定義：什麼是平衡品質等級？

A 平衡品質等級，通常稱為 G 級，是由 ISO 標準定義的分類系統——具體而言為 ISO 21940-11:2016，取代了舊版 ISO 1940-1:2003——用於規範可接受的 殘餘 不平衡 對於 剛性轉子。它為工程師、製造商與維護人員提供了一種標準化且國際公認的方法，用以定義轉子在其特定應用中所需的動平衡校正精度。

G 級數值（例如 G6.3 或 G2.5）代表轉子質心的恆定周邊速度，單位為毫米每秒（mm/s）。此速度為特定不平衡量（偏心）與轉子在最大服務速度下的角速度之乘積。G 數值越低，始終代表更高的精度與更嚴格的平衡公差。

G 等級背後的關鍵洞察

G 級系統的巧妙之處在於它認識到 振動嚴重度 取決的不僅是不平衡量的大小，還取決於轉子的旋轉速度。轉速為 30,000 RPM 且不平衡量為 10 g·mm 的轉子，其產生的振動力遠大於轉速為 1,500 RPM 且不平衡量同樣為 10 g·mm 的轉子。G 級將此關係濃縮為單一數值，使其適用於任何轉速，從而具有通用性。

歷史背景

G 等級概念起源於 1960 年代德國的 VDI 2060 指南。1973 年被國際採用為 ISO 1940，2003 年大幅修訂（ISO 1940-1:2003），最近於 2016 年作為 ISO 21940 系列的一部分更新。儘管標準編號有所變更，但基本的 G 等級系統與計算方法在 50 多年來始終保持一致，使其成為機械工程領域最穩定且廣泛採用的技術標準之一。

G 等級如何運作？數學原理

G 級並非最終的 平衡公差 本身，而是用於計算該公差的关键參數。理解 G 級、轉子轉速、轉子質量與允許不平衡量之間的數學關係，對於實際應用至關重要。您可以使用我們的 剩餘不平衡計算器 (ISO 21940-11).

核心關係

G 等級代表允許的比不平衡（偏心，e每）與轉子角速度（ω）的乘積：

基本定義
G = e每 × ω
其中 e每 單位為 mm（或 µm ÷ 1000），ω 單位為 rad/s

由於 ω = 2π × n / 60（其中 n 為 RPM），代入後可推導出動平衡工作中每日使用的實用公式：

允許比不平衡（偏心）
e每 = (G × 1000 × 60) / (2π × n) = 9549 × G / n
結果以 µm（微米）表示 — 亦等於 g·mm/kg

允許殘餘不平衡（實務公差）
U每 = e每 × M = (9549 × G × M) / n
U每 單位為 g·mm，M 單位為 kg，n 單位為 RPM。常數 9549 ≈ 60000/(2π)。

理解變數

變頻 名稱 單位 說明
G 平衡品質等級 mm/s ISO 針對該應用指定的品質等級（例如 2.5、6.3）
e每 允許比不平衡 µm 或 g·mm/kg 單位質量下，質心相對於幾何中心的最大允許位移
U每 允許殘餘不平衡 g·mm 最終公差值 — 動平衡校正後殘留的最大不平衡量
M 轉子質量 kg 待校正轉子的總質量
n 最大運轉速度 RPM 轉子在實際服務中將達到的最高運轉速度
ω 角速度 rad/s ω = 2π × n / 60；用於基本定義中
重要：請使用最大運轉速度

公式中的 RPM 必須是轉子在實際運轉中將達到的最高速度 — 而非動平衡機的速度。一個在低速動平衡機上以 300 RPM 校正，但實際運轉於 12,000 RPM 的轉子，其公差必須以 12,000 RPM 計算。動平衡機是依據公差進行校正，但公差是由運轉速度定義的。

幾何解釋

ISO 標準使用對數圖表，橫軸為轉子速度（RPM），縱軸為允許比不平衡（e每 單位為 g·mm/kg）。在此對數-對數圖表上，每個 G 等級呈現為一條直線對角線。這種優雅的視覺化顯示：

