Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Дисбаланс — несовпадение оси инерции вращающегося шкива с осью его вращения. На любых оборотах он порождает центробежные силы, передающиеся на подшипники, вал и опорную конструкцию, и проявляется как вибрация, нагрев, шум, ускоренный износ опор и ослабление крепежа. Для шкивов клиноременных и зубчатоременных передач международная инженерная практика разграничивает два уровня корректировки: одноплоскостную (статическую) и двухплоскостную (динамическую) балансировку. Граница между ними определяется не столько частотой вращения, сколько окружной (рим-) скоростью шкива. Стандарт MPTA-B2c-2017 (R2024) «Standard Practice for Sheave/Pulley Balancing» устанавливает порог 6500 фут/мин — то есть 33,02 м/с (обычно округляется до 33 м/с), выше которого одноплоскостной балансировки уже недостаточно и требуется двухплоскостная. В статье разобраны природа дисбаланса, виды балансировки, расчёт допустимого остаточного дисбаланса по ISO 21940-11, оборудование, типовые ошибки и алгоритм принятия инженерного решения.
Дисбаланс шкива возникает по нескольким технологическим и эксплуатационным причинам:
Действие дисбаланса описывается классической формулой центробежной силы:
F = m · r · ω² = U · ω²
где:
Центробежная сила пропорциональна квадрату угловой скорости. Это означает, что увеличение оборотов вдвое приводит к четырёхкратному росту вибрационной нагрузки на подшипники. Именно поэтому требования к балансировке высокоскоростных шкивов существенно жёстче.
Международный стандарт ISO 21940-11:2016 «Mechanical vibration — Rotor balancing — Part 11: Procedures and tolerances for rotors with rigid behaviour» (заменил ISO 1940-1:2003) выделяет три фундаментальных вида дисбаланса для жёстких роторов:
Возникает, когда главная центральная ось инерции ротора параллельна оси вращения, но смещена относительно неё. Центр масс смещён на величину эксцентриситета e. Статический дисбаланс проявляется как одна неуравновешенная масса в одной плоскости и может быть обнаружен в покое: шкив, установленный в опорах с минимальным трением, самопроизвольно поворачивается «тяжёлой точкой» вниз.
Возникает, когда главная центральная ось инерции пересекает ось вращения в центре масс, но не совпадает с ней — две одинаковые неуравновешенные массы расположены в разных плоскостях и в диаметрально противоположных секторах. При покое моментный дисбаланс не проявляется (центр масс лежит на оси вращения), но при вращении создаётся пара центробежных сил с противоположных торцов, образующая опрокидывающий момент и поперечную вибрацию.
Комбинация статического и моментного. Главная центральная ось инерции не параллельна и не пересекает ось вращения. Большинство реальных шкивов имеют именно этот комплексный вид дисбаланса. Корректировка возможна только в двух плоскостях.
Статическая балансировка — устранение дисбаланса добавлением (или удалением) корректирующей массы в одной плоскости шкива. Цель — совместить центр масс с осью вращения. Применяется к относительно «тонким» шкивам, у которых ширина обода b значительно меньше диаметра делительной окружности D.
Статическая балансировка корректно устраняет дисбаланс при выполнении ряда условий:
Динамическая балансировка — измерение и устранение дисбаланса в двух плоскостях, разнесённых по оси вращения. Метод устраняет одновременно статическую и моментную составляющие, обеспечивая полное совпадение оси инерции с осью вращения. Это единственный способ корректировки для широких, нагруженных и высокоскоростных шкивов.
Шкив устанавливается на балансировочную машину с двумя жёсткими опорами, оборудованными датчиками вибрации (акселерометрами) либо силы. Шкив раскручивается до измерительной скорости (обычно 300–1500 об/мин). Датчики регистрируют амплитуду и фазу колебаний от каждой опоры. По известным геометрическим параметрам ротора (положение плоскостей коррекции относительно опор) электроника рассчитывает корректирующую массу и угловое положение в каждой из двух плоскостей.
