Аналитичен доклад: Задълбочен анализ на ISO 1940-1 “Изисквания за балансиране на твърди ротори” и интегриране на измервателни системи Balanset-1A в диагностиката на вибрациите

Въведение

В съвременната инженерна практика и промишленото производство динамичното балансиране на въртящото се оборудване е фундаментален процес, който гарантира надеждността, експлоатационния живот и безопасната работа на машините. Небалансираността на въртящите се маси е най-честата причина за вредни вибрации, което води до ускорено износване на лагерните възли, умора на основите и корпусите и повишен шум. В глобален мащаб стандартизацията на изискванията за балансиране играе ключова роля в уеднаквяването на производствените процеси и критериите за приемане на оборудването.

Основният документ, регулиращ тези изисквания в продължение на десетилетия, е международният стандарт ISO 1940-1. Въпреки че през последните години индустрията постепенно преминава към по-новата серия ISO 21940, принципите, физическите модели и методологията, заложени в ISO 1940-1, остават в основата на инженерната практика в балансирането. Разбирането на вътрешната логика на този стандарт е от съществено значение не само за проектантите на ротори, но и за специалистите по поддръжка, които използват съвременни преносими инструменти за балансиране, като Balanset-1A.

Настоящият доклад има за цел да предостави изчерпателен и подробен анализ на всяка глава от ISO 1940-1, да разкрие физическото значение на формулите и допустимите отклонения в нея и да покаже как съвременните хардуерно-софтуерни системи (използвайки Balanset-1A като пример) автоматизират прилагането на изискванията на стандарта, намалявайки човешките грешки и подобрявайки точността на процедурите за балансиране.

Глава 1. Обхват и основни понятия

Първата глава на стандарта определя неговия обхват и въвежда едно изключително важно разграничение между видовете ротори. ISO 1940-1 се отнася само за ротори в постоянно (твърдо) състояние. Тази дефиниция е в основата на цялата методология, тъй като поведението на твърдите и гъвкавите ротори е коренно различно.

Феноменология на твърдия ротор

Роторът се класифицира като твърд, ако неговите еластични деформации под въздействието на центробежни сили в целия диапазон на работни скорости са незначително малки в сравнение с определените допустими отклонения на дисбаланса. На практика това означава, че разпределението на масата на ротора не се променя значително при промяна на скоростта от нула до максималната работна скорост.

Важна последица от това определение е неизменността на балансирането: ротор, балансиран при ниска скорост (например на балансираща машина в работилница), остава балансиран при работната си скорост в експлоатация. Това позволява балансирането да се извършва при скорости, значително по-ниски от работната скорост, което опростява и намалява разходите за процеса.

Ако роторът работи в свръхкритичната област (при скорости над първата критична скорост на огъване) или близо до резонанса, той е подложен на значителни отклонения. В този случай ефективното разпределение на масата зависи от скоростта, а балансирането, извършено при една скорост, може да бъде неефективно или дори вредно при друга. Такива ротори се наричат гъвкави, а изискванията към тях са определени в друг стандарт — ISO 11342. ISO 1940-1 умишлено изключва гъвкавите ротори и се фокусира само върху твърдите.

Изключения и ограничения

Стандартът също така ясно определя какво не попада в обхвата му:

• Ротори с променяща се геометрия (например, шарнирни валове, лопатки на хеликоптери).
• Резонансни явления в системата ротор–опора–основа, ако те не влияят на класификацията на ротора като твърд.
• Аеродинамични и хидродинамични сили, които могат да причинят вибрации, които не са пряко свързани с разпределението на масата.

По този начин ISO 1940-1 се фокусира върху инерционните сили, причинени от несъответствието между оста на масата и оста на въртене.

Глава 2. Нормативни препратки

За да се гарантира еднозначно тълкуване на изискванията му, ISO 1940-1 се позовава на редица свързани стандарти. Основният от тях е ISO 1925 “Механични вибрации — Балансиране — Речник”. Този документ играе ролята на речник, който определя семантиката на техническия език. Без общо разбиране на термини като “основна ос на инерция” или “дисбаланс на въртящ момент” ефективната комуникация между купувача на оборудване и доставчика на услуги по балансиране е невъзможна.

