軸動平衡校正說明: 靜態與動態,現場程序與 ISO 21940 等級
現場工程師在現場校正轉子所需的一切——從不平衡的物理原理到最終驗證運轉。七步驟程序、試重公式、校正角度測量與 ISO 公差表。已在風機、粉碎機、破碎機與軸的 2,000 多個轉子上測試。
什麼是動平衡校正?
動平衡校正 是在轉子以運轉速度旋轉時,測量並校正旋轉體(轉子)質量分佈不均的過程。與僅校正單一平面質量偏移的靜平衡不同,動平衡處理 兩個或更多平面的同時不平衡,消除導致軸承振動的離心力與搖擺力偶。
每個旋轉部件——從 200 kg 的粉碎機轉子到 5 g 的牙科鑽頭主軸——都存在一定的殘餘不平衡。製造公差、材料不一致、腐蝕與積聚沉積物會使質量中心偏離幾何旋轉軸。結果是產生隨速度平方增長的離心力:RPM 加倍,力則變為四倍。
一個以 3,000 RPM 旋轉且在半徑 150 mm 處有 10 g 不平衡的轉子,會產生約 150 N 的旋轉力——足以在數週內摧毀軸承。動平衡將此力降低至國際標準(ISO 21940‑11,前身為 ISO 1940)規定的水平,將軸承壽命從數月延長至數年,並減少振動相關的停機時間。
靜平衡與動平衡
轉子的重心偏離其旋轉軸,其方向為 單平面。當放置在刀口支撐上時,重側會滾動至底部——無需旋轉即可偵測到此現象。
校正: 在與重點相對的單一角度位置增加或移除質量。單一校正平面即足夠。
適用於: 直徑 > 7× 寬度的窄型盤狀零件中偏離旋轉軸——飛輪、砂輪、單盤葉輪、鋸片、煞車盤。
兩個(或更多)質量偏移位於 不同平面 沿轉子長度方向。它們在靜態下可能相互抵消——轉子在刀口上保持靜止——但會產生 搖擺力偶 旋轉時。此力偶若不旋轉則無法偵測或校正。
校正: 兩個獨立平面中的兩個補償配重。儀器根據影響係數矩陣計算每個平面的質量與角度。
適用於: 細長轉子——軸、具有寬葉輪的風機、粉碎機轉子、滾輪、多級泵葉輪、渦輪機。
四種不平衡類型
ISO 21940‑11 區分了四種基本不平衡模式。了解哪一種佔主導地位有助於選擇正確的平衡策略。
實際上,您在現場遇到的幾乎每個轉子都具有動不平衡——力與力偶組件的組合。這就是為什麼對於非薄盤狀的任何轉子,雙平面平衡都是預設程序。
何時使用單平面與雙平面動平衡校正
決定因素在於轉子的 幾何比例 L/D (軸向長度與外徑之比)及其運轉速度。
| 評估準則 | 單平面(1 個感測器) | 雙平面(2 個感測器) |
|---|---|---|
| L/D 比例 | L/D < 0.14(直徑 > 7× 寬度) | L/D ≥ 0.14 |
| 典型零件 | 砂輪、飛輪、單盤葉輪、皮帶輪、煞車盤、鋸片 | 風機轉子、粉碎機、軸、滾筒、多級泵、渦輪機、破碎機 |
| 可校正的不平衡類型 | 僅靜態(力) | 靜態 + 力偶 + 動態(力 + 力矩) |
| 校正平面 | 1 | 2 |
| 測量運轉次數 | 2 次(初始 + 1 次試重) | 3 次(初始 + 2 次試重,每平面各一次) |
| 現場作業時間 | 15–20 分鐘 | 30–45 分鐘 |
ISO 21940‑11 平衡品質等級
ISO 21940‑11(ISO 1940‑1 的後續標準)為每類旋轉機械指定一個 平衡品質等級 G,定義為轉子重心允許的最大速度(mm/s)。允許的殘餘比不平衡量 eper (g·mm/kg)由等級與運轉速度計算得出:
G — 平衡品質等級(例如 6.3 表示 6.3 mm/s)
ω — 角速度,rad/s
RPM — 運轉速度,rev/min
| 等級 | e·ω, mm/s | 機型 |
|---|---|---|
G 0.4 |
0.4 | 陀螺儀、精密研磨機主軸 |
G 1.0 |
1.0 | 渦輪增壓器、燃氣渦輪機、有特殊要求的小型電機電樞 |