Шкив с моментным дисбалансом, оставаясь статически уравновешенным, при вращении создаёт пару сил на торцах. Эта пара передаётся в опоры как переменная нагрузка с частотой вращения и вызывает повышенную вибрацию. Устранение возможно только путём добавления (или удаления) масс в двух плоскостях, расположенных у краёв шкива, причём с противоположными угловыми положениями.
Стандарт MPTA-B2c-2017 (R2024) «Standard Practice for Sheave/Pulley Balancing» — отраслевой документ Mechanical Power Transmission Association (США), определяющий допуски и методы балансировки шкивов клиноременных и зубчатоременных передач. Стандарт устанавливает чёткий критерий выбора между одноплоскостной (статической) и двухплоскостной (динамической) балансировкой.
Окружная скорость рассчитывается по формуле:
v = π · D · n / 60
Даже при окружной скорости ниже 33 м/с динамическая балансировка рекомендуется в случаях:
Стандарт MPTA-B13i-2013 (R2025) «Rim Speed Limits» нормирует максимальные допустимые окружные скорости шкивов в зависимости от материала и конструкции. Превышение этих пределов опасно — возможен взрывной разрыв шкива центробежными силами. Для серого чугуна типового состава предельная окружная скорость 33–35 м/с, для стальных шкивов — выше, для дуктильного чугуна и алюминиевых сплавов — также выше, но для каждого материала и конструкции предел индивидуален.
Стандарт ISO 21940-11:2016 (заменил ISO 1940-1:2003) ввёл универсальную систему классов качества балансировки — Balance Quality Grade, или G-grade. Класс G представляет собой максимально допустимую окружную скорость центра масс ротора относительно оси вращения, выраженную в миллиметрах в секунду (мм/с):
G = eper · Ω
Числовое значение G совпадает с допустимой максимальной окружной скоростью центра масс. Меньшее значение G означает более строгие требования к балансировке.
Для шкивов клиноременных и зубчатоременных передач общего применения наиболее часто рекомендуется класс G 6,3. Для прецизионных приводов и высокоскоростных применений (станки с ЧПУ, шпиндельные узлы) — G 2,5 и выше.
Допустимый остаточный дисбаланс Uper вычисляется по формуле, выведенной из соотношения G = e·Ω:
Uper = 9549 · G · m / n (г·мм)
При двухплоскостной балансировке полученное значение распределяется между двумя плоскостями коррекции согласно правилам ISO 21940-11. Для симметричного ротора с двумя плоскостями коррекции, расположенными за пределами центра масс, на каждую плоскость приходится Uper/2.
Шкив клиноременной передачи диаметром D = 250 мм, шириной обода b = 80 мм, массой m = 12 кг, частота вращения n = 1450 об/мин (приводной электродвигатель). Требуется выбрать метод балансировки и рассчитать допустимый остаточный дисбаланс.
v = π · D · n / 60 = π · 0,250 · 1450 / 60 ≈ 19 м/с.
Скорость 19 м/с меньше порога 33 м/с по MPTA-B2c, и отношение D/b = 250/80 ≈ 3,1, что меньше 7–10. Согласно MPTA-B2c, при малом отношении D/b рекомендуется двухплоскостная (динамическая) балансировка несмотря на низкую окружную скорость.
Для шкива общепромышленного применения принимаем G = 6,3 мм/с.
Uper = 9549 · 6,3 · 12 / 1450 ≈ 498 г·мм.
При двухплоскостной балансировке на каждую плоскость коррекции приходится по 498 / 2 = 249 г·мм.
Если радиус коррекции принять равным r = 100 мм (вблизи края обода), то корректирующая масса в одной плоскости составит mк = Uper/r = 249 / 100 = 2,49 г.
Для данного шкива требуется двухплоскостная балансировка, после которой остаточный дисбаланс не должен превышать 249 г·мм в каждой плоскости (эквивалент 2,49 г на радиусе 100 мм). Превышение этого значения вызовет вибрацию выше допустимой по классу G 6,3.
