ISO 1940-1: Krav til balansekvalitet for stive rotorer

Analytisk rapport: Grundig analyse av ISO 1940-1 “Kvalitetskrav til balansering av stive rotorer” og integrering av Balanset-1A-målesystemer i vibrasjonsdiagnostikk

Innledning

I moderne ingeniørpraksis og industriell produksjon er dynamisk balansering av roterende utstyr en grunnleggende prosess som sikrer pålitelighet, levetid og sikker drift av maskiner. Ubalanserte roterende masser er den vanligste årsaken til skadelige vibrasjoner, noe som fører til akselerert slitasje på lagerkonstruksjoner, utmattingsbrudd på fundamenter og foringsrør og økt støy. På global skala spiller standardiseringen av balanseringskrav en nøkkelrolle i å samordne produksjonsprosesser og akseptkriterier for utstyr.

Det sentrale dokumentet som har regulert disse kravene i flere tiår, er den internasjonale standarden ISO 1940-1. Selv om bransjen de siste årene gradvis har gått over til den nyere ISO 21940-serien, er prinsippene, fysiske modeller og metodikken som ligger til grunn for ISO 1940-1 fortsatt grunnlaget for ingeniørpraksis innen balansering. Det er viktig å forstå den interne logikken i denne standarden, ikke bare for designere av rotorer, men også for vedlikeholdsspesialister som bruker moderne bærbare balanseringsinstrumenter som Balanset-1A.

Denne rapporten har som mål å gi en uttømmende, detaljert analyse av hvert kapittel i ISO 1940-1, å avdekke den fysiske betydningen av formlene og toleransene, og å vise hvordan moderne maskinvare- og programvaresystemer (med Balanset-1A som eksempel) automatiserer anvendelsen av standardens krav, reduserer menneskelige feil og forbedrer nøyaktigheten av balanseringsprosedyrene.

Kapittel 1. Omfang og grunnleggende begreper

Det første kapitlet i standarden definerer dens omfang og introduserer et svært viktig skille mellom ulike typer rotorer. ISO 1940-1 gjelder kun rotorer i konstant (stiv) tilstand. Denne definisjonen er hjørnesteinen i hele metodikken, fordi oppførselen til stive og fleksible rotorer er fundamentalt forskjellig.

Fenomenologi av den stive rotoren

En rotor klassifiseres som stiv hvis dens elastiske deformasjoner under sentrifugalkrefter i hele driftshastighetsområdet er ubetydelig små sammenlignet med de spesifiserte ubalansetoleransene. I praksis betyr dette at massedistribusjonen til rotoren ikke endres vesentlig når hastigheten varierer fra null til maksimal driftshastighet.

En viktig konsekvens av denne definisjonen er at balanseringen er uforanderlig: en rotor som er balansert ved lav hastighet (for eksempel på en balanseringsmaskin i et verksted) forblir balansert ved sin driftshastighet i bruk. Dette gjør det mulig å utføre balansering ved hastigheter som er betydelig lavere enn driftshastigheten, noe som forenkler og reduserer kostnadene ved prosessen.

Hvis en rotor opererer i det superkritiske området (ved hastigheter over den første kritiske bøyehastigheten) eller nær resonans, er den utsatt for betydelige avbøyninger. I dette tilfellet avhenger den effektive massefordelingen av hastigheten, og balansering utført ved én hastighet kan være ineffektiv eller til og med skadelig ved en annen. Slike rotorer kalles fleksible, og kravene til dem er fastsatt i en annen standard – ISO 11342. ISO 1940-1 utelukker bevisst fleksible rotorer og fokuserer kun på stive rotorer.

Unntak og begrensninger

Standarden spesifiserer også tydelig hva som faller utenfor dens virkeområde:

Rotorer med endring i geometri (for eksempel leddaksler, helikopterblader).
Resonansfenomener i rotor-støtte-fundamentsystemet, hvis de ikke påvirker klassifiseringen av rotoren som stiv.
Aerodynamiske og hydrodynamiske krefter som kan forårsake vibrasjoner som ikke er direkte relatert til massefordelingen.

Derfor fokuserer ISO 1940-1 på treghetskrefter forårsaket av misforholdet mellom masseaksen og rotasjonsaksen.