G 2.5 |
2.5 | 電動機、發電機、中大型渦輪機、有特殊要求的泵 |
G 6.3 |
6.3 | 風機、泵、流程機械、飛輪、離心機、一般工業機械 |
G 16 |
16 | 農業機械、破碎機、傳動軸(萬向軸)、破碎機零件 |
G 40 |
40 | 乘用車輪轂、曲軸總成(量產型) |
G 100 |
100 | 大型低速船用柴油引擎曲軸總成 |
範例:風機轉子
離心風機轉子重 80 kg,運轉速度為 1,450 RPM,校正半徑為 250 mm。所需平衡等級:G 6.3。
在校正半徑 250 mm 處:最大殘餘質量 = 3320 / 250 = 13.3 g 每平面
這意味著每個校正平面最多只能保留 13.3 g 的不平衡量——大約相當於三個 M6 墊圈的重量。
相關標準: ISO 21940‑11 (剛性轉子), ISO 21940‑12 (柔性轉子), ISO 10816‑3 (振動嚴重度限值), ISO 1940 (舊版前身標準)。
七步驟現場動平衡程序
這是用於雙平面現場動平衡的影響係數法,可搭配如 Balanset‑1A等便攜式儀器使用。相同的邏輯適用於任何雙通道動平衡分析儀。
Mt = Mr × K / (Rt × (N/100)²) 其中 Mr = 轉子質量(g),K = 支撐剛性係數(1–5,一般情況使用 3),Rt = 安裝半徑(cm),N = RPM。或使用我們的 線上試重計算器 — 輸入您的轉子參數,即可立即獲得建議質量。
試重計算
試重必須足夠重以產生明顯的振動變化,但又不能過重以免超載軸承或造成危險狀況。標準經驗公式考量了轉子質量、校正半徑、運轉轉速與支撐剛性:
Mr — 轉子質量,克
K — 支撐剛性係數(1 = 軟支撐,3 = 平均,5 = 剛性基礎)
Rt — 試重安裝半徑,公分
N — 運轉轉速,RPM
不想手動計算?使用我們的 線上試重計算器 ↗ — 輸入您的轉子參數、支撐類型與振動等級,即可立即獲得建議質量。
實例演算(K = 3,平均剛性)
| 機器 | 轉子質量 | RPM | 半徑 | 試重(K = 3) |
|---|---|---|---|---|
| 粉碎機轉子 | 120 kg | 2,200 | 30 cm | 360,000 / (30 × 484) ≈ 25 g |
| 工業風機 | 80 kg | 1,450 | 40 cm | 240,000 / (40 × 210.25) ≈ 29 g |
| 離心機轉鼓 | 45 kg | 3,000 | 15 cm | 135,000 / (15 × 900) = 10 g |
| 破碎機軸 | 250 kg | 900 | 25 cm | 750,000 / (25 × 81) ≈ 370 g |
校正角度測量
動平衡校正儀器針對每個校正平面輸出兩個數值: 質量 (重量多少)以及 角度 (放置位置)。角度始終以試重位置為參考。
如何測量角度
- 參考點(0°): 您放置試重的角度位置。在試運轉前,請在轉子上清楚標記該位置。
- 測量方向: 始終沿轉子旋轉方向。
- 讀取角度: 儀器會顯示校正平面 1 的角度 f₁ 與校正平面 2 的角度 f₂。從試重標記處,沿旋轉方向數出該角度數值——該處即為校正配重的放置位置。
- 若需移除質量: 將校正位置設在指示的「添加」位置對面 180° 處。
將配重拆分至固定位置
當轉子具有預鑽孔或固定安裝位置(例如風機葉片螺栓)時,您可能無法在精確計算的角度處放置配重。Balanset‑1A 內建 配重拆分功能:您輸入兩個最近可用位置的角度,軟體便會將單一校正向量分解為這兩個位置上的兩個較小配重。其綜合效果與原始向量相符。
校正平面與感測器放置
校正平面是轉子上增加或移除質量的軸向位置。感測器在最近軸承處測量振動。幾項關鍵規則:
- 感測器安裝在軸承座上 ——盡可能靠近軸承中心線,沿徑向方向(優先水平)。
- 平面 1 對應感測器 1, 平面 2 對應感測器 2。保持編號一致,否則軟體會交換校正平面。
- 最大化平面間距: 兩個校正平面相距越遠,力偶解析度越好。最小實用間距為軸承跨距的 ⅓。
- 選擇易於接近的位置: 校正平面必須是您可以實際安裝配重的位置——法蘭邊緣、螺栓圓、輪轂或焊接表面。
在上述照片中,粉碎機轉子已準備好進行雙平面平衡。藍色標記 1 和 2 指示軸承座上的感測器位置。紅色標記 1 和 2 顯示校正平面——在本例中為轉子本體的法蘭端,配重將在此處焊接。
懸臂(外伸)轉子
懸臂轉子——風機葉輪、安裝在軸承跨距外側的飛輪、泵葉輪——需要不同的感測器與平面佈局。兩個校正平面均位於軸承的同一側,且感測器放置必須考慮外伸質量會放大力偶不平衡。
依機器類型分類之應用
配重安裝方法
| 方法 | 固定方式 | 最適用於 | 限值 |
|---|---|---|---|
| 焊接 | 鋼製墊圈或板片點焊於轉子輪轂 | 粉碎機、破碎機、重型工業轉子 | 永久性。若無特殊焊條,不可用於鋁材或不鏽鋼 |
| 螺栓與螺母 | 螺栓穿過預鑽孔並使用防鬆螺母 | 風機葉輪、飛輪、聯軸器凸緣 | 需使用現有孔洞或新鑽孔 |
| 軟管夾 | 不鏽鋼軟管夾夾住配重 | 現場的軸、滾輪、圓柱形轉子 | 臨時性或半永久性。需確認夾緊扭矩 |
| 頂絲夾持式 | 預製夾持式配重(類似輪胎配重) | 風機葉片、薄輪轂、輕型轉子 | 質量範圍有限。高轉速時可能滑動 |
| 黏合劑(環氧樹脂) | 配重黏貼於表面 | 精密轉子、潔淨環境 | 需清潔乾燥之表面。溫度限制約 120°C |
| 材料去除 | 在重側鑽孔或研磨去除材料 | 渦輪增壓器、高速主軸、葉輪 | 永久性且精確,但不可逆。當增加配重不安全時使用 |
現場平衡常見錯誤
| # | 錯誤 | 後果 | 修正方法 |
|---|---|---|---|
| 1 | 感測器安裝於護罩或蓋板上 | 蓋板的共振會扭曲振幅與相位讀數 → 導致校正錯誤 | 務必安裝於軸承座的金屬表面 |
| 2 | 試重過輕 | 相位與振幅變化處於雜訊範圍內 → 影響係數不可靠 | 確保至少一個感測器的振幅變化 ≥30% 或相位偏移 ≥30° |
| 3 | 運轉間的速度變化 | 1× 振動隨 RPM² 變化 — 即使 5% 的速度變化也會破壞資料 | 使用轉速計進行精確的 RPM 追蹤。等待轉速穩定 |
| 4 | 忘記移除試重 | 校正計算包含試重效應 → 結果無意義 | 遵循嚴格流程:安裝校正配重前必須先移除試重 |
| 5 | 混淆校正平面 1 與校正平面 2 | 校正配重安裝於錯誤的校正平面 → 振動增加 | 清楚標示感測器與校正平面。感測器 1 → 校正平面 1,感測器 2 → 校正平面 2 |
| 6 | 測量角度與旋轉方向相反 | 校正位置為 360° − f 而非 f → 轉子相反側 | 開始前確認旋轉方向。務必沿旋轉方向測量 |
| 7 | 運轉時的熱膨脹 | 冷啟動運轉間軸承游隙變化 → 測量值漂移 | 於第 0 次運轉前預熱至穩態,或快速完成所有運轉(間隔 <5 分鐘) |
| 8 | 在長轉子上使用單平面校正 | 力偶不平衡未獲校正 → 遠端軸承處振動甚至可能增加 | 對於 L/D ≥ 0.14 或校正平面間距顯著的轉子,請使用雙平面動平衡校正 |
現場報告:切碎機轉子動平衡校正
機器: Maschio Bisonte 280 錘式切碎機,165 kg 轉子,2,100 RPM PTO 轉速。客戶回報更換 8 個錘片後出現嚴重振動。
設定: 兩個加速規安裝於軸承座上,雷射轉速計安裝於 PTO 軸。Balanset-1A 雙平面模式。
