ISO 1940-1: Вимоги до якості балансування жорстких роторів

Аналітичний звіт: Глибокий аналіз стандарту ISO 1940-1 “Вимоги до якості балансування жорстких роторів” та інтеграція вимірювальних систем Balanset-1A у діагностику вібрації

Вступ

У сучасній інженерній практиці та промисловому виробництві динамічне балансування обертового обладнання є фундаментальним процесом, що забезпечує надійність, термін служби та безпечну експлуатацію машин. Незбалансованість обертових мас є найпоширенішим джерелом шкідливих вібрацій, що призводить до прискореного зносу підшипникових вузлів, втомної руйнування фундаментів і корпусів, а також до підвищення рівня шуму. У глобальному масштабі стандартизація вимог до балансування відіграє ключову роль в уніфікації виробничих процесів і критеріїв приймання обладнання.

Протягом десятиліть основним документом, що регулює ці вимоги, був міжнародний стандарт ISO 1940-1. Незважаючи на те, що в останні роки галузь поступово переходить на нову серію стандартів ISO 21940, принципи, фізичні моделі та методологія, закладені в ISO 1940-1, залишаються основою інженерної практики в області балансування. Розуміння внутрішньої логіки цього стандарту є важливим не тільки для конструкторів роторів, але й для фахівців з технічного обслуговування, які використовують сучасні портативні прилади для балансування, такі як Balanset-1A.

Цей звіт має на меті надати вичерпний, детальний аналіз кожного розділу стандарту ISO 1940-1, розкрити фізичне значення його формул і допусків, а також показати, як сучасні апаратно-програмні системи (на прикладі Balanset-1A) автоматизують застосування вимог стандарту, зменшуючи кількість людських помилок і підвищуючи точність процедур балансування.

Розділ 1. Сфера застосування та основні поняття

У першому розділі стандарту визначено його сферу застосування та введено надзвичайно важливе розрізнення між типами роторів. ISO 1940-1 застосовується лише до роторів у постійному (жорсткому) стані. Це визначення є основою всієї методології, оскільки поведінка жорстких і гнучких роторів принципово відрізняється.

Феноменологія жорсткого ротора

Ротор класифікується як жорсткий, якщо його пружні деформації під дією відцентрових сил у всьому діапазоні робочих швидкостей є незначними порівняно із зазначеними допусками нерівномірності. На практиці це означає, що розподіл маси ротора не змінюється істотно при зміні швидкості від нуля до максимальної робочої швидкості.

Важливим наслідком цього визначення є незмінність балансування: ротор, збалансований на низькій швидкості (наприклад, на балансувальній машині в майстерні), залишається збалансованим на робочій швидкості під час експлуатації. Це дозволяє виконувати балансування на швидкостях, значно нижчих за робочу швидкість, що спрощує та здешевлює процес.

Якщо ротор працює в надкритичній області (при швидкості вище першої критичної швидкості згину) або поблизу резонансу, він піддається значним відхиленням. У цьому випадку ефективний розподіл маси залежить від швидкості, і балансування, виконане при одній швидкості, може бути неефективним або навіть шкідливим при іншій. Такі ротори називаються гнучкими, і вимоги до них викладені в іншому стандарті — ISO 11342. ISO 1940-1 навмисно виключає гнучкі ротори і зосереджується тільки на жорстких.

Виключення та обмеження

Стандарт також чітко визначає, що не входить до його сфери застосування:

Ротори зі змінною геометрією (наприклад, шарнірні вали, лопаті вертольотів).
Резонансні явища в системі ротор-опора-фундамент, якщо вони не впливають на класифікацію ротора як жорсткого.
Аеродинамічні та гідродинамічні сили, які можуть спричиняти вібрацію, що не пов'язана безпосередньо з розподілом маси.

Таким чином, ISO 1940-1 зосереджується на інерційних силах, спричинених невідповідністю між віссю маси та віссю обертання.

