定义：什么是平衡质量等级？

A 平衡质量等级，通常被称为 G级, 是 ISO 标准定义的一种分类系统，特别是 ISO 21940-11:2016, 该标准取代了旧版本的 ISO 1940-1:2003，规定了可接受的 残差 不平衡 为 刚性转子转子平衡标准。它为工程师、制造商和维护人员提供了一种标准化、国际认可的方法，以确定转子在特定应用中需要达到的平衡精度。

G 级编号（如 G6.3 或 G2.5）代表转子质心的恒定外围速度，单位为毫米/秒（mm/s）。该速度是具体不平衡度（偏心率）与转子在最大运行速度下的角速度的乘积。G 值越小，表示精度越高，平衡公差越小。.

G 级背后的重要启示

G 级系统的天才之处在于它认识到 振动严重程度 这不仅取决于不平衡的程度，还取决于转子旋转的速度。转子在每分钟 30,000 转时有 10 g·mm 的不平衡，其产生的振动力要远远大于每分钟 1,500 转时同样 10 g·mm 的不平衡。G 级将这种关系用一个单一的数字表示出来，适用于任何转速，因此具有通用性。

历史背景

G 级概念起源于 20 世纪 60 年代德国的 VDI 2060 准则。1973 年在国际上作为 ISO 1940 采用，2003 年进行了重大修订（ISO 1940-1:2003），最近一次更新是在 2016 年作为 ISO 21940 系列的一部分。尽管标准编号发生了变化，但基本的 G 级系统和计算方法 50 多年来一直保持一致，使其成为机械工程领域最稳定和最广泛采用的技术标准之一。

G 级如何运作？数学

G 级并非最终 平衡公差 本身，而是用来计算它的关键参数。了解 G 级、转子速度、转子质量和允许不平衡之间的数学关系对于实际应用至关重要。使用我们的 残余不平衡量计算器（ISO 21940-11）.

核心关系

G 级表示允许的具体不平衡度（偏心率，e每）和转子的角速度（ω）：

基本定义
G = e每 × ω
其中 e每 单位为毫米（或 µm ÷1000），ω 单位为拉德/秒

由于 ω = 2π × n / 60（其中 n 为转速），通过代入，我们可以得出日常平衡工作中使用的实用公式：

允许的具体不平衡度（偏心率）
e每 = (G × 1000 × 60) / (2π × n) = 9549 × G / n
结果以 µm（微米）为单位 - 也等于 g-mm/kg

允许的残余不平衡（实际误差）
U每 = e每 × M = (9549 × G × M) / n
U每 单位为 g·mm，M 单位为 kg，n 单位为 RPM。常数 9549 ≈ 60000/(2π)。

了解变量

可变 名称 单位 说明
G 平衡质量等级 毫米/秒 ISO 规定的应用质量等级（如 2.5、6.3）
e每 允许的具体不平衡 µm 或 g·mm/kg 质量中心相对几何中心的最大允许位移（单位质量）
U每 允许的残余不平衡 克·毫米 最终公差值——平衡后剩余的最大不平衡度
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 转子在使用中达到的最高运行速度
ω 角速度 弧度/秒 ω = 2π × n / 60；在基本定义中使用
重要：使用最高服务速度

公式中的 RPM 必须是转子在实际运行中达到的最高转速，而不是平衡机的转速。转子在慢速平衡机上以 300 RPM 进行平衡，但以 12,000 RPM 运行，其公差必须以 12,000 RPM 计算。平衡机根据公差进行修正，但公差是由使用转速确定的。

几何解释

ISO 标准采用对数图表，横轴为转子转速（RPM），纵轴为允许的具体不平衡度（e每 以 g·mm/kg 为单位）。在这个对数-对数图表上，每个 G 级都显示为一条对角直线。这种优雅的可视化表明：

  • 对于任何给定的 G 级，速度增加一倍，允许的具体不平衡度就会减半
  • 相邻 G 级线路之间的距离为 2.5 倍（递增关系为：0.4、1.0、2.5、6.3、16、40、100、250、630、1600、4000）。
  • 对数间距意味着每个等级代表的振动严重程度的感知变化大致相同

为您的应用选择合适的 G 级产品

选择正确的 G 级需要平衡（不是双关语）几个因素：转子的预期应用、运行速度、支撑结构刚度、轴承类型和可接受的振动水平。ISO 标准通过其应用表提供了指导，但也需要考虑一些实际因素：

决策因素

  • 运行速度： 转速较高的转子通常需要更严格的等级，因为 离心力 不平衡力随转速的平方而增加（F = m × e × ω²）。转速为 30,000 RPM 的转子与转速为 3,000 RPM 的转子相比，同样的不平衡产生的力要大 100 倍。
  • 轴承类型： 滚动轴承对不平衡的耐受性比流体膜轴承（期刊）轴承对不平衡的容忍度低。使用滚动轴承的机器可能需要比标准推荐值更紧一级。
  • 支撑刚度： 与刚性支撑相比，柔性支撑（橡胶支架、弹簧隔振器）对振动传播的放大作用较小，但可能会产生共振问题。刚性安装的机器对不平衡更为敏感。
  • 环境要求： 要求低噪音（医院暖通空调、录音室）或低振动（半导体制造、光学实验室）的应用可能需要比标准更严格 1-2 级的等级。
  • 轴承使用寿命预期： 如果延长轴承寿命至关重要（海上平台、远程安装），则指定更严格的 G 级可减少轴承上的动载荷，直接延长其 L10 寿命。. L10 寿命.

