平衡质量等级 (G 级)
转子平衡精度的国际标准 — ISO 1940-1 和 ISO 21940-11 G 级如何定义允许的残余不平衡度，为什么它们对轴承寿命和机器可靠性至关重要，以及如何计算任何转子的公差。
平衡公差计算器
根据 ISO 21940-11 / ISO 1940-1 标准计算允许的残余不平衡度
成果
允许的剩余不平衡和平衡目标
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平衡质量等级一览
从超精密陀螺仪（G 0.4）到粗糙的往复式发动机（G 4000）— 完整的 ISO 分类
| G级 | e-ω (mm/s) | 精密级 | 典型转子类型/应用 |
|---|---|---|---|
| G 4000 | 4000 | 非常粗糙 | 大型低速船用柴油机的曲轴传动装置（活塞速度低于 9 m/s），固有不平衡 |
| G 1600 | 1600 | 非常粗糙 | 大型低速船用柴油机的曲轴传动装置（活塞速度低于 9 m/s），固有平衡 |
| G 630 | 630 | 粗 | 曲轴传动装置，固有不平衡，弹性安装 |
| G 250 | 250 | 粗 | 曲轴传动装置，固有不平衡，刚性安装 |
| G 100 | 100 | 一般情况 | 汽车、卡车和机车用完整往复式发动机 |
| G 40 | 40 | 一般情况 | 汽车：车轮、轮辋、轮对、传动轴；曲轴传动装置，固有平衡，弹性安装 |
| G 16 | 16 | 标准 | 农业机械；破碎机械；传动轴（万向轴、螺旋桨轴）；曲轴传动装置，固有平衡，刚性安装 |
| G 6.3 | 6.3 | 标准 | 航空燃气轮机；离心机（分离机、卧螺离心机）；最高额定转速不超过 950 r/min 的电动机和发电机（轴高 ≥ 80 mm）；轴高小于 80 mm 的电动机；风机；齿轮；通用机械；机床；造纸机械；工艺装置机械；泵；涡轮增压器；水轮机 |
| G 2.5 | 2.5 | 精确度 | 压缩机；计算机驱动装置；最高额定转速高于 950 r/min 的电动机和发电机（轴高 ≥ 80 mm）；燃气轮机和蒸汽轮机；机床驱动装置；纺织机械 |
| G 1.0 | 1.0 | 精确度 | 音频和视频驱动装置；磨床驱动装置 |
| G 0.4 | 0.4 | 超精密 | 陀螺仪；高精度系统的主轴和驱动装置 |
| 转子类型 | 质量（千克） | 转速（每分钟） | 等级 | Uper 总重量（克-毫米） | Uper 每平面（克-毫米） | eper （微米） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 小型电机 | 8 | 2900 | G 6.3 | 166 | 83 | 20.7 |
| 泵叶轮 | 12 | 2950 | G 6.3 | 245 | 122 | 20.4 |
| 工业风扇 | 85 | 1480 | G 6.3 | 3459 | 1730 | 40.7 |
| 大型电机转子 | 350 | 1500 | G 2.5 | 5578 | 2789 | 15.9 |
| 蒸汽轮机 | 1200 | 3600 | G 2.5 | 7958 | 3979 | 6.6 |
| 涡轮增压器（OEM 规范；ISO 默认值为 G 6.3） | 0.8 | 90000 | G 1.0 | 0.085 | 0.042 | 0.11 |
| 磨削主轴 | 5 | 12000 | G 1.0 | 3.98 | 1.99 | 0.80 |
| 破碎机飞轮 | 500 | 600 | G 16 | 127,320 | 63,660 | 254.6 |
| 传动轴（万向节） | 15 | 4500 | G 16 | 509 | 255 | 33.9 |
| 暖通空调鼓风机 | 45 | 1750 | G 6.3 | 1546 | 773 | 34.4 |
| 车轮组件 | 20 | 900 | G 40 | 8488 | 4244 | 424.4 |
| 离心机 | 30 | 6000 | G 2.5 | 119 | 60 | 3.98 |
| 标准 | 范围 | G 级系统？ | 主要区别 | 状态 |
|---|---|---|---|---|
| ISO 21940-11:2016 | 所有刚性转子 - 一般程序 | 是（主要） | 现行国际标准；取代 ISO 1940-1 | 电流 |
| ISO 1940-1:2003 | 所有刚性转子 | 有（原件） | 建立了 G 级系统；至今仍被广泛引用 | 已被取代 |
