什么是天平质量等级（G 级）？

快速回答

A 级天平质量等级（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 用于涡轮机和精密设备、, G 1.0 用于磨削主轴和涡轮增压器。允许不平衡度的计算公式： 呃每 = 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（e每)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 数字的物理意义

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）

允许的具体不平衡度（偏心率）
e每 = (9549 × G) / n
e每 单位为 µm（微米），G 单位为 mm/s，n 单位为 RPM。常数 9549 = 60×1000/(2π)

具体不平衡度（e每) 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

允许的剩余不平衡总额
呃每 = e每 × m = (9549 × G × m) / n
呃每 单位为 g-mm，G 单位为 mm/s，m 单位为 kg，n 单位为 RPM

总允许残余不平衡度（U每) 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

公差极限时的离心力
F = m × e每 ×ω² = U每 × ω² / 10⁶
F （牛顿），e每 米，ω = 2π×n/60 （单位：rad/s）。U 时除以 10⁶。每 单位：克-毫米

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

象征名称单元说明
格平衡质量等级毫米/秒产品 e每-ω；定义 ISO 等级（如 6.3、2.5、1.0）
e每允许的具体不平衡微米CG 与旋转轴的最大偏移量
呃每允许的残余不平衡克·毫米总不平衡公差 = e每 × 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离心力否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（U每) 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

安装在柔性（弹性）支架上的转子通常比安装在刚性基础上的转子需要更严格的平衡，因为柔性系统更容易传递振动。同样的曲轴，安装在弹性支承上可能需要 G 16 的平衡，而安装在刚性支承上则需要 G 40 的平衡。同样，由于油膜的阻尼作用，装在油膜轴承上的转子可能比装在滚动轴承上的转子能承受更多的不平衡。.

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 2.5API 612/617 的规定通常比 ISO 更严格。
石油/化工（泵、压缩机）G 2.5 - G 6.3API 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 40NVH 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 U每 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 U每 在两架飞机之间平均分配。每个平面获得 U每/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 U每 适用于单一校正平面。这适用于耦合不平衡可忽略不计的窄盘形转子（L/D < 0.5）。.
重要：不要加倍宽容

常见的错误是计算 U每 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U每 是总数；将其分给各飞机。每个平面接收 U每/2，用于对称转子。.

工作实例

示例 1：离心泵叶轮

鉴于 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： e每 = 9549 × 6.3 / 2950 = 20.4 微米

第 2 步 - 总容忍度： 呃每 = 20.4 × 12 = 245 克-毫米

步骤 3 - 每个平面（对称）： 245 / 2 = 每架飞机 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 每架飞机最大

步骤 5 - 离心力： ω = 2π × 2950/60 = 308.9 弧度/秒。F = 245 × 10⁻⁶ × 308.9² = 23.4 诺 - 完全符合承载能力。.

示例 2：大型工业风扇

鉴于 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： e每 = 9549 × 6.3 / 1480 = 40.6 微米

第 2 步 - 总容忍度： 呃每 = 40.6 × 85 = 3 455 克-毫米

步骤 3 - 每架飞机： 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 每架飞机最多.

实用说明： 该风扇可在现场使用一个 平衡仪-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。.

示例 3：汽车涡轮增压器

鉴于 涡轮，质量 = 0.8 千克，最高转速 = 90,000 RPM，要求等级 G 1.0。.

步骤 1 - 具体的不平衡： e每 = 9549 × 1.0 / 90000 = 0.106 微米 - 约 100 纳米！

第 2 步 - 总容忍度： 呃每 = 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！）。.

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）而不是增加砝码。.

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 平衡仪-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, ，作为自由体公差进行测量或计算。已安装机器的振动取决于许多其他因素：轴承状况、, 结盟, 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，U每 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 U每 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：忽视钥匙和钥匙槽公约

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-由振动引起的能量在轴承、密封件和减震器中以热量形式耗散。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。.
符合 G 级标准的实用平衡设备

"(《世界人权宣言》) 平衡仪-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 U每, 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。.

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