《振動噪音科普專欄》甚麼是ISO 10816-3？

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 這個單元要來探討的主題是：甚麼是【ISO 10816-3】？

 

前一個單元，簡介了【ISO 10816-3】，可用為判斷轉子系統(rotor system)的振動(vibration)是大？或小？的概念，包括：「指標」(Index)，「標準」(Criterion)，「量值」(Value)，這個單元就來詳細介紹一下【ISO 10816-3】。

 

首先，以【4W】心法來思考【ISO 10816-3】：

 

1.      What is? 甚麼是【ISO 10816-3】？

2.      Why to do? 為什麼要用【ISO 10816-3】？

3.      What goals? 應用【ISO 10816-3】，要達到甚麼目標？

4.      How to do? 如何應用【ISO 10816-3】？

 

接著，就逐項來看，第一個提問：What is? 甚麼是【ISO 10816-3】？完整的英文規範名稱：【ISO 10816-3: 2009】：Mechanical vibration — Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts — Part 3: Industrial machines with nominal power above 15 kW and nominal speeds between 120 r/min and 15 000 r/min when measured in situ。Withdrawn (Edition 2, 2009)。New version available:【ISO 20816-3: 2022】。

 

從規範名稱，可以看出幾個重點，說明如下：

 

1.      【ISO 10816-3: 2009】：是一種機器振動評估(Evaluation of machine vibration)規範。是系列規範的第3部分。建立於2009。

2.      工業機器(Industrial machines)大小型式：功率(power)在15 kW以上。

3.      機器轉速(speeds)：介於120 rpm ~ 15,000 rpm之間。

4.      量測非轉動部件(measurements on non-rotating parts)：如軸承座(bearing)。

 

雖然，ISO宣告【ISO 10816-3: 2009】已經停用(Withdrawn)，採用新版本(New version)【ISO 20816-3: 2022】。不過，【ISO 10816-3】仍然廣泛使用，還是需要瞭解它。

 

第二個提問：Why to do? 為什麼要用【ISO 10816-3】？可以用於驗收(acceptance test)、評估(evaluation) 轉子系統(rotor system)的健康狀態(healthy condition)。參閱圖片左下方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)。其中的轉軸(Shaft)在實務上，可能是風機(fan)、壓縮機(compressor)等。

 

第三個提問：What goals? 應用【ISO 10816-3】，要達到甚麼目標？簡單說，就是要快速判斷轉子系統(rotor system)的堪用程度，參閱圖片右邊圖示，可以看出有A/B/C/D四個區域、以四種顏色區別出振動(vibration)大小，所對應的機器狀態(condition, status)，說明如下：

1.      A區-綠：新機器狀態(New machine condition)。

2.      B區-黃：無限制可容許長時間運轉(Unlimited long-term operation allowable)。

3.      C區-橘：可容許短時間運轉(Short-term operation allowable)。

4.      D區-紅：振動會造成損壞(Vibration causes damage)。

 

A區-綠、B區-黃可以視為機器是在良好的狀態。C區-橘是呈現警戒(warning)狀態，需要詳細診斷(Diagnosis)不良振動的原因(Cause)，找到對策(Improvement, Resolution)，準備備品(spare parts)，隨時準備啟動維修保養(Maintenance)。如果，落在D區-紅，機器呈現高風險狀態，應立即啟動MADI：Measurement量測、Analysis分析、Diagnosis診斷、Improvement對策，並進行維修保養(Maintenance)。

 

【ISO 10816-3】所採用的評估「指標」(Index)：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。取𝒇𝒍 =2 Hz：當轉速(speeds)大於120 rpm。或取𝒇𝒍 =10 Hz：當轉速(speeds)大於600 rpm。

•        𝒇𝒖：是積分式的上限頻率。取𝒇𝒖 =1000 Hz。

 

參閱圖示的轉子系統(rotor system)量測其振動響應，安置4個加速度規，如圖示RV1、RV2、RV3、RV4。每個測點，以及AVH的三個方向，包括：「軸向」(Axial)、「垂直向」(Vertical)、「水平向」(Horizontal)都需要進行量測評估。

 

最後，第四個提問：How to do? 如何應用【ISO 10816-3】？簡要的應用步驟說明如下：

 

1.      確認機器型式的Group：有Group 1 / Group 2 / Group 3 / Group 4。取決於機器的大小、或是馬達的功率(power)。可參閱表單的說明。

