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机械振动

旋转不平衡

偏心质量产生 F₀=m·e·ω²(随转速平方),响应 M·X/(m·e)=r²/√((1−r²)²+(2ζr)²),高速时 X→m·e/M,靠动平衡解决

没有完全平衡的转子。质量稍微离开中心,在一个半径上转动,就会甩出向外转的力 F₀ = m·e·ω²,把机器摇起来。可怕的是这个力按速度的平方增长,很小的不平衡在高速下也会变成巨大的力。洗衣机脱水时会走路,没校过的轮子会抖,原因就在这里。平方就是危险所在。

看转子里那个稍微偏心的质量。把速度 ω 提高,向外转的力 F₀ = m·e·ω² 就变大,而且按速度的平方变大。快到 2 倍,力就是 4 倍。所以高速转子连很小的不平衡也不能放着。速度越高,同样的偏心就越凶。

那个转动力去摇整台机器(质量 M)。把速度比 r = ωωₙ 提高,慢的时候力很小,几乎不晃;在 r=1 的共振处晃得很大;再快,晃动也不消失,而是落到一个固定的大小。变快并不等于变安静。

响应曲线和其他振动有根本的不同。移动 r,低速时按 r² 胀起来,在 r=1 立起共振峰,高速时并不落到 0,而是平平地停在 M·X(m·e) → 1。也就是振幅变成 X → m·eM,不再变。高速时,机器是在绕重心转。

办法是去掉力的来源。在对面加上配重,把 m·e 抵消掉。配重越大,转动力和机器的抖动一起变小。轮子上那一小块铅,做的就是这件事,把平衡校到让 m·e 成为 0。来源一去,力也消失。

同一个转动力在到处惹麻烦。力的样子是 m·e·ω²。把例子翻过去,会看到洗衣机脱水(衣服结成团时 m·e↑ → 穿过共振时走路)、汽车轮子(高速发抖 → 车轮平衡)、涡轮和转子(必须精密平衡)。处方是两条里的一条。减小 m·e,或者赶快穿过共振,在高速下转。

实际应用旋转不平衡是强迫振动(A4)的一种,可是力不是从外面来的,而是自己生出来的。离开中心 e 的质量 m 以 ω 转动,就有 F₀ = m·e·ω²,一个按速度平方长大的转动力。机器(质量 M)的无量纲响应是 M·X(m·e) = r²√((1−r²)²+(2ζr)²),r = ωωₙ。三个区是核心。低速(∝r²,很小)→ 共振(r=1 的峰)→ 高速(→1,也就是 X→m·eM,保持不变)。最后这一段,就是和其他振动的差别。振幅不会消失到 0,而是停在一个固定值上,因为高速时机器绕着重心转,发生了自动定心。处方有两条。减小 m·e,用配重、平衡和轮子上的铅,或者赶快穿过共振、在高速下转。启动和停机时会经过一次共振。洗衣机、汽车轮子、涡轮和转子,都在这一个式子上。
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