理解旋轉機械中的不平衡
不平衡 （常與 不平衡）互換使用）是指轉子 轉子 中質心未落在旋轉軸上的狀態。該偏移量——即 偏心 ——表示質量在軸周圍分佈不均。當轉子旋轉時，離心質量會因 離心力而被甩出，產生旋轉負載，震動軸承及整台機器。不平衡是旋轉設備中 振動 最常見的原因，也是 動平衡校正 旨在修正的故障。
1. 定義與背後的物理原理
定量而言，不平衡 U 是偏移質量與其距軸半徑的乘積——質量為 m 的重點位於半徑 r 處，則 U = m·r，單位為 克-毫米 (g·mm) 或克-英寸。亦可等價表示為轉子總質量乘以其質心偏心量（U = M·e）。機械上重要的是其所產生的力。離心力隨角速度的平方增長：
F = m · r · ω² — 速度加倍，擾動力 離心力會增加四倍.
此平方關係解釋了為何轉子用手轉動時平順，但在運轉速度下卻劇烈震動，也說明高速機器必須比低速機器更精確地進行平衡校正。該力隨軸旋轉，因此每轉一圈驅動結構一次——這是不平衡獨特特徵的來源。
2. 經典振動特徵
不平衡是較易診斷的故障之一，因其特徵極具一致性：
- 頻率： 振動精確出現在 轉速的 1× （ 運轉轉速）。改變速度時，峰值會精確跟隨——這是區別於許多其他故障的定義性特徵。
- 方向： 能量主要為 徑向 （水平與垂直方向）， 軸向 （軸向/推力）成分較少。
- 振幅： 其與速度平方成正比——RPM 加倍，響應約為四倍，正如上述物理原理所預測。
- 相位： 1× 相位 讀數穩定且可重複，這正是使重點可定位且可修正的原因。
該穩定的振幅與相位組合是修正的基礎資料：得知 1× 響應的大小與 其中 其指向，分析師即可計算所需校正配重的質量與角度。純 1× 峰值伴隨低軸向振動指向不平衡；若出現強烈的 2× 成分，則暗示 不對心 或 鬆動.
3. 不平衡的三種類型
靜不平衡
亦稱「力不平衡」，此為最簡單情形：質量在單一平面偏移，如同薄盤上的一個重點。其被稱為 靜態 ，因為轉子靜止時即可顯現——置於無摩擦刀口上，轉子會滾動直至重點沉於底部。修正方式為在重點對面 180° 處加裝單一配重，屬於 單面動平衡.
力偶不平衡
此處兩個等量重點位於轉子兩端，相隔 180°。它們作為淨力相互抵消，但形成 力偶 ——一種試圖將轉子端對端扭轉的搖擺力矩。純力偶不平衡的轉子是靜平衡的（在刀口上不會滾動），但一旦旋轉便會劇烈震動。修正需在兩個獨立平面加裝兩個配重以對抗搖擺力矩。
動態不平衡
幾乎所有實際機械中皆存在的狀態，動不平衡是靜不平衡與力偶不平衡的組合。修正它需在轉子沿線至少兩個平面進行質量調整——即 動平衡（雙平面平衡）。另一密切相關的情形，靜不平衡與力偶效應共享相同角位置，稱為 準靜不平衡.
4. 不平衡的常見成因
不平衡可能自製造時即存在，或在運行中發展而成。典型來源包括：
- 製造缺陷： 鑄件中的孔隙、材料密度不均勻以及加工公差。
- 組裝錯誤： 組件安裝錯誤、螺栓鎖緊不均或鍵未對中，導致質量分佈偏移。
- 磨損： 不均勻侵蝕， 腐蝕 或 磨損 在風機葉片和泵 葉輪.
- 物料堆積： 風機、鼓風機與離心機轉子上積聚污垢、灰塵或產品殘留。
- 零件失效： 平衡配重脫落或葉片斷裂會瞬間造成嚴重不平衡。
5. 為何修正不平衡至關重要
讓機器在顯著不平衡下運行會持續損壞設備，因為旋轉力每轉一圈便循環加載結構：
- 軸承過早失效： 軸承承受高動態負載，迅速磨損。
- 疲勞與裂紋： 循環應力累積 疲勞 導致軸、基礎與結構受損。
- 效率降低： 能量以振動與熱的形式耗散，而非用於有效功。
- 安全風險： 嚴重不平衡可能惡化為災難性故障。
6. 不平衡的測量、修正與公差
不平衡透過系統化的動平衡校正程序移除——這是提升機械可靠度最具成本效益的方式之一。在已組裝的機器上，此作業於現場進行，而非在 動平衡機。例如，一款便攜式雙通道分析儀 Balanset-1A 測量 1× 振幅與相位，計算轉子的 影響係數 來自 試重，並告知工程師單平面或雙平面 現場動平衡。由於它是在機器自身的軸承中以運轉速度進行作業，因此能捕捉到真實的運轉狀態。
動平衡校正絕非追求達到零值，而是將不平衡控制在定義的限值以下。該限值源自 平衡品質等級（G 級） 系統 ISO 21940-11 （已取代久經使用的 ISO 1940-1）。等級與服務轉速可換算為允許的 剩餘不平衡 （單位為 g·mm）；一個免費的 剩餘不平衡計算器 (ISO 21940-11) 能將選定的等級與 RPM 直接轉換為每個校正平面的允許值。
