バランス品質グレード （Gグレード）

バランス品質グレード（Gグレード）とは？

A バランス品質グレード, 一般的に「Gグレード」と呼ばれるこのグレードは、以下で定義された標準化された分類であり、 ISO 21940-11 （ISO 1940-1に取って代わった）最大許容残留不釣合いを規定する アンバランス 剛性ローター用。Gグレードは、ローターのバランス調整精度を定義します。これは、設置された機械の振動測定ではなく、ローターの質量と最大使用速度に基づいたローター自体の品質仕様です。

「G」の後の数字は、ローターの質量中心変位の最大許容速度を表し、ミリメートル毎秒（mm/s）で表されます。例えば、G 6.3は、比偏心率（e）と回転軸の質量中心変位の積を意味します。_per）であり、角速度（ω）は6.3 mm/sを超えてはなりません。G 2.5は、この速度を2.5 mm/sに制限します。Gの数値が低いほど、バランス公差は狭くなり、精度が向上し、許容残留アンバランスが減少します。

Gグレード制度の目的

G級システムが確立される前は、バランス調整の仕様は曖昧で、「可能な限りバランスをとる」または「滑らかになるまでバランスをとる」といったものでした。ISO G級システムは、この曖昧さを普遍的で検証可能な規格に置き換えました。この規格は、世界中のメーカー、サービスエンジニア、そしてエンドユーザーに共通の言語を提供します。主な目的は以下の通りです。

1. アンバランスによる振動を許容レベル以下に抑える

アンバランス 回転速度の2乗に比例して増加する遠心力が発生します。これらの力は振動、騒音、疲労負荷、そして最終的には機械の故障を引き起こします。Gグレードを指定することにより、エンジニアはこれらの力を、機械のベアリング、シール、そして構造が想定される耐用年数を通じて安全に耐えられるレベルに制限します。

2. ベアリングへの動的荷重の最小化

ベアリングは、アンバランスの影響を最も直接的に受ける部品です。残留アンバランスによる周期的なラジアル荷重は、転動体と軌道面に疲労荷重として作用します。ベアリング寿命（L₁₀）は負荷荷重の3乗に反比例するため、不釣合い力を少しでも減らすと、ベアリングの寿命は劇的に延びる可能性があります。モーターローターをG16からG6.3にバランス調整すると、通常、ベアリングのLは2倍になります。₁₀ 寿命；G 2.5 に釣り合わせると寿命が 4 倍になります。

3. 最高設計速度での安全な運転の確保

アンバランスによる遠心力はω²に比例します。つまり、回転速度が2倍になると、同じアンバランスによる遠心力は4倍になります。1500 RPMで許容範囲内のバランスが取れているローターでも、3000 RPMでは危険な振動を発生する可能性があります。Gグレードシステムでは、回転速度を許容範囲の計算に組み込むことでこの点を考慮し、ローターが最大定格回転速度でも安全であることを保証します。

4. 明確で測定可能な受け入れ基準を提供する

Gグレードは、「バランス品質」を主観的な判断から客観的かつ測定可能な合否基準へと変換します。バランス調整後、残留不釣り合いを算出された許容値と比較します。測定値が許容値を下回っている場合、ローターは合格となります。これは、製造品質管理、契約仕様、保証請求、そして規制遵守に不可欠です。

許容残留アンバランスの計算

Gグレードシステムの核となるのは、あらゆるローターのアンバランス許容値を具体的な数値で計算できることです。Gグレードからは、以下の2つの重要な値が導き出されます。

固有不釣合い（許容偏心）

比不釣合い（e_per）は、ローターの重心の回転軸からの最大許容変位量をマイクロメートル単位で表します。この値はGグレードと回転速度のみに依存し、ローターの質量には依存しません。そのため、異なるサイズのローターのバランス品質を比較する際に役立ちます。

許容残留不釣合い合計

許容残留不釣合い量（U_per）は、バランシング技術者が実際に達成しなければならない目標値です。これはg·mm（グラム・ミリメートル）で表されます。これは、残留アンバランス質量と回転軸からの距離の積です。この数値はバランシングマシンに表示され、許容値と比較されます。

