現場動平衡

第一部分：動平衡的理論與法規基礎

現場動平衡校正是振動調試和狀態維護中的關鍵作業之一，目的在於延長工業設備的使用壽命並預防緊急事故。使用Balanset-1A這類便攜式儀器，可以直接在運行現場完成這些作業，將停機時間以及與拆卸相關的成本降到最低。然而，成功的平衡校正不僅需要熟練操作儀器的能力，還需要對振動背後的物理過程有深刻理解，並熟悉規範作業品質的相關標準體系。

該方法論原理基於安裝試重並計算不平衡影響係數。簡而言之，儀器測量旋轉轉子的振動（振幅和相位），隨後使用者在特定校正平面中依次添加小型試重，以「校準」附加質量對振動的影響。根據振動振幅和相位的變化，儀器自動計算消除不平衡所需的校正配重質量及安裝角度。

此方法實施了所謂的 三步法 雙平面動平衡校正：初始測量與兩次試重運轉（每個平面各一次）。對於單平面動平衡校正，通常兩次運轉即足夠——一次無配重，一次加裝單一試重。在現代儀器中，所有必要計算均自動執行，大幅簡化流程並降低操作人員資格要求。

第 1.1 節：不平衡的物理學：深入分析

旋轉設備中任何振動的核心皆為不平衡（imbalance 或 unbalance）。不平衡是指轉子質量相對於其旋轉軸分佈不均的狀態。這種不均勻分佈會產生離心力，進而導致支撐結構及整台機器結構產生振動。未處理的不平衡可能帶來災難性後果：從軸承的早期磨損與破壞，到基礎與機器本身的損壞。為有效診斷並消除不平衡，必須清楚區分其類型。

不平衡類型

靜態不平衡（單平面）： 在這種類型的不平衡當中，轉子的中心主慣性軸，是與旋轉軸保持平行、但發生了錯位——也就是說，轉子的質心相對於旋轉軸，發生了徑向方向上的偏移。在靜態條件下，這樣的轉子如果安裝在水平的刀口（也就是平行導軌）上，就總是會以較重的一側朝下的方式轉動、停下來。對於薄的盤狀轉子而言——也就是長徑比（L/D）低於大約0.5的轉子，例如砂輪，或者是窄型的風機葉輪——靜態不平衡往往佔據主導地位。要消除這種靜態不平衡，可以採取的作法是：在一個校正平面之內，於與重點位置徑向相對的地方，安裝一個校正配重——這是一種單平面的處理方法，適用於中等轉速的場合（大致是轉速低於1000轉/分的情況）；而對於高速運轉的窄型圓盤來說，則仍然需要採用雙平面動平衡校正的方法。

力偶（力矩）不平衡： 此類情況發生於轉子的慣性主軸與旋轉軸在質心處相交但不平行時。力偶不平衡可表示為位於不同平面中、大小相等但方向相反的二個不平衡質量。在靜態下，此類轉子處於平衡狀態，不平衡僅在旋轉時以「搖晃」或「擺動」形式顯現。為補償此不平衡，需在二個不同平面中安裝至少二個校正配重，以產生補償力矩。

動態不平衡： 這是實際條件中最常見的不平衡類型，為靜態不平衡與力偶不平衡的組合。在此情況下，轉子的主中心慣性軸與旋轉軸不重合，且不在質量中心處相交。為消除動態不平衡，必須在至少兩個平面進行質量校正。Balanset-1A 等雙通道儀器正是為解決此問題而設計。

準靜態不平衡： 這是動態不平衡的一種特殊情況，其中慣性主軸與旋轉軸相交，但不在轉子質心處。這是診斷複雜轉子系統時微妙但重要的區別。

剛性轉子與柔性轉子：關鍵區別

動平衡中的一個基本概念是剛性轉子與柔性轉子的區別。此區別決定了成功平衡的可能性與方法。

剛性轉子： 若轉子的運轉旋轉頻率顯著低於其第一臨界頻率，且在離心力作用下不會產生顯著的彈性變形（撓度），則視為剛性轉子。此類轉子的平衡通常可在兩個校正平面成功完成。Balanset-1A 儀器主要設計用於處理剛性轉子。

柔性轉子： 若轉子在接近或超過其某一臨界頻率的旋轉頻率下運轉，則視為柔性轉子。在此情況下，軸的彈性撓度與質量中心位移相當，並對整體振動產生顯著貢獻。

在開始作業前，務必先將轉子的工作轉速與已知（或計算得出）的臨界頻率相互對照，藉此判定轉子的類型，這一點極為重要。若無法避開共振，建議在動平衡校正期間暫時改變機組的安裝條件，以移動共振點。