2.      確認機器結構地基(Foundation)狀態：區分為，(1) Flexible 撓性：𝒇𝒓𝒑𝒎 > 𝟏.𝟐𝟓 𝒇(𝒓=𝟏)。(2) Rigid剛性：𝒇𝒓𝒑𝒎 < 0.7𝟓 𝒇(𝒓=𝟏)。其中，𝒇𝒓𝒑𝒎 = 𝒓𝒑𝒎/60，是轉速(speeds)對應的轉速頻率(rotating frequency)。𝒇(𝒓=𝟏)是指量測方向的結構第一個自然頻率(1st natural frequency)。如果，轉速頻率大於第一個自然頻率，就是Flexible 撓性結構地基(Foundation)。轉速頻率小於第一個自然頻率，就是Rigid剛性結構地基(Foundation)。有0.25的比例，理念上，就是隱含著避免共振(resonance)的概念：轉速頻率要遠離結構的自然頻率，25%以上。

3.      量測機器的𝑽𝒓𝒎𝒔 mm/s rms：實務上，常以加速度規(accelerometer)量測機器的振動，如圖示RV1、RV2、RV3、RV4。量測到的原始數據(raw data)就是𝒂(𝒕)「加速度」(acceleration)的「時間波形」。對𝒂(𝒕)，進行FFT「快速傅立葉轉換」(fast Fourier transform)，以及後處理，可以得到量測點的𝑮𝒗𝒗(𝒇)「速度」的功率頻譜(power spectrum)。進而可以取得【ISO 10816-3】所定義的𝑽𝒓𝒎𝒔：是振動信號的「速度」𝒓𝒎𝒔。𝒓𝒎𝒔是「平方平均根」(root mean square, 𝒓𝒎𝒔)值。

4.      確認機器的健康狀態：由表格的對應關係，可以區別出：A區-綠、B區-黃、C區-橘、D區-紅。

 

在此，舉一個數值案例，來說明如何應用【ISO 10816-3】？簡要的應用步驟說明如下：

 

1.      Motor馬達：20 kW, 3600 rpm。查閱表格，20 kW對應的就是Group 2。當3600 rpm，取𝒇𝒍 =10 Hz，因為轉速(speeds)大於600 rpm。

2.      Foundation 地基狀態：Rigid剛性。隱含的意義，機器的轉速頻率小於第一個自然頻率。

3.      𝑽𝒓𝒎𝒔= 1.5 mm/s rms：透過對𝑮𝒗𝒗(𝒇)「速度」的功率頻譜(power spectrum)，可以取得【ISO 10816-3】所定義的𝑽𝒓𝒎𝒔：是振動信號的「速度」𝒓𝒎𝒔。

4.      Status機器狀態：B區-黃：無限制可容許長時間運轉(Unlimited long-term operation allowable)。

 

綜合一下這個單元的討論：甚麼是【ISO 10816-3】？總結如下：

 

1.      以【4W】心法來思考【ISO 10816-3】：(1) What is? 甚麼是【ISO 10816-3】？(2) Why to do? 為什麼要用【ISO 10816-3】？(3) What goals? 應用【ISO 10816-3】，要達到甚麼目標？。(4) How to do? 如何應用【ISO 10816-3】？

2.      詳細的解讀【ISO 10816-3: 2009】：是一種機器振動評估(Evaluation of machine vibration)規範。所適用的條件：(1) 功率(power)在15 kW以上。(2) 機器轉速(speeds)：介於120 rpm ~ 15,000 rpm之間。(3) 量測非轉動部件(measurements on non-rotating parts)：如軸承座(bearing)。機器狀態(condition, status)：A區-綠、B區-黃可以視為機器是在良好的狀態。C區-橘是呈現警戒(warning)狀態。D區-紅，機器呈現高風險狀態。

3.      【ISO 10816-3】可應用於快速判斷典型的轉子系統(rotor system)的健康狀態(healthy condition)與堪用程度。

4.      彙整【ISO 10816-3】的實務應用步驟：(1) 確認機器型式的Group。(2) 確認機器結構地基(Foundation)狀態。(3) 量測機器的𝑽𝒓𝒎𝒔 mm/s rms。(4) 確認機器的健康狀態(healthy condition)。

 

以上個人看法，請多指教！

 

王栢村

2026.03.11

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