A/B 界線以下可能僅帶來極小的效益，卻需付出高昂成本。
B 區 — 可接受
適合無限制長期運轉。繼續常規監測。這是維護良好設備的正常運轉狀態。
C 區 — 限制運轉
不適合連續長期運轉。規劃修復措施。可運轉一段有限時間，直到出現維修機會。增加監測頻率。
D 區 — 危險
振動嚴重到足以造成損壞。需立即採取行動：降低振動或停止機器。繼續運轉有災難性故障的風險。
4. 評估準則
準則 I — 絕對幅值
將測得的最大寬頻 RMS 振動（軸承座為速度，軸為峰峰值位移）與給定機器組別和支撐類型的區界值進行比較。此準則可防止軸承承受過大的動態負荷、避免不可接受的徑向游隙消耗，並防止過大的振動傳遞至基礎。
標準 II — 相對於基線的變化
即使振動仍處於 B 區，若與既定基線相比有顯著變化，即表示問題正在發展，需進行調查。
25% 規則
如果振動變化被視為 顯著 如果它超過 附錄 A 或 B 中給出的 B/C 邊界值的 25%，無論當前絕對水平如何。這適用於增加和減少。
範例： 對於剛性基礎的 1 組機器，B/C = 4.5 mm/s。相對於基線的變化 > 1.125 mm/s 是顯著的，需要調查。
新機器的驗收準則
區界值為 不 預設的驗收準則。驗收測試限值須由供應商與客戶協商確定。典型建議：新機器的振動不應超過 1.25 × A/B 界線.
5. 測量最佳實踐
感測器位置
- 安裝於 軸承座或基座 — 而非薄壁護罩或柔性表面
- 用途 兩個相互垂直的徑向方向 每個軸承處
- 對於水平機器，其中一個方向通常為垂直方向
- 避免存在局部共振的位置——比較鄰近測點的讀數
- 若無法直接接觸軸承，請使用具有剛性機械連接的測點
運轉條件
- 測量於 穩態運轉 於額定轉速與負荷
- 讓轉子與軸承達到 熱平衡 （通常為 30–60 分鐘）
- 對於變速/變負荷機器，應在所有特徵運轉點進行測量，並使用最大值
- 記錄條件：轉速、負荷、溫度、壓力
頻率範圍
| 應用 | 下限 | 上限 | 備註 |
|---|---|---|---|
| 標準寬頻 | 10 Hz | 1000 Hz | 大多數工業機械（>600 r/min） |
| 低速（≤600 r/min） | 2 Hz | 1000 Hz | 必須捕捉 1× 運轉頻率 |
| 軸振動 | — | ≥ 3.5 × fmax | 依據 ISO 10817-1 |
| 診斷 | 0.2 × fmin | 2.5 × f激振 | 擴展至 10,000 Hz |
背景振動
背景振動的 25% 規則
若停機狀態下的振動超過 運轉振動的 25% 或 該機器類別 B/C 區邊界的 25%，則需進行修正：
若背景振動超過這些閾值，簡單的減去法無效——需調查外部來源。
6. 軸承座振動限值（附錄 A）
主要監測參數為 RMS 振動速度。第 1 組和第 2 組的區界值見上文表 A.1 和 A.2。關鍵注意事項：
- 對於轉子轉速 低於 600 r/min 的機器，速度與位移準則均適用。頻率範圍擴展至 2–1000 Hz。
- 第 1 組位移 由參考頻率 12.5 Hz 下的速度換算得出
- 第 2 組位移 由參考頻率 10 Hz 下的速度換算得出
- 最嚴苛區 （來自速度或位移）為準
7. 軸振動限值（附錄 B）
對於使用近接感測器測量的軸相對振動，區域邊界表示為 峰峰值位移 S(p-p) 單位為 μm，與 √n 成反比：
B/C： S(p-p) = 9000 / √n
C/D： S(p-p) = 13200 / √n
其中 n = 最大運轉速度 (r/min)，計算時最小值為 600
軸承游隙限制（附錄 C）
對於滑動軸承，軸振動分區界線必須根據實際軸承游隙進行檢查。若公式計算之極限值超過游隙，請使用基於游隙的極限值：
- A/B： 0.4 × 游隙
- B/C： 0.6 × 游隙
- C/D： 0.7 × 游隙
8. 警告與跳脫警報層級
跳脫 = 位於 C 區或 D 區內，通常 ≤ 1.25 × (C/D 邊界)
| 等級 | 基準 | 設定 | 可調整？ |