Kapittel 2. Normative referanser

For å sikre entydig tolkning av kravene, henviser ISO 1940-1 til en rekke relaterte standarder. Den viktigste er ISO 1925 “Mekanisk vibrasjon – Balansering – Ordforråd”. Dette dokumentet fungerer som en ordbok som fastsetter semantikken i det tekniske språket. Uten en felles forståelse av begreper som “hovedtreghetsakse” eller “momentubalanse” er effektiv kommunikasjon mellom en utstyrskjøper og en leverandør av balanseringstjenester umulig.

En annen viktig referanse er ISO 21940-2 (tidligere ISO 1940-2), som omhandler balansefeil. Den analyserer metodologiske og instrumentelle feil som oppstår under ubalanse-måling og viser hvordan man kan ta hensyn til dem når man verifiserer at toleransene er oppfylt.

Kapittel 3. Begreper og definisjoner

Forståelse av terminologien er en nødvendig forutsetning for en grundig analyse av standarden. Dette kapittelet gir strenge fysiske definisjoner som den senere beregningslogikken er basert på.

3.1 Balansering

Balansering er prosessen med å forbedre massefordelingen på en rotor slik at den roterer i lagrene uten å generere ubalanserte sentrifugalkrefter som overskrider tillatte grenser. Det er en iterativ prosedyre som inkluderer måling av utgangstilstanden, beregning av korrigerende tiltak og verifisering av resultatet.

3.2 Ubalans

Ubalans er den fysiske tilstanden til en rotor der dens viktigste sentrale treghetsakse ikke sammenfaller med rotasjonsaksen. Dette fører til sentrifugalkrefter og momenter som forårsaker vibrasjoner i støttene. I vektorform defineres ubalansen U som produktet av den ubalanserte massen m og dens radiale avstand r fra rotasjonsaksen (eksentrisiteten):

U = m · r

SI-enheten er kilogram-meter (kg·m), men i balanseringspraksis er gram-millimeter (g·mm) en mer praktisk enhet.

3.3 Spesifikk ubalans

Spesifikk ubalans er et svært viktig begrep for å sammenligne balansekvaliteten til rotorer med ulik masse. Det defineres som forholdet mellom hovedubalansvektoren U og rotorens totale masse M:

e = U / M

Denne størrelsen har lengdedimensjonen (vanligvis uttrykt i mikrometer, µm, eller g·mm/kg) og representerer fysisk eksentrisiteten til rotorens tyngdepunkt i forhold til rotasjonsaksen. Spesifikk ubalansering er grunnlaget for klassifisering av rotorer i balansekvalitetsgrader.

3.4 Typer av ubalanse

Standarden skiller mellom flere typer ubalanser, som hver krever sin egen korrigeringsstrategi:

Statisk ubalanse. Hovedtreghetsaksen er parallell med rotasjonsaksen, men forskjøvet fra denne. Den kan korrigeres med en enkelt vekt i ett enkelt plan (gjennom tyngdepunktet). Typisk for smale, skivelignende rotorer.
Ubalansert par. Den viktigste treghetsaksen går gjennom tyngdepunktet, men er skråstilt i forhold til rotasjonsaksen. Den resulterende ubalanseringsvektoren er null, men et moment (et par krefter) har en tendens til å “vippe” rotoren. Dette kan bare elimineres ved hjelp av to vekter i forskjellige plan som skaper et kompenserende moment.
Dynamisk ubalanse. Det mest generelle tilfellet, som representerer en kombinasjon av statisk og parvis ubalanse. Den viktigste treghetsaksen er verken parallell med eller krysser rotasjonsaksen. Korreksjon krever balansering i minst to plan.

Kapittel 4. Relevante aspekter ved balansering

Dette kapittelet utdyper den geometriske og vektorielle representasjonen av ubalanse, og fastsetter regler for valg av måle- og korreksjonsplaner.

4.1 Vektorrepresentasjon

Enhver ubalanse i en stiv rotor kan matematisk reduseres til to vektorer som befinner seg i to vilkårlig valgte plan vinkelrett på rotasjonsaksen. Dette er den teoretiske begrunnelsen for to-plansbalansering. Balanset-1A-instrumentet bruker nettopp denne tilnærmingen og løser et system av vektorligninger for å beregne korreksjonsvekter i plan 1 og 2.

