ISO 20816-3综合分析：基于Balanset-1A系统的测量、评估与仪器实现

执行摘要

工业领域在机械健康监测标准化方面正经历重大范式转变。ISO 20816-3:2022标准的出台标志着对既有方法论的整合与现代化升级，特别是将机箱振动评估（原ISO 10816-3）与旋转轴振动评估（原ISO 7919-3）融合为统一的体系框架。 本报告对ISO 20816-3进行了全面剖析，详细解读其章节体系、规范性附录及物理原理。 此外，报告还对Balanset-1A便携式振动分析仪兼动平衡仪进行了详尽的技术评估，展示该仪器如何助力满足标准的严苛要求。通过融合信号处理理论、机械工程原理及实际操作规程，本文件为可靠性工程师提供了权威指南，助其运用便捷的高精度仪器将状态监测策略与全球最佳实践相衔接。.

第一部分：ISO 20816-3的理论框架

1.1 振动标准的演变：ISO 10816与ISO 7919的融合

振动标准化的发展历程，其特征是从分散的、针对特定部件的指导方针，逐步转向对整机的综合评估。 历史上，工业机械的评估存在双轨制：ISO 10816系列标准侧重于非旋转部件（特别是轴承座和基座）的测量，采用加速度计或速度传感器；而ISO 7919系列则针对旋转轴相对于轴承的振动，主要运用非接触式涡流探头进行检测。.

这种分离常导致诊断模糊性。设备可能呈现符合标准的机壳振动（ISO 10816标准中的A区），却同时存在危险的轴偏心或不稳定（ISO 7919标准中的C/D区），尤其在重型外壳或流体薄膜轴承等振动能量传导路径受阻的场景中。 ISO 20816-3通过取代ISO 10816-3:2009和ISO 7919-3:2009.1解决了这种二分法。新标准整合了这两种视角，承认转子动力产生的振动能量会根据刚度、质量和阻尼比在机器结构中呈现不同表现。 因此，合规性评估现在需要采用双重视角：既要评估结构的绝对振动，也要评估轴的相对运动（如适用）。.

Balanset-1A系统作为连接这些测量领域的工具应运而生。其架构兼容压电加速度计（用于机舱测量）与直流电压输入（用于线性位移传感器），完美体现了ISO 20816系列标准的双重特性理念。这种融合简化了技术人员的工具配置，使单一仪器即可完成统一标准现行要求的全面评估。.

1.2 范围与适用性：界定工业机械领域

ISO 20816-3标准第1章对适用范围进行了精确界定。该标准并非万能规范，而是专门针对功率等级高于15千瓦、运行速度介于120 r/min至30,000 r/min之间的工业机械设备制定。1这一宽广的运行范围涵盖了制造业、发电业及石油化工领域绝大多数关键资产。.

具体涵盖的设备包括：

• 蒸汽轮机与发电机： 本标准适用于额定功率≤40 MW的发电机组。更大功率机组（>40 MW）通常遵循ISO 20816-2标准，除非其运行转速与电网同步频率（1500、1800、3000或3600 r/min）不同。
• 旋转式压缩机： 包括在加工行业中使用的离心式和轴向式两种设计。.
• 工业燃气轮机： 特别是输出功率为3兆瓦或以下的机型。由于其独特的热工和动力学特性，更大功率的燃气轮机被划分为标准中的独立部分。1
• 泵： 由电动机驱动的离心泵是该组的核心组成部分。.
• 电动机： 任何类型的电机均包含在内，前提是它们采用柔性连接。刚性连接的电机通常作为驱动机械系统的一部分进行评估，或依据特定子条款进行评估。.
• 风扇和鼓风机： 对暖通空调及工业过程空气处理至关重要。6

除外条款： 同样重要的是理解标准的适用范围。具有往复质量（如活塞压缩机）的机器会产生以冲击和变化扭矩为主的振动谱，需要采用ISO 20816-8中的专项分析方法。同样，在高度可变的气动载荷下运行的风力涡轮机则由ISO 10816-21覆盖。Balanset-1A的特定设计特性（如150至60,000转/分钟的转速测量范围）与标准规定的120至30,000转/分钟适用范围完全契合，确保该仪器能够监测所有适用机械设备的完整频谱。.