|---|---|---|---|
| 警告 | 特定機器基線 | 基線 + B/C 的 25% | 是 — 隨基線變化調整 |
| 跳脫 | 機械完整性 | 位於 C/D 區內，≤ 1.25 × C/D | 否 — 類似機器相同 |
9. 瞬態運轉
分區界線適用於穩態運轉。在升速、惰轉降速或通過臨界轉速期間，預期會有較高的振動。
| 速度 (% 額定) | 軸承座限值 | 軸限值 | 備註 |
|---|---|---|---|
| < 20% | 參見註釋 | 1.5 × C/D | 位移可能佔主導地位 |
| 20% – 90% | 1.0 × C/D | 1.5 × C/D | 允許通過臨界轉速 |
| > 90% | 1.0 × C/D | 1.0 × C/D | 接近穩態 |
若達到運轉轉速後振動仍維持高值，則表示存在 持續性故障，而非瞬態共振。
10. 物理與訊號處理
位移–速度–加速度
對於頻率 f (Hz) 的正弦振動：
加速度： A峰值 = (2πf)² × D峰值 = 2πf × V峰值
- 於 低頻率 (<10 Hz)：位移為關鍵參數
- 於 中頻 (10–1000 Hz)：速度與能量相關 — 與頻率無關
- 於 高頻率 (>1000 Hz)：加速度成為主導因素
RMS 與峰值
V峰峰值 (p-p) = 2 × V峰值 ≈ 2.828 × VRMS
寬頻 RMS (總體)
此「總體」數值即為振動分析儀顯示的數值，也是 ISO 20816-3 用於分區評估的數值。
低速問題 (附錄 D)
在 4.5 mm/s 的恆定速度下，隨著速度降低，位移會急劇增加：
| 速度 (rpm) | 頻率 (Hz) | 速度 (mm/s) | 位移 (μm 峰值) |
|---|---|---|---|
| 3600 | 60 | 4.5 | 12 |
| 1800 | 30 | 4.5 | 24 |
| 600 | 10 | 4.5 | 72 |
| 120 | 2 | 4.5 | 358 |
這就是為什麼標準要求 同時使用速度和位移 作為 ≤600 r/min 機器的評估標準。
11. 影響係數動平衡
當診斷出不平衡（高 1× 振動，相位穩定）時， 影響係數法 計算精確的校正配重：
校正質量： Mcorr = −V初始 / α
單平面程序 (3 次運轉)
- 初始運轉： 測量 A₀ = 6.2 mm/s，相位 φ₀ = 45°
- 試重： 在 0° 處添加 20 g 試重。測量 A₁ = 4.1 mm/s，相位 φ₁ = 110°
- 計算： 軟體計算出校正配重 = 28.5 g，角度 215°
- 應用與驗證： 移除試重，在 215° 處添加 28.5 g。最終結果：1.1 mm/s → A 區
Balanset-1A 自動執行所有向量運算，引導技術人員完成每個步驟。
12. 案例研究
透過雙重測量避免誤診
機器： 5 MW 汽輪機，3000 rpm，滑動軸承。
狀況： 軸承座振動 = 3.0 mm/s (B 區)。但軸振動 = 180 μm p-p。附錄 B 限值 B/C = 164 μm → 軸位於 C 區！
根本原因： 油膜不穩定（油膜渦動）。重型基座阻尼軸承座運動。僅依賴軸承座測量會錯過此狀況。
處置： 調整供油壓力，重新調整軸承墊片。軸振動降至 90 μm (A 區)。
✓ 達到 A 區 — 消除油膜渦動動平衡挽救關鍵風機
機器： 200 kW 引風機，980 rpm，彈性聯軸器。
初始狀態： 振動 = 7.8 mm/s (D 區)。工廠考慮緊急停機 ($50,000，停機 3 天)。
診斷： FFT 顯示 1× = 7.5 mm/s。相位穩定 → 不平衡，非軸承損壞。
處置： 使用 Balanset-1A 進行雙平面動平衡，現場作業 4 小時。最終結果 = 1.6 mm/s (A 區)。
✓ 節省 $50,000 — 避免不必要的停機D 區泵 — 動平衡無助於改善
機器： 200 kW 給水幫浦，剛性基礎。RMS = 5.0 mm/s → D 區。