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 2.5 或更紧 API 标准通常要求 G 1.0 等效
石油和天然气（泵、压缩机） G 2.5 API 610/617 规定临界值为 4W/N ≈ G 1.0
暖通空调（风扇、鼓风机） G 6.3 G 2.5 用于对噪音敏感的应用
机床 G 1.0 - G 2.5 磨削主轴可能需要 G 0.4
造纸机/印刷机 G 2.5 - G 6.3 取决于滚筒速度和打印质量
采矿/水泥（破碎机、磨机） G 6.3 - G 16 环境恶劣；可能无法实现更严格的要求
汽车（曲轴） G 16 - G 40 乘用车一般为 G 16；卡车为 G 25-40
食品加工 G 6.3 卫生设计可能会限制校正方法
木工（锯条、刨床） G 2.5 - G 6.3 表面质量等级更高
电机（一般） G 2.5 IEC 60034-14 参考了这一标准，适用于大多数电机

实用计算示例

示例 1：离心泵叶轮

已知： 泵叶轮，质量 = 12 千克，最大工作转速 = 2950 转/分钟，应用：加工厂 → ISO 推荐 G 6.3。

步骤 1 - 计算具体不平衡度：

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

第 2 步 - 计算允许的总不平衡度：

U每 = e每 × M = 20.4 × 12 = 244.8 g·mm

解释： 平衡后的残余不平衡度不得超过 244.8 g·mm。如果在单个平面上平衡，这就是总公差。如果在两个平面上进行平衡，则必须在两个校正平面之间分摊该总公差（对称转子通常为 50/50）。

示例 2：工业风扇转子

已知： 风扇转子组件，质量 = 85 千克，最高转速 = 1480 RPM，应用：通风 → G 6.3。

计算：

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

e每 = 3454 / 85 = 40.6 微米

用于双平面平衡： U每 每个平面 ≈ 3454 / 2 = 每个平面 1727 g-mm

示例 3：涡轮增压器转子（高速）

已知： 涡轮增压器转子，质量 = 0.8 kg，最高转速 = 90,000 RPM，应用：汽车涡轮 → G 2.5。

计算：

U每 = (9549 × 2.5 × 0.8) / 90000 = 0.212 克-毫米

e每 = 0.212 / 0.8 = 0.265 微米

请注意： 在极高转速下，公差变得微乎其微。这就是为什么涡轮增压器的平衡需要专门的高精度设备，以及为什么即使是轻微的污染（指纹、灰尘）也会使不平衡超出公差范围的原因。

对于上述较常见的情况（泵、风扇和以 G 2.5 或 G 6.3 运行的一般工业转子），您可以测量残余不平衡度，应用校正砝码，并根据所选等级验证结果。 实地 使用便携式仪器，如 Balanset-1A。输入转子质量和运行速度，就地平衡机器，软件就会报告 U每 与目标 G 级相比，转子的合格/不合格情况一目了然——无需拆卸转子或将其送往平衡店。

单位之间的转换

平衡工作中常见的单位换算：

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

1 盎司-英寸 = 720 克-毫米（英制，在美国某些行业仍在使用）

e每 µm = e每 以 g-mm/kg 为单位（数值相同 - 质量中心偏移等于具体不平衡度）

双平面平衡 - 分配公差

G 级公式计算出 全部的 整个转子的允许残余不平衡度。对于需要 双平面 (动态）平衡——这是长径比超过约 0.5 的大多数工业转子所需的——此总公差必须在两个校正平面之间分配。 校正平面.

