机械振动 转子平衡 第11部分 具有刚性特性转子的平衡方法和允差 编制说明

一、工作简况1任务来源本国家标准《机械振动转子平衡第11部分：具有刚性特性转子的平衡方法和允差》项目由全国机械振动、冲击与状态监测标准化技术委员会（SAC/TC53）提出并归口，该项目于2022年5月向国家标准委正式提出立项申请，于2024年1月计划下达，列入国家标准化管理委员会2024年制修订项目计划，项目计划编号为20233413-T-469。2协作单位本标准主要起草单位：中机试验装备股份有限公司、郑州机械研究所有限公司、北京双元天衡检测科技有限公司、上海申克机械有限公司、上海衡望智能科技有限公司、北京青云精益检测设备有限公司、沈阳工业大学、大连智鼎科技有限公司、江苏联博精密科技股份有限公司等。2主要工作过程1）自本标准计划项目下达后，负责起草单位中机试验装备股份有限公司根据项目计划要求、标准特点、国内平衡机技术发展和产业分布情况，召集了领域内权威专家成立了《机械振动转子平衡第11部分：具有刚性特性转子的平衡方法和允差》起草工作组。牵头单位组织平衡领域相关专家开展了情况调研和起草准备工作，并拟定了时间计划安排和起草组专家的分工。在此过程中收集了国内外刚性转子平衡方法的发展情况，认真研究了相关的标准等等。2）2024年1月10日至2024年4月15日，工作组负责起草的专家们按照国家标准GB/T1.1-2020的编写原则和规定，起草了国家标准《机械振动转子平衡第11部分：具有刚性特性转子的平衡方法和允差》，形成标准征求意见稿的讨论稿。3）2024年4月20日，牵头单位中机试验装备股份有限公司召集工作组开展标准研讨会议。在研讨会上，起草工作组成员对国家标准《机械振动转子平衡第11部分：具有刚性特性转子的平衡方法和允差》讨论稿逐条逐句进行了讨论和研究，提出了相关修改意见，并对ISO标准错误之处进行了勘误。4）起草会后，根据起草会的修改意见和建议对标准草案讨论稿进行了修改和完善，形成了标准征求意见稿和本标准编制说明。3标准主要起草人及其所做的工作本标准主要起草人有中机试验装备股份有限公司的任霞、郑州机械研究所有限公司的马卫平、北京双元天衡检测科技有限公司的郭卫建、上海申克机械有限公司的孙华刚、上海衡望智能科技有限公司的郭强、北京青云精益检测设备有限公司的林东涛、沈阳工业大学的赵海宁、大连智鼎科技有限公司的张兆宇、江苏联博精密科技股份有限公司的沈正云等。起草工作组成立后，按照分工，任霞任起草工作组组长，全面协调、沟通标准起草工作。孙华刚、郭卫建负责组织了标准资料的收集和整理，并翻译了国际标准，形成初稿。任霞、孙华刚、郭卫建、马卫平、郭强、林东涛、赵海宁、张兆宇、沈正云等工作组成员组织参加了工作组的标准征求意见稿的审查会议，对标准征求意见稿初稿进行了审查、讨论和修改，形成了本标准的征求意见稿；马卫平最后对标准的征求意见稿、编制说明、征求意见表进行修改、审查和定稿。起草组进行了标准资料和国内外现有研究成果的收集整理，翻译了国际标准，制定了标准草案及其编制说明。二、国家标准编制原则和确定国家标准主要内容及新旧国家标准的比较1标准编制原则本标准制定工作贯彻落实我国“积极采用国际标准和国外先进标准”的重要技术经济政策，使我国刚性转子的平衡技术和方法完全与国际先进技术接轨，对于改善提供旋转机械的工作性能和安全性能，具有重要意义。本标准的修订工作坚持遵循充分考虑中国国情、公平公正、开放透明、充分协商原则，保证标准的科学性、规范性、时效性，制定科学合理的方法。