4.2 Referanseplan og korreksjonsplan

Standarden gjør et viktig skille mellom plan der toleranser er spesifisert og plan der korreksjon utføres.

Toleranseplan. Dette er vanligvis lagerplanene (A og B). Her er vibrasjon og dynamiske belastninger mest kritiske for maskinens pålitelighet. Tillatt ubalans U_per er normalt spesifisert i forhold til disse planene.

Korreksjonsplaner. Dette er de fysisk tilgjengelige stedene på rotoren hvor materiale kan legges til eller fjernes (ved boring, festing av vekter osv.). De trenger ikke å sammenfalle med lagerflatene.

Ingeniørens (eller balanseringsprogramvarens) oppgave er å konvertere tillatt ubalansering fra lagerplanene til tilsvarende toleranser i korreksjonsplanene, med hensyn til rotorgeometrien. Feil på dette stadiet kan føre til at rotoren er formelt balansert i korreksjonsplanene, men påfører lagrene uakseptable belastninger.

4.3 Rotorer som krever ett eller to korreksjonsplan

Standarden gir anbefalinger om antall plan som kreves for balansering:

Ett fly. Tilstrekkelig for korte rotorer hvis lengde er mye mindre enn diameteren (L/D < 0,5) og med ubetydelig aksialt slingring. I dette tilfellet kan ubalansen i paret neglisjeres. Eksempler: remskiver, smale tannhjul, viftehjul.
To fly. Nødvendig for langstrakte rotorer hvor ubalansen i dreiemomentet kan være betydelig. Eksempler: motorarmaturer, papirmaskinruller, kardangaksler.

Kapittel 5. Overveielser om likhet

Kapittel 5 forklarer den fysiske logikken bak G-balanseringskvalitetsklassene. Hvorfor kreves det forskjellige ubalanseringsgrenser for en turbin og et bilhjul? Svaret ligger i analysen av spenninger og belastninger.

Masse-likhetsloven

For geometrisk like rotorer som opererer under like forhold, er den tillatte restubalanse U_per er direkte proporsjonal med rotormassen M:

U_per ∝ M

Dette betyr at den spesifikke ubalansen e_per = U_per / M bør være det samme for slike rotorer. Dette gjør det mulig å bruke ensartede krav på maskiner av forskjellige størrelser.

Hastighetslikhetsloven

Sentrifugalkraften F som genereres av ubalansen, defineres som:

F = M · e · Ω²

der Ω er vinkelhastigheten.

For å oppnå samme levetid for lagrene og tilsvarende mekaniske belastningsnivåer i rotorer som opererer ved forskjellige hastigheter, må sentrifugalkreftene holdes innenfor tillatte grenser. Hvis vi ønsker at den spesifikke belastningen skal være konstant, må den tillatte eksentrisiteten e_per må reduseres.

Teoretiske og empiriske studier har ført til følgende sammenheng:

e_per · Ω = konstant

Produktet av spesifikk ubalanse og vinkelhastighet har dimensjonen lineær hastighet (mm/s). Det karakteriserer den lineære hastigheten til rotorens tyngdepunkt rundt rotasjonsaksen. Denne verdien ble grunnlaget for definisjonen av G-balanseringskvalitetsgrader.

Kapittel 6. Spesifikasjon av balanse-toleranser

Dette er det mest praktisk viktige kapitlet, som beskriver metoder for kvantitativ bestemmelse av balanse-toleranser. Standarden foreslår fem metoder, men den dominerende er basert på G-kvalitetsklassifiseringssystemet.

6.1 G Balanseringskvalitetsgrader

ISO 1940-1 introduserer en logaritmisk skala for balanseringskvalitetsgrader, angitt med bokstaven G og et tall. Tallet representerer den maksimalt tillatte hastigheten til rotorens tyngdepunkt i mm/s. Trinnene mellom tilstøtende grader er en faktor på 2,5.

Tabellen nedenfor gir en detaljert oversikt over G-klassene med typiske rotortyper. Denne tabellen er det viktigste verktøyet for valg av balansekrav i praksis.