第 1.2 節：法規框架：ISO 標準

平衡領域的標準發揮著幾項關鍵作用：它們建立統一的技術術語，界定品質要求，並且重要的是，作為技術必要性與經濟可行性之間折衷的依據。

ISO 21940-11（前 ISO 1940-1）：剛性轉子動平衡品質要求

該標準是確定容許殘餘不平衡量的基礎文件。它引入了平衡品質等級（G）的概念，該等級僅依機器類型選定。轉速則是稍後才被納入考量——當等級被換算為容許比不平衡量時：e_per = (G × 9549) / n.

品質等級 G： 每一類設備都對應一個特定的品質等級，該等級不隨轉速而改變。例如，風機、泵浦與通用電動機建議採用G6.3等級，破碎機與農業機械採用G16等級，渦輪機與渦輪壓縮機則採用G2.5等級。

允許殘餘不平衡（U_per): 該標準允許計算出一個特定的允許不平衡值，作為動平衡校正過程中的目標指標。計算分為三個階段進行：

1. 確定允許比不平衡（e_per）使用公式：
   eper = (G × 9549) / n
   其中 G 為平衡品質等級（例如 2.5），n 為運轉旋轉頻率，rpm。e_per 的測量單位為 g·mm/kg 或 μm。
2. 確定整個轉子的允許殘餘不平衡（U_per）：
   Uper = eper × M
   其中 M 為轉子質量，kg。U_per 的測量單位為 g·mm。
3. U 的分配_per 分配於兩個校正平面之間。對於對稱轉子，按 50/50 分配（如下例中：每個平面 19.9 g·mm）。對於軸承間非對稱轉子：U_left = U_per × (b/L), U_right = U_per × (a/L)，其中a和b分別是質心到左、右軸承的距離，L = a + b。懸臂轉子需要基於力矩進行重新分配計算，並對懸臂平面採用更嚴格的公差。Balanset-1A會自動完成這一分配，並在Result（結果）選項卡中，將各平面的殘餘不平衡量（D1、D2）與平衡公差一併顯示。

ISO 20806:2009：中型與大型轉子原位動平衡的標準與安全措施

此標準直接規範現場平衡過程。

優勢： 現場動平衡校正的主要優點在於，轉子是在真實的運作條件下——即在其自身支承上、承受實際工作負載時——完成動平衡校正的。這自然而然地涵蓋了支承系統的動態特性，以及相連傳動系元件的影響。

缺點與限制：

• 有限的接近性： 通常難以接近已組裝機器上的校正平面，限制了安裝配重的可能性。
• 需要試運轉： 動平衡校正過程需要機器進行多次「啟動-停止」循環。
• 嚴重不平衡的困難： 在初始不平衡非常大的情況下，對平面選擇和校正配重質量的限制可能無法達到所需的動平衡品質。

第二部分：使用 Balanset-1A 儀器進行動平衡的實用指南

平衡工作能否成功，很大程度上取決於前期準備是否到位。大多數失敗並非源於儀器故障，而是因為忽視了影響測量重複性的各種因素。前期準備的核心原則，是排除所有其他可能的振動源，使儀器只測得不平衡本身產生的影響。

第 2.1 節：成功之基礎：動平衡前診斷與機器準備

步驟 1：初步振動診斷（真的是不平衡嗎？）

在進行動平衡校正之前，先以振動計模式進行初步振動測量會有所助益。Balanset-1A軟體具備「Vibration Meter」（振動計）模式（F5按鈕），可在安裝任何配重前，測量總振動以及旋轉頻率（1×）分量。

典型不平衡徵兆： 振動頻譜應以轉子旋轉頻率處的峰值為主（1x RPM 頻率處的峰值）。該分量在水平和垂直方向的振幅應可比較，且其他諧波的振幅應顯著較低。

其他缺陷的徵兆： 如果頻譜在其他頻率（例如2x、3x轉速）或非倍頻處存在明顯峰值，則表示存在其他問題，必須在平衡之前先予以排除。

步驟 2：綜合機械檢查（檢查清單）

• 轉子： 徹底清除轉子所有表面的污垢、鏽蝕和積聚的沉積物（結塊物料）。即使只是在較大半徑處有少量污垢，也會產生顯著的不平衡。檢查是否存在破損或缺失的部件。
• 軸承： 檢查軸承組件是否有過度游隙、異響和過熱。磨損的軸承將無法獲得穩定讀數。
• 基礎與機架： 確保設備安裝在剛性基礎上。檢查地腳螺栓的鎖緊扭矩，並確認機架上沒有裂紋。
• 驅動： 對於皮帶傳動，檢查皮帶張力與狀況；對於聯軸器連接，檢查軸對中情況。
• 安全性： 確保所有防護罩均已安裝且功能正常。

