ISO 1940-1: Krav för balanseringskvalitet för stela rotorer

Analysrapport: Djupgående analys av ISO 1940-1 “Balanseringskvalitetskrav för styva rotorer” och integrering av Balanset-1A-mätsystem i vibrationsdiagnostik

Inledning

I modern ingenjörspraxis och industriell produktion är dynamisk balansering av roterande utrustning en grundläggande process som säkerställer maskiners tillförlitlighet, livslängd och säkra drift. Obalans i roterande massor är den vanligaste källan till skadliga vibrationer, vilket leder till accelererat slitage på lagerkonstruktioner, utmattningsbrott i fundament och höljen samt ökat buller. På global nivå spelar standardiseringen av balanseringskrav en viktig roll för att harmonisera tillverkningsprocesser och acceptanskriterier för utrustning.

Det centrala dokumentet som reglerat dessa krav i årtionden har varit den internationella standarden ISO 1940-1. Även om branschen under de senaste åren gradvis har övergått till den nyare ISO 21940-serien, förblir principerna, de fysiska modellerna och metodiken i ISO 1940-1 grunden för ingenjörspraxis inom balansering. Att förstå den interna logiken i denna standard är viktigt inte bara för konstruktörer av rotorer, utan också för underhållsspecialister som använder moderna bärbara balanseringsinstrument som Balanset-1A.

Denna rapport syftar till att ge en uttömmande, detaljerad analys av varje kapitel i ISO 1940-1, att avslöja den fysiska betydelsen av dess formler och toleranser, och att visa hur moderna hårdvaru- och mjukvarusystem (med Balanset-1A som exempel) automatiserar tillämpningen av standardens krav, vilket minskar mänskliga fel och förbättrar noggrannheten i balanseringsprocedurerna.

Kapitel 1. Omfattning och grundläggande begrepp

Det första kapitlet i standarden definierar dess tillämpningsområde och introducerar en mycket viktig distinktion mellan olika typer av rotorer. ISO 1940-1 gäller endast rotorer i ett konstant (styvt) tillstånd. Denna definition är hörnstenen i hela metodiken, eftersom beteendet hos styva och flexibla rotorer är fundamentalt olika.

Fenomenologi hos den styva rotorn

En rotor klassificeras som styv om dess elastiska deformationer under centrifugalkrafter inom hela driftshastighetsområdet är försumbar små jämfört med de angivna obalans toleranserna. I praktiken innebär detta att rotorns massfördelning inte förändras nämnvärt när hastigheten varierar från noll till maximal driftshastighet.

En viktig konsekvens av denna definition är balanseringens invarians: en rotor som balanseras vid låg hastighet (till exempel på en balanseringsmaskin i en verkstad) förblir balanserad vid sin driftshastighet under drift. Detta gör det möjligt att utföra balansering vid hastigheter som är betydligt lägre än driftshastigheten, vilket förenklar och minskar kostnaden för processen.

Om en rotor arbetar i det superkritiska området (vid hastigheter över den första kritiska böjningshastigheten) eller nära resonans, utsätts den för betydande avböjningar. I detta fall beror den effektiva massfördelningen på hastigheten, och balansering som utförs vid en hastighet kan vara ineffektiv eller till och med skadlig vid en annan. Sådana rotorer kallas flexibla, och kraven för dem anges i en annan standard – ISO 11342. ISO 1940-1 utesluter medvetet flexibla rotorer och fokuserar endast på styva rotorer.

Undantag och begränsningar

Standarden specificerar också tydligt vad som ligger utanför dess tillämpningsområde:

Rotorer med varierande geometri (till exempel ledade axlar, helikopterblad).
Resonansfenomen i rotor-stöd-fundamentsystemet, om de inte påverkar klassificeringen av rotorn som styv.
Aerodynamiska och hydrodynamiska krafter som kan orsaka vibrationer som inte är direkt relaterade till massfördelningen.

ISO 1940-1 fokuserar således på tröghetskrafter som orsakas av missmatchningen mellan massaxeln och rotationsaxeln.