Tabell 1. ISO 1940-1 Kvalitetsgrader for balanse (detaljert)

G-klasse	e_per · Ω (mm/s)	Typiske rotortyper	Ekspertkommentar
G 4000	4000	Vevaksler til lavhastighets dieselmotorer for marineformål på stive fundamenter.	Utstyr med svært løse krav der vibrasjoner absorberes av massive fundamenter.
G 1600	1600	Vevaksler til store totaktsmotorer.
G 630	630	Vevaksler til store firetaktsmotorer; marinedieselmotorer på elastiske fester.
G 250	250	Vevaksler til høyhastighets dieselmotorer.
G 100	100	Komplette motorer til biler, lastebiler, lokomotiver.	Typisk kvalitet for forbrenningsmotorer.
G 40	40	Bilhjul og felger, kardangaksler.	Hjulene balanseres relativt grovt fordi dekket i seg selv medfører betydelige variasjoner.
G 16	16	Kardanaksler (spesielle krav); landbruksmaskiner; knusekomponenter.	Maskiner som opererer under tunge forhold, men som krever pålitelighet.
G 6.3	6.3	Generell industristandard: vifter, pumper, svinghjul, vanlige elektriske motorer, maskinverktøy, papirmaskinruller.	Den vanligste kvaliteten. Hvis det ikke er spesielle krav, brukes vanligvis G 6.3.
G 2.5	2.5	Høy presisjon: gass- og dampturbiner, turbogeneratorer, kompressorer, elektriske motorer (>80 mm senterhøyde, >950 o/min).	Nødvendig for høyhastighetsmaskiner for å forhindre for tidlig skade på lagrene.
G 1	1	Presisjonsutstyr: slipespindeldrev, båndopptakere, små høyhastighetsarmaturer.	Krever spesielt nøyaktige maskiner og forhold (renhet, lav ekstern vibrasjon).
G 0.4	0.4	Ultrapresisjonsutstyr: gyroskoper, presisjonsspindler, optiske diskstasjoner.	Nær grensen for konvensjonell balansering; krever ofte balansering i maskinens egne lagre.

6.2 Metode for beregning av U_per

Den tillatte restubalanse U_per (i g·mm) beregnes fra G-graden ved hjelp av formelen:

U_per = (9549 · G · M) / n

hvor:

G er balansekvalitetsgraden (mm/s), for eksempel 6,3,
M er rotormassen (kg),
n er maksimal driftshastighet (o/min),
9549 er en enhetskonverteringsfaktor (avledet fra 1000 · 60 / 2π).

Eksempel. Tenk deg en vifterotor med masse M = 200 kg som opererer ved n = 1500 o/min, med spesifisert klasse G 6.3.

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

Dette er den totale tillatte restubalanse for rotoren som helhet. Den må deretter fordeles mellom planene.

6.3 Grafisk metode

Standarden inneholder et logaritmisk diagram (figur 2 i ISO 1940-1) som viser forholdet mellom rotasjonshastighet og tillatt spesifikk ubalans for hver G-klasse. Ved hjelp av dette kan en ingeniør raskt estimere kravene uten beregninger, ved å finne skjæringspunktet mellom rotorhastigheten og den ønskede G-klasselinjen.

Kapittel 7. Fordeling av tillatt gjenværende ubalanse til korreksjonsplaner

U_per beregnet i kapittel 6 gjelder rotorens tyngdepunkt. I praksis utføres imidlertid balanseringen i to plan (vanligvis nær lagrene). Kapittel 7 regulerer hvordan denne totale toleransen skal fordeles mellom korreksjonsplanene – et svært viktig trinn hvor feil ofte forekommer.

7.1 Symmetriske rotorer

For det enkleste tilfellet med en symmetrisk rotor (tyngdepunktet nøyaktig midt mellom lagrene og korreksjonsplanene symmetrisk i forhold til det), deles toleransen jevnt:

U_per,L = U_per / 2
U_per,R = U_per / 2

7.2 Asymmetriske rotorer (rotorer mellom lagrene)

Hvis tyngdepunktet forskyves mot ett lager, fordeles toleransen proporsjonalt med de statiske reaksjonene ved lagrene (omvendt proporsjonalt med avstandene).

La L være avstanden mellom toleranseplanene (lagrene), a avstanden fra tyngdepunktet til det venstre lageret, b til det høyre lageret.

U_{per, venstre} = U_per · (b / L)
U_{per, riktig} = U_per · (a / L)

Dermed tildeles lageret som bærer den største statiske belastningen en større andel av ubalansetoleransen.