1.3 机器分类系统：支撑刚度的物理原理

从先前标准中保留的一项关键创新是基于支撑刚度对机械进行分类。ISO 20816-3不仅根据尺寸，还根据动态行为将机械划分为不同组别。.

1.3.1 按功率与尺寸划分的组别分类

该标准将机器分为两大主要类别，以便应用相应的严重性限制：

• 第 1 组： 额定功率超过300千瓦的大型机械，或轴高超过315毫米的电机。这类设备通常配备大型转子，并产生显著的动态力。9
• 第 2 组： 额定功率在15千瓦至300千瓦之间的中型机械，或轴高在160毫米至315毫米之间的电动机。10

1.3.2 支持灵活性：刚性与柔性

“刚性”与“柔性”支承的区别在于物理特性，而非仅取决于构造材料。 当整机与支撑系统的首阶固有频率（共振频率）显著高于主要激励频率（通常为转速）时，支撑在特定测量方向上被视为刚性。具体而言，固有频率应至少比运行速度高25%。相反，柔性支撑的固有频率可能接近或低于运行速度，从而产生共振放大或隔离效应。10

这种区别至关重要，因为在相同的内部激励力（不平衡）下，柔性支承自然允许更高的振动振幅。 因此，柔性支承的允许振动极限通常高于刚性支承。Balanset-1A通过其相位测量功能，便于确定支承特性。通过执行加速或减速测试（使用软件规格11中提到的“RunDown”图表功能），分析人员可识别共振峰值。 若峰值出现在运行转速范围内，则表明支承具有动态柔性；若响应曲线在运行转速范围内保持平坦线性，则表明支承为刚性。此诊断功能使用户能够在ISO 20816-3标准中选择正确的评估表格，从而避免误报或漏报故障。.

第二部分：测量方法与物理原理

ISO 20816-3标准第4章详细规定了数据采集的严格程序要求。任何评估的有效性完全取决于测量的准确性。.

2.1 仪器物理学：传感器选择与响应特性

该标准要求使用能够测量宽带均方根振动速度的仪器。 对于普通机械，频率响应在至少10赫兹至1000赫兹范围内必须保持平坦。12 对于低速机器（运行速度低于600转/分钟），频率响应的下限必须延伸至2赫兹，以捕捉基本旋转分量。.

Balanset-1A技术合规性：
Balanset-1A振动分析仪正是为满足这些特定需求而设计。其规格参数显示标准操作下的振动频率范围为5 Hz至550 Hz，并可选配扩展测量能力。8 5 Hz的下限至关重要，它确保了设备能满足转速低至300 rpm的机械运行需求，覆盖绝大多数工业应用场景。 550 Hz的上限频率涵盖了多数标准泵风机的重要谐波（1倍、2倍、3倍等）及叶片通过频率。此外，该设备精度达满量程的5%，满足ISO 2954（振动严重度测量仪器要求）规定的计量严苛标准。

该标准区分了两种主要测量类型，二者均由Balanset-1A生态系统支持：

• 地震传感器（加速度计）： 这些传感器用于测量绝对结构振动，对通过轴承基座传递的力敏感。Balanset-1A套件包含两个单轴加速度计（通常采用ADXL系列技术或压电式技术），配备磁性安装座。14
• 非接触式传感器（接近探头）： 这些装置用于测量相对轴位移。对于流体薄膜轴承设备而言，它们至关重要——在该类设备中，轴会在间隙内移动。.