Друга важна справка е ISO 21940-2 (по-рано ISO 1940-2), която се отнася до грешките в баланса. Тя анализира методологичните и инструменталните грешки, възникващи по време на измерването на дисбаланса, и показва как да се отчитат те при проверката за спазване на допустимите отклонения.

Глава 3. Термини и определения

Разбирането на терминологията е необходимо условие за задълбочен анализ на стандарта. В тази глава се дават строги физически дефиниции, на които се основава по-нататъшната логика на изчисленията.

3.1 Балансиране

Балансирането е процесът на подобряване на разпределението на масата на ротора, така че той да се върти в лагерите си, без да генерира небалансирани центробежни сили, които надвишават допустимите граници. Това е повтаряща се процедура, която включва измерване на началното състояние, изчисляване на коригиращи действия и проверка на резултата.

3.2 Небалансиране

Дисбалансът е физическото състояние на ротора, при което неговата основна централна инерционна ос не съвпада с оста на въртене. Това води до центробежни сили и моменти, които причиняват вибрации в опорите. Във векторна форма дисбалансът U се определя като произведението на дисбалансираната маса m и нейното радиално разстояние r от оста на въртене (ексцентричността):

U = m · r

SI единицата е килограм-метър (kg·m), но в практиката на балансирането по-удобна единица е грам-милиметър (g·mm).

3.3 Специфичен дисбаланс

Специфичният дисбаланс е изключително важна концепция за сравняване на качеството на балансирането на ротори с различна маса. Той се определя като съотношението между основния вектор на дисбаланса U и общата маса на ротора M:

e = U / M

Тази величина има размерност дължина (обикновено изразява се в микрометри, µm, или g·mm/kg) и физически представлява ексцентричността на центъра на масата на ротора спрямо оста на въртене. Специфичният дисбаланс е основа за класифициране на роторите в класове по качество на балансиране.

3.4 Видове дисбаланс

Стандартът разграничава няколко вида дисбаланс, всеки от които изисква своя собствена стратегия за корекция:

• Статичен дисбаланс. Основната ос на инерцията е успоредна на оста на въртене, но е изместена от нея. Тя може да бъде коригирана с едно тегло в една равнина (през центъра на масата). Типично за тесни, дисковидни ротори.
• Двойка в неравновесие. Основната ос на инерция преминава през центъра на масата, но е наклонена спрямо оста на въртене. Резултантният вектор на дисбаланс е нула, но двойка сили (две сили) има тенденция да “накланя” ротора. Тя може да бъде елиминирана само от две тежести в различни равнини, които създават компенсираща двойка.
• Динамичен дисбаланс. Най-общият случай, представляващ комбинация от статичен и двойствен дисбаланс. Основната инерционна ос не е нито успоредна, нито пресичаща оста на въртене. Корекцията изисква балансиране в поне две равнини.

Глава 4. Съответни аспекти на балансирането

В тази глава се разглеждат геометричното и векторното представяне на дисбаланса и се определят правила за избор на равнини за измерване и корекция.

4.1 Векторно представяне

Всяко небалансиране на твърд ротор може да бъде математически редуцирано до два вектора, разположени в две произволно избрани равнини, перпендикулярни на оста на въртене. Това е теоретичната обосновка за двуравнинното балансиране. Инструментът Balanset-1A използва точно този подход, като решава система от векторни уравнения за изчисляване на коригиращите тежести в равнини 1 и 2.

4.2 Референтни равнини и коригиращи равнини

Стандартът прави важно разграничение между равнини, в които са посочени допустими отклонения, и равнини, в които се извършва корекция.

Равнини на толерантност. Това обикновено са равнините на лагерите (А и Б). Тук вибрациите и динамичните натоварвания са най-критични за надеждността на машината. Допустимо небалансиране U_на обикновено се определя спрямо тези равнини.

