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《振動噪音科普專欄》甚麼是ISO 10816-3?

  

 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machines with nominal power above 15 kW and nominal speeds between 120 r/min and 15 000 r/min when measured in situ。Withdrawn (Edition 2, 2009)。New version available:【ISO 20816-3: 2022】。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雖然,ISO宣告【ISO 10816-3: 2009】已經停用(Withdrawn),採用新版本(New version)【ISO 20816-3: 2022】。不過,【ISO 10816-3】仍然廣泛使用,還是需要瞭解它。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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