1）本标准制订按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》和GB/T1.2—2020《标准化工作导则第2部分：以ISO/IEC标准化文件为基础的标准化文件起草规则》的要求进行。2）本标准等同采用ISO21940-11：2016。2确定国家标准主要的内容根据ISO21940-11：2016确立本标准的内容，确立了刚性转子的平衡过程和平衡允差，适用于刚性转子的平衡。包括：（1）平衡的相关描述1）转子平衡的基本知识转子平衡是检测转子的质量分布且必要时进行调整，以确保剩余不平衡或工况下的振动在规定限值内的一种工艺过程。应该指出的是，工况中的振动可能源自不平衡外的其他因素。转子不平衡可能是由设计、材料、制造和装配引起的。即便在批量生产中，每个转子沿其轴向的不平衡分布都各不相同。对于刚性转子，可以使用不同的矢量来表示相同的不平衡，有六种常用的表示方法。2）不平衡的影响合成不平衡矢量和合成不平衡力矩对转子支撑力和机器的振动的影响并不相同，对这两种不平衡通常分别考虑。即使对于双面动不平衡，若不平衡的形式主要是合成不平衡矢量或者合成不平衡力偶，那么也建议注意两者的影响效果通常并不相同。3）不平衡允差的参考平面参考平面用以表述不平衡允差。对于参考平面而言，无论相角在何位置，只需剩余不平衡量的值在各自的平衡允差范围内。平衡的目的通常是减小通过支承传递到周围的振动和力，为此，通常采用支承平面作为不平衡允差的参考平面，但是并不适用于所有的支承平面。4）校正平面总则：超出不平衡允差的转子需要校正。不平衡量的校正通常不能在所设定的不平衡允差平面上进行，而是在转子可以添加、去除或重新配置材料的平面上进行校正。所需校正平面的数量取决于初始不平衡量的大小和分布情况，还取决于转子的设计特点，如校正平面的形状及其与允差平面的相对位置。仅需单个校正面的转子：有些转子仅合成不平衡力超出允差，而合成不平衡力矩则在允差内。这种情况通常发生在带有单个盘的转子中，只要：支承间距足够大；盘类转子旋转时轴向跳动足够小；有适合的校正平面。对足够数量的转子进行单面平衡后，用所测定的最大剩余不平衡力矩除以支承间距，得到不平衡力偶。如果这种方法得到的偶不平衡是可接受的，即使在最坏的情况下，那么预计单面平衡也就足够了。对于单面平衡，转子不必旋转。不过由于灵敏度和准确度的原因，大多数情况下使用旋转式平衡机。需要两个校正面的转子：如果刚性转子不仅不合成不平衡力超出允差，不平衡力矩也需要校正，则需要两个校正面。大多数情况下，合成不平衡力和合成不平衡力矩共同形成了动不平衡，两个不平衡矢量在不同的平面内。对于双面平衡，应旋转转子以检测不平衡力矩。需要多于两个校正面的转子虽然理论上所有的刚性转子都能够在两个平面上进行校正，但是有时也会需要使用两个以上的校正平面，例如：a）在合成不平衡力和不平衡力偶分别校正的情况下，若合成不平衡的校正不能在双面中的一个（或两个）平面上进行，并且；b）沿转子轴向分散校正。在特殊情况下，由于受限于校正平面（例如通过在曲轴的多个配重上进行钻孔的方式来校正或者为了保证转子的功能和部件的强度，沿轴向分散校正是合适的。5）许用剩余不平衡量对于不平衡力偶可忽略的内质心转子，通常进行单面校正就够了，它的不平衡状态可用一个单独的不平衡矢量表示。为使转子良好运转，不平衡量的数值即剩余不平衡量Uper，不应大于许用剩余不平衡量Uper，但是Uper涵盖了合成不平衡力和力矩的情况除外。因为Uper被定义为质心平面上的总允差，对于双面平衡，总允差应分配到允差平面。