ISO 1940-1 — 平衡品質要求 剛性轉子
定義 G 級平衡品質系統的基础國際標準 — 從 G 0.4（陀螺儀）到 G 4000（船用柴油機）。現已納入 ISO 21940-11，G 級數值與方法完全相同。
Vibromera 已將完整的 G 0.4 至 G 4000 等級表建置於 Balanset-1A 之中，因此在完成試重測試後，儀器可立即依 ISO 1940-1 回報所達成的平衡品質。
允許殘餘不平衡
ISO 1940-1 / ISO 21940-11 — 輸入轉子資料，取得 Uper
結果 — ISO 1940-1
允許殘餘不平衡
計算公差
G 級平衡品質等級
相鄰等級間係數為 2.5 的對數尺度 — 從超高精度 G 0.4 到船用 G 4000
📋 完整 G 級表 — ISO 1940-1 / ISO 21940-11
| G 級 | e·ω (mm/s) | 典型轉子類型 | 備註 |
|---|---|---|---|
| G 0.4 | 0.4 | 陀螺儀、精密主軸、光碟驅動器 | 接近傳統動平衡校正的極限 |
| G 1.0 | 1.0 | 研磨主軸驅動、錄音機、小型精密電樞 | 需要超潔淨環境 |
| G 2.5 | 2.5 | 氣體與蒸汽渦輪機、渦輪發電機、渦輪壓縮機、高速馬達 | 防止軸承過早損壞 |
| G 6.3 | 6.3 | 風機、泵浦、飛輪、電動馬達、機床、紙卷 | 最常見 — 預設等級 |
| G 16 | 16 | 萬向軸（特殊）、農業機械、破碎機、礦井風機 | 重型、嚴苛環境 |
| G 40 | 40 | 汽車輪胎與輪圈、萬向軸（標準）、低速風機 | 輪胎變異佔主導 |
| G 100 | 100 | 汽車、卡車、機車的完整引擎 | 內燃機作為總成 |
| G 250 | 250 | 高速柴油引擎的曲軸 | 元件級 |
| G 630 | 630 | 大型四衝程引擎的曲軸、彈性安裝的船用柴油機 | 大型低速往復式 |
| G 1600 | 1600 | 大型二衝程引擎的曲軸 | 極低速、大型基礎 |
| G 4000 | 4000 | 剛性基礎上低速船用柴油機的曲軸 | 最寬鬆的要求 |
📊 常見工業轉子的預先計算公差
| 轉子類型 | 質量 (kg) | RPM | G | Uper (g·mm) | 每平面 | eper (µm) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 小型馬達 | 8 | 2 900 | G 6.3 | 166 | 83 | 20.7 |
| 空調風機 | 45 | 1 480 | G 6.3 | 1 835 | 918 | 40.8 |
| 泵葉輪 | 25 | 2 950 | G 6.3 | 510 | 255 | 20.4 |
| 渦輪壓縮機 | 120 | 8 000 | G 2.5 | 358 | 179 | 3.0 |
| 紙卷 | 2 000 | 300 | G 6.3 | 401 000 | 200 500 | 200.5 |
| 發電廠風機 | 350 | 990 | G 2.5 | 8 468 | 4 234 | 24.2 |
| 研磨機主軸 | 2 | 24 000 | G 1.0 | 0.80 | 0.40 | 0.40 |
| 汽車輪胎 | 12 | 800 | G 40 | 5 729 | 2 865 | 477 |
📐 公差分配方法 — ISO 1940-1 第 7 章
| 轉子類型 | 分配 | 公式 | 備註 |
|---|---|---|---|
| 對稱 | 平均分配 | UL=UR=Uper/2 | 最簡單的情況。馬達、部分風機。 |
| 軸承間不對稱 | 比例 | UL=Uper·(b/L) | 最常見的方法。 |
| 懸臂式（懸伸） | 基於力矩 | 靜力學方程式 | 懸臂平面的公差更嚴格。 |
| 狹窄（平面間距小） | 靜態與力偶分開 | 依 ISO 21940-12 | 不同的振動效應。 |
什麼是 ISO 1940-1？
快速解答
ISO 1940-1 (機械振動 — 恆定（剛性）狀態下轉子的動平衡品質要求) 定義了 G 級動平衡品質系統 適用於剛性轉子。公式 Uper = (9 549 × G × M) / n 計算允許的殘餘不平衡 不平衡. 已被取代 ISO 21940-11:2016 數值完全相同。工業機械的預設等級： G 6.3.