Корекционни равнини. Това са физически достъпните места на ротора, където може да се добавя или отстранява материал (чрез пробиване, закрепване на тежести и др.). Те може да не съвпадат с равнините на лагерите.

Задачата на инженера (или софтуера за балансиране) е да преобразува допустимото небалансиране от равнините на лагерите в еквивалентни допуски в равнините на корекция, като вземе предвид геометрията на ротора. Грешки на този етап могат да доведат до ротор, който е формално балансиран в равнините на корекция, но създава неприемливи натоварвания върху лагерите.

4.3 Ротори, изискващи една или две коригиращи равнини

Стандартът предлага препоръки относно броя на равнините, необходими за балансиране:

• Един самолет. Достатъчно за къси ротори, чиято дължина е много по-малка от диаметъра (L/D < 0,5) и с незначително аксиално отклонение. В този случай дисбалансът на въртящия момент може да бъде пренебрегнат. Примери: ремъчни колела, тесни зъбни колела, вентилаторни колела.
• Два самолета. Необходимо за удължени ротори, при които дисбалансът на въртящия момент може да бъде значителен. Примери: арматури на двигатели, валци на машини за производство на хартия, карданни валове.

Глава 5. Съображения за сходство

Глава 5 обяснява физическата логика, която стои зад степените на качество на баланса G. Защо за турбина са необходими различни граници на небалансираност в сравнение с колелото на автомобил? Отговорът се крие в анализа на напреженията и натоварванията.

Закон за масовата прилика

За геометрично сходни ротори, работещи при сходни условия, допустимият остатъчен дисбаланс U_на е пряко пропорционално на масата на ротора M:

U_на ∝ M

Това означава, че конкретният дисбаланс е_на = U_на / M трябва да бъде еднакъв за такива ротори. Това позволява да се прилагат единни изисквания за машини с различни размери.

Закон за скоростната подобие

Центробежната сила F, генерирана от дисбаланс, се определя като:

F = M · e · Ω²

където Ω е ъгловата скорост.

За да се постигне същата експлоатационна годност на лагерите и сходни нива на механично напрежение в роторите, работещи при различни скорости, центробежните сили трябва да останат в допустимите граници. Ако искаме специфичното натоварване да бъде постоянно, то когато Ω се увеличава, допустимата ексцентричност e_на трябва да намалее.

Теоретичните и емпиричните изследвания са довели до следната връзка:

e_на · Ω = константа

Продуктът от специфичния дисбаланс и ъгловата скорост има размерността на линейната скорост (mm/s). Той характеризира линейната скорост на центъра на масата на ротора около оста на въртене. Тази стойност стана основа за определянето на класовете на качество на G баланса.

Глава 6. Спецификация на допустимите отклонения на баланса

Това е най-важната от практическа гледна точка глава, в която се описват методи за количествено определяне на допустимите отклонения в баланса. Стандартът предлага пет метода, но доминиращият е базиран на системата за класификация на качеството G.

6.1 G Качество на баланса

ISO 1940-1 въвежда логаритмична скала за оценка на качеството на балансирането, обозначена с буквата G и число. Числото представлява максималната допустима скорост на центъра на масата на ротора в mm/s. Разликата между съседните степени е фактор 2,5.

Следващата таблица дава подробен преглед на степените G с типични типове ротори. Тази таблица е основният инструмент за избор на изисквания за балансиране в практиката.