Часто удобнее работать с удельным остаточным дисбалансом — отношением допустимого дисбаланса к массе ротора:
eper = Uper / m = 9549 · G / n (мкм или г·мм/кг)
Это эксцентриситет, на который допустимо смещение центра масс. Значение не зависит от массы ротора и используется при сравнении однотипных изделий.
Коррекция дисбаланса выполняется одним из трёх способов:
Стандартный приём для серийных шкивов — сверление отверстия в «тяжёлой» точке. Метод предписан MPTA-B2c как основной для V-belt шкивов из чугуна. Глубина и диаметр отверстия рассчитываются исходя из удалённой массы:
mуд = π · d² / 4 · h · ρ
Допустимая глубина отверстия ограничена толщиной обода в зоне сверления и не должна снижать прочность ниже допустимой по расчёту центробежной нагрузки.
Применяется для тонкостенных, точно изготовленных шкивов, где сверление снизит прочность или нарушит геометрию. Способы:
Применяется в специальных конструкциях с предусмотренными подвижными грузами по кольцевому пазу шкива. Грузы перемещаются по окружности и фиксируются винтами в требуемом угловом положении. Это решение применяется в крупных промышленных вентиляторах, маховиках с большим начальным дисбалансом, отдельных типах рабочих колёс.
Наиболее распространённый тип оборудования. Ротор устанавливается на двух опорах с датчиками вибрации, раскручивается до измерительной скорости через ременной или фрикционный привод. Бывают двух классов:
Используются для дисковых деталей (колёс, маховиков, тонких шкивов). Ротор устанавливается на вертикальный шпиндель, измеряется одна или две плоскости. Применяется в массовом производстве деталей со сравнительно лёгкой массой.
Применяются для балансировки в собственных опорах — без снятия шкива с машины. Содержат акселерометры, оптический отметчик фазы (тахометр-стробоскоп), вычислительный модуль. Позволяют выполнить балансировку методом пробных пусков с пробным грузом.
Современные балансировочные машины обеспечивают разрешение по дисбалансу от долей грамм-миллиметра. Реальная достижимая точность ограничена тремя факторами: точностью посадки ротора на шпиндель станка, состоянием цапф ротора и помеховым фоном (вибрация фундамента, температурный дрейф). По стандарту ISO 21940-21 балансировочные машины классифицируются по точности воспроизведения и минимально достижимому остаточному дисбалансу.
Балансировка в собственных опорах (Field Balancing, In Situ Balancing) выполняется без демонтажа шкива с вала и привода. Применяется когда:
Принципиальный алгоритм балансировки на месте:
Балансировка в собственных опорах нормируется по ISO 21940-13 «Mechanical vibration — Rotor balancing — Part 13: Criteria and safeguards for the in-situ balancing of medium and large rotors» и ISO 20816 «Mechanical vibration — Measurement and evaluation of machine vibration» (заменил ISO 10816). Критерии оценки вибрации после балансировки задаются по ISO 20816-1 и его частям для конкретных типов машин.
ISO 21940-32 «Mechanical vibration — Rotor balancing — Part 32: Shaft and fitment key convention» предусматривает три способа учёта шпонки при балансировке:
Несогласованность способа учёта шпонки между производителем шкива и сборщиком привода — частая причина остаточной вибрации при последующей эксплуатации. На паспортной табличке шкива должен быть указан способ учёта шпонки.
Корректный выбор типа балансировки шкива выполняется по следующему алгоритму.