Розділ 2. Нормативні посилання

Для забезпечення однозначного тлумачення своїх вимог ISO 1940-1 посилається на низку пов'язаних стандартів. Ключовим з них є ISO 1925 “Механічні вібрації — Балансування — Словник”. Цей документ виконує роль словника, що фіксує семантику технічної мови. Без спільного розуміння таких термінів, як “основна вісь інерції” або “дисбаланс пари”, ефективна комунікація між покупцем обладнання та постачальником послуг з балансування є неможливою.

Іншим важливим стандартом є ISO 21940-2 (раніше ISO 1940-2), який стосується похибок балансування. У ньому аналізуються методологічні та інструментальні похибки, що виникають під час вимірювання нерівноваги, та показано, як їх враховувати під час перевірки дотримання допусків.

Розділ 3. Терміни та визначення

Розуміння термінології є необхідною умовою для глибокого аналізу стандарту. У цьому розділі наведено строгі фізичні визначення, на яких базується подальша логіка розрахунків.

3.1 Балансування

Балансування — це процес поліпшення розподілу маси ротора, щоб він обертався в підшипниках без створення нерівномірних відцентрових сил, що перевищують допустимі межі. Це ітеративна процедура, що включає вимірювання початкового стану, розрахунок коригувальних дій і перевірку результату.

3.2 Незбалансованість

Дисбаланс — це фізичний стан ротора, при якому його головна центральна вісь інерції не збігається з віссю обертання. Це призводить до виникнення відцентрових сил і моментів, які викликають вібрацію опор. У векторній формі дисбаланс U визначається як добуток дисбалансної маси m і її радіального відстані r від осі обертання (ексцентриситет):

U = m · r

Одиниця SI — кілограм-метр (кг·м), але в практиці балансування зручнішою одиницею є грам-міліметр (г·мм).

3.3 Специфічний дисбаланс

Специфічний дисбаланс є надзвичайно важливим поняттям для порівняння якості балансування роторів з різною масою. Він визначається як відношення головного вектора дисбалансу U до загальної маси ротора M:

e = U / M

Ця величина має розмірність довжини (зазвичай виражається в мікрометрах, мкм, або г·мм/кг) і фізично представляє ексцентриситет центру маси ротора відносно осі обертання. Специфічна нерівновага є основою для класифікації роторів за класами якості балансування.

3.4 Типи дисбалансу

Стандарт розрізняє кілька типів дисбалансу, кожен з яких вимагає власної стратегії корекції:

Статичний дисбаланс. Основна вісь інерції паралельна осі обертання, але зміщена від неї. Це можна виправити за допомогою одного вага в одній площині (через центр маси). Типово для вузьких, дископодібних роторів.
Дисбаланс пари. Основна вісь інерції проходить через центр маси, але нахилена відносно осі обертання. Результуючий вектор дисбалансу дорівнює нулю, але момент сили (пара сил) має тенденцію “нахиляти” ротор. Його можна усунути лише за допомогою двох ваг у різних площинах, які створюють компенсуючий момент сили.
Динамічний дисбаланс. Найбільш загальний випадок, що представляє поєднання статичного та крутного дисбалансу. Основна вісь інерції не є паралельною до осі обертання і не перетинає її. Корекція вимагає балансування принаймні у двох площинах.

Розділ 4. Відповідні аспекти балансування

У цьому розділі детально розглядається геометричне та векторне представлення дисбалансу, а також встановлюються правила вибору площин вимірювання та корекції.

4.1 Векторне представлення

Будь-який дисбаланс жорсткого ротора можна математично звести до двох векторів, розташованих у двох довільно обраних площинах, перпендикулярних до осі обертання. Це є теоретичним обґрунтуванням двоплощинного балансування. Прилад Balanset-1A використовує саме цей підхід, вирішуючи систему векторних рівнянь для обчислення коригувальних ваг у площинах 1 і 2.

4.2 Опорні площини та площини корекції

Стандарт робить важливе розрізнення між площинами, в яких вказані допуски, та площинами, в яких виконується корекція.

