機械的世界中，轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)至關(guān)重要。今天，就帶大家走進神秘的轉(zhuǎn)子不平衡實驗，一起探索旋轉(zhuǎn)背后的奧秘。實驗背景與目的在各類旋轉(zhuǎn)機械中，如電機、汽輪機、風(fēng)機等，轉(zhuǎn)子是核心部件。當(dāng)轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均，其重心與旋轉(zhuǎn)中心不重合時，就會產(chǎn)生不平衡現(xiàn)象。這不僅會導(dǎo)致機械振動加劇、噪聲增大，還可能縮短設(shè)備壽命，甚至引發(fā)嚴重的安全事故。本次實驗旨在通過模擬轉(zhuǎn)子不平衡狀態(tài)，深入了解不平衡對機械運轉(zhuǎn)的影響，并探尋有效的平衡方法。實驗原理及產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因：

轉(zhuǎn)子受材料質(zhì)量、加工、裝配以及運行中多種因素的影響，其質(zhì)量中心和旋轉(zhuǎn)中心線之間存在一定量的偏心距，使得轉(zhuǎn)子在工作時形成周期性的離心力干擾，在軸承上產(chǎn)生動載荷，從而引起機器振動的現(xiàn)象。原理：設(shè)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量為M，偏心質(zhì)量為m,偏心距為e，如果轉(zhuǎn)子的質(zhì)心到兩軸承連心線的垂直距離不為零，具有撓度為a，如圖1所示。由于偏心質(zhì)量m與偏心距e的存在，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時將產(chǎn)生離心力、離心力矩或兩者兼而有之。離心力的大小與偏心質(zhì)量m、偏心距e及旋轉(zhuǎn)角速度w有關(guān)，即F=mew2(F為交變力)。眾所周知，交變的力(方向、大小均周期性變化)會引起振動，這就是不平衡引起振動的原因。圖1

轉(zhuǎn)子力學(xué)模型主要振動圖譜1、頻譜圖轉(zhuǎn)子不平衡時，其振動信號的頻譜圖具有典型特征。在頻譜圖上，主要能量集中在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率一倍頻處，這是因為不平衡產(chǎn)生的離心力是周期性的，其頻率與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率一致。同時，在一倍頻處的幅值會明顯增大，且通常情況下，隨著不平衡程度的加劇，一倍頻的幅值會進一步升高。此外，在理想情況下，除了一倍頻頻率外，其他頻率成分的幅值相對較小。但在實際情況中，由于設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)特性以及運行環(huán)境的復(fù)雜性，可能會出現(xiàn)一些其他頻率成分，不過其幅值一般遠小于一倍頻頻率處的幅值。2、軸心軌跡圖軸心運動軌跡是利用安裝在同—截面內(nèi)相互垂直的兩支電渦流傳感器對軸頸振動測量后得到的（如圖2）。它可以用來指示軸頸軸承的磨損、軸不對中、軸不平衡、液壓動態(tài)軸承潤滑失穩(wěn)以及軸摩擦等。傳感器的前置放大器輸出信號經(jīng)濾波后將交流分量輸入示波器的x軸和y軸或監(jiān)測計算機，便可以得到轉(zhuǎn)子的軸心軌跡。軸心軌跡非常直觀地顯示了轉(zhuǎn)子在軸承中的旋轉(zhuǎn)和振動情況，是故障診斷中常用的非常重要的特征信息。圖2

軸心軌跡測量傳感器的安裝對于僅由質(zhì)量不平衡引起的轉(zhuǎn)子振動，若轉(zhuǎn)子各個方向的彎曲剛度及支承剛度都相等，則軸心軌跡為圓，在x和y方向為只有轉(zhuǎn)動頻率的簡諧振動，并且兩者的振幅相等，相位差為90°（如圖3(a)）。實際上，引起轉(zhuǎn)子振動的原因也并非只有質(zhì)量不平衡，大多數(shù)情況下轉(zhuǎn)子各個方向的彎曲剛度和支承剛度并不相同,因此軸心軌跡不再是圓，而是一個橢圓(如圖3(b))或更復(fù)雜的圖形，反映在x和y方向的振幅并不相等，相位也不是90°。轉(zhuǎn)軸軸心相對于軸承座的運動軌跡，直觀地反映了轉(zhuǎn)子瞬時運動狀態(tài)，它包含著許多有關(guān)機械運轉(zhuǎn)狀態(tài)的信息。因此，軸心軌跡分析是診斷設(shè)備故障很有用的一種方法，對確診設(shè)備故障能起到很好的作用。圖3

轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)與軸心軌跡3、時域圖質(zhì)量不平衡產(chǎn)生的激勵力是交變力，會使轉(zhuǎn)子振動。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周，離心力方向改變一次，所以不平衡故障的振動頻率等于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻，振動時域波形近似正弦波。實驗設(shè)備與準備實驗采用了專業(yè)的轉(zhuǎn)子實驗臺：轉(zhuǎn)子軸承故障機理研究模擬實驗臺，它主要由電機、動態(tài)扭矩傳感器、滾動軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、電渦流制動器作為實驗負載形成完整的故障模擬系統(tǒng)。在實驗前，我們挑選了14.1g的質(zhì)量塊（含螺絲），用于模擬轉(zhuǎn)子的不平衡狀態(tài)。同時，對實驗設(shè)備進行了全面檢查與調(diào)試，確保傳感器能夠準確測量振動數(shù)據(jù)。

實驗過程全記錄初始狀態(tài)測量：首先，在轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài)下啟動電機，讓轉(zhuǎn)子以一定的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。利用傳感器采集此時軸承座的振動數(shù)據(jù)，作為后續(xù)對比的基準。

添加不平衡配重：在轉(zhuǎn)子的特定位置安裝配重塊，模擬不平衡。添加配重后，再次啟動電機，記錄振動數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集與分析：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時記錄了不同工況下的振動幅值、頻率等參數(shù)。由于質(zhì)量塊較輕，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生輕度不平衡。通過分析這些數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)振動幅值與轉(zhuǎn)子不平衡量之間存在著明顯的正相關(guān)關(guān)系。不平衡量越大，振動幅值越高。軸心軌跡也由原來的近似圓變?yōu)闄E圓。時域圖上波形的畸變不太明顯，可能只是在標(biāo)準正弦波的基礎(chǔ)上有輕微的變形，肉眼較難察覺。幅值相比正常狀態(tài)有所升高，但增加幅度有限。正常情況下

添加質(zhì)量塊情況下

實驗結(jié)果與收獲通過本次實驗，我們清晰地看到