關於動平衡機製造商客戶要求合理性的兩點備註
簡介
過去一年半來，本公司收到超過 30 份關於購買各種類型 動平衡機。對這些詢價所附技術規格的分析顯示，大多數規格包含若干顯著影響機器生產週期與成本，並大幅縮小潛在供應商名單的特性。其中，有兩項要求尤為突出：
- 要求確保特定的 剩餘不平衡，不得超過 0.1 g*mm/kg (µm)。
- 要求將動平衡機納入測量儀器登記冊。
讓我們從實際使用者的角度，分析實施這些要求的合理性與可行性。
1. 機器精度要求分析
我們將使用一份針對設計用於平衡重量在 10 至 1500 kg 之間的電動機、渦輪機組及壓縮機轉子的動平衡機之技術規格，來驗證客戶精度要求的有效性。該規格設定了特定的殘餘不平衡量公差，根據客戶要求，該公差不得超過 0.1 g*mm/kg。
為驗證此要求，我們參考 ISO 1940-1 「機械振動 – 轉子平衡品質要求」。根據該表的建議，我們假設 轉子 電動機、渦輪機組及壓縮機的轉子，所訂購機器應確保的平衡精度，必須符合 G2.5 品質 等級。假設被平衡轉子的預期運轉旋轉頻率為 200 Hz（這已大幅涵蓋大多數已知機器的旋轉頻率），我們可以輕鬆使用標準中的公式 5 計算靜態（單平面）平衡的允許殘餘比不平衡量：eper = 2500 / (6.28 * 200) = 1.99 g*mm/kg。
考慮同一 ISO 1940-1 標準（現已被 ISO 21940-11），第 7 節規定，雙支撐非對稱轉子在進行動平衡校正時，其允許值至少應為 0.3 * eper，在我們的情況下即為 0.6 g*mm/kg，而非原始技術規格書中要求的 0.1 g*mm/kg。此允許值的分配 動平衡公差 在兩個校正平面之間，可以透過我們的 剩餘不平衡計算器 (ISO 21940-11).
換句話說，正如我們的分析所示，此技術規格（以及許多其他類似文件）中對動平衡機精度的要求顯然過高。實施這些過高的要求，會使製造商陷入解決嚴峻的設計與技術任務，這些任務通常出現在極高精度機器的生產中，無疑會影響機器的成本與生產時間。此外，這些要求並非總是技術上可行的。
此外，還需特別注意的是，此類高精度機器的有效運作可能需要潛在客戶滿足若干額外條件，例如需要恆溫潔淨室、隔振基礎等，其建置成本甚至可能超過購買機器本身的費用。針對客戶代表（前述技術規格書的作者）可能提出的異議，即滿足此要求可在機器上實現顯著更低的不平衡量，實際上對應於 G0.4 等級，建議他們參考 GOST 22061-76《機器與技術設備。動平衡品質等級系統。基本規定》（其現代國際對應標準為 ISO 21940-11，前身為 ISO 1940-1）的建議，該標準在 ISO 1940-1 導入前曾生效。
該標準第 3 節由蘇聯平衡領域的頂尖專家編制，合理陳述如下：
- 歸類於第 1 級動平衡品質等級（依 ISO 1940-1 為 G0.4 級）的產品轉子，應在自身軸承內、於自身軸承座中，在所有運轉條件下使用自身驅動進行動平衡校正。
- 歸類於第 2 平衡品質等級（G1.0 等級）的產品轉子，應在自身軸承內或於自身機殼內進行平衡，若無自身驅動則使用特殊驅動。
- 歸類於第 3 至 11 平衡品質等級（G2.5 至 G4000 等級）的產品轉子，允許作為零件或組裝單元進行平衡。
這些建議的本質在於，在動平衡機上追求實現 G0.4 和 G1.0 平衡品質等級，在技術與經濟上往往毫無意義。將轉子安裝到機器後，所達到的精度會喪失，為恢復精度，需對轉子組件（在自身軸承內並使用自身驅動）進行額外的重新平衡，此操作需使用便攜式振動平衡設備。
作為此論點的說明範例，我們可以考慮為高精度外圓磨床（精度等級「C」）使用的砂輪進行動平衡校正。根據前述 ISO 1940-1 表 1 的要求，砂輪的動平衡品質至少應符合 G0.4 級。鑒於砂輪在運轉時的預期轉速為 6000 rpm（100 Hz），使用 ISO 1940-1 中廣為人知的公式 7，我們確定允許的殘餘比不平衡量 eper，其值為 0.64 g*mm/kg。
換句話說，在動平衡機上完成動平衡校正並確保此公差後，砂輪相對於技術軸（動平衡機心軸軸線）的質心位移不應超過 0.64 µm。由於根據國家標準 GOST 11654-90，C 級磨床主軸的允許徑向偏擺為 2 µm，將我們的砂輪安裝其上後（將砂輪從技術軸重新基準化至工作軸），殘餘比不平衡量可能會顯著增加，並至少超出 ISO 1940-1 建議公差的三倍。在此類及其他類似情況下，如前所述，需要進行額外的動平衡校正以補償組裝階段產生的誤差。