（2）共性因素一些共性因素有助于理解和计算转子质量和工作转速对许用剩余不平衡量的影响。许用剩余不平衡量和转子质量：通常，相同型式的转子，许用剩余不平衡量Uper与转子质量m成正比，单位质量的许用剩余不平衡量为许用剩余不平衡度eper。许用剩余不平衡度和工作转速：经验表明，相同型式的转子，许用剩余不平衡度eper与工作转速n通常成反比。这种关系也遵循这样一个事实：几何形状相似的转子，以相同的线速度转动时，转子的内应力和支承的特定负载（有离心力产生）是相同的。平衡质量等级G正是基于这个关系。（3）不平衡允差的确定1）总则平衡过程的第一步是确定转子的许用剩余不平衡量的大小，并将其分配到允差平面上。为可靠满足这些不平衡允差，已减小的剩余不平衡允差应将误差考虑在内。2）不平衡允差的由来许用剩余不平衡量的数值可通过五种不同的方法确定。这些方法基于：a）平衡品质级别，由大量的、不同转子的长期实践经验得出；b）许用剩余不平衡量的实验性的评估；c）由不平衡导致的极限支承力；d）由不平衡导致的极限振动；e）已有的不平衡允差经验。方法的选择和许用不平衡允差，建议作为制造者和用户之间协议的一部分。3）平衡品质级别G根据全世界的经验和共性，已建立的平衡品质级别G，满足了典型机械类型的平衡品质分级需求。平衡品质级别G，能够计算许用剩余不平衡量。经验显示，这种方法得到的许用剩余不平衡量通常能满足转子在工作转速下运行的需要。平衡品质级别彼此之间以系数2.5来划分。在一些情况下，需要更细化分级，尤其是高精度平衡时，细分级别的系数不宜小于1.6。平衡品质等级是以典型的机械设计为基础的，转子质量占整个设备质量的百分比是固定的。特殊情况下需要加以修改。不同的体系均以表达式W/N的形式引用许用剩余不平衡量，其中W是转子质量，N是最大工作转速。Uper为质心平面内的总允差。对于双面平衡，总允差应分配到允差平面4）实验评估对于批量生产场合，经常要对平衡品质要求进行实验评估。试验一般在现场进行。通过在每个校正面上依次施加不同的试验不平衡量，按照最有代表性的判断依据（例如由不平衡引起的振动、力或噪声）来确定许用剩余不平衡量。在双面平衡中，应考虑相同相位角的不平衡量与相角相差180°的不平衡量所产生的不同效应。5）基于支承力或振动的不平衡允差支承力：主要目的是限制不平衡所产生的支承力。首先规定支承力的限值，然后转化成不平衡量。对于足够稳固（不移动）的支承架而言，简单应用离心力公式进行转换即可。在其他情况下，应考虑工作条件下结构的动态性能。对于这些情况，没有简单的规则可用。振动：主要目的是限制特定平面内的振动。从这些限值中能够推导出平衡品质允差。6）基于经证实的经验如果一些公司已经积累了足够的经验来系统地评价其产品的平衡品质允差，便可以充分加以利用。（4）许用剩余不平衡向允差平面的分配就单面校正而言，Uper已经全部在该允差平面上。双面校正需要将Uper按质心分别到两个允差平面的距离之比，等比例分配到两个允差平面。对内质心转子的限制：如果质心靠近某一个支承平面，对该支承平面计算出的允差值就变得非常大，接近Uper，而远离质心的支承平面的允差值就变得很小，接近于零。为了避免极端允差状态，规定：a）较大的允差值不应大于0.7Uper；b）较小的允差值不应小于0.3Uper。对外质心转子的限制：外质心转子需要将Uper按质心分别到两个允差平面的距离之比，等比例分配到两个允差平面。然而，为了避免极端允差状态，规定：a）较大的允差值不应大于1.3Uper；b）较小的允差值不应小于0.3Uper。外质心转子的不平衡量上限值不同于内质心转子的。