什麼是平衡品質等級（G 等級）？

快速解答

動平衡品質等級（G 級） 是依據 ISO 21940-11 (formerly ISO 1940-1) that defines the maximum permissible residual 不平衡 for a rigid rotor. The G number represents the maximum velocity of the rotor's center-of-gravity displacement in mm/s. Common grades: G 6.3 適用於一般機械（泵、風機、馬達）， G 2.5 for turbines, compressors and precision equipment, G 1.0 for grinding machine drives and audio/video drives (turbochargers fall under G 6.3 in the ISO table, though OEMs often specify tighter). The formula for permissible unbalance: U每 = 9549 × G × m / n （g·mm），其中 m = 質量（kg），n = 轉速（RPM）。

A 平衡品質等級, commonly called a "G-Grade," is a standardized classification defined in ISO 21940-11 （取代 ISO 1940-1）規定最大允許殘餘 不平衡 for a rigid rotor. The G-grade defines how precisely a rotor must be balanced — not a vibration measurement in the installed machine, but a quality specification for the rotor itself based on its mass and maximum service speed.

The number following the letter "G" represents the maximum permissible velocity of the rotor's center-of-mass displacement, expressed in millimeters per second (mm/s). For example, G 6.3 means the product of the specific eccentricity (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 數值的物理意義

The G value represents the maximum permissible velocity of the rotor's center of gravity relative to the geometric rotation axis, at the maximum service speed. G 6.3 means the center of gravity may move at no more than 6.3 mm/s relative to the spin axis. Since centrifugal force is proportional to this velocity squared, even small reductions in G-grade produce significant reductions in dynamic bearing loads.

G 等級系統的目的

Before the G-grade system was established, balancing specifications were vague — "balance as well as possible" or "balance until smooth." The ISO G-grade system replaced this ambiguity with a universal, verifiable standard. It provides a common language for manufacturers, service engineers, and end users worldwide. The main objectives are:

1. 將不平衡引起的振動限制在可接受範圍內

不平衡 produces centrifugal forces that increase with the square of rotational speed. These forces cause vibration, noise, fatigue loading, and ultimately mechanical failure. By specifying a G-grade, the engineer limits these forces to levels the machine's bearings, seals, and structure can safely tolerate throughout the intended service life.

2. 最小化軸承的動態負荷

Bearings are the components most directly affected by unbalance. The cyclic radial load from residual unbalance acts as a fatigue load on rolling elements and raceways. Bearing life (L10) is inversely proportional to the cube of the applied load — so even a modest reduction in unbalance force can dramatically extend bearing service life. Balancing a motor rotor from G 16 to G 6.3 typically doubles bearing 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

The G-grade converts "balance quality" from a subjective judgment into an objective, measurable pass/fail criterion. After balancing, the residual unbalance is compared against the calculated tolerance. If the measured value is below the limit, the rotor passes. This is essential for manufacturing quality control, contractual specifications, warranty claims, and regulatory compliance.

計算允許的殘餘不平衡量

The core of the G-grade system is the ability to calculate a specific, numerical unbalance tolerance for any rotor. Two key quantities are derived from the G-grade:

比不平衡量（允許偏心量）

允許比不平衡量（偏心量）
e每 = (9549 × G) / n
e每 單位為 µm（微米），G 單位為 mm/s，n 單位為 RPM。常數 9549 = 60×1000/(2π)

比不平衡量（e每) represents the maximum permissible displacement of the rotor's center of gravity from the rotation axis, in micrometers. It depends only on the G-grade and the speed — not on the rotor mass. This makes it useful for comparing the balance quality of rotors of different sizes.

總許用殘餘不平衡量

總許用殘餘不平衡量
U每 = e每 × m = (9549 × G × m) / n
U每 單位為 g·mm，G 單位為 mm/s，m 單位為 kg，n 單位為 RPM

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

公差極限下的離心力
F = m × e每 × ω² = U每 × ω² / 10⁶
F 單位為牛頓，e每 單位為公尺，ω = 2π×n/60 單位為 rad/s。當 U每 單位為 g·mm 時需除以 10⁶

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

符號名稱單位說明
G平衡品質等級mm/s乘積 e每·ω；定義 ISO 等級（例如 6.3、2.5、1.0）
e每允許比不平衡µm質心相對於旋轉軸的最大偏移量
U每允許殘餘不平衡g·mm總不平衡公差 = e每 × 質量
m轉子質量kg待校正轉子的總質量
n最大運轉速度RPM轉子運轉的最高速度
ω角速度rad/s= 2π × n / 60
F離心力N轉速下殘餘不平衡產生的動態力

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

A rotor on a rigid foundation typically requires tighter balance than one on flexible (elastic) supports, because soft mounts transmit less of the unbalance force to the structure. ISO 21940-11 reflects this: the same inherently balanced crankshaft drive is assigned G 16 when rigidly mounted but G 40 when elastically mounted. Similarly, rotors on fluid-film bearings may tolerate more unbalance than those on rolling-element bearings due to the damping effect of the oil film.