7.3 Overhengende og smale rotorer

Dette er det mest komplekse tilfellet som behandles i standarden. For rotorer med betydelig overhengende masse (for eksempel et pumpehjul på en lang aksel) eller når korreksjonsflatene ligger tett sammen (b < L/3), er enkel fordeling ikke lenger tilstrekkelig.

En ubalansert masse på en overhengende del skaper et bøyemoment som belaster både det nærmeste og det fjerneste lageret. Standarden innfører korreksjonsfaktorer som strammer toleransene.

For overhengende rotorer bør toleransene beregnes på nytt gjennom tilsvarende lagerreaksjoner. Dette fører ofte til en betydelig lavere tillatt ubalans i det overhengende planet sammenlignet med en rotor mellom lagrene med samme masse, for å forhindre overdreven belastning på lagrene.

Tabell 2. Sammenlignende analyse av metoder for tildeling av toleranse

Rotortype	Tildelingsmetode	Funksjoner
Symmetrisk	50% / 50%	Enkel, men sjelden i sin rene form.
Asymmetrisk	Proportional med avstander	Tar hensyn til forskyvning av tyngdepunktet. Hovedmetode for mellomliggende aksler.
Overhengende	Momentbasert omfordeling	Krever løsning av statiske ligninger. Toleransene reduseres ofte betydelig for å beskytte det fjerne lageret.
Smal (b ≪ L)	Separate statiske og parbegrensninger	Det anbefales å spesifisere statisk ubalans og parubalanse separat, da deres innvirkning på vibrasjon er forskjellig.

Kapittel 8. Balanseringsfeil

Dette kapittelet går fra teori til praksis. Selv om toleranseberegningen er perfekt, kan den faktiske gjenværende ubalansen overstige den på grunn av feil i prosessen. ISO 1940-1 klassifiserer disse feilene som:

Systematiske feil: unøyaktigheter ved maskinkalibrering, eksentriske festemidler (dorner, flenser), kilefesteeffekter (se ISO 8821).
Tilfeldige feil: instrumentstøy, slitasje på støtter, variasjoner i rotorens plassering og posisjon under montering.

Standarden krever at den totale målefeilen ikke overstiger en viss brøkdel av toleransen (vanligvis 10–15%). Hvis feilene er store, må arbeidstoleransen som brukes ved balansering strammes inn for å sikre at den faktiske gjenværende ubalansen, inkludert feil, fortsatt oppfyller den angitte grensen.

Kapittel 9 og 10. Montering og verifisering

Kapittel 9 advarer om at balansering av individuelle komponenter ikke garanterer at enheten vil være balansert. Monteringsfeil, radialt slingring og eksentrisitet i koblingen kan oppheve nøye balansering av komponentene. Det anbefales å utføre en endelig trimbalansering av den ferdig monterte rotoren.

Kapittel 10 beskriver verifiseringsprosedyrer. For å få en juridisk gyldig bekreftelse av balanseringskvaliteten er det ikke nok å skrive ut en kvittering fra balanseringsmaskinen. Det må foretas en kontroll som utelukker maskinfeil – for eksempel en indeksprøve (roterende rotor i forhold til støttene) eller bruk av prøvevekter. Balanset-1A-instrumentet kan brukes til å utføre slike kontroller i feltet, måle restvibrasjon og sammenligne den med beregnede ISO-grenser.

Integrering av Balanset-1A i ISO 1940-1-økosystemet

Det bærbare Balanset-1A-instrumentet (produsert av Vibromera) er en moderne løsning som gjør det mulig å implementere kravene i ISO 1940-1 i felt, ofte uten å demontere utstyret (balansering på stedet).

1. Automatisering av ISO 1940-1-beregninger

Et av de største hindrene for å bruke standarden er kompleksiteten i beregningene i kapittel 6 og 7. Ingeniører hopper ofte over strenge beregninger og stoler på intuisjonen. Balanset-1A løser dette via den innebygde ISO 1940-toleranseberegneren.

Arbeidsflyt: brukeren legger inn rotormasse, driftshastighet og velger en G-klasse fra en liste.