ISO 公差分配指南

ISO 21940-11 提供了如何根据转子的几何形状划分平面间总公差的指导：

  • 对称转子 （重心在两个平面中间）：两个校正平面各占一半。
  • 非对称转子 （重心更靠近一个平面）：按比例分配——更靠近重心的平面获得更大份额的公差。标准提供了计算公式。
  • 一般规则 UA / UB = LB / LA, ，其中 LA 和 LB 分别是重心到平面 A 和平面 B 的距离。
静态与耦合不平衡

当总残余不平衡在两个平面之间分配时，则 向量和 不得超过 U每。简单地将每个平面与总量的一半进行独立检查，可能会漏掉这样一种情况，即两个平面的单个不平衡度都可以接受，但组合（特别是 偶不平衡）超过限值。现代平衡机通常同时检查单个平面公差和总残余量。

什么情况下单翼平衡就足够了？

单平面 (静态在下列情况下，平衡就足够了：

  • 转子为薄圆盘（长径比小于约 0.5）
  • 运行速度远低于第一 临界速度
  • 应用不要求极高的精度（G 6.3 或更粗）
  • 例如：风扇叶片、砂轮、皮带轮、制动盘、飞轮

当转子具有较大的轴向长度、预计会出现耦合不平衡（例如由多个部件组装而成）或需要高精度时，就需要进行双平面平衡。

常见错误和误解

1.使用平衡速度而不是服务速度

G 级计算中最关键的误差。公差公式要求 最高服务速度 — 转子在实际运行中达到的最高转速。低速平衡机可能以 300-600 RPM 运行，但公差必须以运行速度（如 3600 RPM）计算。使用平衡转速会使公差过松 6-12 倍。

2.混淆 G 级和振动级别

G 2.5 并不意味着机器的振动速度为 2.5 mm/s。G 等级描述的是质量中心的外围速度，而不是在机器外壳上测得的振动。实际振动取决于许多其他因素：轴承刚度、支撑结构、阻尼和其他振动源。根据这些因素，一台平衡为 G 2.5 的机器在外壳上测量到的振动可能为 0.5 mm/s 或 5 mm/s。

3.过度精确

在 G 6.3 足够的情况下指定 G 1.0 会浪费时间和金钱。G 级每紧一步，平衡工作和成本就会增加一倍。错位, 液压力、轴承噪音）占主导地位。

4.忽视现实世界的制约因素

计算出的公差可能小于平衡机的灵敏度或可达到的校正精度。如果 U每 如果计算结果为 0.5 g-mm，但平衡机只能分辨出 1 g-mm，那么如果没有更好的设备，就无法达到规定公差。请务必验证现有的平衡设备是否真的能达到规定的公差。

5.未考虑安装公差

由于键槽间隙、联轴器偏心、热膨胀和安装公差等原因，在平衡机上完全平衡的转子在安装时可能会出现不平衡。对于关键应用，ISO 标准建议为安装相关的不平衡偏移保留 20-30% 的总公差。

6.将刚性转子标准应用于柔性转子

ISO 21940-11 G 级适用于 刚性转子 ——转子的运行速度远低于其第一临界转速。通过临界转速或在临界转速附近运行的转子（柔性转子）需要按照 ISO 21940-12，采用了一种根本不同的方法。将 G 级应用于柔性转子可能会很危险。

为什么 G 级很重要？

标准化与交流

G 级是平衡质量的通用语言。制造商可以规定泵叶轮必须 "根据 ISO 21940-11 达到 G 6.3 级平衡"，而全球任何平衡机构都能准确理解所要求的精度。这就消除了歧义，避免了供应商和客户之间的纠纷，并使全球供应链的质量保持一致。.

防止过度平衡

将转子平衡到比所需公差更严格的程度既昂贵又耗时。由于需要更多的校正迭代、更精细的测量能力和更长的机器时间，每收紧一个 G 级，平衡成本就会增加一倍左右。G 级可以帮助工程师选择一种经济的精度等级，这种精度等级对于应用来说 "足够好"，而不会在不必要的精度上浪费资源。.

确保可靠性和轴承寿命

选择正确的 G 级可确保机器在可接受的振动水平下运行，从而直接降低轴承、密封件、联轴器和支撑结构上的动态负载。不平衡力与轴承寿命之间的关系非常密切：将不平衡力降低 50%，可将轴承 L10 的寿命提高 8 倍（由于轴承寿命计算中的立方关系）。适当的平衡质量是最具成本效益的可靠性改进措施之一。

监管与合同合规

许多行业标准和设备规范都将 ISO G 级作为强制性要求。石油工业设备的 API 标准、电机的 IEC 标准以及国防设备的军事规格都参考或采用了 ISO G 级系统。遵守这些要求往往具有合同约束力，并可能需要接受审计或核查。

预测性维护基线

当转子平衡到已知的 G 级并记录了初始振动水平后，随后的振动测量结果就可以与之进行比较。 基线。任何增加的 1× 转速 振动会立即显示出正在发展的不平衡（由侵蚀、堆积、部件损耗或热弯曲引起），从而能够积极地 维护 在发生损坏之前。

Vibromera Balanset 设备与 G 级

"(《世界人权宣言》) Balanset-1A 和 Balanset-4 便携式平衡装置的软件直接支持 G 级规格。操作员输入所需的 G 级、转子质量和运行速度，设备就会自动计算允许公差，并在平衡过程中显示通过/未通过状态。这消除了手动计算错误，并确保始终符合 ISO 标准。

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