了解旋轉機械中的不平衡（Imbalance）
不平衡 —— 與 不平衡 —— 是指 轉子‘的質心與其旋轉軸不重合。質量在軸周圍分佈不均，因此當轉子旋轉時，偏移的質量會產生淨 離心力 ，將轉子拉離中心並導致整台機器震動。這種質心相對於幾何中心的偏移即為轉子的 偏心，其產生的振動使不平衡成為旋轉機械中最常見的故障——通常也是診斷人員首先檢查的故障。
1. 定義：什麼產生了力
擾動力為離心力：F = m·r·ω²，其中 m·r 為不平衡量（偏移質量乘以其半徑）， ω 為角速度。由此立即得出兩個結論。首先，該力隨軸旋轉，因此每轉一圈就會對軸承施加一次推力。其次，它與轉速的 平方 成正比——用手緩慢轉動時感覺正常的轉子，在全速運轉時可能會產生劇烈震動，這就是為什麼 動平衡品質 要求會隨著工作轉速的升高而急劇提高。不平衡量以質量乘以半徑來量化，通常單位為克·毫米（g·mm），因為偏移質量的大小及其距離軸心的遠近共同決定了力的大小。
2. 診斷不平衡：經典特徵
不平衡相對容易識別，因為其 振動 signature is so consistent — a major reason it is the natural starting point in 振動分析:
- 頻率： 振動正好出現在 轉速的 1× （ 運轉轉速）。升高或降低機器轉速，峰值會完美跟隨。
- 方向： 能量主要為 徑向 —— 水平和垂直方向 —— 通常 軸向 （軸向）振動較小。
- 振幅： 與轉速的平方成正比，因此轉速加倍，不平衡力及產生的振動大約會增加四倍。
- 相位： 1× 相位 讀數穩定且可重複，這使得重點位置可被定位。
由於主導的 1× 峰值也可能由 不對心，a 軸彎曲 或 共振引起，謹慎的分析人員會通過其 整體 特徵來確認不平衡：1× 高， 諧波低，能量主要為徑向，且相位穩定。相比之下，較大的 2× 分量則會將診斷方向引向不對心或 機械鬆動.
3. 不平衡的三種類型
靜不平衡
也稱為「力不平衡」，這是最簡單的一種類型，質量在單一平面內偏移——想像薄盤上有一個重點。它之所以是「靜態」的，是因為它在靜止時就會顯現出來：在無摩擦的刀口上平衡時，轉子會滾動直到重點懸掛在底部。在重點對面 180° 處放置一個配重即可校正它，這屬於 單面動平衡.
力偶不平衡
轉子兩端各有一個相等的重點，相距 180°，作為淨力相互抵消，但形成一個 力偶 —— 一種使轉子端對端扭轉的搖擺力矩。這樣的轉子在靜態下是平衡的（在刀口上不會滾動），但在運轉時會產生嚴重振動，必須在兩個不同的平面內使用兩個校正配重來抵消該力矩。
動不平衡
這種情況出現在幾乎所有實際機械中，動態不平衡結合了靜態和力偶效應。校正它需要在轉子沿線的至少兩個平面內進行質量調整—— 動平衡（雙平面平衡）。當靜態和力偶分量在角度上恰好對齊時，這種特殊情況被稱為 準靜不平衡.
4. 常見原因
不平衡可能自製造時就存在，或在運轉過程中發展出來。常見來源包括：
- 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齊。
- 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： 污垢、灰塵或產品積聚在風機、鼓風機和離心機的轉子上。
- 零件失效： 配重脫落或葉片斷裂會立即造成嚴重不平衡。
5. 為何校正不平衡至關重要
讓機械帶著顯著的不平衡持續運轉會不斷損害它，因為週期性力在每轉一圈時都會加載結構：
- 軸承過早失效： 軸承承受高動態負荷並迅速磨損。
- 疲勞與裂紋： 重複應力累積 疲勞 軸、基礎和周圍部件的損壞。
- 效率降低： 能量以振動和熱的形式流失，而非轉為有用輸出。
- 安全風險： 在極端情況下，嚴重不平衡可能導致災難性故障。
6. 現場校正不平衡
不平衡透過系統化的 動平衡校正 程序來消除——這是提高機械可靠性的最有效單一措施之一。目標並非零不平衡，而是處於公差範圍內的小而明確的 剩餘不平衡 。公認的限值來自 G 級 系統 ISO 21940-11 （該標準吸收了舊版 ISO 1940-1）；隨後的振動則依據 ISO 20816 （ISO 10816 的現代繼任者）中的嚴重度限值進行評估。一個免費的 剩餘不平衡計算器 (ISO 21940-11) 可將選定的等級和運轉速度轉換為每平面允許的 g·mm 值。
在組裝好的機械上，工作是在現場而非在 動平衡機。例如，一款便攜式雙通道分析儀 Balanset-1A 測量 1× 振幅和相位，推導出轉子的 影響係數 來自 試重，並計算每個 校正配重 用於單平面或雙平面 現場動平衡。由於它在機械自身的軸承中以運轉速度工作，它既能校正不平衡，又能驗證殘餘不平衡是否位於選定的 ISO 等級內。