这里假设：B支承和支撑结构的设计足以承受外悬质量施加的静载荷。因而它也能承担不平衡所引起的成比例增高的载荷。若不是这种情况，那么不得不采用内质心转子的限制条件。（5）平衡允差向校正平面的分配1）当今的许多平衡方法仍然是在校正平面应用平衡允差。由于是按照校正方法来选择校正平面，因而对于不平衡允差来说这些平面通常是不理想的，如果一定要把允差分配到校正平面，请注意以下两点：a）剩余不平衡的量值和他们的相对相角位置，两者对不平衡的状态均有影响。尽管如此，即便在这种情况下，通常也只是根据量值而不是相角关系来确定允差。b）因此，任何分配规则都是折中的。这就一定要考虑两个校正面上剩余不平衡量之间相角关系的最坏情况。对于其他状态，相同的剩余不平衡量对转子造成的影响较小。因此，采用校正平面上的平衡允差，许多转子被平衡到不平衡量比所要求的还要更小。按照前面所述的方法确定平衡允差之外，还应注意以下两点：——就实验确定法而言，通常可以得到每个校正平面的许用剩余不平衡量，而不需要再作分配；——无论什么时候使用了允差平面，例如基于平衡品质级别、基于力或振动的特殊目的或已有经验来确定平衡允差，都可能需要将平衡允差随后分配到各校正平面。2）单面校正：对于只需要一个校正平面的转子，这个平面上的许用剩余不平衡量Uper等于总不平衡允差。当采用平衡品质级别确定Uper时，省略向两个允差平面分配的步骤。3）双面校正：如果I和II校正平面在A和B允差平面附近，允差的转换系数可以为1，使用邻近允差平面上的允差值。建议表述不平衡允差时，要使用允差平面(常等同于支承平面)而不是校正平面。但是在平衡过程中仍然需要校正平面上的不平衡允差，基本规则如下：——校正平面在允差平面之间：采用邻近允差平面的不平衡允差；——校正平面在允差平面外侧：按支承跨距与校正平面间距之比成比例地减小不平衡允——更复杂的几何结构：对于几何结构更复杂的转子，不能给出简单的分配规则。对于这样的转子，建议要在支承平面表述许用剩余不平衡量。（6）组装型转子总则：组装后的转子可以作为一个完整的单元进行平衡，或者对其独立组件进行平衡。对每个组装型转子来说，组件的不平衡叠加和装配误差也会产生额外的不平衡，例如：径向跳动和间隙引起的额外不平衡。如果装配误差不显著，平衡工艺的选择可取决于平衡机的适用性。完整单元的平衡：考虑到转子中所有的不平衡量和所有的装配误差，最好的办法是将转子作为一个完整组装单元进行平衡。如果转子总成平衡后还需要再分解，例如为了安装到机箱内，建议对每个部件做出角度标识，以保证重新组装在相同的角度位置。即使在组装和分解过程中采用了预防措施，径向跳动和安装间隙的问题仍然存在。组件平衡：如果分别对单个组件进行平衡，则有如下重要意见:a）如果组合误差可忽略不计，所有组件均应被平衡至与完整转子相同的剩余不平衡度。b）如果组合误差（主要是装配误差）不能忽略不计，每个组件平衡后，其剩余不平衡度均应小于完整转子的剩余不平衡度。如果这样产生了问题（例如重型电枢上如带有小型风扇或皮带轮那么只要将完整转子的总不平衡量控制在允差范围内，任何分布规则都是允许的。c）如果在转子组件之间需要连接件（例如：键应考虑其对不平衡的影响。如果通过分别平衡每个组件，不能达到装配体的平衡允差要求，那么装配体应做完整单元的平衡。这种情况下，建议重新考虑分体平衡的必要性。然而，即便对完整的装配体平衡，如果每个组件的初始不平衡量过大，或是在每个组件上更容易进行平衡校正，那么仍然建议对组件进行预平衡。这种情况下，组件平衡的剩余不平衡度可以比完整转子平衡的剩余不平衡度的更为放宽一些。