  • 對於任何給定的 G 等級，速度加倍，允許比不平衡便減半
  • 相鄰 G 等級線之間相差 2.5 倍（級數為：0.4、1.0、2.5、6.3、16、40、100、250、630、1600、4000）
  • 對數間距意味著每個等級代表振動嚴重度上大致相同的感知變化

為您的應用選擇合適的 G 等級

選擇正確的 G 級需要平衡（無雙關意）多個因素：轉子的預期應用、運轉速度、支撐結構剛性、軸承類型與可接受的振動水平。ISO 標準透過其應用表格提供指導，但還有若干實務考量：

決策因素

  • 運轉速度： 高轉速轉子通常需要更嚴格的等級，因為 離心力 由不平衡產生的力隨轉速的平方增加 (F = m × e × ω²)。轉速為 30,000 RPM 的轉子，在相同不平衡量下產生的力是轉速為 3,000 RPM 轉子的 100 倍。
  • 滾動軸承的游隙非常小；軸振動會有效傳遞到軸承座。軸承座測量通常已足夠。滑動軸承的游隙和阻尼較大；軸振動通常能提供額外的診斷資訊。 滾動軸承對不平衡的容忍度低於液膜（軸頸）軸承。配備滾動軸承的機器可能需要比標準建議更嚴格一個等級的平衡。
  • 支撐剛性： 柔性支撐（橡膠墊、彈簧隔振器）比剛性支撐較少放大振動傳遞，但可能產生共振問題。剛性安裝的機器對不平衡更為敏感。
  • 環境要求： 需要低噪音（醫院 HVAC、錄音室）或低振動（半導體製造、光學實驗室）的應用，可能需要比標準嚴格 1–2 個等級。
  • 軸承壽命預期： 若延長軸承壽命至關重要（離岸平台、遠端安裝），指定更嚴格的 G 級可降低軸承上的動態負荷，直接延長其 L10 壽命.

特定產業建議

產業 / 應用 典型 G 等級 備註
發電（渦輪機） G 2.5 或更嚴格 API 標準通常要求 G 1.0 等效等級
石油與天然氣（泵、壓縮機） G 2.5 API 610/617 規定關鍵設備為 4W/N ≈ G 1.0
HVAC（風機、鼓風機） G 6.3 對噪音敏感的應用為 G 2.5
機床 G 1.0 – G 2.5 研磨主軸可能需要 G 0.4
紙張/印刷機械 G 2.5 – G 6.3 取決於滾筒速度與印刷品質
礦業/水泥（破碎機、磨機） G 6.3 – G 16 環境嚴苛；更嚴格等級可能無法達成
汽車（曲軸） G 16 – G 40 乘用車通常為 G 16；卡車為 G 25–40
食品加工 G 6.3 衛生設計可能限制校正方法
木工（鋸片、刨床） G 2.5 – G 6.3 表面品質要求較高等級
電動馬達（一般） G 2.5 IEC 60034-14 針對大多數馬達引用此標準

實際計算範例

範例 1：離心泵葉輪

已知： 泵葉輪，質量 = 12 kg，最大運轉速度 = 2950 RPM，應用：製程廠 → ISO 建議 G 6.3。

步驟 1 — 計算比不平衡：

e每 = 9549 × G / n = 9549 × 6.3 / 2950 = 20.4 µm （或 20.4 g·mm/kg）

步驟 2 — 計算總許用不平衡：

U每 = e每 × M = 20.4 × 12 = 244.8 g·mm

解讀： 動平衡校正後的殘餘不平衡不得超過 244.8 g·mm。若進行單平面校正，此即為總公差。若進行雙平面校正，此總量必須分配至兩個校正平面（對稱轉子通常為 50/50）。

