ISO 10816-1：评估非旋转部件的机器振动

ISO 10816-1 标准及Balanset-1A系统在振动诊断中的仪器应用

摘要

本报告对ISO 10816-1及其衍生标准中定义的工业设备振动状态的国际法规要求进行了全面分析。文件回顾了从ISO 2372到现行ISO 20816的标准化演进历程，阐释了测量参数的物理意义，并描述了评估振动状态严重程度的方法论。特别关注了使用便携式平衡与诊断系统Balanset-1A实施这些规则的实践应用。报告详细阐述了该仪器技术特性、其在振动测量仪和平衡模式下的运行算法，以及执行测量以确保旋转机械可靠性与安全标准符合性的方法指南。.

第一章振动诊断的理论基础与标准化发展历程

1.1. 振动的物理本质与测量参数的选择

振动作为诊断参数，是机械系统动态状态最具信息量的指标。与温度或压力这类综合性指标不同——它们往往对故障反应滞后——振动信号能实时传递机构内部作用力的信息。.

ISO 10816-1标准与其前身标准一样，基于振动速度测量。这种选择并非偶然，而是源于损伤的能量本质。振动速度与振动质量的动能成正比，因此也与机械部件中产生的疲劳应力成正比。.

振动诊断主要采用三个参数，每个参数都有其特定的应用领域：

振动位移（位移）振荡幅度以微米（µm）为单位测量。该参数对低速机器至关重要，在评估轴颈轴承间隙时尤为关键——此处需重点防止转子与定子发生接触。根据ISO 10816-1标准，位移参数的应用存在局限性，因为在高频条件下，即使微小位移也可能产生破坏性力。.

振动速度（速度）表面点速度以毫米每秒（mm/s）为单位测量。该参数适用于10至1000赫兹的频率范围，可覆盖主要机械缺陷：不平衡、对中不良及松动。ISO 10816标准采用振动速度作为主要评估指标。.

振动加速度（加速度）振动速度的变化率，以米每秒平方（m/s²）或g单位为量值。加速度可表征惯性力，对高频过程（1000 Hz及以上）最为敏感，例如滚动轴承早期缺陷或齿轮啮合问题。.

ISO 10816-1 标准专注于10–1000 Hz频段的宽带振动。这意味着仪器必须整合该频段内所有振荡的能量，并输出单一数值——即均方根值（RMS）。采用均方根值而非峰值是合理的，因为均方根值能表征振荡过程随时间变化的总功率，这对于评估热效应和疲劳对机构的影响更为重要。.

1.2. 历史背景：从ISO 2372到ISO 20816

要理解当前的要求，就必须分析其历史发展过程。.

ISO 2372 (1974)首个按功率对机器进行分类的全球标准。该标准定义了机器等级（I级至IV级）和评估区域（A、B、C、D）。尽管该标准已于1995年正式废止，其术语体系与评估逻辑在工程实践中仍被广泛沿用。.

ISO 10816-1 (1995)本标准取代了ISO 2372和ISO 3945标准。其关键创新在于根据基础类型（刚性与柔性）更清晰地区分了要求。该标准成为定义通用原则的“总纲”文件（第1部分），而不同机型的具体限值则移至后续分部（第2部分——蒸汽轮机，第3部分——工业机械，第4部分——燃气轮机等）。.

ISO 20816-1 (2016)ISO 20816 是该标准的现代版本，整合了 10816 系列（非旋转部件振动）和 7919 系列（旋转轴振动）。此举合乎逻辑，因为对关键设备进行全面评估需同时分析这两项参数。然而对于大多数通用工业设备（如风机、泵类），由于难以接触轴体，ISO 10816中引入的基于壳体测量的方法仍占主导地位。.

本报告重点关注ISO 10816-1和ISO 10816-3标准，因为这些文件是使用便携式仪器（如Balanset-1A）对约90%工业设备进行诊断的主要工作工具。.

第二章. ISO 10816-1方法论的详细分析

2.1. 范围与限制

ISO 10816-1 适用于对机器非旋转部件（轴承座、支脚、支撑框架）进行的振动测量。该标准不适用于由声学噪声引起的振动，也不涵盖往复运动机器（其由 ISO 10816-6 规范），因这类机器基于其工作原理会产生特定惯性力。.

关键点在于该标准规范了原位测量——即在实际运行条件下进行测量，而不仅限于试验台。这意味着限值考虑了实际基础、管道连接及运行负荷条件的影响。.