| ISO 21940-12 | 平衡程序和公差 | 是（参见第 11 部分） | 实用平衡程序、校正平面分配 | 电流 |
| API 610 / 617 / 611 | 泵/压缩机/涡轮机（石油工业） | 参照国际标准化组织；增加更严格的限制 | 通常规定 Uper = 4W/N oz·in（W 以 lb 计；等效于 6350·W/N g·mm，其中 W 以 kg 计，≈ G 0.67），适用于 API 617 转子；更保守的 | 电流 |
| ANSI S2.19 | 美国采用的 ISO 1940 版本 | 是（相同） | 美国市场直接采用 ISO G 级系统 | 电流 |
| VDI 2060 | 德国标准（ISO 出台前） | 等效系统 | ISO 1940 的历史前身；德国工业界仍在引用 | 被国际标准化组织取代 |
| MIL-STD-167-1 | 美军 - 舰载设备 | 否（振动限制） | 指定振动振幅限制，而非不平衡公差 | 活跃 |
什么是平衡质量等级（G 级）？
平衡质量等级（G 级） 是一个国际标准分类，按 ISO 21940-11 (前身为 ISO 1940-1），该标准规定了最大允许残留量。 不平衡 为刚性转子。G 数字表示转子重心位移的最大速度，单位为毫米/秒。常见等级： G 6.3 用于一般机械（泵、风扇、电机）, G 2.5 用于涡轮机、压缩机和精密设备， G 1.0 用于磨床驱动装置以及音频/视频驱动装置（在 ISO 表中，涡轮增压器归入 G 6.3，不过 OEM 通常会规定更严格的等级）。允许不平衡量的公式： Uper = 9549 × G × m / n (g·mm)，其中 m = 质量（千克），n = 转速（转/分）。
A 平衡质量等级, 通常被称为 "G 级"，是《世界遗产名录》中定义的一种标准化分类。 ISO 21940-11 (该标准取代了 ISO 1940-1），规定了最大允许残留量。 不平衡 为刚性转子。G 级规定了转子必须精确平衡的程度，这不是对已安装设备的振动测量，而是根据转子的质量和最大运行速度对转子本身的质量规定。
字母 "G "后面的数字表示转子质量中心位移的最大允许速度，单位为毫米/秒（mm/s）。例如，G 6.3 表示比偏心率（eper)和角速度 (ω)不得超过 6.3 mm/s。G 2.5 将角速度限制在 2.5 mm/s。G 数值越低，平衡公差越小，这意味着精度更高，允许的残余不平衡度更小。
G 值表示转子重心在最大运行速度下相对于几何旋转轴的最大允许速度。G 6.3 表示重心相对于旋转轴的移动速度不得超过 6.3 mm/s。由于离心力与这一速度的平方成正比，即使 G 级的微小降低也会显著减少轴承的动态载荷。
G级制度的目的
在 G 级系统建立之前，平衡规格是模糊的--"尽可能平衡 "或 "平衡至光滑"。ISO G 级系统用一个通用的、可验证的标准取代了这种模糊性。它为全球制造商、服务工程师和最终用户提供了一种通用语言。其主要目标是
1.将不平衡引起的振动限制在可接受水平
不平衡 产生的离心力随转速的平方而增加。这些力会引起振动、噪音、疲劳负荷，最终导致机械故障。通过指定 G 级，工程师可将这些力限制在机器的轴承、密封件和结构在预期使用寿命内可安全承受的水平。
2.尽量减少轴承的动态载荷
轴承是受不平衡影响最直接的部件。残余不平衡产生的循环径向载荷会对滚动体和滚道产生疲劳载荷。轴承寿命（L10)与外加载荷的立方成反比，因此，即使不平衡力略有减少，也能显著延长轴承的使用寿命。将电机转子的不平衡力从 G 16 减小到 G 6.3，轴承的 L 值通常会增加一倍。10 平衡到 G 2.5 可以使寿命延长四倍。
3.确保以最大设计速度安全运行
不平衡产生的离心力与 ω² 成正比——转速增加一倍，同样的不平衡产生的离心力就会增加四倍。在转速为 1500 RPM 时平衡尚可的转子，在转速为 3000 RPM 时可能会产生危险的振动。G 级系统通过将速度纳入公差计算来考虑这一点，确保转子在最大额定转速下是安全的。
4.提供明确、可衡量的验收标准
G 级将 "平衡质量 "从主观判断转化为客观、可测量的合格/不合格标准。平衡后，将剩余不平衡度与计算出的公差进行比较。如果测量值低于限值，则转子合格。这对于生产质量控制、合同规范、保修索赔和监管合规至关重要。
计算允许残余不平衡量
G 级系统的核心是能够计算出任何转子的具体数值不平衡公差。G 级系统可得出两个关键量：
具体不平衡度（允许偏心率）