2.2 深度解析：相对轴振动与传感器集成

ISO 20816-3 主要关注壳体振动，而附录 B 则专门处理轴相对振动。这需要使用涡流探头（接近式探头）。该类传感器通过产生射频（RF）场在导电轴表面感应涡流来工作。探头线圈的阻抗随间隙距离变化，产生与位移成正比的电压输出。¹⁵

将涡流探头与Balanset-1A集成：
Balanset-1A的独特之处在于其对这些传感器的适应性。虽然主要配备加速度计，但该设备的输入端可配置为“线性”模式，以接收第三方接近探头驱动器（proximitors）的电压信号。3

• 电压输入： 大多数工业接近探头输出负直流电压（例如-24V供电，200mV/mil量程）。Balanset-1A允许用户在“设置”窗口（F4键）中输入自定义灵敏度系数（例如mV/µm）。3
• 直流偏移消除： 接近式探头携带较大的直流间隙电压（偏置），其上叠加着微弱的交流振动信号。Balanset-1A软件内置“去除直流”功能，可滤除间隙电压，从而分离出动态振动信号，以便依据ISO 20816-3标准限值进行分析。
• 线性度与校准： 该软件允许用户定义校准系数（例如Kprl1 = 0.94 mV/µm），确保笔记本电脑屏幕上的读数与轴的物理位移完全对应。3 当应用附件B的标准时，此功能不可或缺——该标准采用微米位移单位而非毫米/秒速度单位进行规定。.

2.3 安装物理原理：确保数据保真度

ISO 20816-3 强调传感器安装方式不得降低测量精度。安装后传感器的共振频率必须显著高于目标频率范围。.

• 螺柱安装： 黄金标准，提供最高频响（高达10 kHz+）。.
• 磁性安装： 便携式数据采集的实用折中方案。.

Balanset-1A采用磁吸安装系统，具备60千克力（kgf）的保持力。17如此高的夹持力至关重要。 弱磁体易产生“弹跳”效应或形成机械低通滤波器，导致高频信号严重衰减。60千克力夹持力可提供足够接触刚度，将安装共振频率显著推升至ISO 20816-3标准关注的1000赫兹以上频段，确保采集数据真实反映设备运行状态，而非安装方式造成的伪像。

2.4 信号处理：均方根值与峰值

该标准规定对非旋转部件采用均方根（RMS）速度值。均方根值是衡量振动信号所含总能量的指标，与施加在机械部件上的疲劳应力直接相关。.

均方根公式：

V_有效值 = √((1/T) ∫₀^T v²(t) dt)

对于轴振动（附件B），该标准采用峰峰位移（S）作为评估指标。_页)，该值代表轴在轴承间隙内的总物理位移量。.

S_页 = S_最大 − S_min

Balanset-1A 处理：
Balanset-1A在内部执行这些数学转换。模数转换器（ADC）对原始信号进行采样，软件则计算壳体测量的均方根速度和轴测量的峰峰位移。关键的是，它会计算宽带值（Overall），该值汇总了整个频率范围（例如10-1000 Hz）内的能量。 该“整体”值是将设备归类至A、B、C或D区的核心参数。此外，设备还具备FFT（快速傅立叶变换）功能，使分析人员能够观察构成整体均方根值的各频率分量（1倍频、2倍频及谐波），从而辅助诊断振动源。8

2.5 背景振动：信噪比挑战

ISO 20816-3 标准中一个关键且常被忽视的方面是背景振动处理——即设备停机时由外部来源（如相邻设备、地面振动）传递至该设备的振动。.

规则： 若机器运行时测得的背景振动超过25%，或超过B区与C区边界处的25%，则需进行重大修正，否则测量结果可能被视为无效。18 以往版本的标准常引用“三分之一”规则，但ISO 20816-3标准对此逻辑进行了严格化处理。.

Balanset-1A的程序化实现：

1. 技术人员在机器停机时将Balanset-1A传感器安装到机器上。.
2. 使用“振动计”模式（F5键）时，将记录背景均方根电平。13
3. 机器启动并加载。记录运行时的有效值。.
4. 进行比较。若运行水平为4.0 mm/s，而背景值为1.5 mm/s（37.5%），则背景值过高。 Balanset-1A的频谱减法功能（通过对比背景与运行机器的频谱）有助于判断背景噪声是否存在特定频率（例如来自附近压缩机的50Hz），这类频率可由分析人员通过心理过滤忽略。.