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

產業 / 應用典型 G 等級備註
發電（渦輪機）G 1.0 – G 2.5API 612/617 通常規定比 ISO 更嚴格
石油 / 化工（泵浦、壓縮機）G 2.5 – G 6.3API 610 泵浦通常為 G 2.5 或更嚴格
HVAC（風機、鼓風機、空氣處理機）G 6.3對噪音敏感的安裝可能要求 G 2.5
Pulp & paper (rollers, dryers)G 6.3 – G 16大型低速滾輪；高質量可彌補較低的精度
Mining & minerals (crushers, screens)G 16 – G 40嚴苛環境；中等精度即可接受
汽車（輪胎、傳動軸）G 16 – G 40NVH 要求可能比 ISO 最低標準更嚴格
機床（主軸、驅動裝置）G 1.0 – G 2.5表面加工品質取決於主軸平衡
船舶（螺旋槳軸、引擎）G 6.3 – G 40Classification society rules (DNV, Lloyd's, ABS) apply
風能（轉子輪轂、發電機）G 6.3葉片節距不平衡與輪轂平衡分開處理
航空航太（渦輪風扇、陀螺儀）G 0.4 – G 2.5極度嚴格；軍規標準（MIL-STD）可能優先於 ISO

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. In practice, most rotors are balanced in two correction planes (dynamic balancing), so the tolerance must be apportioned between the planes.

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。
  • Single-plane balancing: 整個 U每 applies to the single correction plane. This is appropriate for narrow disc-shaped rotors (L/D < 0.5) where couple unbalance is negligible.
Important: Don't Double the Tolerance

常見錯誤是計算出 U每 後，將此值應用於 每次 平面，實際上使總公差加倍。正確做法：U每 是總量；將其分配至各平面。對稱轉子每個平面獲得 U每/2。

計算範例

範例 1：離心泵葉輪

已知： 泵浦葉輪，質量 = 12 kg，運轉速度 = 2950 RPM，要求級別 G 6.3。

步驟 1 — 比不平衡量： e每 = 9549 × 6.3 / 2950 = 20.4 µm

步驟 2 — 總公差： U每 = 20.4 × 12 = 245 g·mm

步驟 3 — 每平面（對稱）： 245 / 2 = 每平面 122 g·mm

步驟 4 — 校正配重： 在校正半徑 R = 100 mm 處：配重 = 122 / 100 = 1.22 克 每平面最大值

步驟 5 — 離心力： ω = 2π × 2950/60 = 308.9 rad/s。F = 245 × 10⁻⁶ × 308.9² = 23.4 N — 遠在軸承承載能力範圍內。

範例 2：大型工業風機

已知： 風機轉子，質量 = 85 kg，運轉速度 = 1480 RPM，所需等級 G 6.3。

步驟 1 — 比不平衡量： e每 = 9549 × 6.3 / 1480 = 40.6 µm

步驟 2 — 總公差： U每 = 40.6 × 85 = 3,455 g·mm

步驟 3 — 每平面： 3,455 / 2 = 每平面 1,728 g·mm

步驟 4 — 校正配重： 在 R = 400 mm 處：配重 = 1728 / 400 = 4.3 克 每平面最大值。

實務提示： 此風機可使用 Balanset-1A 便攜式平衡儀在轉子安裝狀態下進行現場動平衡。該設備會根據轉子質量和轉速自動計算 G 6.3 公差。

範例 3：汽車渦輪增壓器

已知： Turbine wheel, mass = 0.8 kg, max speed = 90,000 RPM, required grade G 1.0 (typical OEM specification for high-speed turbochargers — tighter than the ISO 21940-11 default of G 6.3).

步驟 1 — 比不平衡量： e每 = 9549 × 1.0 / 90000 = 0.106 µm — 約 100 奈米！

步驟 2 — 總公差： U每 = 0.106 × 0.8 = 0.085 g·mm

步驟 3 — 校正配重： 在 R = 20 mm 處：配重 = 0.085 / 20 = 0.004 克 （4 毫克！）每平面最大值。

實務提示： 此極嚴格的公差需要具備亞毫克解析度的專用高速平衡機。在此精度等級下，通常採用材料去除（研磨/鑽孔）而非添加配重。

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)： International adoption of the VDI 2060 concept. ISO 1940-1:2003 "Mechanical vibration — Balance quality requirements for rotors in a constant (rigid) state" became the worldwide reference for G-grades.
  • 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。

Despite the formal supersession, "ISO 1940" remains the most commonly used reference in industry conversations, purchase specifications, and equipment manuals. Both designations refer to the same G-grade system.

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。
符合 G 等級的實用平衡設備

The Balanset-1A 便攜式平衡儀內建 ISO 1940 / ISO 21940-11 公差計算器。輸入轉子質量、運轉速度和所需的 G 等級——軟體會自動計算 U每，在平面之間分配公差，並在每次平衡運行後提供清晰的通過/失敗指示。 Balanset-4 將此功能擴展至四通道測量，以應對複雜的平衡設置。

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