《振動噪音科普專欄》如何判斷一部機器的振動大或小？指標(Index)、標準(Criterion)、量值(Value)

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這個單元要來探討的主題是：如何判斷一部機器的振動(vibration)大或小？「指標」(Index)、「標準」(Criterion)、「量值」(Value)。

 

本單元，除了要探討如何判斷振動(vibration)是大？或小？當然不會是主觀地說振動(vibration)大、或是振動(vibration)小，也將介紹三個名詞的概念：(1) 「指標」(Index)，(2) 「標準」(Criterion)，(3) 「量值」(Value)。

 

首先，對此單元的專案(project)主題，進行「關鍵詞分析」(keyword analysis)，在此可以拆解「關鍵詞」(keyword)如下：

 

1.      如何判斷？

2.      一部機器？

3.      振動(vibration)大？或小？

 

針對第2個「關鍵詞」(keyword)，一部機器，有哪些呢？

 

1.      工廠(factory)：馬達、風機、變速箱、壓縮機、…。

2.      車輛(vehicle)：自行車、機車、汽車、卡車、船艦、飛機、火箭、衛星、…。

3.      家電(appliance)：電扇、冷氣機、洗衣機、冰箱、...。

4.      其他？

 

看到列舉的這些機器、結構系統，都可以直覺地想像出潛在的振動(vibration)問題。參閱圖片右邊上方顯示，先前單元有看過，一個典型的轉子系統(rotor system)，包含：馬達(Motor)、聯軸器(Coupling)、轉軸(Shaft)、以及兩個軸承(Bearing)。

 

其次，針對第3個「關鍵詞」(keyword)，振動(vibration)大？或小？這個單元就以這個典型的轉子系統(rotor system)，來探討一下振動(vibration)大？或小？在此，以【SPR】心法思考，包括：(1) Source，(2) Path，(3) Response。也就是：(1) 激振源，(2) 路徑，(3) 響應。

 

參閱圖片左下方圖示，是：結構振動噪音之SPR系統方塊圖。本單元只討論振動(vibration)大？或小？所以，Source 激振源之後，只觀察到結構振動(vibration)的結構路徑(Structural path, SP)，以及結構的振動響應(Response)。考慮的是振動(vibration)，實務上常用的感測器(sensor)，就是加速度規(accelerometer)。

 

參閱圖片右上的轉子系統(rotor system)，以【SPR】心法思考：

 

1.      Source 激振源：以此轉子系統(rotor system)為例，其Source就是：馬達(Motor)。當然需要知道馬達的轉速(rotating speed)、或是其轉速頻率(rotating frequency)。

2.      Path 路徑：也就是Transfer path傳遞路徑，可以概分為：(1) Structural path 結構路徑(SP)，(2) Air path 空氣路徑(AP)。對此轉子系統(rotor system)，進行簡要的「傳遞路徑分析」(Transfer path analysis, TPA)。參閱圖示，可以區別出結構振動(vibration)的結構路徑(Structural path, SP)，SP1、SP2、SP3、SP4，分別對應了：聯軸器(Coupling)、轉軸(Shaft)、以及兩個軸承(Bearing)。如果，考慮的是噪音(noise)，就需考慮其聲音傳播的空氣路徑(Air path, AP)。在本單元，先忽略AP空氣路徑。

3.      Response 響應：要對此轉子系統(rotor system)量測其振動響應，通常會使用加速度規(accelerometer)。需要考慮的是：Where? 要在哪裡量測？量測的位置及方向？典型的配置方式如圖示，由驅動端(driving end)開始編號，馬達(Motor)兩側，安置2個加速度規，如圖示RV1、RV2。在轉軸(Shaft)兩端的兩個軸承(Bearing)，安置2個加速度規，如圖示RV3、RV4。有興趣的振動方向，包括：「軸向」(Axial)、「垂直向」(Vertical)、「水平向」(Horizontal)，即AVH的三個方向。

 

對此轉子系統(rotor system)量測其振動響應，安置4個加速度規，如圖示RV1、RV2、RV3、RV4。其目的與意義呢？簡要說明如下：

 

1.      由RV1、RV2：觀察馬達(Motor)兩側振動，可以評估馬達的不平衡(unbalance)效應。

2.      由RV3、RV4：觀察轉軸(Shaft)兩側振動，可以評估轉軸的不平衡(unbalance)效應。

3.      由RV2、RV3：觀察聯軸器(Coupling)兩側振動，可以評估聯軸器的不對心(misalignment)效應。

 

至於對此轉子系統(rotor system)，如何判斷不平衡(unbalance)、或不對心(misalignment)效應，我們再另闢單元討論。

 

接著，針對第1個「關鍵詞」(keyword)，如何判斷？要判斷此轉子系統(rotor system)的振動(vibration)大？或小？簡單來說，可以區分：

 

1.      「主觀」(subjective)：這種「主觀」的評價，雖然有其作用，主要缺點，就是沒有一個評判依據。比較會應用在噪音(noise)的「主觀評價」(subjective evaluation)。

2.      「客觀」(objective)：以量化數據來比較，會是比較理想的判斷方式。可參考：ISO 10816-3。本單元後續，將簡介ISO 10816-3，可用於判斷轉動機械的振動(vibration)是大？或小？詳細的ISO 10816-3規範說明，再另闢單元討論。

 