Kapitel 2. Normativa referenser

För att säkerställa en entydig tolkning av kraven hänvisar ISO 1940-1 till ett antal relaterade standarder. Den viktigaste är ISO 1925 “Mekaniska vibrationer – Balansering – Ordförråd”. Detta dokument fungerar som en ordbok som fastställer betydelsen av det tekniska språket. Utan en gemensam förståelse av termer som “huvudtröghetsaxel” eller “obalans i vridmoment” är effektiv kommunikation mellan en utrustningsköpare och en leverantör av balanseringstjänster omöjlig.

En annan viktig referens är ISO 21940-2 (tidigare ISO 1940-2), som behandlar balansfel. Den analyserar metodologiska och instrumentella fel som uppstår vid obalansmätning och visar hur man tar hänsyn till dem när man verifierar att toleranserna uppfylls.

Kapitel 3. Termer och definitioner

Att förstå terminologin är en nödvändig förutsättning för en djupgående analys av standarden. Detta kapitel ger strikta fysiska definitioner som ligger till grund för den senare beräkningslogiken.

3.1 Balansering

Balansering är processen att förbättra massfördelningen i en rotor så att den roterar i sina lager utan att generera obalanserade centrifugalkrafter som överskrider tillåtna gränser. Det är en iterativ procedur som innefattar mätning av initialtillståndet, beräkning av korrigerande åtgärder och verifiering av resultatet.

3.2 Obalans

Obalans är det fysiska tillståndet hos en rotor där dess huvudsakliga centrala tröghetsaxel inte sammanfaller med rotationsaxeln. Detta leder till centrifugalkrafter och moment som orsakar vibrationer i stöden. I vektorform definieras obalansen U som produkten av den obalanserade massan m och dess radiella avstånd r från rotationsaxeln (excentriciteten):

U = m · r

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

3.3 Specifik obalans

Specifik obalans är ett mycket viktigt begrepp för att jämföra balanskvaliteten hos rotorer med olika massor. Det definieras som förhållandet mellan den huvudsakliga obalansvektorn U och rotorns totala massa M:

e = U / M

Denna storhet har längddimensionen (vanligtvis uttryckt i mikrometer, µm, eller g·mm/kg) och representerar fysiskt excentriciteten hos rotorns tyngdpunkt i förhållande till rotationsaxeln. Specifik obalans är grunden för klassificering av rotorer i balanskvalitetsklasser.

3.4 Typer av obalans

Standarden skiljer mellan flera typer av obalans, som var och en kräver sin egen korrigeringsstrategi:

Statisk obalans. Den huvudsakliga tröghetsaxeln är parallell med rotationsaxeln men förskjuten från den. Den kan korrigeras med en enda vikt i ett enda plan (genom masscentrum). Typiskt för smala, skivliknande rotorer.
Parets obalans. Den huvudsakliga tröghetsaxeln passerar genom tyngdpunkten men är lutande i förhållande till rotationsaxeln. Den resulterande obalansvektorn är noll, men ett moment (ett par krafter) tenderar att “lutra” rotorn. Det kan endast elimineras av två vikter i olika plan som skapar ett kompenserande moment.
Dynamisk obalans. Det mest allmänna fallet, som representerar en kombination av statisk obalans och parobalans. Den huvudsakliga tröghetsaxeln är varken parallell med eller skär rotationsaxeln. Korrigering kräver balansering i minst två plan.

Kapitel 4. Relevanta aspekter av balansering

I detta kapitel beskrivs den geometriska och vektoriella representationen av obalans och regler för val av mät- och korrigeringsplan fastställs.

4.1 Vektorrepresentation

Varje obalans i en stel rotor kan matematiskt reduceras till två vektorer som ligger i två godtyckligt valda plan vinkelrätt mot rotationsaxeln. Detta är den teoretiska motiveringen för tvåplansbalansering. Instrumentet Balanset-1A använder exakt denna metod och löser ett system av vektorekvationer för att beräkna korrigeringsvikter i plan 1 och 2.

4.2 Referensplan och korrigeringsplan

Standarden gör en viktig åtskillnad mellan plan där toleranser anges och plan där korrigering utförs.

