平衡品質等級 （G 級別）

什麼是平衡品質等級（G 等級）？

A 平衡品質等級，通常稱為「G 等級」，是定義於 ISO 21940-11 （取代 ISO 1940-1）規定最大允許殘餘 不平衡 的剛性轉子。G 等級定義了轉子必須達到的動平衡校正精度——並非安裝後機器的振動測量值，而是基於轉子質量與最大運轉速度對轉子本身的品質規範。

字母「G」後的數值代表轉子質心位移的最大許容速度，以毫米每秒（mm/s）表示。例如，G 6.3 表示比偏心量（e_每）與角速度（ω）的乘積不得超過 6.3 mm/s。G 2.5 將此速度限制為 2.5 mm/s。G 數值越低，平衡公差越嚴格——意味著更高的精度與更少的允許殘餘不平衡量。

G 等級系統的目的

在 G 等級系統建立之前，動平衡校正規範含糊不清——「盡可能平衡」或「平衡至平穩」。ISO G 等級系統以通用、可驗證的標準取代了這種模糊性。它為全球的製造商、服務工程師及最終用戶提供了共同語言。主要目標如下：

1. 將不平衡引起的振動限制在可接受範圍內

不平衡 產生隨旋轉速度平方增加的離心力。這些力會導致振動、噪音、疲勞負荷，最終造成機械故障。透過指定 G 等級，工程師將這些力限制在機器軸承、密封件及結構於預期使用壽命內可安全承受的範圍內。

2. 最小化軸承的動態負荷

軸承是受不平衡影響最直接的組件。殘餘不平衡產生的循環徑向負荷會對滾動體與滾道造成疲勞負荷。軸承壽命（L₁₀）與施加負荷的立方成反比——因此即使不平衡力有适度降低，也能大幅延長軸承使用壽命。將馬達轉子從 G 16 校正至 G 6.3 通常可使軸承 L₁₀ 壽命；校正至 G 2.5 可使其延長四倍。

3. 確保在最大設計轉速下安全運轉

不平衡產生的離心力與 ω² 成正比——轉速加倍，相同不平衡量產生的力將增至四倍。在 1500 RPM 下平衡可接受的轉子，在 3000 RPM 時可能產生危險振動。G 級系統透過將轉速納入公差計算來考量此因素，確保轉子在最大額定轉速下安全運轉。

4. 提供明確、可量測的驗收標準

G 等級將「平衡品質」從主觀判斷轉化為客觀、可測量的通過/失敗標準。動平衡校正後，將殘餘不平衡量與計算出的公差進行比較。若測量值低於限值，則轉子通過。這對於製造品質控制、合約規範、保固索賠及法規符合性至關重要。

計算允許的殘餘不平衡量

G 等級系統的核心在於能夠為任何轉子計算出具體、數值化的不平衡公差。從 G 等級衍生出兩個關鍵量：

比不平衡量（允許偏心量）

比不平衡量（e_每）代表轉子重心相對於旋轉軸的最大許容位移，單位為微米。它僅取決於 G 等級與轉速——與轉子質量無關。這使其適用於比較不同尺寸轉子的平衡品質。

總許用殘餘不平衡量

總允許殘餘不平衡量（U_每）是動平衡校正技術人員必須達到的實際目標。其單位為 g·mm（克·毫米）——即殘餘不平衡質量乘以其距旋轉軸的距離。此數值會顯示於動平衡機上，並與公差進行比較。

殘餘不平衡產生的離心力

此公式顯示軸承在運轉轉速下必須承受的來自允許殘餘不平衡量的實際動態力。此公式有助於驗證軸承負荷額定值是否足夠，並理解 G 級規範在實際應用中的影響。

變數參考

如何選擇合適的 G 級別

ISO 標準針對數百種轉子類型提供了建議，但在實務上，選擇取決於幾個相互關聯的因素：

機器類型與應用

標準依應用將轉子分組，並為每組建議 G 級別（見上方 ISO 表格）。高速渦輪機所需的平衡精度（G 2.5 或 G 1.0）遠高於低速農業機械（G 16 或 G 40）。設計者會考量機器對振動的敏感度，以及不平衡導致故障的後果。

轉子轉速

轉速是單一最重要的因素。對於相同的 G 級別，允許的不平衡量（U_每）會隨轉速線性降低。轉速 6000 RPM 的轉子，其公差僅為同轉子在 3000 RPM 時的一半。對於高速轉子（渦輪機、渦輪增壓器、研磨機主軸），公差變得極小，需要專業的平衡設備與程序。

軸承類型與支撐剛性

剛性基礎上的轉子通常比彈性（彈性）支撐上的轉子需要更嚴格的平衡，因為軟支撐傳遞至結構的不平衡力較小。ISO 21940-11 反映了這一點：相同的天生平衡曲軸驅動器在剛性安裝時指定為 G 16，而在彈性安裝時指定為 G 40。同樣地，液體薄膜軸承上的轉子可能比滾動軸承上的轉子容忍更多的不平衡，這是因為油膜的阻尼效應。

環境與安全要求

在人員附近運轉的設備（HVAC、醫療設備）、對噪音敏感的環境，或安全關鍵應用（發電、航空、海上作業），可能需要比標準針對該轉子類型建議的更嚴格平衡。某些產業（石化、發電）有其自身標準（API、IEEE），規定的限制比 ISO 更嚴格。