具体不平衡度（eper) 表示转子重心偏离旋转轴的最大允许位移，单位为微米。它只取决于 G 级和转速，而与转子质量无关。因此，它有助于比较不同尺寸转子的平衡质量。
允许的剩余不平衡总额
总允许残余不平衡度（Uper）是平衡技术人员必须达到的实际目标。它以 g·mm（克-毫米）为单位，即残余不平衡质量乘以其与旋转轴距离的乘积。这是平衡机上显示的数字，并与公差进行比较。
残余不平衡产生的离心力
该公式显示了轴承在运行速度下从允许的残余不平衡中必须承受的实际动态力。它有助于验证轴承的额定载荷是否足够，也有助于了解 G 级规格在现实世界中的影响。
变量参考
| 符号 | 名称 | 单元 | 说明 |
|---|---|---|---|
| G | 平衡质量等级 | 毫米/秒 | 产品 eper-ω；定义 ISO 等级（如 6.3、2.5、1.0） |
| eper | 允许的具体不平衡 | 微米 | CG 与旋转轴的最大偏移量 |
| Uper | 允许的残余不平衡 | 克·毫米 | 总不平衡公差 = eper × 质量 |
| m | 转子质量 | 公斤 | 被平衡转子的总质量 |
| n | 最高服务速度 | 转速 | 转子运行的最高转速 |
| ω | 角速度 | 弧度/秒 | = 2π × n / 60 |
| F | 离心力 | N | 速度下残余不平衡产生的动力 |
如何选择正确的 G 级
ISO 标准为数百种转子类型提供了建议，但实际选择取决于几个相互关联的因素：
机器类型和应用
该标准按用途对转子进行分组，并为每组推荐一个 G 等级（见上文 ISO 表格）。与慢速农用机械（G 16 或 G 40）相比，高速涡轮机需要更严格的平衡（G 2.5 或 G 1.0）。设计者要考虑机器对振动的敏感程度，以及不平衡引起故障的后果。
转子速度
速度是最重要的因素。对于相同的 G 级，允许的不平衡度（Uper) 随转速线性降低。转速为 6000 转/分的转子的公差是转速为 3000 转/分的转子的一半。对于高速转子（涡轮机、涡轮增压器、磨削主轴），公差变得非常小，需要专门的平衡设备和程序。
轴承类型和支撑刚度
安装在刚性基础上的转子通常需要比安装在柔性（弹性）支撑上的转子更严格的平衡，因为软支撑会将较少的不平衡力传递到结构上。ISO 21940-11 反映了这一点：同样本身已平衡的曲轴传动装置，刚性安装时归为 G 16，而弹性安装时归为 G 40。同样，由于油膜的阻尼作用，采用液体动压轴承的转子可能比采用滚动轴承的转子能够容许更大的不平衡。
环境和安全要求
在人员（暖通空调、医疗设备）附近、噪音敏感环境或安全关键应用（发电、航空、近海）中运行的设备，可能需要比转子类型标准建议的平衡更严格。某些行业（石化、发电）有自己的标准（API、IEEE），规定了比 ISO 更严格的限制。
针对具体行业的建议
| 行业/应用 | 典型的 G 级 | 说明 |
|---|---|---|
| 发电（涡轮机） | G 1.0 - G 2.5 | API 612/617 的规定通常比 ISO 更严格。 |
| 石油/化工（泵、压缩机） | G 2.5 - G 6.3 | API 610 泵通常 G 2.5 或更紧 |
| 暖通空调（风扇、鼓风机、AHU） | G 6.3 | 对噪音敏感的安装可能需要 G 2.5 |
| 纸浆和纸张（辊筒、干燥机） | G 6.3 - G 16 | 大型慢速滚筒；质量大，补偿了较低的精度 |
| 采矿和矿物（破碎机、筛分机） | G 16 - G 40 | 环境恶劣；可接受中等精度 |
| 汽车（车轮、传动轴） | G 16 - G 40 | NVH 要求可能比 ISO 最低要求更严格 |
| 机床（主轴、驱动器） | G 1.0 - G 2.5 | 表面抛光质量取决于主轴平衡 |
| 船舶（螺旋桨轴、发动机） | G 6.3 - G 40 | 适用船级社规则（挪威船级社、劳埃德船级社、美国船级社 |
| 风能（转子轮毂、发电机） | G 6.3 | 叶片间距不平衡与轮毂平衡分开处理 |
| 航空航天（涡轮风扇、陀螺仪） | G 0.4 - G 2.5 | 极为严格；军用标准（MIL-STD）可能高于 ISO 标准 |
双平面平衡 - 分布容差
总允许不平衡度 Uper 根据 G 级计算公式计算出的是 整个转子. .实际上，大多数转子在两个校正平面上进行平衡（动平衡），因此必须在两个平面之间分配公差。
ISO 公差分布指南
- 对称转子 (CG 约在中跨处）：除以 Uper 在两个平面之间平均分配。每个平面获得 Uper/2.