Toleransplan. Dessa är vanligtvis lagerplan (A och B). Här är vibrationer och dynamiska belastningar mest kritiska för maskinens tillförlitlighet. Tillåten obalans U_per specificeras normalt i förhållande till dessa plan.

Korrigeringplan. Dessa är de fysiskt tillgängliga platserna på rotorn där material kan läggas till eller tas bort (genom borrning, montering av vikter etc.). De behöver inte sammanfalla med lagerplanet.

Ingenjörens (eller balanseringsprogramvarans) uppgift är att omvandla tillåten obalans från lagerplanet till motsvarande toleranser i korrigeringsplanet, med hänsyn till rotorns geometri. Fel i detta skede kan resultera i en rotor som är formellt balanserad i korrigeringsplanet, men som ger oacceptabla belastningar på lagren.

4.3 Rotorer som kräver en eller två korrigeringsplaner

Standarden ger rekommendationer om antalet plan som krävs för balansering:

Ett flygplan. Tillräckligt för korta rotorer vars längd är mycket mindre än diametern (L/D < 0,5) och med försumbar axiell slitage. I detta fall kan obalansen i vridmomentet försummas. Exempel: remskivor, smala kugghjul, fläkthjul.
Två flygplan. Nödvändigt för långsträckta rotorer där momentobalansen kan vara betydande. Exempel: motorankare, pappersmaskinvalsar, kardanaxlar.

Kapitel 5. Överväganden om likhet

Kapitel 5 förklarar den fysiska logiken bakom G-balansens kvalitetsklasser. Varför krävs olika obalansgränser för en turbin jämfört med ett bilhjul? Svaret ligger i analysen av spänningar och belastningar.

Masslikhetslagen

För geometriskt liknande rotorer som arbetar under liknande förhållanden är den tillåtna restobalansen U_per är direkt proportionell mot rotorns massa M:

U_per ∝ M

Detta innebär att den specifika obalansen e_per = U_per / M bör vara densamma för sådana rotorer. Detta gör det möjligt att tillämpa enhetliga krav på maskiner av olika storlek.

Hastighetslikhetslagen

Den centrifugalkraft F som genereras av obalans definieras som:

F = M · e · Ω²

där Ω är vinkelhastigheten.

För att uppnå samma livslängd för lagren och liknande mekaniska belastningsnivåer i rotorer som arbetar med olika hastigheter måste centrifugalkrafterna hållas inom tillåtna gränser. Om vi vill att den specifika belastningen ska vara konstant, måste den tillåtna excentriciteten e minska när Ω ökar._per måste minska.

Teoretiska och empiriska studier har lett till följande samband:

e_per · Ω = konstant

Produkten av specifik obalans och vinkelhastighet har dimensionen linjär hastighet (mm/s). Den karakteriserar den linjära hastigheten för rotorns tyngdpunkt runt rotationsaxeln. Detta värde blev grunden för definitionen av G-balanskvalitetsgrader.

Kapitel 6. Specifikation av balancetoleranser

Detta är det mest praktiskt viktiga kapitlet, som beskriver metoder för att kvantitativt bestämma balancetoleranser. Standarden föreslår fem metoder, men den dominerande baseras på G-kvalitetsklassificeringssystemet.

6.1 G Balansens kvalitetsgrader

ISO 1940-1 introducerar en logaritmisk skala för balanseringskvalitetsklasser, betecknade med bokstaven G och ett tal. Talet representerar den maximalt tillåtna hastigheten för rotorns tyngdpunkt i mm/s. Steget mellan angränsande klasser är en faktor på 2,5.

Följande tabell ger en detaljerad översikt över G-graderna med typiska rotortyper. Denna tabell är det viktigaste verktyget för att välja balanseringskrav i praktiken.