第三部分：评价标准——标准的核心

第6章构成ISO 20816-3的核心部分，提供了机器可接受性的决策逻辑。.

3.1 标准I：振动幅度与分区

该标准依据轴承座处观测到的最大振动值评估振动严重程度。为便于决策，其划分了四个评估区域：

• A 区： 新投产设备的振动。这是“黄金标准”。处于该区域的设备处于完美的机械状态。.
• B区： 被视为可进行无限制长期运行的机器。这是典型的“绿色”运行范围。.
• C区： 被判定为不适合长期连续运行的设备。通常情况下，该设备可在有限时间内运行，直至出现实施补救措施（维护）的合适时机。此状态称为“黄色”或“警报”状态。.
• D区： 该区域内的振动值通常被认为具有足够的严重性，足以对机器造成损坏。此为“红色”或“跳闸”状态。5

表1：第1组和第2组简化ISO 20816-3区域限值（速度均方根值，mm/s）

机械组	地基类型	A区/B区边界	B/C区边界	C/D区边界
第1组（>300千瓦）	死板的	2.3	4.5	7.1
	灵活的	3.5	7.1	11.0
第二组（15-300千瓦）	死板的	1.4	2.8	4.5
	灵活的	2.3	4.5	7.1

注：这些数值源自标准的附件A，仅为一般性指导原则。具体机型可能存在不同的限值。.

Balanset-1A 实施：
Balanset-1A软件不仅显示数值，更提供情境化辅助。用户需自行选择等级，但软件的“报告”功能可将这些数值与标准进行对照记录。 当技术人员在刚性基座上测量50千瓦泵（第2组）时，若测得5.0毫米/秒的振动值，Balanset-1A读数明显超过C/D区界限（4.5毫米/秒），则表明需立即停机检修。.

3.2 准则II：振动幅值变化

20816系列最重大的进步，或许在于其正式强调了振动变化的重要性——这种变化独立于绝对极限值之外。.

25%法则： ISO 20816-3规定，当振动幅值变化超过B/C区边界值的25%（或超过先前稳态值的25%）时，应视为显著变化，即使绝对值仍处于A区或B区范围内。

影响：
假设一台风扇以2.0毫米/秒的稳定速度运行（B区）。 若振动值骤升至2.8毫米/秒，从技术角度看仍处于B区（某些等级）或刚进入C区。但这意味着40%的增幅。如此剧烈的变化往往预示特定故障模式：转子部件开裂、平衡配重移位或热摩擦。若因“仍在安全范围”而忽视此现象，必将导致灾难性故障。.

Balanset-1A趋势分析：
Balanset-1A通过其“会话恢复”和归档功能满足该标准。21 通过保存测量会话，可靠性工程师可将当前数据与历史基准叠加。若“整体振动”曲线显示阶跃变化，工程师则应用标准II。 “恢复上次会话”功能在此尤为关键：它能调取上月设备精确运行状态，用于验证是否突破25%阈值。.

3.3 运行限制：设置报警与跳闸

该标准为设置自动化保护系统提供了指导：

• 警报： 当振动达到设定值或发生显著变化时发出警告。推荐设置通常为基准值加上B/C区边界值的25%。.
• 旅行： 启动立即行动（关闭）。该设置通常位于C/D区域边界处或略高位置，具体取决于设备的机械完整性。19

虽然Balanset-1A是一款便携式设备而非永久性保护系统（如Bently Nevada机架），但它用于验证和校准这些跳闸阈值。技术人员在受控加速或诱导不平衡测试期间使用Balanset-1A测量振动，以确保永久监测系统能在符合ISO 20816-3标准要求的物理振动阈值下准确触发。.