診斷： FFT 顯示諧波叢林與高噪聲底。1× 峰值相對於總值較低。非不平衡。
根本原因： 軸承退化 + 空蝕。需進行機械大修。
✗ 需立即停機 — 機械故障13. 常見錯誤
需避免的關鍵錯誤
1. 分類錯誤。 250 kW 馬達，H=280 mm 屬第 2 組（非第 1 組）。使用第 1 組限值（較寬鬆）會允許過大振動。
2. 基礎類型錯誤。 並非所有混凝土基礎都是「剛性」的。若系統自然頻率接近運轉速度，安裝於混凝土上的汽輪發電機可能為柔性。需透過計算或衝擊測試進行驗證。
3. 忽略背景振動。 幫浦讀數 3.5 mm/s，其中 2.0 mm/s 來自相鄰壓縮機透過地板傳導：幫浦實際貢獻僅約 1.5 mm/s。務必在機台停機時測量。
4. 使用峰值而非 RMS。 ISO 20816-3 要求 RMS。峰值 ≈ 1.414 × RMS。直接使用峰值會高估嚴重度約 40%。
5. 忽視準則 II。 風機從 1.5 跳升至 2.5 mm/s（皆為 B 區）。變化量 = 1.0 mm/s，對比閾值 1.125 mm/s（B/C=4.5 的 25%）。接近閾值 — 請調查！
6. 頻率範圍錯誤。 400 rpm 磨機使用 10–1000 Hz 濾波器：運轉頻率 = 6.67 Hz 低於濾波器！轉速 ≤600 r/min 的機台請使用 2–1000 Hz。
7. 在薄壁上測量。 加速規裝在風機外殼薄鋼板上，讀數比實際軸承振動高 10 倍。務必安裝在軸承座或基座上。
14. 完整評估流程
逐步程序
- 識別機台： 記錄類型、型號、額定功率、轉速範圍
- 分類： 根據功率或軸高 H 確定組別（1 或 2）
- 評估基礎： 測量/計算 fn 機台-基礎系統 vs f運轉
- 選擇區間邊界 根據標準中的組別 + 基礎類型
- 設置儀器： 將感測器安裝於軸承座，設定頻率範圍
- 背景檢查： 機台停機時測量振動
- 運轉量測： 達到熱平衡、穩態，測量 RMS 速度
- 背景修正： 若超過閾值，應用能量減去法
- 區域分類（標準 I）： 將最大 RMS 與邊界值比較
- 趨勢分析（標準 II）： 計算相對於基線的變化量，檢查 25% 規則
- 頻譜診斷： 若需要，使用 FFT 識別故障類型
- 矯正措施： A 區 → 基線；B 區 → 監控；C 區 → 規劃維修；D 區 → 立即行動
- 若診斷為不平衡，進行動平衡校正： 使用 Balanset-1A 影響係數法
- 記錄： 報告需包含校正前後頻譜、區間分類、已採取之行動
🔧 Balanset-1A — 便攜式振動分析儀與現場動平衡儀
Balanset-1A 是一款精密儀器，直接支援 ISO 20816-3 對振動測量與評估的要求：
- 振動測量： 速度 (mm/s RMS)、位移、加速度 — 涵蓋所有 ISO 20816-3 參數
- 頻率範圍： 5 Hz – 550 Hz（標準），可擴展 — 涵蓋 2–1000 Hz 要求
- 單平面與雙平面動平衡： 將振動降至 A/B 區水平
- 相位測量： ±1° 精度，用於動平衡校正與向量分析
- RPM 範圍： 150 至 60,000 rpm — 完全涵蓋 ISO 20816-3 適用範圍
- FFT 頻譜： 識別故障類型（1×、2×、諧波、軸承缺陷）
- 報告產生： 記錄測量資料以供合規存檔
15. 參考標準
規範性參考文件
| 標準 | 標題 |
|---|---|
| ISO 2041 | 機械振動、衝擊與狀態監控 — 詞彙 |
| ISO 2954 | 振動嚴重度測量儀器的要求 |
| ISO 10817-1 | 旋轉軸振動測量系統 — 相對與絕對感測 |
| ISO 20816-1:2016 | 機械振動 — 測量與評估 — 一般指南 |
ISO 20816 系列
| 標準 | 範圍 | 狀態 |
|---|---|---|
| ISO 20816-1:2016 | 一般指南 | 已發布 |