Таблица 1. ISO 1940-1 Класификация на качеството на баланса (подробна)

G клас	eна · Ω (мм/с)	Типични видове ротори	Коментар на експерт
G 4000	4000	Коленчати валове на нискоскоростни корабни дизелови двигатели върху твърди основи.	Оборудване с много ниски изисквания, при което вибрациите се абсорбират от масивни основи.
G 1600	1600	Коленчати валове на големи двутактови двигатели.
G 630	630	Коленчати валове на големи четиритактни двигатели; морски дизелови двигатели на еластични опори.
G 250	250	Коленчати валове на високоскоростни дизелови двигатели.
G 100	100	Цялостни двигатели за автомобили, камиони, локомотиви.	Типичен клас за двигатели с вътрешно горене.
G 40	40	Колела и джанти за автомобили, карданни валове.	Колелата са балансирани относително грубо, защото самата гума въвежда значителни вариации.
G 16	16	Карданни валове (специални изисквания); селскостопански машини; компоненти за трошачки.	Машини, работещи в тежки условия, но изискващи надеждност.
G 6.3	6.3	Общ промишлен стандарт: вентилатори, помпи, маховици, обикновени електродвигатели, металорежещи машини, валци за хартиени машини.	Най-често срещаният клас. Ако няма специални изисквания, обикновено се използва G 6.3.
G 2.5	2.5	Висока прецизност: газови и парни турбини, турбогенератори, компресори, електродвигатели (>80 mm височина на центъра, >950 об./мин.).	Необходим за високоскоростни машини, за да се предотврати преждевременно увреждане на лагерите.
G 1	1	Прецизно оборудване: задвижвания на шлифовъчни шпиндели, магнетофони, малки високоскоростни арматури.	Изисква особено прецизни машини и условия (чистота, ниски външни вибрации).
G 0.4	0.4	Ултрапрецизно оборудване: жироскопи, прецизни шпиндели, оптични дискови устройства.	Близо до границата на конвенционалното балансиране; често изисква балансиране в самите лагери на машината.

6.2 Метод за изчисляване на U_на

Допустимото остатъчно небалансиране U_на (в g·mm) се изчислява от клас G по формулата:

U_на = (9549 · G · M) / n

където:

• G е степента на балансиране (mm/s), например 6,3,
• M е масата на ротора (kg),
• n е максималната работна скорост (об./мин.),
• 9549 е коефициент за преобразуване на единици (получен от 1000 · 60 / 2π).

Пример. Разгледайте ротор на вентилатор с маса M = 200 kg, работещ при n = 1500 об./мин, със специфициран клас G 6.3.

U_на ≈ (9549 · 6,3 · 200) / 1500 ≈ 8021 g·mm

Това е общата допустима остатъчна небалансираност за ротора като цяло. След това тя трябва да бъде разпределена между равнините.

6.3 Графичен метод

Стандартът включва логаритмична диаграма (фигура 2 в ISO 1940-1), която свързва скоростта на въртене с допустимия специфичен дисбаланс за всеки клас G. С помощта на тази диаграма инженерът може бързо да оцени изискванията без изчисления, като намери пресечната точка на скоростта на ротора с желаната линия на клас G.

Глава 7. Разпределение на допустимото остатъчно несъответствие към коригиращите равнини

U_на изчислено в глава 6, се отнася за центъра на масата на ротора. На практика обаче балансирането се извършва в две равнини (обикновено в близост до лагерите). Глава 7 регламентира как да се раздели тази обща толерантност между равнините на корекция — критично важен етап, при който често се допускат грешки.

7.1 Симетрични ротори

За най-простия случай на симетричен ротор (център на масата точно по средата между лагерите и коригиращите равнини, симетрични спрямо него), толерансът се разпределя равномерно:

U_на,L = U_на / 2
U_на,R = U_на / 2

7.2 Асиметрични ротори (ротори между лагерите)

Ако центърът на масата е изместен към едно лагерно съединение, толерансът се разпределя пропорционално на статичните реакции в лагерните съединения (обратно пропорционално на разстоянията).

Нека L бъде разстоянието между равнините на толеранс (лагери), a разстоянието от центъра на масата до левия лагер, b до десния лагер.

U_{на,ляво} = U_на · (б / Л)
U_{за,правилно} = U_на · (а / L)

По този начин на лагера, който понася по-голямо статично натоварване, се присвоява по-голям дял от допустимото небалансиране.