Tabell 1. ISO 1940-1 Balanskvalitetsgrader (detaljerad)

G-klass	e_per · Ω (mm/s)	Typiska rotortyper	Expertkommentar
G 4000	4000	Vevaxlar för låghastighetsdieselmotorer för marina tillämpningar på styva fundament.	Utrustning med mycket låga krav där vibrationer absorberas av massiva fundament.
G 1600	1600	Vevaxlar för stora tvåtaktsmotorer.
G 630	630	Vevaxlar i stora fyrtaktsmotorer; marindieselmotorer på elastiska fästen.
G 250	250	Vevaxlar för högvarviga dieselmotorer.
G 100	100	Kompletta motorer för bilar, lastbilar, lokomotiv.	Typisk kvalitet för förbränningsmotorer.
G 40	40	Bilhjul och fälgar, kardanaxlar.	Hjulen balanseras relativt grovt eftersom däcket i sig medför betydande variationer.
G 16	16	Kardanaxlar (särskilda krav); jordbruksmaskiner; krosskomponenter.	Maskiner som arbetar under tuffa förhållanden men som kräver tillförlitlighet.
G 6.3	6.3	Allmän industriell standard: fläktar, pumpar, svänghjul, vanliga elmotorer, verktygsmaskiner, pappersmaskinvalsar.	Den vanligaste kvaliteten. Om det inte finns några särskilda krav används vanligtvis G 6.3.
G 2.5	2.5	Hög precision: gas- och ångturbiner, turbogeneratorer, kompressorer, elmotorer (>80 mm centrumhöjd, >950 varv/min).	Krävs för höghastighetsmaskiner för att förhindra för tidigt lagerhaveri.
G 1	1	Precisionsutrustning: slipspindeldrivningar, bandspelare, små höghastighetsarmaturer.	Kräver särskilt noggranna maskiner och förhållanden (renlighet, låg extern vibration).
G 0.4	0.4	Ultraprecisionsutrustning: gyroskop, precisionsspindlar, optiska diskenheter.	Nära gränsen för konventionell balansering; kräver ofta balansering i maskinens egna lager.

6.2 Metod för beräkning av U_per

Den tillåtna restobalansen U_per (i g·mm) beräknas utifrån G-graden med hjälp av formeln:

U_per = (9549 · G · M) / n

var:

G är balanskvalitetsgraden (mm/s), till exempel 6,3.,
M är rotorns massa (kg),
n är maximal driftshastighet (varv/min),
9549 är en enhetsomvandlingsfaktor (härledd från 1000 · 60 / 2π).

Exempel. Tänk dig en fläktrotor med massan M = 200 kg som arbetar vid n = 1500 rpm, med specificerad kvalitet G 6.3.

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

Detta är den totala tillåtna restobalansen för rotorn som helhet. Den måste sedan fördelas mellan planen.

6.3 Grafisk metod

Standarden innehåller ett logaritmiskt diagram (figur 2 i ISO 1940-1) som relaterar rotationshastighet till tillåten specifik obalans för varje G-klass. Med hjälp av detta kan en ingenjör snabbt uppskatta kraven utan beräkningar genom att lokalisera skärningspunkten mellan rotorhastigheten och den önskade G-klasslinjen.

Kapitel 7. Fördelning av tillåten kvarvarande obalans till korrigeringsplaner

U_per beräknat i kapitel 6 gäller rotorns tyngdpunkt. I praktiken utförs dock balanseringen i två plan (vanligtvis nära lagren). Kapitel 7 reglerar hur denna totala tolerans ska fördelas mellan korrigeringsplanen – ett mycket viktigt steg där misstag är vanliga.

7.1 Symmetriska rotorer

För det enklaste fallet med en symmetrisk rotor (tyngdpunkten exakt mitt emellan lagren och korrigeringsplanen symmetriska i förhållande till den) delas toleransen jämnt:

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

7.2 Asymmetriska rotorer (rotorer mellan lager)

Om tyngdpunkten förskjuts mot ett lager fördelas toleransen i proportion till de statiska reaktionerna vid lagren (omvänt proportionellt mot avstånden).

Låt L vara avståndet mellan toleransplan (lager), a avståndet från tyngdpunkten till det vänstra lagret, b till det högra lagret.

U_{per, vänster} = U_per · (b / L)
U_{per, rätt} = U_per · (a / L)

Således tilldelas det lager som bär den större statiska belastningen en större andel av obalans toleransen.