2.2. 设备分类

该方法论的关键要素在于将所有机器划分为不同等级。若将四类设备的限制标准套用于一类设备，可能导致工程师忽视危险状况；反之则可能造成健康设备的无故停机。.

根据ISO 10816-1标准附件B，机械设备分为以下类别：

表2.1. 根据ISO 10816-1标准的机械分类

班级	说明	典型机器	地基类型
I类	发动机和机器的各个部件，在结构上与整体相连。小型机械。.	功率不超过15千瓦的电动机。小型泵、辅助驱动装置。.	任何
II 类	无需特殊地基的中型机器。.	电动机功率范围15–75千瓦。发动机功率最高300千瓦，安装于刚性基座上。泵类、风机。.	通常是刚性的
III 类	大型原动机及其他具有旋转质量的大型机械。.	涡轮机、发电机、大功率泵（>75千瓦）。.	死板的
IV类	大型原动机及其他具有旋转质量的大型机械。.	燃气轮机发电机组，燃气轮机（>10兆瓦）。.	灵活的

识别基础类型的问题（刚性与柔性）:

该标准规定，当“机械-基础”系统的第一固有频率高于主要激励频率（旋转频率）时，该基础被定义为刚性基础；若其固有频率低于旋转频率，则该基础为柔性基础。.

实际上这意味着：

固定在厚重混凝土地面上的机器通常属于刚性基础类设备。.
安装在隔振器（弹簧、橡胶垫）或轻钢框架（例如上层结构）上的机器属于柔性基础类别。.

这种区别至关重要，因为安装在柔性基础上的机器能够产生更大振幅的振动而不产生危险的内部应力。因此，IV级的极限值高于III级。.

2.3. 振动评估区域

该标准摒弃了二元化的“好/坏”评价方式，转而采用四级分区标准，以支持基于状态的维护。.

A区（良好）新投产设备的振动水平。这是设备安装或大修后需达到的基准状态。.

B区（满意）适用于长期不间断运行的设备。振动水平虽高于理想值，但不影响设备可靠性。.

C区（不满意）设备不适合长期连续运行。振动已达到导致部件（轴承、密封件）加速损耗的程度。可在加强监测下短期运行，直至下次计划维护。.

D区（不可接受）振动水平可能导致灾难性故障。必须立即停机。.

2.4. 振动限值

下表根据ISO 10816-1标准附件B总结了均方根振动速度（mm/s）的限值。这些数值为经验值，在制造商规格不可用时可作为指导依据。.

表2.2. 振动区限值（ISO 10816-1 附录B）

区域边界	I类（毫米/秒）	II类（毫米/秒）	III类（毫米/秒）	四级（毫米/秒）
A / B	0.71	1.12	1.80	2.80
B / C	1.80	2.80	4.50	7.10
C / D	4.50	7.10	11.20	18.00

分析性解释。. 考虑数值4.5毫米/秒。对于小型设备（I类），该值处于紧急状态（C/D类）的临界点，需立即停机。对于中型设备（II类），该值处于“需注意”区域的中间位置。对于安装在刚性地基上的大型设备（III类），该值仅是“满意”与“不满意”区域的分界线。而对于安装在柔性地基上的设备（IV类），该值属于正常运行振动水平（B区）。.

这种发展过程揭示了采用通用限值的风险。若工程师对所有设备都套用“4.5毫米/秒即为不良”的规则，可能既会漏检小型泵的故障，又会无端淘汰大型涡轮压缩机。.

第三章工业机械的具体要求：ISO 10816-3

虽然ISO 10816-1定义了通用框架，但在实际应用中，大多数工业设备（功率超过15千瓦的泵、风机、压缩机）均遵循该标准更具体的第3部分（ISO 10816-3）。理解这一差异至关重要，因为Balanset-1A平衡机常用于平衡该部分涵盖的风机和泵。.

3.1. ISO 10816-3 中的机器组

与第一部分的四类划分不同，第三部分将机器分为两大类：

第一组额定功率超过300千瓦的大型电机。该组还包括轴高大于315毫米的电机。.

第二组中型电机，额定功率范围为15千瓦至300千瓦。该组别包含轴高在160毫米至315毫米之间的电机。.

3.2. ISO 10816-3中的振动极限

此处的限制还取决于基础类型（刚性/柔性）。.