運轉 0: 感測器 1 = 12.4 mm/s @ 47°,感測器 2 = 8.9 mm/s @ 213°。ISO 10816-3 D 區(危險)。
試運轉: 兩個校正平面均使用 500 g 試重。反應明確 — 兩個感測器振幅變化 >60%。
校正: 校正平面 1:於 128° 焊接 340 g。校正平面 2:於 276° 焊接 215 g。
驗證: 感測器 1 = 0.8 mm/s,感測器 2 = 0.6 mm/s。ISO A 區(良好)。無需微調運轉。
風機雙平面動平衡校正
工業風機 — 離心式、軸流式及混流式 — 是現場最常進行動平衡校正的轉子類型。以下流程說明使用 Balanset‑1A 對徑向風機進行真實雙平面校正的步驟。
確定校正平面並安裝感測器
清潔感測器安裝表面,去除污垢與油污。感測器必須緊密貼合軸承座的金屬表面 — 絕不可安裝於護蓋、防護罩或無支撐的薄鋼板面板上。
- 感測器 1(紅色): 安裝於靠近風機前端(校正平面 1 側)。
- 感測器 2(綠色): 安裝在風機後側較近的位置(第 2 平面側)。
- 平面 1(紅色區): 校正平面位於葉輪盤上,靠近前側。
- 平面 2(綠色區): 校正平面靠近背板或輪轂。
將兩個振動感測器與雷射轉速計連接至 Balanset‑1A。在軸或輪轂上貼附反光膠帶,作為轉速參考基準。
動平衡校正流程
啟動風機並測量初始振動(Run 0)。在Plane 1的任意位置安裝一個已知質量的試重,運行風機,記錄振動變化(Run 1)。將試重移到Plane 2的任意位置,再次運行風機並記錄(Run 2)。Balanset-1A軟體會利用這三次測量結果,計算出每個平面的校正質量和角度。
風機校正配重的角度量測
角度是沿風機旋轉方向,從試重位置開始測量——正如 校正角度測量 節。標記試重所安裝的位置(作為0° 基準),然後沿旋轉方向計算所示角度,以確定校正配重的位置。
根據軟體計算出的角度和質量,在平面 1和平面 2上安裝校正配重。再次運轉風機,並根據 ISO 21940‑11 (通用風機通常為G 6.3)。若殘餘振動仍高於目標值,請進行一次修整運轉。
常見問題
現場平衡設備
Balanset‑1A 是一款雙通道便攜式儀器,可執行單平面和雙平面動平衡,並具備振動分析功能(總體速度、頻譜、波形)。它以完整套件形式提供:
- 2× 壓電式振動感測器(磁性安裝座)
- 雷射轉速計(非接觸式 RPM 感測器)搭配反光膠帶
- USB 測量單元(可連接任何 Windows 筆記型電腦)
- 軟體:動平衡精靈、振動計、頻譜分析儀
- 手提箱,內含所有纜線與配件
轉速範圍:300–100,000 RPM。振動範圍:0.5–80 mm/s RMS。相位精度:±1°。軟體內建配重分割、微調運轉、公差檢查與報告產生功能。整套裝備重 3.5 kg。
Nikolai Shelkovenko
Nikolai Shelkovenko是一名振動分析工程師,也是Vibromera的創辦人兼執行長。 15年多來,他一直在現場——而非在試驗台上——為旋轉設備進行動平衡校正:粉碎機、工業風機、破碎機、離心機、軸與主軸。正是這些實際工作催生了Balanset系列儀器——它們被設計為一種專業人員可以隨身攜帶到機器旁、在現場獨立使用的工具,而非實驗室設備。 Vibromera成立於2017年,自2023年起總部設於葡萄牙波爾圖。Balanset系列產品的研發、組裝與支援均在此完成。旗艦產品是Balanset-1A,一款用於單平面及雙平面動平衡校正與振動診斷的可攜式分析儀。 Nikolai親自參與客戶支援工作,處理各種棘手的動平衡校正案例,並參與軟體開發。他以任何語言為全球客戶提供服務。
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