Resultat: programvaren beregner umiddelbart U_per og, viktigst av alt, fordeler den automatisk mellom korreksjonsplanene (plan 1 og plan 2), med hensyn til rotorgeometrien (radier, avstander). Dette eliminerer menneskelige feil ved håndtering av asymmetriske og overhengende rotorer.

2. Overholdelse av metrologiske krav

I henhold til spesifikasjonene gir Balanset-1A en målenøyaktighet for vibrasjonshastighet på ±5% og en fasenøyaktighet på ±1°. For klassene G16 til G2,5 (vifter, pumper, standardmotorer) er dette mer enn tilstrekkelig for sikker balansering.

For klasse G1 (presisjonsdrev) kan instrumentet også brukes, men det krever nøye forberedelser (minimering av eksterne vibrasjoner, sikring av festene osv.).

Lasertakometeret gir presis fasesynkronisering, noe som er avgjørende for å skille ubalanserte komponenter i to-plansbalansering, som beskrevet i kapittel 4 i standarden.

3. Balanseringsprosedyre og rapportering

Instrumentets algoritme (prøvevekt/innflytelseskoeffisientmetode) samsvarer fullt ut med fysikken til en stiv rotor beskrevet i ISO 1940-1.

Typisk sekvens: måle innledende vibrasjon → installere prøvevekt → måle → beregne korreksjonsmasse og vinkel.

Verifisering (kapittel 10): etter installering av korreksjonsvekter utfører instrumentet en kontrollmåling. Programvaren sammenligner den resulterende gjenværende ubalansen med ISO-toleransen. Hvis tilstanden U_res ≤ U_per er tilfreds, viser skjermen en bekreftelse.

Rapportering: F6-funksjonen “Reports” genererer en detaljert rapport som inkluderer innledende data, ubalansvektorer, korreksjonsvekter og en konklusjon om oppnådd G-klasse (for eksempel “Balance Quality Grade G 6.3 achieved”). Dette forvandler instrumentet fra et vedlikeholdsverktøy til et skikkelig kvalitetskontrollverktøy som er egnet for formell overlevering til kunden.

Tabell 3. Sammendrag: Implementering av ISO 1940-1-krav i Balanset-1A

Krav i ISO 1940-1	Implementering i Balanset-1A	Praktisk fordel
Bestemme toleranse (kap. 6)	Innebygd G-klasse kalkulator	Øyeblikkelig beregning uten manuelle formler eller diagrammer.
Toleransefordeling (kap. 7)	Automatisk tildeling etter geometri	Tar hensyn til asymmetri og overhengende geometri.
Vektordekomponering (kap. 4)	Vektordiagrammer og polære diagrammer	Visualiserer ubalanse; forenkler plassering av korreksjonsvekter.
Kontroll av gjenværende ubalans (kap. 10)	Sammenligning av U i sanntid_res mot U_per	Objektiv “bestått/ikke bestått”-vurdering.
Dokumentasjon	Automatisk generering av rapporter	Ferdig protokoll for formell dokumentasjon av balansekvalitet.

Konklusjon

ISO 1940-1 er et uunnværlig verktøy for å sikre kvaliteten på roterende utstyr. Dens solide fysiske grunnlag (likhetslover, vektoranalyse) gjør det mulig å anvende felles kriterier på svært forskjellige maskiner. Samtidig har kompleksiteten i bestemmelsene – særlig tildelingen av toleranser – lenge begrenset den nøyaktige anvendelsen i feltforhold.

Fremveksten av instrumenter som Balanset-1A eliminerer gapet mellom ISO-teori og vedlikeholdspraksis. Ved å integrere standardens logikk i et brukervennlig grensesnitt, gjør instrumentet det mulig for vedlikeholdspersonell å utføre balansering på et kvalitetsnivå i verdensklasse, noe som forlenger utstyrets levetid og reduserer feilfrekvensen. Med slike verktøy blir balansering en presis, repeterbar og fullstendig dokumentert prosess, i stedet for en “kunst” som utøves av noen få eksperter.

Offisiell ISO-standard

For den fullstendige offisielle standarden, besøk: ISO 1940-1 på ISO-butikken

Merk: Informasjonen ovenfor er en oversikt over standarden. For den fullstendige offisielle teksten med alle tekniske spesifikasjoner, detaljerte tabeller, formler og vedlegg, må fullversjonen kjøpes fra ISO.

← Tilbake til hovedindeksen