第 2.2 節：儀器設置與配置

硬體安裝

振動感測器（加速規）：

• 將感測器纜線連接至對應的儀器接頭（例如 Balanset-1A 為 X1 與 X2；較新版本的接頭標示為 Ch-1 與 Ch-2）。
• 將感測器安裝在軸承座上，盡可能靠近轉子。
• 關鍵實務： 為取得最大訊號，感測器應安裝於振動最大的方向。使用強力磁座或螺紋安裝座以確保剛性接觸。

相位感測器（雷射測速儀）：

• 將感測器連接到專用輸入埠（Balanset-1A為X3；新版標示為Tacho）。
• 在轉子的軸或其他旋轉部位貼上一小片反光貼。
• 安裝轉速計，確保雷射光束在整個旋轉週期內穩定照射到標記點。

軟體配置（Balanset-1A）

• 啟動軟體並連接USB介面模組（不需要管理員權限）。
• 進入動平衡校正模組（F7 - Balancing）。為待平衡的機組建立一筆新記錄。
• 選擇動平衡校正類型：窄轉子選用單平面（靜態，F2 - Single-plane 分頁），大多數其他情況選用雙平面（動態，F3 - Two-plane 分頁）。
• 定義校正平面：選擇轉子上可安全安裝校正配重的位置。

第 2.3 節：動平衡程序：逐步指南

運轉 0：初始測量

• 啟動機器並使其達到穩定的運轉速度。極其重要的是，所有後續運轉的旋轉速度必須相同。
• 在軟體中開始測量。儀器將記錄初始振動的振幅與相位數值。

運轉 1：平面 1 加裝試重

• 停止機器。
• 試重選擇： 試重質量應足以引起振動參數的明顯變化（振幅變化至少20–30%，或相位變化至少20–30度）。無需自己猜測初始質量：完成Run 0後，軟體的首次試重估算器會根據轉速表標記，同時給出試重質量和安裝角度的建議，如果實際安裝的試重偏小，程式也會提示。
• 試重安裝： 將已秤重的試重牢固地安裝在平面1的已知半徑處。記錄其角度位置。
• 以相同的穩定速度啟動機器。
• 進行第二次測量。
• 停止機器並 移除試重。若移除不切實際，可將其保留在轉子上——請在軟體中勾選「Leave on rotor」方塊，以便計算時納入考量。

運轉 2：平面 2 加裝試重（用於雙平面平衡）

• 重複步驟2的程序，但將試重安裝在平面2。
• 啟動、測量、停止並 移除試重 （或勾選「Leave on rotor」方塊使其保留在轉子上，如同Run 1的做法）。

校正配重的計算與安裝

• 根據試運轉期間記錄的向量變化，程式將自動計算每個平面的校正配重質量與安裝角度。
• 安裝角度通常從試重位置沿轉子旋轉方向測量。
• 牢固地安裝永久校正配重。使用焊接時，請記住焊料本身也具有質量。

Run T（Trim）：驗證測量與精修動平衡

• 再次啟動機器。
• 執行控制測量以評估殘餘振動水平。
• 將獲得的值與根據 ISO 1940-1 計算的公差進行比較。
• 若振動仍超出公差範圍，儀器將計算一個小幅的「精修」（trim）校正。
• 完成後，儲存報告與影響係數，以備日後使用。