Площини допусків. Зазвичай це площини підшипників (A і B). Тут вібрація і динамічні навантаження мають найбільше значення для надійності машини. Допустимий дисбаланс U_за зазвичай визначається відносно цих площин.

Площини корекції. Це фізично доступні місця на роторі, де можна додавати або видаляти матеріал (шляхом свердління, кріплення ваг тощо). Вони можуть не збігатися з площинами підшипників.

Завдання інженера (або програмного забезпечення для балансування) полягає в перетворенні допустимого дисбалансу з площин підшипників в еквівалентні допуски в площинах корекції з урахуванням геометрії ротора. Помилки на цьому етапі можуть призвести до того, що ротор буде формально збалансований в площинах корекції, але створюватиме неприпустимі навантаження на підшипники.

4.3 Ротори, що вимагають однієї або двох площин корекції

Стандарт містить рекомендації щодо кількості площин, необхідних для балансування:

Один літак. Достатньо для коротких роторів, довжина яких значно менша за діаметр (L/D < 0,5) і з незначним осьовим биттям. У цьому випадку дисбаланс пари можна не враховувати. Приклади: шківи, вузькі шестерні, вентиляторні колеса.
Два літаки. Необхідно для подовжених роторів, де дисбаланс крутного моменту може бути значним. Приклади: якорі електродвигунів, валки папероробних машин, карданні вали.

Розділ 5. Міркування щодо подібності

У розділі 5 пояснюється фізична логіка, що лежить в основі класів якості балансування G. Чому для турбіни та автомобільного колеса потрібні різні межі дисбалансу? Відповідь криється в аналізі напружень і навантажень.

Закон масової подібності

Для геометрично подібних роторів, що працюють в подібних умовах, допустимий залишковий дисбаланс U_за прямо пропорційна масі ротора M:

У_за ∝ M

Це означає, що конкретний дисбаланс e_за = U_за / M повинен бути однаковим для таких роторів. Це дозволяє застосовувати єдині вимоги до машин різних розмірів.

Закон подібності швидкості

Відцентрова сила F, що створюється дисбалансом, визначається як:

F = M · e · Ω²

де Ω — кутова швидкість.

Щоб досягти однакової тривалості терміну служби підшипників і подібних рівнів механічного навантаження в роторах, що працюють на різних швидкостях, відцентрові сили повинні залишатися в межах допустимих значень. Якщо ми хочемо, щоб питоме навантаження було постійним, то при збільшенні Ω допустима ексцентриситет e_за повинно зменшитися.

Теоретичні та емпіричні дослідження дозволили встановити наступну залежність:

е_за · Ω = константа

Добуток конкретного дисбалансу та кутової швидкості має розмірність лінійної швидкості (мм/с). Він характеризує лінійну швидкість центру маси ротора навколо осі обертання. Це значення стало основою для визначення класів якості балансування G.

Розділ 6. Специфікація допусків балансування

Це найбільш важливий з практичної точки зору розділ, в якому описано методи кількісного визначення допусків балансування. Стандарт пропонує п'ять методів, але домінуючим є метод, заснований на системі класів якості G.

6.1 G Якість балансу

ISO 1940-1 вводить логарифмічну шкалу ступенів якості балансування, позначену літерою G і цифрою. Цифра позначає максимально допустиму швидкість центру маси ротора в мм/с. Крок між сусідніми ступенями становить 2,5.

У наведеній нижче таблиці подано детальний огляд класів G із типовими типами роторів. Ця таблиця є основним інструментом для вибору вимог до балансування на практиці.