| ISO 20816-2:2017 | 汽輪機/燃氣渦輪機 >40 MW，1500–3600 r/min | 已發布 |
| ISO 20816-3:2022 | 工業機械 >15 kW，120–30,000 r/min | 已發布（本文檔） |
| ISO 20816-4:2018 | 燃氣渦輪機驅動機組 | 已發布 |
| ISO 20816-5:2018 | 水力發電廠 | 已發布 |
| ISO 20816-8:2018 | 往復式壓縮機系統 | 已發布 |
| ISO 20816-9 | 齒輪箱 | 編製中 |
補充標準
| 標準 | 標題 | 關聯性 |
|---|---|---|
| ISO 21940-11 | 轉子動平衡 — 程序與公差 | 平衡品質等級 G0.4–G4000 |
| ISO 13373-1/2/3 | 振動狀態監測與診斷 | FFT、分析、故障特徵 |
| ISO 18436-2 | 振動分析師認證（Cat I–IV） | 人員能力 |
| ISO 14694 | 工業風機 — 平衡品質與振動 | 風機專用限值 |
GOST 對應關係（附錄 DA）
| ISO 標準 | 對應關係 | GOST 等效標準 |
|---|---|---|
| ISO 2041 | IDT | GOST R ISO 2041-2012 |
| ISO 2954 | IDT | GOST ISO 2954-2014 |
| ISO 10817-1 | IDT | GOST ISO 10817-1-2002 |
| ISO 20816-1:2016 | IDT | GOST R ISO 20816-1-2021 |
IDT = 相同標準。
歷史背景
ISO 20816-3:2022 取代 ISO 10816-3:2009 （軸承座振動）與 ISO 7919-3:2009 （軸振動），將兩者整合為統一的評估框架。Rathbone（1939 年）的開創性工作奠定了使用速度作為主要振動標準的基礎。
16. 常見問題
ISO 20816-3:2022 取代並替代了 ISO 10816-3:2009 與 ISO 7919-3:2009。主要差異：將軸承座與軸振動標準整合為單一文件，根據較近期的運轉經驗更新區域邊界，提供更清晰的基礎分類指南，並擴展低速機械的指南。若您的規格引用 ISO 10816-3，應過渡至 ISO 20816-3。
對於大多數轉速高於 600 r/min 的機械， 速度 是主要標準。在以下情況請額外使用位移：機械轉速 ≤600 r/min（位移可能是限制因素）、存在顯著的低頻成分，或測量軸相對振動（始終使用峰峰值位移）。若有疑問，請同時檢查兩項標準 — 以較嚴格的區域為準。
最精確的方法是測量或計算機械-基礎系統之最低自然頻率。方法：衝擊測試（敲擊測試）、運轉模態分析或 FEA 計算。快速估算：若機械在啟動/停機期間於其支撐上明顯移動，則可能為柔性。若 fn ≥ 1.25 × 運轉頻率 → 剛性；否則 → 柔性。注意：基礎可能在垂直方向為剛性，但在水平方向為柔性。
C 區表示 不適合連續長期運轉，但不需立即停機。您應：調查原因、規劃補救措施、頻繁監測以察覺快速變化、設定維修期限（下一次計劃停機），並確保振動不會接近 D 區。是否繼續運轉取決於機械之關鍵性與故障後果。
不平衡 是運轉轉速（1×）下振動過大的最常見原因。使用 Balanset-1A 進行現場動平衡可將振動從 C/D 區降低回 A/B 區。該儀器依 ISO 20816-3 要求測量振動速度，計算校正配重，驗證結果，並記錄校正前後的數值以符合合規記錄。
突然增加（觸發標準 II）可能表示：配重脫落、軸承損壞、聯軸器故障、結構鬆動（基礎螺栓鬆動）、轉子摩擦，或工況變化（空蝕、喘振）。任何超過 B/C 邊界 25% 的變化均需調查，即使絕對數值仍在可接受範圍內。
若軸承座振動顯示為 B 區，但軸振動顯示為 C 區，則將機械分類為 C 區 （以較嚴格的評估為準）。沒有簡單的方法可從軸振動計算軸承座振動，或反之。始終使用雙重測量中的最嚴苛區域。