7.3 Överhängda och smala rotorer

Detta är det mest komplexa fallet som behandlas i standarden. För rotorer med en betydande överhängande massa (till exempel ett pumphjul på en lång axel) eller när korrigeringsplanen ligger nära varandra (b < L/3) är enkel fördelning inte längre tillräcklig.

En obalanserad massa på en överhängande del skapar ett böjmoment som belastar både det närmaste och det bortre lagret. Standarden inför korrigeringsfaktorer som skärper toleranserna.

För överhängda rotorer bör toleranserna beräknas om genom motsvarande lagerreaktioner. Detta leder ofta till en betydligt lägre tillåten obalans i det överhängda planet jämfört med en rotor mellan lagren med samma massa, för att förhindra överdriven lagerbelastning.

Tabell 2. Jämförande analys av metoder för toleransfördelning

Rotortyp	Tilldelningsmetod	Funktioner
Symmetrisk	50% / 50%	Enkel, men sällsynt i sin rena form.
Asymmetrisk	Proportionellt mot avstånd	Tar hänsyn till tyngdpunktsförskjutning. Huvudsaklig metod för axlar mellan lager.
Överhängd	Momentbaserad omfördelning	Kräver lösning av statiska ekvationer. Toleranserna minskas ofta avsevärt för att skydda det avlägsna lagret.
Smal (b ≪ L)	Separata statiska och kopplingsgränser	Det rekommenderas att ange statisk obalans och parobalans separat, eftersom deras effekter på vibrationer skiljer sig åt.

Kapitel 8. Balansfel

Detta kapitel går från teori till verklighet. Även om toleransberäkningen är perfekt kan den faktiska kvarvarande obalansen överskrida den på grund av fel i processen. ISO 1940-1 klassificerar dessa fel som:

Systematiska fel: felaktigheter vid maskinkalibrering, excentriska fixturer (dornar, flänsar), spårkileffekter (se ISO 8821).
Slumpmässiga fel: instrumentbrus, glapp i stöd, variationer i rotorns placering och position vid återmontering.

Standarden kräver att det totala mätfelet inte överstiger en viss andel av toleransen (vanligtvis 10–15%). Om felen är stora måste den arbetstolerans som används vid balanseringen skärpas för att säkerställa att den faktiska kvarvarande obalansen, inklusive felet, fortfarande uppfyller den angivna gränsen.

Kapitel 9 och 10. Montering och verifiering

Kapitel 9 varnar för att balansering av enskilda komponenter inte garanterar att enheten blir balanserad. Monteringsfel, radiellt kast och kopplingsexcentricitet kan upphäva noggrann komponentbalansering. Slutlig trimningsbalansering av den färdigmonterade rotorn rekommenderas.

Kapitel 10 beskriver verifieringsprocedurer. För att få en juridiskt giltig bekräftelse av balanseringskvaliteten räcker det inte att skriva ut en biljett från balanseringsmaskinen. Det måste finnas en kontroll som utesluter maskinfel – till exempel ett indexprov (rotera rotorn i förhållande till stöden) eller användning av provvikter. Instrumentet Balanset-1A kan användas för att utföra sådana kontroller på fältet, mäta restvibrationer och jämföra dem med beräknade ISO-gränser.

Integration av Balanset-1A i ISO 1940-1-ekosystemet

Det bärbara instrumentet Balanset-1A (tillverkat av Vibromera) är en modern lösning som möjliggör implementering av kraven i ISO 1940-1 på fältet, ofta utan att utrustningen behöver demonteras (balansering på plats).

1. Automatisering av beräkningar enligt ISO 1940-1

Ett av de största hindren för att tillämpa standarden är komplexiteten i beräkningarna i kapitel 6 och 7. Ingenjörer hoppar ofta över noggranna beräkningar och förlitar sig istället på sin intuition. Balanset-1A löser detta problem med sin inbyggda toleransberäknare enligt ISO 1940.

Arbetsflöde: användaren anger rotorns massa, driftshastighet och väljer en G-klass från en lista.

Resultat: programvaran beräknar omedelbart U_per och, viktigast av allt, fördelar den automatiskt mellan korrigeringsplanen (plan 1 och plan 2) med hänsyn till rotorns geometri (radier, avstånd). Detta eliminerar mänskliga fel vid hantering av asymmetriska och överhängande rotorer.