- 非对称转子 (CG 向一端偏移）：根据与 CG 的轴承距离按比例分配。最靠近 CG 的平面获得较大份额的公差。
- 单平面平衡： 整个 Uper 适用于单一校正平面。这适用于力偶不平衡可忽略不计的窄盘形转子（L/D < 0.5）。
常见的错误是计算 Uper 然后将该值应用于 每种 平面，实际上将总公差增加了一倍。正确的方法是：Uper 是总数；将其分给各平面。每个平面接收 Uper/2，用于对称转子。
工作实例
已知： 泵叶轮，质量 = 12 千克，运行速度 = 2950 RPM，要求等级 G 6.3。
步骤 1 - 具体的不平衡： eper = 9549 × 6.3 / 2950 = 20.4 微米
第 2 步 - 总容忍度： Uper = 20.4 × 12 = 245 克-毫米
步骤 3 - 每个平面（对称）： 245 / 2 = 每个平面 122 克·毫米
步骤 4 - 校正重量： 修正半径 R = 100 毫米时：重量 = 122 / 100 = 1.22 克 每个平面最大
步骤 5 - 离心力： ω = 2π × 2950/60 = 308.9 弧度/秒。F = 245 × 10⁻⁶ × 308.9² = 23.4 N — 完全符合承载能力。
已知： 风扇转子，质量 = 85 千克，运行速度 = 1480 RPM，要求等级 G 6.3。
步骤 1 - 具体的不平衡： eper = 9549 × 6.3 / 1480 = 40.6 微米
第 2 步 - 总容忍度： Uper = 40.6 × 85 = 3 455 克-毫米
步骤 3 — 每个平面： 3,455 / 2 = 每个平面 1 728 克-毫米
步骤 4 - 校正重量： R = 400 毫米时：重量 = 1728 / 400 = 4.3 克 每个平面最多。
实用说明： 该风扇可在现场使用一个 Balanset-1A 安装了转子的便携式平衡器。该装置可根据转子质量和速度自动计算 G 6.3 公差。
已知： 涡轮叶轮，质量 = 0.8 kg，最高转速 = 90,000 RPM，要求等级 G 1.0（高速涡轮增压器的典型 OEM 规格 — 比 ISO 21940-11 默认的 G 6.3 更严格）。
步骤 1 - 具体的不平衡： eper = 9549 × 1.0 / 90000 = 0.106 微米 - 约 100 纳米！
第 2 步 - 总容忍度： Uper = 0.106 × 0.8 = 0.085 克-毫米
步骤 3 - 校正重量： R = 20 毫米时：重量 = 0.085 / 20 = 0.004 克 （4 毫克！）每个平面最多。
实用说明： 这种极其严格的公差要求专门的高速平衡机具有亚毫克级的分辨率。在这种精度水平上，通常使用材料去除（研磨/钻孔）而不是增加配重块。
历史背景 - ISO 1940-1 至 ISO 21940-11
G 级系统经历了多次迭代：
- VDI 2060（1966 年）： 最初的德国标准，确立了平衡质量等级的概念。由 Verein Deutscher Ingenieure（德国工程师协会）制定。
- ISO 1940（1973 年，1986 年修订，2003 年）： 国际上采用 VDI 2060 概念。ISO 1940-1:2003 "机械振动--恒定（刚性）状态下转子的平衡质量要求 "成为 G 级的全球参考标准。
- ISO 21940-11:2016: 现行标准。ISO 21940 系列综合标准的一部分，涵盖转子平衡的所有方面。第 11 部分专门涉及平衡质量要求，取代了 ISO 1940-1。G 级值和应用表基本保持不变；主要变化是编辑和结构上的。