Таблиця 1. Класифікація якості балансу ISO 1940-1 (детальна)

Г-клас	е_за · Ω (мм/с)	Типові типи роторів	Коментар експерта
G 4000	4000	Колінчасті вали низькооборотних суднових дизельних двигунів на жорстких фундаментах.	Обладнання з дуже низькими вимогами, де вібрація поглинається масивними фундаментами.
G 1600	1600	Колінчасті вали великих двотактних двигунів.
G 630	630	Колінчасті вали великих чотиритактних двигунів; суднові дизельні двигуни на еластичних опорах.
G 250	250	Колінчасті вали високошвидкісних дизельних двигунів.
G 100	100	Повні двигуни автомобілів, вантажівок, локомотивів.	Типовий сорт для двигунів внутрішнього згоряння.
G 40	40	Автомобільні колеса та диски, карданні вали.	Колеса балансуються відносно грубо, оскільки сама шина створює значні відхилення.
G 16	16	Карданні вали (особливі вимоги); сільськогосподарська техніка; компоненти дробарок.	Машини, що працюють у важких умовах, але вимагають надійності.
G 6.3	6.3	Загальний промисловий стандарт: вентилятори, насоси, маховики, звичайні електродвигуни, верстати, валки папероробних машин.	Найпоширеніший сорт. Якщо немає особливих вимог, зазвичай використовується G 6.3.
G 2.5	2.5	Висока точність: газові та парові турбіни, турбогенератори, компресори, електродвигуни (висота центру >80 мм, частота обертання >950 об/хв).	Необхідний для високошвидкісних машин для запобігання передчасному пошкодженню підшипників.
G 1	1	Точне обладнання: приводи шліфувальних шпинделів, магнітофони, невеликі високошвидкісні арматури.	Вимагає особливо точних машин і умов (чистота, низький рівень зовнішніх вібрацій).
G 0.4	0.4	Надточне обладнання: гіроскопи, прецизійні шпинделі, оптичні дисководи.	Близько до межі звичайного балансування; часто вимагає балансування в підшипниках самої машини.

6.2 Метод розрахунку U_за

Допустимий залишковий дисбаланс U_за (в г·мм) розраховується за класом G за формулою:

У_за = (9549 · G · M) / n

де:

G — це показник якості балансування (мм/с), наприклад 6,3,
M — маса ротора (кг),
n — максимальна робоча швидкість (об/хв),
9549 — коефіцієнт перетворення одиниць виміру (отриманий з 1000 · 60 / 2π).

Приклад. Розглянемо ротор вентилятора з масою M = 200 кг, що працює з частотою обертання n = 1500 об/хв, із зазначеним класом G 6.3.

У_за ≈ (9549 · 6,3 · 200) / 1500 ≈ 8021 г·мм

Це загальний допустимий залишковий дисбаланс для ротора в цілому. Потім його необхідно розподілити між площинами.

6.3 Графічний метод

Стандарт містить логарифмічну діаграму (рис. 2 в ISO 1940-1), яка пов'язує швидкість обертання з допустимим питомим дисбалансом для кожного класу G. Використовуючи її, інженер може швидко оцінити вимоги без розрахунків, знайшовши точку перетину швидкості ротора з лінією бажаного класу G.

Розділ 7. Розподіл допустимого залишкового дисбалансу між площинами корекції

U_за розраховане в розділі 6, застосовується до центру маси ротора. Однак на практиці балансування виконується у двох площинах (зазвичай поблизу підшипників). Розділ 7 регулює, як розподілити цей загальний допуск між площинами корекції — це надзвичайно важливий етап, на якому часто трапляються помилки.

7.1 Симетричні ротори

У найпростішому випадку симетричного ротора (центр маси знаходиться точно посередині між підшипниками, а площини корекції симетричні відносно нього) допуск розподіляється рівномірно:

У_{за, L} = U_за / 2
У_за,R = U_за / 2

7.2 Асиметричні ротори (ротори між підшипниками)

Якщо центр маси зміщений у бік одного підшипника, допуск розподіляється пропорційно до статичних реакцій на підшипниках (обернено пропорційно до відстаней).

Нехай L — відстань між площинами допуску (підшипниками), a — відстань від центру маси до лівого підшипника, b — до правого підшипника.

У_{на,ліворуч} = U_за · (b / L)
У_{за, правильно} = U_за · (а / L)

Таким чином, підшипнику, який несе більшу статичну навантаження, призначається більша частка допуску на дисбаланс.