上述內容使我們可以斷言，在絕大多數情況下，中型與重型動平衡機的精度要求可限制在 0.5 g*mm/kg 甚至 1.0 g*mm/kg 的殘餘比不平衡量水平。在實踐中實施此建議，可使製造商顯著降低機器製造的複雜度與成本，同時客戶（在實施合理的工藝流程的前提下）可達到所需的平衡精度。此規則的主要例外可能是小型專用動平衡機，例如用於平衡陀螺儀轉子、汽車渦輪增壓器等。這些機器的設計特點允許實現 0.1 g*mm/kg 或更低的殘餘比不平衡量水平，這在技術上是合理的，在經濟上也是可行的。
2. 關於將動平衡機納入測量儀器登記冊的必要性
近年來，我國出現了一項令人吃驚的發現，這可能會讓開發金屬切削機器分類器的 ENIMS**「安息」專家們感到困惑。在某人的「輕手」之下，機器市場上出現了一種全新的設備類型——「振動測量動平衡機」，該設備必須擁有俄羅斯國家標準證書及相應標記。*)
一切本可安好，但突然發現「先進」客戶開始在其技術規格中納入一項強制性要求，即動平衡機必須納入測量儀器登記冊。讓我們嘗試理解此要求在法律與技術上的合理性，以及其經濟可行性。
首先，了解此要求與現有法規文件建議的關係是有用的。讓我們從 ISO 8-82「金屬切削機器。精度測試通用要求」開始。該標準確立了按精度對機器分類的基礎概念與原則、精度測試的通用要求，以及精度驗證方法的通用要求。需注意的是，該標準中對評估機器品質特性程序的引用僅使用「驗證」一詞，並未提及將機器納入測量儀器登記冊的必要性，以及相應的「校準」需求。
下一個值得關注的文件是 ISO 21940-21（前身為 ISO 2953）《機械振動 – 轉子動平衡 – 第 21 部分：動平衡機的說明與評估》。此標準針對動平衡機的技術特性及其「驗證」方法設定了具體要求，但同樣缺乏規定機器必須進行校正並納入測量儀器登記冊的要求。在此方面，應注意的是，其他類型機床的標準（如磨床與數控機床的 ISO 標準）中也未出現與校正相關的要求，這些機床可能也包含各種測量系統。
此外，在所有已知型號的進口動平衡機技術文件中也未發現類似要求，這在我們看來也是一項重要的先例。基於上述論點，可得出以下結論：
- 為機床（特別是動平衡機）制定的現行法規與技術文件，並未包含將其納入測量儀器登記冊的要求，以及相應的校準需求。因此，在競爭性採購程序中將此類要求納入技術規格，「事實上」顯著增加了機器的生產成本及其後續運行的費用，並且在我們看來，「法律上」侵犯了遵循現行法規文件字面與精神的善意機器製造商的權利。
- 測量系統的常規測試可以且應該作為動平衡機的一部分進行，並符合 ISO 21940-21（前身為 ISO 2953）的要求與建議，該標準規定在檢查期間使用參考轉子、一組試重與經校正的秤。這些測試必須包含以下類型的檢查：
- 檢查可達到的最小殘餘不平衡量（Umar）；
- 檢查不平衡減小係數（URR）；
- 檢查條件平衡迴路的運作（包含轉子旋轉 180° 的程序）。
需注意的是，這些檢查在無需將測量系統從機器上拆卸的情況下進行，且無需使用校準振動台，這消除了聘請外部組織專家的需求，並顯著降低了工作的勞動強度與成本。除了上述主要檢查外，如有必要，可直接在機器上檢查測量系統的其他重要參數（使用前述參考轉子、一組試重及校準秤），包括：
- 振動信號振幅與相位讀數的測量間重複性；
- 測量系統讀數對振動信號振幅的線性度；
- 測量系統的解析度能力（測量系統穩定記錄的最小不平衡量水平）等。
結論
作者希望動平衡機的客戶與製造商都能理解本文提出的論點與建議，其主要目標是在確保平衡作業適當品質的同時，將雙方的生產成本降至最低。
*註： 若此趨勢持續發展，不排除我們很快會得知振動測量磨床、振動測量壓力機，甚至振動測量軋鋼機的創建。畢竟，它們與動平衡機一樣，都可能使用專用的振動測量設備。
ENIMS 代表「金屬切削機床實驗研究所」（Экспериментально-исследовательский институт металлорежущих станков）。這是蘇聯時期致力於開發與改進各種類型金屬切削機器與設備的研究機構。該研究所透過制定法規文件與標準（如機床分類器及其精度測試方法），在推動機械工業發展與金屬加工設備標準化方面發揮了重要作用。
V.D. Feldman，LLC「Kinematics」首席專家，2024
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