量測振動響應，除了：Where? 要在哪裡量測？量測的位置及方向？之外，量到的數據是How much? 有多大呢？也就是代表振動(vibration)大？或小？要討論之前，先瞭解以下的事實與認知：

 

1.      代表振動(vibration)的物理量(physical quantity)：可以是「位移」(displacement)、「速度」(velocity)、「加速度」(acceleration)。三者的兩兩之間是呈現「微分積分對」(differential and integral pair)。

2.      振動(vibration)的「時間波形」(time waveform)：加速度規(accelerometer)量測到的原始數據(raw data)就是「加速度」(acceleration)的「時間波形」。

3.      振動(vibration)的「頻譜」(spectrum)：對「時間波形」(time waveform)的信號，進行FFT「快速傅立葉轉換」(fast Fourier transform)，就可以取得信號的「頻譜」(spectrum)。

 

在此得知，實務上，雖然是以加速度規(accelerometer)量測，可以得到「加速度」(acceleration)的「時間波形」，以及對應的「加速度」(acceleration)「頻譜」(spectrum)。理念上，可以透過積分(integration)，取得對應的「速度」、「位移」，包括其「時間波形」、「頻譜」。

 

本單元將簡介ISO 10816-3，判斷轉子系統(rotor system) 的振動(vibration)是大？或小？的概念，包括：「指標」(Index)，「標準」(Criterion)，「量值」(Value)，分項說明如下：

 

1.      「指標」(Index)：ISO 10816-3所採用的評估指標，𝑽𝒓𝒎𝒔 = √(∫_(𝒇𝒍)^(𝒇𝒖) 〖𝑮𝒗𝒗(𝒇) 𝒅𝒇〗)，其中，𝑽𝒓𝒎𝒔：是振動信號的「速度」𝒓𝒎𝒔。𝒓𝒎𝒔是「平方平均根」(root mean square, 𝒓𝒎𝒔)值。𝑮𝒗𝒗(𝒇)：是「速度」的功率頻譜(power spectrum)。𝒇𝒍：是積分式的下限頻率。𝒇𝒖：是積分式的上限頻率。參閱右下圖示的「功率頻譜」(power spectrum)示意圖，雖然最高頻率是Fmax = 2000 Hz，實際上𝑽𝒓𝒎𝒔的積分式，𝒇𝒖是取1000 Hz。而𝒇𝒍是取2 Hz、或10 Hz。詳細的ISO 10816-3規範說明，再另闢單元討論。

2.      「標準」(Criterion)：也就是允收的標準。𝑽_𝒄𝒓𝒊𝒕𝒆𝒓𝒊𝒐𝒏：ISO 10816-3會依據機器大小、轉速、安裝方式，可以由ISO 10816-3得到轉子系統(rotor system) 的𝑽𝒓𝒎𝒔 的允收標準值 𝑽_𝒄𝒓𝒊𝒕𝒆𝒓𝒊𝒐𝒏。

3.      「量值」(Value)：𝑽_𝒗𝒂𝒍𝒖𝒆：就是實際量測、分析計算所得到轉子系統的 𝑽𝒓𝒎𝒔 速度量值。

 

ISO 10816-3簡單的概念：如果，𝑽_𝒗𝒂𝒍𝒖𝒆 < 𝑽_𝒄𝒓𝒊𝒕𝒆𝒓𝒊𝒐𝒏，就是振動(vibration)小。反之，𝑽_𝒗𝒂𝒍𝒖𝒆 > 𝑽_𝒄𝒓𝒊𝒕𝒆𝒓𝒊𝒐𝒏，就是振動(vibration)大。在此須注意，「指標」(Index)是𝑽𝒓𝒎𝒔的單位。而且，𝑽𝒓𝒎𝒔必須由「速度」的「功率頻譜」(power spectrum)取得。不是由「速度」的「時間波形」(time waveform)取得。

 

綜合這個單元的討論：如何判斷一部機器的振動(vibration)大或小？總結如下：

 

1.      對此單元的專案(project)主題，進行「關鍵詞分析」(keyword analysis)：(1) 如何判斷？，(2) 一部機器？，(3) 振動(vibration)大？或小？。

2.      舉一個典型的轉子系統(rotor system)，包含：馬達(Motor)、聯軸器(Coupling)、轉軸(Shaft)、以及兩個軸承(Bearing)。來探討振動(vibration)大？或小？

3.      以【SPR】心法思考，為什麼會振動(vibration)？包括：(1) Source，(2) Path，(3) Response。也就是：(1) 激振源，(2) 路徑，(3) 響應。

4.      要探討振動(vibration)大？或小？需瞭解：(1) 代表振動(vibration)的物理量(physical quantity)：可以是「位移」(displacement)、「速度」(velocity)、「加速度」(acceleration)。(2) 振動(vibration)的「時間波形」(time waveform)，是量測到的原始數據(raw data)就是「加速度」(acceleration)的「時間波形」。(3) 振動(vibration)的「頻譜」(spectrum)，對「時間波形」(time waveform)的信號，進行FFT「快速傅立葉轉換」(fast Fourier transform)，就可以取得信號的「頻譜」(spectrum)。

5.      介紹了ISO 10816-3規範的三個名詞的概念：(1) 「指標」(Index)，(2) 「標準」(Criterion)，(3) 「量值」(Value)。「指標」(Index)是𝑽𝒓𝒎𝒔。

 

以上個人看法，請多指教！

 

王栢村

2026.03.09

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