第四部分：Balanset-1A系统——技术深度解析

要理解Balanset-1A如何作为合规工具发挥作用，必须对其技术架构进行分析。.

4.1 硬件架构

Balanset-1A由一个集中式USB接口模块组成，该模块在将数字化数据发送至主机笔记本电脑前，会对来自传感器的模拟信号进行处理。.

• ADC模块： 该系统的核心部件是高分辨率模数转换器。该模块决定了测量的精度。Balanset-1A通过处理信号实现±5%的精度，足以满足现场诊断需求。
• 相位参考（转速表）： 符合ISO 20816-3标准通常需要进行相位分析，以区分不平衡与对中不良。Balanset-1A采用激光测速仪，测量范围达1.5米，转速能力达60,000转/分钟。该光学传感器触发相位角计算，精度可达±1度。.
• 性能与便携性： 本设备通过USB供电（5V），本质上不受困扰市电供电分析仪的接地环路影响。整套设备重量约4千克，堪称真正的“现场”仪器，可攀爬支架以接触风扇。

4.2 软件功能：超越简单测量

Balanset-1A配套软件将原始数据转化为符合ISO标准的可操作情报。.

• FFT频谱分析： 该标准提及“特定频率分量”。Balanset-1A通过快速傅里叶变换将复杂波形分解为构成正弦波，使用户能够辨别高均方根值源于1倍频（不平衡）、100倍频（齿轮啮合）还是非同步峰值（轴承缺陷）。21
• 极坐标图： 在平衡与矢量分析中，该软件将振动矢量绘制于极坐标图上。这种可视化方式对于应用平衡影响系数法至关重要。.
• ISO 1940 公差计算器： ISO 20816-3 规定了振动限值，而 ISO 1940 则规定了平衡质量（G 级）。 Balanset-1A软件内置计算功能：用户输入转子质量与转速后，系统即以克·毫米为单位计算出允许的残余不平衡量。这填补了“振动过高”（ISO 20816）与“需去除多少重量”（ISO 1940）之间的技术鸿沟。

4.3 传感器兼容性与输入配置

如片段研究中所述，与各类传感器进行接口连接的能力至关重要。.

• 加速度计： 默认传感器。系统根据所选视图，将加速度信号(g)积分至速度(mm/s)，或进行二次积分至位移(µm)。该积分过程采用数字化处理以最大限度减少噪声漂移。.
• 涡流探头： 该系统接受0-10V或类似的模拟输入。用户必须在设置中配置转换系数。 例如，标准Bently Nevada探头可能具有200 mV/mil（7.87 V/mm）的标度系数。用户输入该灵敏度值后，Balanset-1A软件将对输入电压进行缩放处理，以显示位移的微米值，从而可直接对照ISO 20816-3.3标准附件B进行比对。

第五部分：操作实施：从诊断到动态平衡

本节概述了技术人员使用Balanset-1A确保符合ISO 20816-3标准的标准操作规程（SOP）。.

5.1 第一步：基线测量与分类

技术人员走向一台45千瓦的离心风机。.

• 分类： 功率 > 15 千瓦，< 300 千瓦。属于第 2 组。基础通过螺栓固定于混凝土上（刚性）。.
• 限值确定： 根据ISO 20816-3附录A（第2组，刚性），B区/C区边界为2.8毫米/秒。.
• 测量： 传感器采用磁性底座安装。Balanset-1A设备已启动“振动计”模式。.
• 结果： 读数为6.5毫米/秒。这属于C/D区域范围。需要采取行动。.

5.2 第二步：诊断分析

使用Balanset-1A的FFT功能：

• 光谱显示在运行速度（1x RPM）处存在一个主导峰值。.
• 相位分析显示相位角稳定。.
• 诊断： 静态不平衡。（若相位不稳定或存在高次谐波，则应怀疑存在对中不良或松动。）.