範例 2：工業風機轉子

已知： 風機轉子組件，質量 = 85 kg，最大速度 = 1480 RPM，應用：通風 → G 6.3。

計算：

U每 = (9549 × 6.3 × 85) / 1480 = 3454 g·mm

e每 = 3454 / 85 = 40.6 µm

雙平面校正： U每 每平面 ≈ 3454 / 2 = 每平面 1727 g·mm

範例 3：渦輪增壓器轉子（高速）

已知： 渦輪增壓器轉子，質量 = 0.8 kg，最大速度 = 90,000 RPM，應用：汽車渦輪增壓 → G 2.5。

計算：

U每 = (9549 × 2.5 × 0.8) / 90000 = 0.212 g·mm

e每 = 0.212 / 0.8 = 0.265 µm

注意： 在極高速度下，公差變得極小。這就是為什麼渦輪增壓器動平衡校正需要專用的高精度設備，以及為什麼即使是輕微的污染（指紋、灰塵）也可能使不平衡超出公差。

對於上述更常見的情況——運行於 G 2.5 或 G 6.3 等級的泵、風機和一般工業轉子——您可以測量剩餘不平衡量，施加校正配重，並根據所選等級驗證結果 在現場 使用便攜式儀器（例如 Balanset-1A。輸入轉子質量和運行轉速，就地平衡機器，軟體將報告 U每 並針對目標 G 級提供清晰的合格/不合格判定——無需拆卸轉子或將其送至平衡車間。

單位換算

動平衡校正工作中常見的單位換算：

1 g·mm = 1 mg·m = 0.001 kg·mm = 1000 µg·m

1 oz·in = 720 g·mm（英制系統，仍用於部分美國產業）

e每 以 µm 表示 = e每 以 g·mm/kg 表示（數值相同 — 質心偏移等於比不平衡）

雙平面校正 — 公差分配

G 等級公式計算的是 總 整個轉子的允許剩餘不平衡量。對於需要 雙平面 (動態）平衡的轉子——這適用於大多數長徑比超過約 0.5 的工業轉子——此總公差必須分配至兩個 校正平面.

ISO 公差分配指南

ISO 21940-11 提供了如何根據轉子幾何形狀在平面間分配總公差的指導：

  • 對稱轉子 （重心位於兩平面中間）：在兩個校正平面之間 50/50 分配。
  • 非對稱轉子 （重心較靠近其中一個平面）：按比例分配 — 較靠近重心的平面獲得較大的公差份額。標準提供了此計算的公式。
  • 一般規則： UA / UB = LB / LA，其中 LA 和 LB 分別為重心至平面 A 和 B 的距離。
靜態不平衡與力偶不平衡

當總殘餘不平衡分配於兩個校正平面時， 兩個平面不平衡的 向量總和不得超過 U每。僅將每個平面獨立與總公差的一半進行比較，可能會遺漏一種情況：即兩個平面各自的不平衡量均可接受，但組合後（特別是 力偶不平衡) 超出限制。現代動平衡機通常會同時檢查各校正平面的公差與總殘餘不平衡量。

何時單平面動平衡已足夠？

單平面 (靜態) 動平衡校正已足夠，當：

  • 轉子為薄盤狀（L/D 比值小於約 0.5）
  • 運轉速度遠低於第一 臨界轉速
  • 應用場景不要求極高精度（G 6.3 或更寬鬆）
  • 範例：風機葉片、砂輪、皮帶輪、煞車盤、飛輪

當轉子具有顯著軸向長度、預期存在力偶不平衡（例如由多個組件組裝後），或需要高精度時，必須進行雙平面動平衡。

常見錯誤與迷思

1. 使用平衡機轉速而非運轉轉速

G 級計算中最關鍵的錯誤。公差公式需要 最大運轉轉速 — 轉子在實際操作中達到的最高 RPM。低速平衡機可能以 300–600 RPM 運轉，但公差必須以運轉轉速（例如 3600 RPM）計算。使用平衡機轉速會導致公差放寬 6–12 倍。