7.3 Изпъкнали и тесни ротори

Това е най-сложният случай, разгледан в стандарта. За ротори със значителна надвиснала маса (например, работно колело на помпа на дълъг вал) или когато равнините на корекция са близо една до друга (b < L/3), простото разпределение вече не е подходящо.

Небалансираната маса върху надвисналата част създава огъващ момент, който натоварва както близките, така и далечните лагери. Стандартът въвежда корекционни фактори, които затягат допустимите отклонения.

За ротори с изпъкнали краища, допуските трябва да се преизчисляват чрез еквивалентни реакции на лагерите. Често това води до значително по-ниска допустима небалансираност в изпъкналата равнина в сравнение с ротор със същата маса между лагерите, за да се предотврати прекомерно натоварване на лагерите.

Таблица 2. Сравнителен анализ на методите за разпределение на толерантността

Тип ротор	Метод на разпределение	Характеристики
Симетричен	50% / 50%	Прост, но рядък в чистата си форма.
Асиметричен	Пропорционално на разстоянията	Отчита преместването на центъра на тежестта. Основен метод за валове между лагери.
Надвесен	Преразпределение на базата на моментни стойности	Изисква решаване на статични уравнения. Допустимите отклонения често са значително намалени, за да се защити далечното лагерно съединение.
Тесен (b ≪ L)	Отделни статични и двойни ограничения	Препоръчва се статичният дисбаланс и дисбалансът на въртящия момент да се посочват отделно, тъй като техните ефекти върху вибрациите са различни.

Глава 8. Грешки в баланса

Тази глава преминава от теорията към практиката. Дори ако изчислението на толеранса е перфектно, действителният остатъчен дисбаланс може да го надвиши поради грешки в процеса. ISO 1940-1 класифицира тези грешки като:

• Систематични грешки: неточности при калибрирането на машината, ексцентрични приспособления (дорни, фланци), ефекти от каналите за шпонки (виж ISO 8821).
• Случайни грешки: шум от инструментите, люлеене в опорите, промени в положението и позицията на ротора при повторното монтиране.

Стандартът изисква общата грешка в измерването да не надвишава определена част от допустимото отклонение (обикновено 10–15%). Ако грешките са големи, допустимото отклонение, използвано при балансирането, трябва да бъде стегнато, за да се гарантира, че действителното остатъчно небалансиране, включително грешката, все още отговаря на определената граница.

Глави 9 и 10. Сглобяване и проверка

Глава 9 предупреждава, че балансирането на отделните компоненти не гарантира, че сглобката ще бъде балансирана. Грешки при сглобяването, радиално отклонение и ексцентричност на съединението могат да обезсмислят внимателното балансиране на компонентите. Препоръчва се окончателно балансиране на напълно сглобения ротор.

Глава 10 описва процедурите за проверка. За юридически валидно потвърждение на качеството на балансирането не е достатъчно да се отпечата билет от балансираща машина. Трябва да се извърши проверка, която изключва грешки на машината — например, индексен тест (въртене на ротора по отношение на опорите) или използване на пробни тежести. Инструментът Balanset-1A може да се използва за извършване на такива проверки на място, като измерва остатъчната вибрация и я сравнява с изчислените ISO граници.

Интегриране на Balanset-1A в екосистемата ISO 1940-1

Преносимият уред Balanset-1A (произведен от Vibromera) е модерно решение, което позволява прилагането на изискванията на ISO 1940-1 на място, често без разглобяване на оборудването (балансиране на място).

1. Автоматизация на изчисленията по ISO 1940-1

Едно от основните препятствия при прилагането на стандарта е сложността на изчисленията в глави 6 и 7. Инженерите често пропускат строгите изчисления и разчитат на интуицията си. Balanset-1A решава този проблем чрез вградения си калкулатор за толеранс ISO 1940.

Работен процес: Потребителят въвежда масата на ротора, работната скорост и избира степен G от списък.