残留アンバランスによる遠心力

この式は、運転速度における許容残留アンバランスから軸受が耐えなければならない実際の動荷重を示します。この式は、軸受の定格荷重が適切であることを確認し、Gグレード仕様が実際の軸受に与える影響を理解するのに役立ちます。

変数リファレンス

適切なGグレードの選び方

ISO 規格では何百種類ものロータータイプが推奨されていますが、実際には、選択はいくつかの相互に関連する要因によって決まります。

機械の種類と用途

この規格では、ローターを用途別にグループ分けし、各グループにGグレードを推奨しています（上記のISO表を参照）。高速タービンは、低速農業機械（G 16またはG 40）よりもはるかに厳密なバランス調整（G 2.5またはG 1.0）が必要です。設計者は、機械が振動にどれほど敏感であるか、そしてアンバランスによって引き起こされる故障がどのような結果をもたらすかを考慮します。

ローター速度

速度は最も重要な要素です。同じGグレードの場合、許容アンバランス（U_per）は速度に比例して減少します。6000 RPMのローターの許容差は、3000 RPMの同じローターの許容差の半分になります。高速ローター（タービン、ターボチャージャー、研削スピンドル）の場合、許容差は非常に小さくなるため、特殊なバランス調整装置と手順が必要になります。

ベアリングタイプと支持剛性

剛性基礎上のローターは、柔軟（弾性）支持上のローターより通常はより厳しいバランスが必要です。これは、軟らかい支持の方が構造体へ伝達するアンバランス力が小さいためです。ISO 21940-11 もこれを反映しており、同じ本質的にバランスしたクランクシャフトドライブでも、剛固定では G 16、弾性支持では G 40 が割り当てられています。同様に、流体膜ベアリング上のローターは、油膜の減衰効果により、転がり軸受上のローターより大きなアンバランスを許容できる場合があります。

環境および安全要件

人の近くで稼働する機器（空調、医療機器）、騒音に敏感な環境、または安全性が極めて重要な用途（発電、航空、洋上）では、ローターの種類に応じて規格で推奨されているよりも厳しいバランス調整が求められる場合があります。一部の業界（石油化学、発電）では、ISOよりも厳しい制限を規定する独自の規格（API、IEEE）が存在します。

業界特有の推奨事項

2面バランス修正 — 許容差の配分

許容不釣合い量U_per Gグレードの計算式から計算されるのは ローター全体. 実際には、ほとんどのローターは 2 つの補正平面でバランス調整（動的バランス調整）されているため、許容誤差は平面間で配分する必要があります。

公差分布に関するISOガイダンス

• 対称ローター （CGはほぼ中間部）：Uを分割_per 2つのつり合わせ面に均等に分配されます。それぞれのつり合わせ面はU_per/2.
• 非対称ローター （重心が片方の端にオフセット）：重心（CG）からの軸受けまでの距離に比例して配分します。重心に最も近い平面に、より大きな許容値が割り当てられます。
• 単面バランス調整: U全体_per 単一の補正面に適用されます。これは、偶不釣合いが無視できる狭い円盤型ロータ（L/D < 0.5）に適しています。

実例

歴史的背景 — ISO 1940-1 から ISO 21940-11

Gグレードシステムは、いくつかの改訂を経て進化してきました。

• VDI 2060（1966年）： バランス品質等級の概念を確立したドイツのオリジナル規格。ドイツ技術者協会（Verein Deutscher Ingenieure）によって開発されました。
• ISO 1940 (1973、1986年改訂、2003年): VDI 2060コンセプトが国際的に採用されました。ISO 1940-1:2003「機械的振動 — 一定（剛性）状態におけるローターのつり合い品質要件」が、Gグレードの世界的な基準となりました。
• ISO 21940-11:2016： 現行規格。ローターバランス調整のあらゆる側面を網羅する包括的なISO 21940シリーズの一部です。パート11はバランス調整の品質要件を特に規定し、ISO 1940-1に代わるものです。Gグレードの値と適用表は基本的に変更ありませんが、主な変更点は編集上および構成上の変更です。