2. 混淆 G 級與振動水平

G 2.5 並不表示機器振動會達到 2.5 mm/s。G 級描述的是質心的周邊速度，而非在機殼上測得的振動。實際振動取決於許多其他因素：軸承剛性、支撐結構、阻尼及其他振動源。平衡至 G 2.5 的機器，根據這些因素，在機殼上測得的振動可能是 0.5 mm/s 或 5 mm/s。

3. 過度指定精度

當 G 6.3 已足夠時卻指定 G 1.0，會浪費時間與金錢。G 級每提高一個等級（更嚴格），動平衡校正的工作量與成本約增加一倍。離心泵葉輪若校正至 G 1.0 而非 G 6.3，校正成本會顯著增加，但泵組的運轉平穩度可能不會有明顯改善，因為其他振動來源（不對心, 液壓力、軸承噪音）佔主導地位。

4. 忽略現實限制

計算出的公差可能小於動平衡機的靈敏度或可達成的校正精度。若 U每 計算結果為 0.5 g·mm，但平衡機僅能解析至 1 g·mm，則無法在不升級設備的情況下滿足規格。務必確認現有的平衡設備確實能達到指定的公差。

5. 未考慮裝配公差

在平衡機上完美平衡的轉子，安裝後可能因鍵槽間隙、聯軸器偏心、熱膨脹及安裝公差而顯示出不平衡。對於關鍵應用，ISO 標準建議保留總公差的 20–30% 以應對安裝相關的不平衡偏移。

6. 將剛性轉子標準應用於柔性轉子

ISO 21940-11 G 級適用於 剛性轉子 — 指運轉速度遠低於其第一臨界速度的轉子。會經過或接近臨界速度運轉的轉子（柔性轉子）需依照 ISO 21940-12進行校正，該標準採用根本不同的方法。將 G 級應用於柔性轉子可能導致嚴重不足。

為什麼 G 級很重要？

標準化與溝通

G 級提供了一種平衡品質的通用語言。製造商可指定泵葉輪必須「依 ISO 21940-11 校正至 G 6.3」，全球任何動平衡校正設施都能精確理解所需的精度。這消除了歧義，防止供應商與客戶之間的爭議，並確保全球供應鏈中品質的一致性。

防止過度平衡

將轉子校正至比必要更嚴格的公差既昂貴又耗時。G 級每提高一個等級（更嚴格），校正成本約增加一倍，因為需要更多校正迭代、更精細的測量能力與更長的機台時間。G 級協助工程師選擇經濟實惠的精度等級，對應用場景而言「足夠好」，而不會在不必要的精度上浪費資源。

確保可靠性與軸承壽命

選擇正確的 G 級可確保機器在可接受的振動水平下運轉，直接降低軸承、密封件、聯軸器及支撐結構上的動態負荷。不平衡力與軸承壽命的關係顯著：將不平衡減少 50% 可使軸承 L10 壽命增加 8 倍（因軸承壽命計算中的立方關係）。適當的平衡品質是最具成本效益的可靠性改進措施之一。

法規與合約合規性

許多行業標準與設備規格將 ISO G 級列為強制性要求。石油工業設備的 API 標準、電動機的 IEC 標準以及國防設備的軍規標準，皆參考或採用 ISO G 級系統。符合這些要求通常具有合約約束力，並可能接受稽核或驗證。

預測性維護基線

當轉子已校正至已知 G 級且初始振動水平已記錄在案，後續的振動測量便可與此 基線進行比較。任何 1× RPM 振動的增加立即顯示出不平衡量的發展（來自侵蝕、堆積、零件損失或熱彎曲），從而實現主動式 維護 在損壞發生前。

Vibromera Balanset 設備與 G 級

The Balanset-1A 與 Balanset-4 便攜式平衡設備在軟體中直接支援 G 級規格。操作員輸入所需的 G 級、轉子質量與運轉轉速，設備會自動計算允許公差，並在平衡過程中顯示通過/失敗狀態。這消除了手動計算錯誤，並確保一致符合 ISO 標準。

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