3、新旧国家标准的比较本标准件代替GB/T9239.1—2006《机械振动恒态（刚性）转子平衡品质要求第1部分：规范与平衡允差的检验》，与GB/T9239.1—2006相比，除结构调整和编辑性改动外，主要技术变化如下：（1）术语由ISO1925:2011更改为“GB/T9293.2界定的术语和定义适用于本文件”（见2006年（2）平衡允差的参考平面使用参考平面确定平衡允差，每个面的剩余不平衡量应在平衡允差范围内。更改了选择支承平面作为参考平面的要求，在参考平面的选取上，2006版选择支承平面作为参考平面，本标准更改为：不适用于所有的支承平面。即不是所有的支承平面都适合做参考平面（2006（3）刚性转子的校正平面分别对单面校正、双面校正和多面校正的情况进行了描述。将2006年版剩余不平衡量不宜大于许用剩余不平衡量，改为不应大于许用剩余不平衡量（2006年版的4.6，4.6剩余不平衡量不应小于许用剩余不平衡量，这一规定通常适用于各类转子，在本版中增加了“Uper涵盖合成不平衡力和力矩的情况除外”。（5）平衡允差的确定增加了对平衡步骤的规定以及将误差考虑在内的要求（见6.1）。平衡的第一步确定许用剩余不平衡量的值，并将其分布到允差平面上，已减小的剩余不平衡量要将误差考虑在内。在根据平衡品质级别G计算许用剩余不平衡量中，在给出基于转速Ω的计算公式外，增加了基于转速n的计算公式（见公式7）。（6）许用剩余不平衡量向允差平面的分配支承平面计算出的允差限制值的要求由“不宜”更改为“不应”（见2006年版的7.2.3（7）误差不平衡量的测量误差，将允差平面的测量误差小于该面的剩余不平衡量5%，可忽略不计，（8）检验删除了用户单独进行平衡检验的判定规则（见2006年版的10.2.3增加了不平衡量读数超出允差时转子平衡合格判定的方法（见10.4.3删除了在平衡机上检验以及不在平衡机上进行检验的要求（见2006年版的10.3和增加了不平衡量测量不确定性的要求（见10.4.4）。三、主要试验（或验证）的分析、综述报告，技术经济论证，预期的经济效果原标准己执行多年，多年来在刚性转子的平衡方面已经发挥了重要作用。本标准等同采用ISO21940-11：2016《机械振动转子平衡第11部分：刚性转子的允差和平衡方法》，标准起草工作组对平衡方法进行了验证，结论表明方法科学合理，具备可操作性。刚性转子在日常生产生活中的应用非常广泛，几乎涵盖各个领域和行业。例如机床的主轴系统、汽车中的凸轮轴、家用的搅拌机、风扇和空调机组中的电机等。然而，动不平衡是刚性转子的常见问题；大量的工程实践已证明，旋转机械刚性转子的振动危害多由转子动不平衡引起。转子的动不平衡主要由制造误差、装配误差、转子材质不均匀等问题引起。针对刚性转子的动不平衡问题，国内外学者以降低转轴振动为目标，提出了很多动平衡方法，例如工艺平衡法、整机现场动平衡法、在线动平衡技术等。转子不平衡是造成电动机、发电机、发动机、汽轮机等旋转机械振动过大以及产生噪音的主要原因，直接影响设备的工作性能和使用寿命。现代技术还不能完全消除转子不平衡，在转子制造、安装、修理时，通过确定合理规范的平衡工艺程序和允差，从整体上尽可能减小转子的不平衡，对于改善提供旋转机械的工作性能和安全性能，具有重要意义。随着航空航天技术和汽车技术的发展，旋转类部件如发动机运行速度越来越高，对运行的平稳性何可靠性提出了挑战。高速运行平稳性的重要保障之一就是转子平衡。与温度、磨损、疲劳相关，转子的平衡状态在不断地变化。在工程中，平衡测试贯穿转子的生产、检验、使用、故障诊断等诸多环节。转子