正式な規格の置き換えにもかかわらず、「ISO 1940」は依然として業界の会話、購入仕様書、機器マニュアルで最もよく使われる用語です。どちらの名称も同じGグレードシステムを指します。

Gグレードの適用におけるよくある間違い

間違い1：サービススピードの代わりにバランススピードを使う

G級公差は、 最高使用速度 （動作速度）であり、バランシングマシンの速度ではありません。多くのローターは、実用回転数よりも低い回転数でバランス調整されています。計算式にバランシング速度を使用すると、実際の動作条件に対して許容範囲が緩すぎます。 バランセット-1A ソフトウェアでは、このエラーを回避するために、バランシング速度とは別にサービス速度を入力できます。

間違い2：Gグレードと振動レベルを混同する

G 6.3は、設置された機械が6.3mm/sで振動することを意味するものではありません。G値は、 ローターのみ, 自由物体許容差として測定または計算されます。設置された機械の振動は、軸受の状態、 アライメント, 構造的 固有振動数, ダンピングなど。G 6.3にバランス調整されたローターは、設置状況によっては、ある機械では1 mm/sの振動を発生する一方、別の機械では4 mm/sの振動を発生する場合があります。

間違い3：グレードを過剰に指定する

G 6.3で十分な低速ファンにG 1.0を指定するのは、時間と費用の無駄です。より厳しいグレードでは、バランス調整の繰り返し回数が増え、より精密な機器が必要になり、バランス調整時間も長くなります。用途に適したグレードを指定してください。必要以上にバランス調整を高くすると、収益が減少するだけでなく、コストも増加します。

間違い4：各平面に合計許容差を適用する

前述の通り、U_per は 合計 ローターの許容誤差。2面バランスの場合は2で割る（非対称ローターの場合は比例配分する）。U_per 各修正面にそれぞれ許容差を適用すると、実際の合計許容差が2倍になり、意図したグレードを超える可能性があります。

間違い5：温度とアセンブリの変更を無視する

一部のローターは、熱変形、遠心力による伸び、または嵌合部の変化により、冷間（室温）と高温（動作温度）の条件でバランス状態が変化することがあります。室温でバランシングマシンの許容値G 2.5を満たすローターでも、動作温度ではこの許容値を超える場合があります。重要なローターの場合は、動作温度またはそれに近い温度での高速バランシングを推奨します。

間違い6：キーとキー溝の規則を無視する

ISO 21940-11では、キー溝付きローターのバランス調整において、ハーフキー方式（取り付け状態に近いバランス調整を行うために、バランス調整時にキー溝にハーフキーを追加する方式）を採用することが規定されています。フルキー、キーなし、あるいはこの方式を無視すると、初期不釣合い誤差が発生し、Gグレードの厳しい製品では大きな問題となる可能性があります。

Gグレードが重要な理由 - ビジネスケース

G グレードを適切に適用すると、測定可能なメリットが得られます。

• ベアリング寿命: ベアリングL₁₀ 寿命は(C/P)³に比例します。ここで、Pには不釣合い力が含まれます。不釣合い力を半分に減らすと、軸受寿命は最大8倍（2³ = 8）まで延びます。これは、メンテナンスコストとダウンタイムの削減に直接つながります。
• エネルギー効率: アンバランス 振動は、ベアリング、シール、ダンパーで熱としてエネルギーを放散します。バランスの取れたローターは低温で動作し、消費電力も少なくなります。産業用モーターでは、通常1～3%のエネルギーを節約できます。
• ノイズ低減: アンバランスによる振動は構造物を伝わり、騒音として放射されます。適切なGグレードを満たすことは、職場の騒音規制を遵守するための最も費用対効果の高い方法であることが多いです。
• 標準化と相互運用性: Gグレードシステムは、メーカーAによってバランス調整されたローターが、メーカーBによってバランス調整されたローターと同じ品質基準を満たすことを保証します。これは、グローバルサプライチェーンと互換性のあるコンポーネントにとって不可欠です。
• 規制遵守: 多くの業界では、保険、保証、安全認証のために、バランス品質に関する文書による証拠が求められています。Gグレードは、世界的に認められた文書化基準を提供します。

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