了解剛性轉子
A 剛性轉子 是一種 轉子 在自身不平衡力的影響下不會明顯彎曲、撓曲或改變形狀 不平衡 在其實際運行轉速下所產生的作用力。就平衡目的而言,只要轉子的運轉轉速充分低於其第一階 臨界轉速 ——按慣例通常低於其70–75%。由於形狀保持不變，剛性轉子是最簡單、也最經濟的一類可平衡轉子，而日常大多數工業機械都屬於這一類。
1. 定義：什麼是剛性轉子？
剛性轉子行為的核心原則在於 分佈 沿轉子長度方向的不平衡分佈,不會隨轉速變化而改變。重點位置維持不變。在較低、便於操作的轉速下所達成的平衡狀態,於一台 動平衡機 因此，即使轉子日後以遠高於此的運行轉速運轉，該結果依然有效且準確。
這種穩定性直接來自於轉子與其第一階臨界轉速保持充分的距離 臨界轉速。在該轉速大約70–75%以下,由不平衡所造成的撓曲 離心力 與質量本身的幾何偏心相比可忽略不計，因此轉子實質上表現得如同一個繞自身軸線旋轉的單一剛體。無論轉速為何，質量軸與轉軸軸線彼此之間的相對位置都保持固定。
工程師視為剛性轉子的日常機器包括電動機電樞、單級風機與鼓風機、幫浦葉輪、飛輪、皮帶輪、砂輪及圓盤類零件。對於這些設備,緩慢進行的雙平面平衡即可掌握機器實際運轉時的真實不平衡狀態。
2. 剛性轉子與柔性轉子
剛性轉子與……之間的區別 柔性轉子 是轉子平衡中最重要的概念之一，因為它決定了整個平衡策略。
剛性轉子
- 運轉速度： 遠低於其第一階臨界轉速,通常低於75%。
- 行為： 在離心力作用下不會彎曲或撓曲。其不平衡特性與轉速無關。
- 動平衡程序： 可在單一、方便的低轉速下進行平衡。標準 雙平面平衡 足以校正任何 動不平衡，無論是靜、力偶，或兩者的組合。剛性轉子平衡的規範標準是 ISO 21940-11 （取代了長期通用的 ISO 1940-1）。
柔性轉子
- 運轉速度： 接近、通過,或遠高於其一個或多個臨界轉速運轉。
- 行為： 在通過臨界轉速時會發生彎曲與撓曲。不平衡力會使轉子改變形狀（產生撓度），而“重點”的表觀位置也可能隨轉速而偏移，因為此時轉子已呈現出彎曲的 模態振型.
- 動平衡程序： 複雜得多，需要 多平面動平衡 (通常需要超過兩個平面),且必須在接近實際運行轉速的條件下進行,以考量轉子的撓曲。這需要專門的模態平衡技術,相關作業依ISO 21940-12標準進行。
3. 「剛性」假設的重要性
正是「轉子表現為剛性體」這一假設，使得在工業平衡機上進行實用、經濟且安全的平衡作業成為可能。這類機器通常以相對較低的轉速——每分鐘數百轉——來旋轉轉子，以確保安全、降低驅動功率需求，並簡化機械結構。
如果轉子確實是剛性的,那麼在平衡機上以 400 RPM 測得的不平衡量,與現場 3600 RPM 時產生振動的不平衡量完全相同。在低轉速下修正即可解決高轉速下的問題。但若轉子實際上是撓性的,這種低轉速平衡便會失效:轉子在接近其臨界轉速時會發生弓曲,並在其運轉轉速下呈現完全不同的不平衡狀態——有時靜止時看似平衡良好,運轉時卻劇烈振動。將撓性轉子誤判為剛性轉子,是「已平衡」的機器仍持續振動的典型原因。
4. 何時將轉子視為剛性？
是否將轉子視為剛性,取決於其幾何形狀與運行轉速:
- 短粗型轉子： 直徑相對於長度較大的轉子 — 例如砂輪、碟式煞車、單級泵葉輪 — 幾乎總是剛性轉子。
- 細長型轉子: 細長型的轉子，例如傳動軸或多級壓縮機轉子，更有可能表現出柔性特性，尤其是在高速運轉時。
歸根究柢,決定性的判準在於運轉轉速與第一臨界轉速的比值。若該比值偏低,採用剛性轉子平衡方法即屬合適且能成功;若比值偏高,則需採用撓性轉子方法。這正是為何理解 轉子動力學 以及各臨界轉速的確切位置,是每一項平衡決策的基礎。
5. 現場對剛性轉子進行平衡與驗證
許多剛性轉子最方便的做法是原地在自身軸承中進行平衡，而非拆下並安裝於平衡機上。這是 現場動平衡,而它正適用於剛性假設所涵蓋的風機、幫浦與馬達。一台可攜式雙通道分析儀,例如 Balanset-1A 這樣的便攜式雙通道分析儀可測量 相位 at each bearing, computes the rotor’s 影響係數 透過試重運轉取得數據，計算一個或兩個平面的校正質量。由於轉子是剛性的，這一次低成本的校正在整個轉速範圍內都有效，儀器隨後可以確認 剩餘不平衡 落於所選定的ISO 21940-11等級範圍內。您可利用以下工具,將平衡等級與運行轉速換算為允許的g·mm公差: 剩餘不平衡計算器 (ISO 21940-11) 在開始之前。