第三部分：進階問題解決與故障排除

本節致力於現場動平衡中最複雜的方面——標準程序無法產生結果的情況。

第 3.1 節：診斷與克服測量不穩定性

症狀： 在相同條件下重複測量時，振幅和/或相位讀數發生顯著變化（「浮動」、「跳躍」）。這使得校正計算無法進行。

根本原因： 儀器並未故障。它準確報告系統的振動響應不穩定且不可預測。

系統性診斷演算法：

• 機械鬆動： 這是最常見的原因。檢查軸承座安裝螺栓、機架錨固螺栓的緊固情況。檢查基礎或機架是否有裂紋。
• 軸承缺陷： 滾動軸承內部游隙過大或軸承襯套磨損，會導致軸在支撐內混亂移動。
• 工藝相關的不穩定性：
  • 空氣動力學（風機）： 紊流、葉片流體分離可能導致隨機力效應。
  • 水力（泵）： 空蝕會產生強烈的隨機液壓衝擊，掩蓋來自不平衡的週期性信號。
  • 內部質量移動（破碎機、磨機）： 材料可能在轉子內部重新分佈，形成「移動不平衡」。
• 共振： 如果運轉速度非常接近結構的自然頻率，即使微小的速度變化也會導致振動幅值和相位發生巨大變化。
• 熱效應： 隨著機器升溫，熱膨脹可能導致軸彎曲或對中變化。

第 3.2 節：當平衡無效時：識別根本缺陷

症狀： 動平衡校正程序已完成，讀數穩定，但最終振動仍偏高。

使用振動頻譜進行鑑別診斷（在Balanset軟體中：F8 - Charts，「F5-Spectrum (Hz)」分頁）：

• 軸不對心： 主要特徵 - 在 2x RPM 頻率處出現高振動峰值。高軸向振動是典型特徵。
• 滾動軸承缺陷： 表現為在特徵“軸承”頻率（BPFO、BPFI、BSF、FTF）上的高頻振動。需要注意的是，詳細的滾動軸承診斷超出了Balanset-1A的範圍：該儀器測量的是5-1000 Hz頻段內的振動速度，感測器響應在約550 Hz以上開始衰減，也不具備包絡（解調）分析功能——如需此類分析，應使用專用的軸承分析儀。
• 轉子彎曲： 表現為1x RPM處的高峰值，但常常伴有明顯的2x RPM分量。當轉子在心軸上進行平衡時，軟體提供內建的跳動補償功能：F7 - Run Ecc測量（在心軸上將轉子轉過180度後進行）配合“Subtract mandrel runout from measurements”（從測量值中扣除心軸跳動）選項，可避免將偏心誤判為不平衡。
• 電氣問題（電動機）： 磁場不對稱可能導致振動頻率為供電頻率的兩倍（50 Hz 電網為 100 Hz）。

常見平衡錯誤與預防建議

• 平衡有故障或髒污的轉子： 動平衡校正前務必檢查機械狀態。
• 試重過小： 目標是遵循振動變化 20-30% 的規則。
• 各次運轉間的工作轉速不一致： 所有測量過程中務必保持穩定且一致的旋轉速度。
• 相位和標記錯誤： 仔細監控角度確定。校正配重角度通常從試重位置沿旋轉方向測量。
• 配重附著不正確或丟失： 請嚴格遵循操作方法——運行結束後取下試重，或者，如果試重留在轉子上，請確保勾選「Leave on rotor」複選框，以便計算過程將其納入考慮。

平衡品質標準

注意：等級數值為乘積e_per·ω，單位為mm/s。容許比不平衡量本身與轉速相關：e_per = (G × 9549) / n [μm]。範例：G6.3在1500 rpm下得到e_per = 40.1 μm；於3000 rpm時為20.1 μm。

第四部分：常見問題與應用說明

第 4.1 節：一般常見問題（FAQ）

何時應使用單平面與雙平面動平衡校正？
對於長徑比（L/D）低於約0.5、轉速適中（大致低於1000 rpm）的窄盤狀轉子，例如砂輪或窄型風機葉輪，應採用單平面（靜）平衡。對於細長轉子、L/D大於約0.5的轉子，以及高速窄盤，應採用兩平面（動）平衡。兩平面平衡可同時校正靜不平衡和偶（力矩）不平衡。

如果試重導致危險的振動增加，我該怎麼辦？
立即停止機器。這表示試重安裝在靠近現有重點的位置，加劇了不平衡。解決方案是將試重從原始位置移動 180 度，並重複測量。這可確保試重產生相反的效果，而不是增加現有的不平衡。

我可以將儲存的影響係數用於不同的機器嗎？
可以，但僅限於機器完全相同的情況——相同型號、相同轉子、相同基礎、相同軸承。結構剛性的任何變化都會改變影響係數並使其失效。最佳實務是針對每台新機器始終進行新的試運轉，以確保校正計算的準確性。

