了解旋轉機械中的轉子
轉子 是機械設備內部的主要旋轉組件。它通常由一根中心軸組成，其他部件——葉輪、葉片、磁鐵或電樞——安裝在軸上，由軸承支撐，並設計用於傳遞扭矩並執行有用功。研究轉子在旋轉時的行為，包括其振動和撓度，是 轉子動力學，機械工程中的一個關鍵領域。因為工程師使用 振動分析 追蹤的幾乎所有故障都起源於或作用於轉子，因此理解轉子是診斷和動平衡校正的起點。
1. 定義：什麼是轉子？
在最廣泛的意義上，轉子是圍繞機器軸線作為一個整體旋轉的所有部件。它不僅僅是軸，而是整個旋轉系統——軸加上所有通過鍵、過盈、螺栓或焊接連接在其上的部件——以及約束其運動的軸承和支撐結構，統稱為 轉子-軸承系統。質量如何圍繞軸線分佈，以及軸相對於其運轉速度的剛性如何，決定了轉子幾乎所有的動態行為。
2. 基本分類：剛性轉子與柔性轉子
轉子動力學中最重要的區別在於轉子是表現為「剛性」體還是「柔性」體。這種分類是 不 基於材料的剛性，而是基於機器的運轉速度與轉子的 臨界轉速 ——即其彎曲自然頻率之間的關係。同一根鋼軸在一台機器中可能是剛性的，而在另一台機器中可能是柔性的，這純粹取決於其運轉速度。
剛性轉子
若轉子的運轉速度遠低於其第一彎曲臨界速度（通常低於第一臨界速度的 70%），則被視為 剛性 當其運轉速度遠低於其第一階彎曲臨界速度時——通常低於第一階臨界速度的 70% 左右。在這些速度下，軸在動態負荷下不會顯著彎曲，整個轉子可以視為單一剛性質量。
柔性轉子
轉子被視為 柔性 當其設計運轉速度接近、等於或高於一個或多個彎曲臨界速度時。當接近臨界速度時，軸會顯著撓曲和彎曲，呈現出特徵性的彎曲形狀——其 模態振型.
- 特性： 通常較長、較細，且以高速度運轉。
- 動平衡校正： 雙平面動平衡校正不足夠。柔性轉子需要 多平面方法 這些方法考慮了軸的彎曲，包括 模態動平衡校正 （單獨校正每個模態形狀）或多速度 影響係數 動平衡校正。
- 範例： 大型汽輪機和燃氣渦輪機、高速壓縮機、長驅動軸和發電機轉子。
柔性轉子的設計和分析要複雜得多，因為其動態行為會隨速度變化。預測這些臨界速度的位置本身就是一項設計任務；一個 轉子臨界轉速計算器 可以根據軸和軸承跨距資料快速估算第一階彎曲自然頻率。
3. 轉子組件的常見部件
轉子不僅僅是一根軸。典型的組件可能包括：
- 軸： 傳遞扭矩的中心部件。
- 葉輪、葉片或導葉： 在泵、風機和渦輪機中對流體做功的部件。
- 電樞 / 繞組： 電動機或發電機的旋轉部分。
- 軸頸： 經高度拋光、運轉於 軸頸軸承.
- 聯軸器： 連接轉子與相鄰機器的輪轂，其本身也是常見故障來源之一，常見問題包括 聯軸器缺陷.
- 推力環： 將軸向力傳遞至 推力軸承.
- 平衡環或平面： 指定的 校正平面 其中一個 校正配重 會在動平衡校正期間加入。
4. 與轉子相關的常見問題
振動分析用於檢測起源於轉子組件的各種故障：
- 不平衡: 最常見的問題，由質量圍繞軸線分佈不均勻引起。
- 軸彎曲: 軸的物理彎曲或撓曲。
- 軸裂紋: 正在發展的疲勞裂紋，可能導致災難性故障。
- 不對心: 雖然嚴格來說是轉子之間的問題，但它會在轉子組件內部產生高應力。
- 轉子與靜子摩擦: 機器旋轉部件與靜止部件之間的接觸。
- 鬆動: 葉輪等部件在軸上的鬆動配合。
這些問題大多表現為獨特的頻率特徵——不平衡在 1× 運轉速度，不對心在 2×，鬆動表現為一系列諧波——這使得分析師能夠在不拆卸的情況下將它們區分開來。
5. 現場轉子動平衡校正
到目前為止最常見的轉子故障——不平衡——可透過 動平衡校正：增加或移除少量配重，使質量軸線拉回幾何軸線來校正。對於已組裝完成的機器，這項工作是在現場原地進行，而非在動平衡機上完成。像 Balanset-1A 這樣的便攜式雙通道分析儀，可在運轉速度下測量轉子自身軸承的 1× 振幅與相位，計算影響係數，並算出各校正平面應加入的配重與角度——完整捕捉轉子的真實運轉行為，包括裝配與熱效應等動平衡機永遠無法呈現的因素。