7.3 Висячі та вузькі ротори

Це найскладніший випадок, розглянутий у стандарті. Для роторів із значною висячою масою (наприклад, робоче колесо насоса на довгому валу) або коли площини корекції знаходяться близько одна до одної (b < L/3), просте розподілення вже не є достатнім.

Незбалансована маса на виносній частині створює згинальний момент, який навантажує як ближню, так і дальню опори. Стандарт вводить поправочні коефіцієнти, які посилюють допуски.

Для виступних роторів допуски слід перерахувати з урахуванням еквівалентних реакцій підшипників. Часто це призводить до значно меншого допустимого дисбалансу у виступній площині порівняно з ротором між підшипниками тієї ж маси, щоб запобігти надмірним навантаженням на підшипники.

Таблиця 2. Порівняльний аналіз методів розподілу толерантності

Тип ротора	Метод розподілу	Особливості
Симетричний	50% / 50%	Простий, але рідкісний у чистому вигляді.
Асиметричний	Пропорційно до відстаней	Враховує зміщення центру маси. Основний метод для валів між підшипниками.
Висячий	Перерозподіл на основі моменту	Вимагає вирішення статичних рівнянь. Допуски часто значно зменшуються для захисту дальнього підшипника.
Вузький (b ≪ L)	Окремі статичні та кутові обмеження	Рекомендується окремо вказувати статичний дисбаланс і дисбаланс крутного моменту, оскільки їх вплив на вібрацію відрізняється.

Розділ 8. Помилки балансу

Цей розділ переходить від теорії до реальності. Навіть якщо розрахунок допуску є ідеальним, фактичний залишковий дисбаланс може перевищувати його через помилки в процесі. ISO 1940-1 класифікує ці помилки як:

Систематичні помилки: неточності калібрування верстата, ексцентричні кріплення (оправки, фланці), ефекти шпоночного паза (див. ISO 8821).
Випадкові помилки: шум приладів, люфт опор, зміни в посадці та положенні ротора під час повторного монтажу.

Стандарт вимагає, щоб загальна похибка вимірювання не перевищувала певну частку допуску (зазвичай 10–15%). Якщо похибки великі, робочий допуск, що використовується при балансуванні, повинен бути зменшений, щоб фактичний залишковий дисбаланс, включаючи похибку, все ще відповідав зазначеному обмеженню.

Розділи 9 і 10. Збірка та перевірка

У розділі 9 зазначається, що балансування окремих компонентів не гарантує балансування вузла в цілому. Помилки складання, радіальний биття та ексцентриситет муфти можуть звести нанівець ретельне балансування компонентів. Рекомендується провести остаточне балансування повністю зібраного ротора.

У розділі 10 описано процедури перевірки. Для юридично дійсного підтвердження якості балансування недостатньо роздрукувати квиток балансувальної машини. Необхідно провести перевірку, яка виключає помилки машини, наприклад, індексний тест (обертання ротора відносно опор) або використання пробних ваг. Прилад Balanset-1A можна використовувати для проведення таких перевірок на місці, вимірюючи залишкову вібрацію та порівнюючи її з розрахованими межами ISO.

Інтеграція Balanset-1A в екосистему ISO 1940-1

Портативний прилад Balanset-1A (виробник Vibromera) – це сучасне рішення, яке дозволяє реалізувати вимоги ISO 1940-1 в польових умовах, часто без розбирання обладнання (балансування на місці).

1. Автоматизація розрахунків за стандартом ISO 1940-1

Однією з головних перешкод для застосування стандарту є складність розрахунків, наведених у розділах 6 і 7. Інженери часто пропускають ретельні розрахунки і покладаються на інтуїцію. Balanset-1A вирішує цю проблему за допомогою вбудованого калькулятора допусків ISO 1940.

Робочий процес: користувач вводить масу ротора, робочу швидкість і вибирає клас G зі списку.