ISO 1940-1 是全球轉子動平衡的基礎文件。其 G 級系統是動平衡的通用語言：全球專家皆理解「平衡至 G 6.3」的含義。該標準涵蓋從微型精密主軸到大型曲軸的剛性轉子，為規範、計算與驗證平衡品質提供了通用框架。
該標準僅適用於 剛性 轉子 — 即在運轉速度範圍內，離心力作用下彈性變形可忽略的轉子。柔性轉子（運轉速度高於第一階彎曲臨界速度）則適用於 ISO 21940-12。
剛性轉子概念
若轉子的質量分佈在轉速從零變更為最大運轉轉速時並未顯著改變，則該轉子被歸類為剛性轉子。關鍵後果： 在平衡機上以低轉速完成平衡的轉子，在其運轉轉速下仍保持平衡。 這允許在車間機床上以 300–600 RPM 進行平衡，同時滿足現場 3 000+ RPM 的公差要求。
若轉子在超臨界區域（高於第一階彎曲 臨界轉速）或接近 共振運轉，撓度會改變有效質量分佈，導致低轉速平衡在高轉速下可能無效。此類轉子被歸類為柔性轉子。
ISO 1940-1 不涵蓋的內容
幾何形狀會改變的轉子（關節軸、直升機槳葉）。轉子–支撐–基礎系統的共振。與質量分佈無關的空氣動力學與流體動力學力。針對風機，請參見 ISO 14694 （風機專屬 BV 類別與振動限值）。
不平衡類型
不平衡 = 轉子慣性軸 ≠ 旋轉軸。以向量形式表示： U = m × r （g·mm）。ISO 1940-1 將不平衡分為三類：
- 靜態不平衡： 慣性軸平行於旋轉軸但已偏移。等效於單一不平衡質量。可在 單平面內校正。典型應用：皮帶輪、窄齒輪、風機葉輪（L/D < 0.5）。
- 力偶不平衡： 慣性軸穿過質量中心但已傾斜。淨力為零，但力偶（一對力）會使轉子搖晃。需要 兩個校正平面.
- 動態不平衡： 一般情況——靜態與力偶不平衡組合。慣性軸既不平行也不相交於旋轉軸。需要 兩個校正平面。大多數實際轉子皆具動態不平衡。
比不平衡量（偏心）
G 等級定義為乘積 e × ω （mm/s）— 轉子質心繞旋轉軸軌道運行的線速度。此單一數值可獨立於轉子尺寸與速度，特徵化平衡品質。
G 等級系統——物理基礎
質量相似性
對於幾何相似的轉子：Uper ∝ M → 比不平衡量 eper 應保持恆定。單一標準適用於所有尺寸。
轉速相似性
離心力 F = M·e·ω²。為在不同轉速下維持可接受的軸承負荷，eper 必須隨 ω 增加而減小：
計算允許的殘餘不平衡量
計算範例：風機轉子，G 6.3
已知： 離心風機葉輪，M = 200 kg，n = 1 500 RPM，G 6.3。
總計： Uper = 9 549 × 6.3 × 200 / 1 500 = 8 021 g·mm
偏心： eper = 8 021 / 200 = 40.1 µm
每平面（對稱，2 平面）： 8 021 / 2 = 4 011 g·mm
在 R = 400 mm 處： 4 011 / 400 = 每平面 10.0 g
務必使用最大服務轉速
公式中的轉速必須是現場運轉的最高轉速——而非平衡機轉速。許多轉子在 300–600 RPM 下進行平衡，但公差計算必須使用實際服務轉速（例如 1 480 RPM）。使用平衡機轉速會產生危險的寬鬆公差。
分配至校正平面
Uper 適用於轉子的質心。實務上，會在兩個平面（軸承附近）進行平衡。第 7 章規則：
對稱轉子
質量中心位於中點 → 均等分配：UL = UR = Uper / 2.