Тема балансировки шкивов связана с балансировкой валов в сборе, балансировкой роторов в собственных опорах и динамикой высокоскоростных приводов. Для углублённого изучения рекомендуются следующие материалы:
Эта величина закреплена стандартом MPTA-B2c-2017 (R2024) Mechanical Power Transmission Association, обобщающим многолетнюю инженерную практику применения шкивов клиноременных передач. В оригинальной редакции значение задано в имперских единицах — 6500 ft/min, что в метрической системе соответствует приблизительно 33 м/с. Основание выбора порога — рост центробежной силы и моментной составляющей дисбаланса пропорционально квадрату скорости. При скорости ниже 33 м/с моментная составляющая обычно не превышает уровня, заметно влияющего на ресурс подшипников и стабильность работы привода. Выше этого порога моментный дисбаланс становится значимым и его необходимо устранять двухплоскостной балансировкой. Дополнительно 33 м/с близок к допустимой окружной скорости стандартных чугунных шкивов из условий прочности — по MPTA-B13i выше этой скорости требуется специальный материал или конструкция.
Да, если шкив имеет моментный дисбаланс. Статическая балансировка устраняет только статическую составляющую — смещение центра масс с оси вращения. Моментная составляющая — наклон главной центральной оси инерции относительно оси вращения — статической балансировкой не устраняется. На покое такой шкив выглядит уравновешенным, но при вращении создаёт пару центробежных сил с торцов, передающуюся в опоры. Для широких шкивов (с малым отношением D/b) и высокоскоростных приводов моментный дисбаланс значителен и требует двухплоскостной (динамической) балансировки.
Класс качества балансировки G (Balance Quality Grade) — стандартизованная характеристика по ISO 21940-11, соответствующая допустимой максимальной окружной скорости центра масс ротора относительно оси вращения в мм/с. Чем меньше G — тем строже требование. Для шкивов общепромышленного применения (насосы, вентиляторы, конвейеры, общие приводы) рекомендуется G 6,3. Для прецизионных и быстроходных приводов (станки с ЧПУ, шпиндельные системы, шлифовальные машины) — G 2,5 или G 1,0. Для ультрапрецизионных применений (шпиндели координатно-измерительных машин, оптические системы) — G 0,4. Окончательный выбор согласуется с требованиями производителя оборудования и эксплуатационных нагрузок.
По стандартной формуле ISO 21940-11: Uper = 9549 · G · m / n (г·мм), где G — выбранный класс качества балансировки (мм/с), m — масса ротора (кг), n — максимальная рабочая частота вращения (об/мин). При двухплоскостной балансировке полученное значение распределяется между двумя плоскостями коррекции. Для симметричного ротора с плоскостями коррекции на одинаковом расстоянии от центра масс — поровну, по Uper/2 на плоскость. Для несимметричных конструкций распределение производится с учётом расстояний от плоскостей коррекции до опор.
Да, это называется балансировка в собственных опорах (field balancing, in-situ balancing). Выполняется портативным виброанализатором с акселерометрами и оптическим отметчиком фазы. Применяется когда дисбаланс развился в процессе эксплуатации, либо когда демонтаж шкива технически или экономически нецелесообразен. Метод — пробные пуски с пробным грузом известной массы; по разности векторов вибрации до и после установки пробного груза рассчитываются масса и угол корректирующего груза. Нормативная база — ISO 21940-13. Качество балансировки в собственных опорах ниже, чем на стационарной балансировочной машине, но достаточно для большинства промышленных применений.
Стандартный приём, рекомендованный MPTA-B2c для шкивов клиноременных передач, — удаление материала сверлением отверстия в «тяжёлой» точке. Это технологично, не требует дополнительных компонентов, не нарушает баланс на высоких скоростях из-за отрыва грузов. Удаление выполняется в нерабочей зоне обода или диска, с контролем глубины отверстия и оставшейся прочности. Добавление балансировочных грузов применяется в случаях, когда сверление недопустимо (тонкостенные шкивы, прецизионные изделия, специальные конструкции). Грузы крепятся заклёпками, винтами или сваркой в зависимости от материала шкива и рабочей скорости. Приклеенные грузы допустимы только для лёгких роторов и низких скоростей.
Да, и существенно. Шпонка вносит несимметричную массу, требующую учёта в балансировке. По стандарту ISO 21940-32 применяются три конвенции: half-key (балансировка с условной половиной шпонки — наиболее распространённая), full-key (с полной шпонкой) и no-key (без шпонки). Способ учёта шпонки должен быть согласован между производителем шкива, производителем вала и сборщиком привода. На паспортной табличке балансированного шкива указывается выбранная конвенция. Несогласованность подхода — частая причина остаточной вибрации после сборки даже при формально качественно балансированных компонентах.