5.3 第三步：平衡程序（原位）

由于诊断结果显示存在不平衡现象，技术人员启用了Balanset-1A的平衡模式。标准要求将振动降低至A区或B区水平。.

5.3.1 三运行法（影响系数）

Balanset-1A 自动化了平衡所需的向量数学运算。.

• 运行 0（初始）： 测量振幅A₀ 以及相位φ₀ 原始振动的。.
• 运行1（试重）： 已知质量 M_审判 以任意角度添加。系统测量新的振动矢量（A₁, φ₁).

计算： 该软件计算影响系数α，该系数代表转子对质量变化的敏感度。.

α = (V₁ − V₀) / M_审判

更正： 系统计算所需的修正质量M_校对 以抵消初始振动。.

M_校对 = − V₀ / α

运行2（验证）： 移除试验配重，并添加计算出的校正配重。测量残余振动。.

.11

5.4 第四步：验证与报告

平衡后，振动降至1.2毫米/秒。.
检查：1.2 mm/s 小于 1.4 mm/s。机器当前位于区域 A。.

文件记录：技术人员将测试数据保存至Balanset-1A系统。系统自动生成报告，清晰展示“测试前”频谱（6.5毫米/秒）与“测试后”频谱（1.2毫米/秒），并明确标注ISO 20816-3标准限值。该报告即作为合规性证明文件。.

第六部分：专项考量

6.1 低速机械

ISO 20816-3标准针对转速低于600 rpm的设备设有特别说明。在低速运行时，速度信号会变得微弱，位移成为应力分析的主要指标。Balanset-1A通过两种方式处理此问题：允许用户将显示单位切换为位移（微米），或确保将低频截止频率设置为5 Hz或更低（理想值为2 Hz），以捕捉主要能量。 该标准附录D的“注意事项”明确警示：低速运行时不可仅依赖速度参数²³，Balanset-1A用户必须通过检查“线性”设置或低频滤波器来掌握这一关键细节。.

6.2 瞬态工况：加速和滑行

启动阶段（瞬态运行）的振动可能因通过临界转速（共振）而超过稳态限值。ISO 20816-3标准允许在这些瞬态阶段采用更高的限值。23

Balanset-1A包含一项实验性的“滑降”图表功能。11该功能允许技术人员在滑降过程中记录振动振幅与转速的关系。这些数据对于以下方面至关重要：

• 识别临界转速（共振）。.
• 验证机器能否快速通过共振状态以避免损坏。.
• 确保“高”振动确实是暂时的，而非永久状态。.

6.3 附件A与附件B：双重评估

全面的合规检查通常需要两者兼备。.

• 附件A（住房）： 措施强制将动力传递至结构。适用于不平衡、松动情况。.
• 附件B（竖井）： 测量转子动力学特性。适用于检测不稳定现象、油漩涡及擦拭现象。.

使用Balanset-1A的技师可能先通过加速度计满足附件A的要求，随后切换至现有Bently Nevada探头输入，以验证大型涡轮机是否符合附件B规范。Balanset-1A作为永久性机架式监测仪的“第二意见”或“现场验证器”的功能，是同时满足两个附件要求的关键应用。.

结论

向ISO 20816-3标准的过渡标志着振动分析领域的成熟发展，要求采用更精细、基于物理原理的方法进行设备评估。该标准突破了简单的“合格/不合格”数值判定，深入到支撑刚度分析、变化向量计算以及双域（壳体/轴）测量等领域。.

Balanset-1A系统充分契合这些现代需求。其技术规格——频率范围、精度和传感器灵活性——使其成为功能强大的硬件平台。然而其真正价值在于软件工作流程，该流程引导用户完成标准的复杂逻辑：从背景振动校正和区域分类，到影响系数平衡的数学严谨性。 通过将频谱分析仪的诊断能力与动态平衡机的校正功能有效结合，Balanset-1A不仅能帮助维护团队识别不符合ISO 20816-3标准的情况，更能主动实施修正，从而保障工业资产基础的长效运行与可靠性。.