Результат: програмне забезпечення негайно обчислює U_за і, що найважливіше, автоматично розподіляє його між площинами корекції (площина 1 і площина 2), враховуючи геометрію ротора (радіуси, відстані). Це виключає людську помилку при роботі з асиметричними і консольними роторами.

2. Відповідність метрологічним вимогам

Згідно з технічними характеристиками, Balanset-1A забезпечує точність вимірювання швидкості вібрації ±5% і точність фази ±1°. Для класів G16 до G2.5 (вентилятори, насоси, стандартні двигуни) цього більш ніж достатньо для надійного балансування.

Для класу G1 (прецизійні приводи) прилад також може застосовуватися, але вимагає ретельної підготовки (мінімізація зовнішніх вібрацій, закріплення кріплень тощо).

Лазерний тахометр забезпечує точну фазову синхронізацію, що є критично важливим для розділення компонентів дисбалансу при двоплощинному балансуванні, як описано в розділі 4 стандарту.

3. Процедура балансування та звітування

Алгоритм приладу (метод пробної ваги / коефіцієнта впливу) повністю відповідає фізиці жорсткого ротора, описаній в ISO 1940-1.

Типова послідовність: виміряти початкову вібрацію → встановити пробну вагу → виміряти → розрахувати коригувальну масу та кут.

Перевірка (Розділ 10): після встановлення коригувальних ваг прилад виконує контрольне вимірювання. Програмне забезпечення порівнює отриманий залишковий дисбаланс з допуском ISO. Якщо стан U_рес ≤ U_за задоволено, на екрані з'являється підтвердження.

Звітність: Функція F6 “Звіти” генерує детальний звіт, що включає вихідні дані, вектори дисбалансу, коефіцієнти корекції та висновок про досягнутий рівень якості G (наприклад, “Досягнуто рівень якості балансу G 6.3”). Це перетворює прилад з інструменту технічного обслуговування на повноцінний інструмент контролю якості, придатний для офіційної передачі замовнику.

Таблиця 3. Підсумок: Впровадження вимог ISO 1940-1 у Balanset-1A

Вимога ISO 1940-1	Впровадження в Balanset-1A	Практична користь
Визначення допуску (розд. 6)	Вбудований калькулятор класу G	Миттєвий розрахунок без ручних формул або діаграм.
Розподіл допусків (розд. 7)	Автоматичний розподіл за геометрією	Враховує асиметрію та виступну геометрію.
Розклад вектора (розд. 4)	Векторні діаграми та полярні графіки	Візуалізує дисбаланс; спрощує розміщення коригувальних ваг.
Перевірка залишкового дисбалансу (розд. 10)	Порівняння U в режимі реального часу_рес проти U_за	Об'єктивна оцінка “зараховано/не зараховано”.
Документація	Автоматичне формування звітів	Готовий протокол для офіційного документування якості балансу.

Висновок

ISO 1940-1 є незамінним інструментом для забезпечення якості обертового обладнання. Його міцна фізична основа (закони подібності, векторний аналіз) дозволяє застосовувати загальні критерії до дуже різних машин. Водночас складність його положень, зокрема розподіл допусків, довгий час обмежувала його точне застосування в польових умовах.

Поява таких інструментів, як Balanset-1A, усуває розрив між теорією ISO та практикою технічного обслуговування. Завдяки вбудовуванню логіки стандарту в зручний інтерфейс, інструмент дозволяє персоналу технічного обслуговування виконувати балансування на рівні світового класу, продовжуючи термін експлуатації обладнання та зменшуючи частоту відмов. За допомогою таких інструментів балансування стає точним, повторюваним і повністю задокументованим процесом, а не “мистецтвом”, яким володіють лише декілька експертів.

Офіційний стандарт ISO

Щоб ознайомитися з повним офіційним стандартом, відвідайте: ISO 1940-1 у магазині ISO

Зауважте: Наведена вище інформація є оглядом стандарту. Повний офіційний текст з усіма технічними специфікаціями, детальними таблицями, формулами та додатками необхідно придбати в ISO.

← Назад до головного індексу