Шкивы под втулку тапербуш балансируются с учётом массы и конструкции конкретной втулки. Конусная втулка вносит собственный дисбаланс и слегка изменяет положение центра масс при затяжке. Поэтому корректная балансировка требует совместной установки шкива и втулки на балансировочную машину. Альтернативный подход — балансировка шкива отдельно по конвенции производителя (обычно half-key с условной втулкой) и последующая проверка вибрации после монтажа на реальный привод. При высоких окружных скоростях (выше 33 м/с) предпочтительна двухплоскостная балансировка собранного узла шкив + втулка.
Сначала проверить, что источником вибрации действительно является шкив, а не другие компоненты привода. Возможные причины повторного дисбаланса либо вибрации после балансировки: биение посадочного диаметра вала; несоосность валов муфты; перекос подшипниковых опор; ослабление крепежа; износ подшипников; параметрическая вибрация ремня; резонанс конструкции на рабочей частоте; неправильный учёт шпонки. Диагностика выполняется анализом спектра вибрации: дисбаланс даёт чистый компонент на частоте вращения; перекос — на удвоенной; повреждённые подшипники — на частотах подшипниковых дефектов; параметрические колебания ремня — на частоте ремня. По характеру спектра определяется истинный источник.
Серийные шкивы общего назначения, поставляемые с завода, обычно проходят заводскую статическую балансировку. Этого достаточно для большинства применений с окружной скоростью до 33 м/с и стандартными требованиями к вибрации. Дополнительная балансировка требуется в следующих случаях: окружная скорость выше 33 м/с; чувствительная к вибрации машина; прецизионный привод (класс G 2,5 и ниже); шкив с втулкой тапербуш, монтируемой потребителем; шкив, прошедший доработку — расточку, сверление дополнительных отверстий, маркировку. Также повторная балансировка обязательна после капитального ремонта привода с заменой подшипников, после восстановительной обработки шкива и при появлении вибрации в процессе эксплуатации.
Балансировка шкива — обязательное условие достижения проектного ресурса привода и опор. Выбор между статической (одноплоскостной) и динамической (двухплоскостной) балансировкой определяется тремя ключевыми факторами: окружной скоростью обода, отношением диаметра к ширине шкива и требованиями к качеству балансировки.
Стандарт MPTA-B2c-2017 (R2024) устанавливает чёткий порог: при окружной скорости до 33 м/с (6500 ft/min) и отношении D/b не менее 7–10 статическая балансировка достаточна. Выше этой скорости или при широком ободе обязательна двухплоскостная динамическая балансировка. Класс качества балансировки G по ISO 21940-11 задаёт допустимый остаточный дисбаланс: G 6,3 — для общепромышленных шкивов, G 2,5 — для прецизионных приводов, G 1,0 и ниже — для шпиндельных узлов и оптических систем.
Расчёт допустимого остаточного дисбаланса выполняется по формуле Uper = 9549 · G · m / n с распределением по плоскостям коррекции согласно ISO 21940-11. Коррекция выполняется удалением материала (предпочтительный способ для чугунных шкивов клиноременных передач по MPTA-B2c) либо добавлением балансировочных грузов. При учёте шпоночного соединения применяется одна из конвенций ISO 21940-32, согласованная между производителем и сборщиком.
Балансировка может выполняться на стационарной балансировочной машине (горизонтального или вертикального типа) либо в собственных опорах (in-situ) с использованием портативного виброанализатора. В обоих случаях достижимая точность ограничена качеством базирующих поверхностей, состоянием опор и помеховым фоном. Документирование результатов с указанием класса G, скорости, массы, остаточного дисбаланса и способа учёта шпонки — обязательное условие воспроизводимости и контроля при последующем обслуживании.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.