2. Efterlevnad av metrologiska krav

Enligt specifikationerna ger Balanset-1A en mätnoggrannhet för vibrationshastighet på ±5% och en fasnoggrannhet på ±1°. För klasserna G16 till G2,5 (fläktar, pumpar, standardmotorer) är detta mer än tillräckligt för säker balansering.

För klass G1 (precisionsdrivningar) är instrumentet också tillämpligt, men kräver noggrann förberedelse (minimering av yttre vibrationer, säkra fästen etc.).

Lasertakometern ger exakt fassynkronisering, vilket är avgörande för att separera obalanskomponenter vid tvåplansbalansering, såsom beskrivs i kapitel 4 i standarden.

3. Balanseringsförfarande och rapportering

Instrumentets algoritm (provvikt/påverkanskoefficientmetod) överensstämmer helt med fysiken för en styv rotor som beskrivs i ISO 1940-1.

Typisk sekvens: mäta initial vibration → installera provvikt → mäta → beräkna korrigeringsmassa och vinkel.

Verifiering (kapitel 10): Efter installation av korrigeringsvikter utför instrumentet en kontrollmätning. Programvaran jämför den resulterande kvarvarande obalansen med ISO-toleransen. Om villkoret U_res ≤ U_per är tillfredsställd, visas en bekräftelse på skärmen.

Rapportering: F6-funktionen “Rapporter” genererar en detaljerad rapport som innehåller initiala data, obalansvektorer, korrigeringsvikter och en slutsats om uppnådd G-klass (till exempel “Balanskvalitetsklass G 6.3 uppnådd”). Detta förvandlar instrumentet från ett underhållsverktyg till ett riktigt kvalitetskontrollverktyg som är lämpligt för formell överlämning till kunden.

Tabell 3. Sammanfattning: Implementering av kraven i ISO 1940-1 i Balanset-1A

Krav enligt ISO 1940-1	Implementering i Balanset-1A	Praktisk nytta
Fastställande av tolerans (kap. 6)	Inbyggd G-klassad kalkylator	Omedelbar beräkning utan manuella formler eller diagram.
Toleransfördelning (kap. 7)	Automatisk tilldelning efter geometri	Tar hänsyn till asymmetri och överhängande geometri.
Vektordekomposition (kap. 4)	Vektordiagram och polära diagram	Visualiserar obalans; förenklar placeringen av korrigeringsvikter.
Kontroll av kvarvarande obalans (kap. 10)	Realtidsjämförelse av U_res vs U_per	Objektiv bedömning av godkänd/underkänd.
Dokumentation	Automatisk rapportgenerering	Färdigt protokoll för formell dokumentation av balansens kvalitet.

Slutsats

ISO 1940-1 är ett oumbärligt verktyg för att säkerställa kvaliteten på roterande utrustning. Dess solida fysiska grund (likhetslagar, vektoranalys) gör det möjligt att tillämpa gemensamma kriterier på mycket olika maskiner. Samtidigt har komplexiteten i dess bestämmelser – särskilt tilldelningen av toleranser – länge begränsat dess exakta tillämpning under fältförhållanden.

Framväxten av instrument som Balanset-1A eliminerar klyftan mellan ISO-teorin och underhållspraxis. Genom att integrera standardens logik i ett användarvänligt gränssnitt gör instrumentet det möjligt för underhållspersonal att utföra balansering på en kvalitetsnivå i världsklass, vilket förlänger utrustningens livslängd och minskar felfrekvensen. Med sådana verktyg blir balansering en precis, repeterbar och fullständigt dokumenterad process snarare än en “konst” som utövas av ett fåtal experter.

Officiell ISO-standard

För den fullständiga officiella standarden, besök: ISO 1940-1 på ISO Store

Notera: Informationen ovan är en översikt över standarden. För den fullständiga officiella texten med alla tekniska specifikationer, detaljerade tabeller, formler och bilagor måste den fullständiga versionen köpas från ISO.

← Tillbaka till huvudmenyn