表3.1. 根据ISO 10816-3标准的振动极限值（均方根值，mm/s）

状态（区域）	第1组（>300千瓦）刚性	第1组（>300千瓦）灵活	第2组（15–300千瓦）刚性	第2组（15–300千瓦）灵活
A（新）	< 2.3	< 3.5	< 1.4	< 2.3
B（长期运行）	2.3 – 4.5	3.5 – 7.1	1.4 – 2.8	2.3 – 4.5
C（有限操作）	4.5 – 7.1	7.1 – 11.0	2.8 – 4.5	4.5 – 7.1
D（伤害）	> 7.1	11.0	> 4.5	> 7.1

数据综合。. 比较ISO 10816-1与ISO 10816-3表格可知，ISO 10816-3对刚性基础上的中功率设备（第2组）提出了更严格的要求。D区边界设定为4.5毫米/秒，与第1部分中I类设备的限值一致。这印证了现代设备向更严格限值发展的趋势——这些设备不仅运行速度更快，且结构更轻巧。使用Balanset-1A诊断混凝土地面上45千瓦风扇时，应重点参考该表中“第2组/刚性”列数据，其紧急区域的过渡点即为4.5毫米/秒。.

第四章 Balanset-1A 系统的硬件架构

为满足ISO 10816/20816标准的要求，您需要一台能够提供精确且可重复测量结果、并符合所需频率范围的仪器。Vibromera公司开发的Balanset-1A系统是一款集成解决方案，它将双通道振动分析仪与现场平衡仪的功能合二为一。.

4.1. 测量通道与传感器

Balanset-1A系统配备两个独立的振动测量通道（X1和X2），可同时在两个点或两个平面上进行测量。.

传感器类型。. 该系统采用加速度计（用于测量加速度的振动传感器）。这是现代工业标准，因为加速度计具有高可靠性、宽频率范围和良好的线性度。.

信号整合。. 由于ISO 10816标准要求评估振动速度（mm/s），加速度计的信号需通过硬件或软件进行积分处理。这是关键的信号处理步骤，其中模数转换器的质量起着至关重要的作用。.

测量范围。. 该仪器测量振动速度（均方根值）的范围为0.05至100毫米/秒。该量程完全覆盖所有ISO 10816评估区域（从A区45毫米/秒）。.

4.2. 频率特性与精度

Balanset-1A的计量特性完全符合标准要求。.

频率范围。. 该仪器的基础版本工作于5赫兹至550赫兹频段。.

5 Hz（300 rpm）的下限甚至超过了ISO 10816标准要求的10 Hz，可支持低速机器的诊断。 550 Hz的上限频率可覆盖转速3000 rpm（50 Hz）设备至第11次谐波，足以检测不平衡（1×）、对中不良（2×、3×）及松动问题。可选扩展至1000 Hz的频率范围，可全面满足标准要求。.

振幅精度。. 振幅测量误差为满量程的±5%。对于操作监测任务而言，当区域边界差异达数百个百分点时，该精度已完全足够。.

相位精度。. 该仪器测量相位角的精度为±1度。尽管相位不受ISO 10816标准规范，但它对后续步骤——平衡操作——具有至关重要的意义。.

4.3. 转速计通道

该套件包含一个激光转速计（光学传感器），具有两种功能：

测量转子转速（RPM）范围为150至60,000转/分钟（部分型号可达100,000转/分钟）。这使得能够识别振动是否与旋转频率同步（1×）或异步。.
生成参考相位信号（相位标记），用于平衡过程中的同步平均和校正质量角计算。.

4.4. 连接与布局

标准套件包含4米长的传感器电缆（可选10米）。这在现场测量时能提升安全性。较长的电缆使操作员能够远离旋转机械部件，符合工业安全规范中关于操作旋转设备的要求。.

第五章. 测量方法学及采用Balanset-1A的ISO 10816评估

本章详细描述了使用Balanset-1A仪器进行振动评估的分步算法。.

5.1. 测量准备

识别机器。. 确定机器类别（依据本报告第2章和第3章）。例如，“安装在隔振器上的45千瓦风机”属于第2组（ISO 10816-3），采用柔性基础。.

软件安装。. 从随附的USB驱动器安装Balanset-1A驱动程序和软件。将接口单元连接至笔记本电脑的USB端口。.

安装传感器。.

在轴承座上安装传感器。请勿将其安装在薄盖板上。.
使用磁性底座。确保磁铁牢固地吸附在表面上。磁铁下方的油漆或锈迹会起到阻尼作用，降低高频读数。.
保持正交性：在垂直（V）、水平（H）和轴向（A）方向进行测量。Balanset-1A 配备两个测量通道，因此可在单个支座上同时测量垂直和水平方向。.