特定產業建議

雙平面平衡 — 公差分配

總允許不平衡量 U_每 由 G 級別公式計算得出，適用於 整個轉子。實務上，大多數轉子均在兩個校正平面進行動平衡校正（動態平衡），因此公差必須在平面之間分配。

ISO 公差分配指引

• 對稱轉子 （重心約在跨距中點）：將 U_每 平均分配至兩個平面。每個平面獲得 U_每/2.
• 非對稱轉子 （重心偏向一端）：依軸承距重心的距離按比例分配。最接近重心的平面獲得較大比例的公差。
• 單平面動平衡校正： 整個 U_每 適用於單一校正平面。這適用於窄盤狀轉子（L/D < 0.5），其力偶不平衡可忽略不計。

計算範例

歷史背景 — 從 ISO 1940-1 到 ISO 21940-11

G 等級系統經歷了多次演進：

• VDI 2060 (1966)： 確立平衡品質等級概念的原創德國標準。由德國工程師協會（Verein Deutscher Ingenieure）制定。
• ISO 1940 (1973，修訂版 1986、2003)： VDI 2060 概念的國際採用。ISO 1940-1:2003「機械振動 — 恆定（剛性）狀態下轉子的平衡品質要求」成為全球 G 等級的參考標準。
• ISO 21940-11:2016： 現行標準。屬於涵蓋轉子動平衡所有面向的綜合性 ISO 21940 系列之一。第 11 部分專門規範平衡品質要求，並取代 ISO 1940-1。G 等級數值與應用表格基本保持不變；主要變更在於編輯與結構調整。

儘管已正式取代，「ISO 1940」在業界對話、採購規範及設備手冊中仍是最常用的參考。兩者均指相同的 G 等級系統。

應用 G 等級的常見錯誤

錯誤 1：使用平衡轉速而非運轉轉速

G 等級公差必須使用 最大運轉轉速 （運轉轉速）進行計算，而非平衡機轉速。許多轉子的平衡轉速低於其運轉轉速。在公式中使用平衡轉速會產生過於寬鬆的公差，無法符合實際運轉條件。 Balanset-1A 軟體允許您分別輸入運轉轉速與平衡轉速，以避免此錯誤。

錯誤 2：混淆 G 等級與振動水平

G 6.3 並不表示安裝後的機器振動值會為 6.3 mm/s。G 值是 單獨轉子，作為自由體公差測量或計算。安裝機器的振動取決於許多其他因素：軸承狀況， 對中，結構 自然頻率，阻尼等。根據安裝情況，平衡至 G 6.3 的轉子在一台機器中可能產生 1 mm/s 的振動，而在另一台機器中可能產生 4 mm/s 的振動。

錯誤 3：過度指定等級

為僅需 G 6.3 的低速風機指定 G 1.0 會浪費時間和金錢。更嚴格的等級需要更多的平衡迭代、更精密的設備以及更長的平衡時間。指定適合應用的等級——超出需求的更好平衡會帶來遞減的效益，同時增加成本。

錯誤 4：將總公差應用於每個平面

如上所述，U_每 是 總 轉子的公差。對於兩平面平衡，除以 2（或對不對稱轉子按比例分配）。將 U_每 應用於每個平面會使實際總公差加倍，可能超過預期的等級。

錯誤 5：忽略溫度和組裝變化

由於熱變形、離心膨脹或配合變化，某些轉子在冷態（環境溫度）和熱態（運轉）條件之間的平衡狀態會發生變化。在室溫下於平衡機上符合 G 2.5 的轉子，在運轉溫度下可能會超出此公差。對於關鍵轉子，建議在接近或等於運轉條件下進行高速平衡。

錯誤 6：忽視鍵和鍵槽慣例

ISO 21940-11 規定，當平衡帶有鍵槽的轉子時，應使用半鍵慣例（在平衡期間向鍵槽添加半個鍵以模擬安裝狀態）。使用整鍵、無鍵或忽略此慣例會引入初始不平衡誤差，對於嚴格的 G 等級而言，這可能非常顯著。

為何 G 等級重要——商業案例

正確應用 G 等級可帶來可衡量的效益：

• 軸承壽命： 軸承 L₁₀ 壽命與 (C/P)³ 成正比，其中 P 包含不平衡力。將不平衡減半可使軸承壽命增加高達 8 倍（2³ = 8）。這直接轉化為降低維護成本和停機時間。
• 能源效率： 不平衡不平衡引起的振動會以熱的形式在軸承、密封件和阻尼器中耗散能量。平衡良好的轉子運行溫度更低，耗電量更少——工業馬達通常可節省 1–3% 的能源。
• 降噪： 不平衡引起的振動會通過結構傳遞並輻射為噪音。符合正確的 G 等級通常是符合工作場所噪音法規最具成本效益的方法。
• 標準化與互操作性： G 等級系統確保由製造商 A 平衡的轉子與由製造商 B 平衡的轉子符合相同的品質標準——這對全球供應鏈和可互換組件至關重要。
• 法規符合性： 許多行業要求提供平衡品質的文件證據，以用於保險、保固和安全認證。G 等級提供了一種普遍認可的文件標準。

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