尽管已被正式取代，但 "ISO 1940 "仍是行业对话、采购规格和设备手册中最常用的参考名称。这两个名称指的是相同的 G 级系统。
应用 G 级的常见错误
错误 1：使用平衡速度而不是服务速度
计算 G 级公差时必须使用 最高服务速度 (工作转速），而不是平衡机转速。许多转子的平衡转速低于其工作转速。在公式中使用平衡转速产生的公差太松，不符合实际运行条件。转子 Balanset-1A 软件允许您将服务速度与平衡速度分开输入，以避免出现此错误。
错误 2：混淆 G 级和振动级别
G 6.3 并不意味着安装的机器将以 6.3 mm/s 的速度振动。G 值是 仅转子，测量或计算为自由体公差。已安装机器的振动取决于许多其他因素：轴承状况、 对中, 结构 固有频率, 、阻尼等。根据安装情况的不同，平衡为 G 6.3 的转子在一台机器上可能产生 1 mm/s 的振动，而在另一台机器上则可能产生 4 mm/s 的振动。
错误 3：过高的分数要求
为只需要 G 6.3 的慢速风扇指定 G 1.0 会浪费时间和金钱。更严格的等级需要更多的平衡反复、更精确的设备和更长的平衡时间。指定适合应用的等级 - 比所需更好的平衡会带来收益递减，同时增加成本。
错误 4：对每个平面应用总公差
如上所述，Uper 是 全部的 转子的公差。对于双平面平衡，除以 2（对于不对称转子，则按比例分配）。应用 Uper 每个平面的实际总公差加倍，可能会超出预期等级。
错误 5：忽视温度和装配变化
由于热变形、离心力增长或配合变化，一些转子在冷（环境）和热（工作）条件下会改变平衡状态。在室温下，平衡机上符合 G 2.5 的转子，在工作温度下可能会超过此公差。对于关键转子，建议在工作条件下或接近工作条件时进行高速平衡。
错误 6：忽视键和键槽公约
ISO 21940-11 规定，在平衡带有键槽的转子时，应使用半键惯例（平衡时在键槽上添加半键，以接近安装状态）。使用全键、无键或忽略此惯例都会带来初始不平衡误差，对于较紧的 G 级而言，这种误差可能很大。
为什么 G 级很重要--商业案例
正确使用 G 级材料可带来可衡量的效益：
- 轴承寿命 轴承 L10 寿命与 (C/P)³ 成正比，其中 P 包括不平衡力。不平衡力减少一半，轴承寿命最多可延长 8 倍（2³ = 8）。这将直接减少维护成本和停机时间。
- 能源效率： 不平衡 由不平衡引起的振动会以热量形式在轴承、密封件和减震器中耗散。平衡良好的转子运行时温度更低，耗电量更少，工业电机通常可节省 1-3% 的能耗。
- 降噪： 不平衡产生的振动会通过结构传播，并以噪声的形式辐射出去。符合正确的 G 级标准通常是遵守工作场所噪音法规的最经济有效的方法。
- 标准化和互操作性： G 级系统确保由 A 制造商进行平衡的转子与由 B 制造商进行平衡的转子达到相同的质量标准，这对于全球供应链和可互换部件至关重要。
- 遵守法规： 许多行业在保险、保修和安全认证方面都需要平衡质量的书面证据。G 级提供了一个普遍认可的文件标准。
Balanset-1A 便携式平衡机内置 ISO 1940 / ISO 21940-11 公差计算器。输入转子质量、工作速度和所需的 G 等级 - 软件会自动计算 Uper, 在每次平衡运行后，都会在各平面之间分配公差，并提供明确的通过/失败指示。平衡 Balanset-4 将这一功能扩展到四通道测量，以实现复杂的平衡设置。
在本页
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