Резултат: софтуерът незабавно изчислява U_на и, най-важното, автоматично го разпределя между коригиращите равнини (равнина 1 и равнина 2), като взема предвид геометрията на ротора (радиуси, разстояния). Това елиминира човешката грешка при работа с асиметрични и надвиснали ротори.

2. Съответствие с метрологичните изисквания

Съгласно спецификациите си, Balanset-1A осигурява точност на измерване на скоростта на вибрациите от ±5% и точност на фазата от ±1°. За класове G16 до G2.5 (вентилатори, помпи, стандартни двигатели) това е повече от достатъчно за надеждно балансиране.

За клас G1 (прецизни задвижвания) уредът също е приложим, но изисква внимателна подготовка (минимизиране на външните вибрации, закрепване на монтажните елементи и др.).

Лазерният тахометър осигурява прецизна фазова синхронизация, която е от решаващо значение за разделяне на компонентите с дисбаланс при двуплоскостно балансиране, както е описано в глава 4 от стандарта.

3. Процедура за балансиране и отчитане

Алгоритъмът на уреда (метод на пробното тегло/коефициент на влияние) напълно съответства на физиката на твърдия ротор, описана в ISO 1940-1.

Типична последователност: измерване на първоначалната вибрация → инсталиране на пробно тегло → измерване → изчисляване на корекционната маса и ъгъл.

Проверка (глава 10): след инсталирането на коригиращите тежести, уредът извършва контролно измерване. Софтуерът сравнява получения остатъчен дисбаланс с допустимите отклонения по ISO. Ако състоянието U_рез ≤ U_на е удовлетворено, на екрана се показва потвърждение.

Отчитане: Функцията F6 “Отчети” генерира подробен отчет, включващ начални данни, вектори на дисбаланс, корекционни тегла и заключение за постигнатата степен G (например “Постигната степен на балансиране G 6.3”). Това превръща инструмента от средство за поддръжка в подходящо средство за контрол на качеството, подходящо за официално предаване на клиента.

Таблица 3. Обобщение: Прилагане на изискванията на ISO 1940-1 в Balanset-1A

Изискване по ISO 1940-1	Приложение в Balanset-1A	Практическа полза
Определяне на толерантността (Глава 6)	Вграден калкулатор от клас G	Незабавно изчисление без ръчни формули или диаграми.
Разпределение на толерантността (глава 7)	Автоматично разпределение по геометрия	Отчита асиметрията и изпъкналата геометрия.
Векторно разлагане (Глава 4)	Векторни диаграми и полярни графики	Визуализира дисбаланса; опростява поставянето на коригиращи тежести.
Проверка на остатъчния дисбаланс (глава 10)	Сравнение в реално време на Uрез срещу Uна	Обективна оценка “издържал/неиздържал”.
Документация	Автоматично генериране на отчети	Готов протокол за официално документиране на качеството на баланса.

Заключение

ISO 1940-1 е незаменим инструмент за осигуряване на качеството на въртящото се оборудване. Солидната му физическа основа (закони за сходство, векторни анализи) позволява прилагането на общи критерии към много различни машини. В същото време сложността на неговите разпоредби — особено разпределението на допуските — отдавна ограничава точното му приложение в реални условия.

Появата на инструменти като Balanset-1A премахва разликата между теорията на ISO и практиката на поддръжката. Чрез вграждането на логиката на стандарта в удобен за ползване интерфейс, инструментът позволява на персонала по поддръжката да извършва балансиране на световно ниво, удължавайки живота на оборудването и намалявайки честотата на повредите. С такива инструменти балансирането се превръща в прецизен, повтаряем и напълно документиран процес, а не в “изкуство”, практикувано от няколко експерти.

---

Официален ISO стандарт

За пълния официален стандарт, посетете: ISO 1940-1 в ISO Store

Забележка: Предоставената по-горе информация е общ преглед на стандарта. За пълния официален текст с всички технически спецификации, подробни таблици, формули и приложения, пълната версия трябва да бъде закупена от ISO.

---

← Обратно към основния индекс