5.2. 振动计模式（F5）

Balanset-1A软件设有专用于ISO 10816评估的专用模式。.

运行程序。.
按下F5键（或点击界面中的“F5 – 振动计”按钮）。此时将打开一个多通道振动计窗口。.
按下F9（运行）键开始数据采集。.

指标分析。.

均方根值（总）仪器显示整体均方根振动速度（V1s、V2s）。该数值需与标准规定的表格限值进行比对。.
1× 振动该仪器提取旋转频率下的振动振幅。.

若均方根值较高（C/D区）但1×分量较低，则问题并非失衡所致。可能是轴承故障、气蚀（针对泵类设备）或电磁问题。若均方根值接近1×值（例如RMS=10 mm/s，1×=9.8 mm/s），则失衡是主要因素，平衡处理可降低约95%的振动。.

5.3. 频谱分析（FFT）

若整体振动超过限值（C区或D区），必须查明原因。F5模式包含图表选项卡。.

光谱。. 频谱显示的是振幅与频率的关系。.

在1×（转动频率）处出现主导峰表明存在不平衡。.
峰值在2×、3×处表明存在错位或松动。.
高频“噪声”或谐波丛林现象表明滚动轴承存在缺陷。.
叶片通过频率（叶片数量×转速）表明风扇存在空气动力学问题或泵存在液压问题。.

Balanset-1A 提供这些可视化功能，使其从简单的“合规性检测仪”转变为完整的诊断工具。.

第六章平衡作为矫正方法：Balanset-1A的实际应用

当诊断（基于频谱中1×主导成分）表明失衡是导致ISO 10816限值超标的主要原因时，下一步需进行平衡处理。Balanset-1A设备采用影响系数法（三运行法）实现平衡校正。.

6.1. 平衡理论

当转子的质心与旋转轴不重合时，就会产生不平衡现象。这会导致离心力产生。 F = m · r · ω² 该装置在旋转频率下产生振动。平衡的目标是添加一个矫正质量（配重），使其产生的力在大小上等于、方向上相反于不平衡力。.

6.2. 单平面平衡程序

此程序适用于窄型转子（风扇、皮带轮、圆盘）。.

设置。.

将振动传感器（通道1）垂直于旋转轴安装。.
设置激光测速仪，并在转子上放置一个反光胶带标记。.
在程序中，选择F2 – 单平面。.

运行 0 – 初始化。.

启动转子。按下F9键。仪器测量初始振动（振幅和相位）。.
示例：8.5毫米/秒，角度120度。.

运行1 – 试重。.

停止转子。.
在任意位置安装一个质量已知的试重块（例如10克）。.
启动转子。按下F9键。仪器记录振动矢量的变化。.
示例：5.2毫米/秒，160度。.

计算与校正。.

该程序会自动计算校正配重的质量和角度。.
例如，该仪器可能指示：“从试重位置以45°角添加15克。”
平衡器功能支持分割配重：若无法将配重放置于计算位置，程序会将其分割为两个配重进行安装，例如安装在风扇叶片上。.

运行 2 – 验证。.

安装计算出的校正系数（若程序要求，则移除试用系数）。.
启动转子，并确保残余振动已降至ISO 10816规定的A区或B区（例如低于2.8毫米/秒）。.

6.3. 双平面平衡

长转子（轴、破碎机滚筒）需在两个校正平面进行动态平衡。操作流程类似，但需配备两个振动传感器（X1、X2）并执行三次运行（初始运行、平面1试重运行、平面2试重运行）。此操作请使用F3模式。.

第七章实践场景与解读（案例研究）

场景1：工业排气扇（45千瓦）

上下文。. 风扇安装在屋顶上，采用弹簧式隔振器。.

分类。. ISO 10816-3，第2组，柔性基础。.

测量。. Balanset-1A在F5模式下显示RMS值为6.8毫米/秒。.

分析。.

根据表3.1，“柔性”的B/C分界点为4.5毫米/秒，C/D分界点为7.1毫米/秒。.

结论。. 风扇在C区（限时运行）运行，即将进入紧急D区。.

诊断。. 光谱显示一个强烈的1×峰。.

行动。. 需要进行平衡处理。使用Balanset-1A进行平衡后，振动水平降至1.2毫米/秒（A区）。由此避免了故障发生。.

场景2：锅炉给水泵（200千瓦）

上下文。. 该泵被牢固地安装在坚固的混凝土基座上。.

分类。. ISO 10816-3，第2组，刚性基础。.

测量。. Balanset-1A显示均方根值为5.0毫米/秒。.