軸承間不對稱
懸臂轉子
懸臂質量會產生彎矩，使兩側軸承均承受載荷。需基於力矩重新計算 → 通常懸臂平面的公差要求更為嚴格。常見於泵、單級壓縮機、懸臂式風機葉輪。
誤差與驗證
誤差來源
- 系統性： 機台校準漂移、心軸偏心、鍵槽效應（ISO 8821）、熱變形。
- 隨機： 感測器雜訊、支撐游隙、轉子裝配位置變化。
總誤差不得超過公差的 10–15%。若超出，應相應縮小工作公差。
裝配效應
個別組件平衡 ≠ 組裝後平衡。聯軸器偏心、徑向偏擺、鬆動配合皆可能抵消組件平衡之成效。應對組裝完成之轉子進行微調平衡。
驗證方法
- 索引測試： 將轉子在心軸上旋轉 180°，重新測量。變化量即為夾具誤差。
- 試重測試： 添加已知質量，驗證測得的向量變化是否符合預期。
- 現場檢查： 依 ISO 10816.
Balanset-1A：內建 ISO 1940-1 合規性
Balanset-1A 自動化 ISO 1940-1：輸入質量、轉速、G 級別 → 即時得出 Uper 並自動分配校正平面。動平衡校正後，比較殘餘不平衡與限值。F6 報告功能可生成正式協議，記錄達到的 G 級別。精度：速度 ±5%，相位 ±1° — 足以滿足 G 16 至 G 2.5 的需求。 Balanset-4 可擴展至四通道，適用於複雜的多軸承轉子。
計算範例
案例 1：馬達 — G 6.3
轉子： 15 kW，1 460 RPM，35 kg，軸承間對稱配置。
公差： Uper = 9 549 × 6.3 × 35 / 1 460 = 1 442 g·mm → 每平面 721 g·mm。
在 R = 80 mm 時： 721 / 80 = 每平面 9.0 g。車間動平衡校正：殘餘不平衡 180 g·mm。✅
案例 2：泵 — 懸臂葉輪，G 6.3
轉子： 軸 + 葉輪 18 kg，2 950 RPM。葉輪 6 kg，懸臂長度 120 mm。軸承跨距 250 mm。
總計： Uper = 367 g·mm。力矩分配：前側 ≈ 202，後側 ≈ 165 g·mm。
現場動平衡 與 Balanset-1A 單平面：230° 方向 8.5 g。最終結果：95 g·mm。✅
案例 3：渦輪壓縮機 — G 2.5
轉子： 3 級，65 kg，12 000 RPM。輕微不對稱。
公差： Uper = 129 g·mm → 每平面 65 g·mm → 在 R = 95 mm 時： 每平面 0.68 g.
亞克級精度 → 僅限車間高速機台。索引測試：心軸誤差 < 5 g·mm。最終結果：每平面 28 g·mm。✅
ISO 1940-1 → ISO 21940-11
- G 級別數值、公式、應用表格 — 完全相同。無技術變更。
- ISO 21940 系列：第 11 部分（品質）、第 12 部分（柔性轉子）、第 14 部分（程序）、第 21 部分（描述）、第 31 部分（敏感性）、第 32 部分（關鍵參數）。
- 實務上兩種編號可互換使用。
- ISO 14694 BV 類別直接參考 G 級別。
相關標準
- ISO 21940-11: 此標準 — G 級別系統。
- ISO 21940-12： 柔性轉子動平衡。
- ISO 10816 / ISO 20816: 振動評估 — 平衡品質的運轉結果。
- ISO 14694: 風機專屬 BV 類別、平衡等級與振動限值。
- ISO 8821： 鍵槽影響（半鍵慣例）。
- API 610 / API 617： 石油泵/壓縮機參考 ISO 1940。
官方標準： ISO 1940-1 在 ISO Store →
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公差計算器 G 級別表 什麼是 ISO 1940-1？ 剛性轉子概念 不平衡類型 靜態 / 力偶 / 動態 比不平衡 G 級別系統 相似定律 公差公式 校正平面分配 對稱 / 非對稱 懸臂轉子 誤差與驗證 案例研究 (3) ISO 21940-11 過渡 常見問題（8 個問題）常見問題 — ISO 1940-1
剛性轉子的 G 級別平衡品質系統