靜態與動態不平衡有何差異？
靜不平衡是指轉子的中心慣性主軸與旋轉軸平行錯位——即質心相對於旋轉軸發生徑向偏移——不需要旋轉，把轉子放在刀口支承上即可檢測出來。動不平衡則是靜不平衡與偶不平衡的組合，此時慣性主軸與旋轉軸既不平行也不重合——只有在旋轉時才會顯現，需要採用兩平面校正。

為什麼我的動平衡校正讀數不穩定（浮動）？
不穩定的讀數表示系統的振動響應不可預測。常見原因包括：機械鬆動（螺栓鬆動、裂紋）、軸承磨損導致游隙過大、工藝不穩定（泵的空蝕、風機的湍流）、共振（運轉速度接近自然頻率）、暖機過程中的熱效應，或來自鄰近設備的振動。在嘗試進行動平衡校正之前，請先解決這些問題。

雙平面動平衡校正中的三次運轉法是什麼？
三次運轉法包括：運轉 0 - 在未安裝任何試重的初始狀態下進行測量，以建立振動基線；運轉 1 - 在平面 1 安裝試重後進行測量，以確定其影響；運轉 2 - 將試重移至平面 2 後進行測量。基於這三個數據點，儀器使用影響係數法計算兩個平面所需的精確校正配重。

如何根據 ISO 1940-1 計算允許的殘餘不平衡？
首先計算容許的比不平衡量：e_per = (G × 9549) / n，其中 G 為品質等級（例如渦輪為 2.5，風機為 6.3），n 為轉速（RPM）。接著計算允許殘餘不平衡量：U_per = e_per × M，其中M為轉子質量（kg）。例如，一個5 kg、以3000 RPM運轉、品質等級為G2.5的轉子：e_per = (2.5 × 9549)/3000 = 7.96 μm, U_per = 7.96 × 5 = 39.8 g·mm。

精確動平衡校正所需的最小試重效應是多少？
試重應導致振動振幅至少變化 20-30% 或相位角至少變化 20-30 度。如果效應太小，有用信號會淹沒在測量噪聲中，導致校正計算不準確。如果沒有變化，請在安全範圍內增加試重質量，直到達到足夠的效應。

如何考量鍵槽的影響？（ISO 8821，現為ISO 21940-32:2012）
標準做法是在沒有配合零件的情況下進行平衡時，在軸鍵槽中使用「半鍵」，如ISO 21940-32:2012（取代了ISO 8821）所規定。這是為了補償填滿軸上凹槽的那部分鍵的質量。

第 4.2 節：特定設備類型的動平衡校正指南

工業風機與引風機（ID風機）：

• 問題： 由於葉片上產品積聚或磨損，最容易受到不平衡影響。
• 程序： 開始工作前務必徹底清潔葉輪。注意可能導致不穩定性的空氣動力。

泵浦：

• 問題： 主要敵人——空蝕。
• 程序： 動平衡校正前，確保入口處有足夠的空蝕餘量（NPSHa）。檢查吸水管路是否堵塞。

破碎機、研磨機與粉碎機：

• 問題： 嚴重磨損，可能因錘片斷裂或磨損而導致不平衡大幅變化。
• 程序： 檢查工作元件的完整性與固定情況。可能需要額外加固機架的錨定。

電動機轉子：

• 問題： 可能同時存在機械與電氣振動源。
• 程序： 使用振動頻譜（F8 - Charts）檢查是否存在供電頻率兩倍的振動。若存在，表示為電氣故障，而非不平衡。

結論

使用Balanset-1A等可攜式儀器對就位轉子進行動平衡校正，是提升工業設備運作可靠性與效率的有力工具。然而，這項作業能否成功，與其說取決於儀器本身，不如說更取決於操作人員的專業水準以及採用系統化方法的能力。

關鍵原則：

• 準備工作決定結果： 徹底清潔轉子、檢查軸承與基礎狀況，以及進行初步振動診斷，是成功完成動平衡校正的必要條件。
• 符合標準是品質的基礎： 應用ISO 1940-1，可將主觀評估轉變為客觀、可測量且具法律效力的結果。
• 儀器不僅是動平衡校正儀，也是診斷工具： 無法完成動平衡或讀數不穩定，都是提示存在更嚴重問題的重要診斷訊號。
• 理解過程物理學是解決非標準任務的關鍵： 了解剛性轉子與柔性轉子之間的差異，並理解共振的影響，可協助專業人員做出正確的判斷。

遵循本指南所述的建議，技術人員不僅能夠成功應對典型任務，還能有效診斷並解決旋轉設備振動方面複雜、非常規的問題。