河南理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第16章 機(jī)械的平衡與調(diào)速

1、電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社普通高等教育普通高等教育“十二五十二五”機(jī)電類規(guī)劃教材機(jī)電類規(guī)劃教材第第1616章章 機(jī)械的平衡與調(diào)速機(jī)械的平衡與調(diào)速機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第2 2版）版）薛銅龍薛銅龍 主編主編河南理工大學(xué)河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院2014 年年 6 月月2 2 第1節(jié) 機(jī)械平衡的目的、分類及方法 第2節(jié) 剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計(jì)算 第3節(jié) 剛性回轉(zhuǎn)體的平衡試驗(yàn) 第4節(jié) 機(jī)械速度波動(dòng)產(chǎn)生的原因及調(diào)節(jié)方法 第5節(jié) 飛輪的設(shè)計(jì)原理第第1616章章 機(jī)械的平衡與調(diào)速機(jī)械的平衡與調(diào)速3 3重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容掌握機(jī)械產(chǎn)生周期性速度波動(dòng)的原因及調(diào)節(jié)；理解飛輪調(diào)速的

2、基本原理；掌握回轉(zhuǎn)構(gòu)件的動(dòng)平衡和靜平衡原理。第第1616章章 機(jī)械的平衡與調(diào)速機(jī)械的平衡與調(diào)速4 4第第1 1節(jié)節(jié) 機(jī)械平衡的目的、分類及方法機(jī)械平衡的目的、分類及方法 機(jī)械平衡的目的就是為了完全或部分消除慣性力給機(jī)械帶來(lái)的不良影響，以改善機(jī)械工作性能和延長(zhǎng)其使用壽命。 研究機(jī)械中慣性力的分布及其變化規(guī)律，以消除或減少慣性力和慣性力矩的問(wèn)題，即為機(jī)械平衡問(wèn)題。1 1 機(jī)械平衡的分類機(jī)械平衡的分類機(jī)械的平衡可分為回轉(zhuǎn)件回轉(zhuǎn)件平衡和機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)平衡兩大類。 1) 1) 回轉(zhuǎn)件的平衡回轉(zhuǎn)件的平衡 回轉(zhuǎn)件是指繞固定軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件，其慣性力和慣性力矩的平衡問(wèn)題稱為回轉(zhuǎn)件的平衡。根據(jù)回轉(zhuǎn)件的工作轉(zhuǎn)速的不同，回

3、轉(zhuǎn)件的平衡又分為以下兩類。 5 51) 1) 回轉(zhuǎn)件的平衡回轉(zhuǎn)件的平衡 a 剛性回轉(zhuǎn)件的平衡工作轉(zhuǎn)速低于一階臨界轉(zhuǎn)速低于一階臨界轉(zhuǎn)速、其旋轉(zhuǎn)軸線撓曲變形可以忽略不計(jì)的回轉(zhuǎn)件稱為剛性回轉(zhuǎn)件的平衡。 b 撓性回轉(zhuǎn)件的平衡工作轉(zhuǎn)速高于一階臨界轉(zhuǎn)速高于一階臨界轉(zhuǎn)速、其旋轉(zhuǎn)軸線撓曲變形不可忽略的回轉(zhuǎn)件稱為撓性回轉(zhuǎn)件的平衡。 2) 2) 機(jī)構(gòu)的平衡機(jī)構(gòu)的平衡 對(duì)于存在有往復(fù)運(yùn)動(dòng)或平面復(fù)合運(yùn)動(dòng)構(gòu)件往復(fù)運(yùn)動(dòng)或平面復(fù)合運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的機(jī)構(gòu)，其慣性力和慣性力矩不可能在構(gòu)件內(nèi)部消除，但所有構(gòu)件上的慣性力和慣性力矩可合成為一個(gè)通過(guò)機(jī)構(gòu)質(zhì)心并作用于機(jī)架上的總慣性力和慣性力矩。 這類平衡問(wèn)題必須就整個(gè)機(jī)構(gòu)加以研究，應(yīng)設(shè)法使其總

4、慣性力和總慣性力矩在機(jī)架上得到完全或部分平衡，所以這類平衡又稱為機(jī)構(gòu)在機(jī)架上的平衡。 第第1 1節(jié)節(jié) 機(jī)械平衡的目的、分類及方法機(jī)械平衡的目的、分類及方法6 62 2 機(jī)械平衡的方法機(jī)械平衡的方法1)1)平衡設(shè)計(jì)平衡設(shè)計(jì) 在機(jī)械的設(shè)計(jì)階段，除了要保證其滿足工作要求及制造工藝要求外，還要在結(jié)構(gòu)上采取措施消除或減少產(chǎn)生有害振動(dòng)的不平衡慣性力，即進(jìn)行平衡設(shè)計(jì)。2)2)平衡試驗(yàn)平衡試驗(yàn) 經(jīng)過(guò)平衡設(shè)計(jì)的機(jī)械，雖然從理論上已經(jīng)達(dá)到平衡，但由于制造不精確、材料不均勻及安裝不準(zhǔn)確等非設(shè)計(jì)方面的原因，還會(huì)有不平衡現(xiàn)象。這種不平衡在設(shè)計(jì)階段是無(wú)法確定和消除的，需要通過(guò)試驗(yàn)的方法加以平衡。 第第1 1節(jié)節(jié) 機(jī)械平衡

5、的目的、分類及方法機(jī)械平衡的目的、分類及方法7 7第第2 2節(jié)節(jié) 剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計(jì)算剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計(jì)算 1 1 剛性回轉(zhuǎn)體慣性力系的剛性回轉(zhuǎn)體慣性力系的平衡條件平衡條件慣性力系的主矢和主矩均等于零: FI = 0 , MI = 0 1) 1) 靜平衡靜平衡 不平衡狀態(tài)可以通過(guò)靜態(tài)試驗(yàn)靜態(tài)試驗(yàn)顯示出來(lái)，所以稱為靜不平衡。 2) 2) 動(dòng)平衡動(dòng)平衡 將通過(guò)質(zhì)心的中心慣性主軸作為回轉(zhuǎn)軸。 這種不平衡只有在回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)時(shí)才能顯示出來(lái)，因而稱為動(dòng)不平衡。 8 82 2 靜平衡計(jì)算靜平衡計(jì)算 C C0i immm err質(zhì)量分布在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的剛性回轉(zhuǎn)體的平衡條件是：回轉(zhuǎn)體中各質(zhì)量的質(zhì)徑積的質(zhì)徑積

6、的矢量和等于零矢量和等于零。這類轉(zhuǎn)子的平衡稱為靜平衡靜平衡。質(zhì)徑積質(zhì)徑積 b/d0.2 矢量圖解法矢量圖解法第第2 2節(jié)節(jié) 剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計(jì)算剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計(jì)算 9 9B/D 0.2BDm3m1m2m3m1m2 近似認(rèn)為各偏心質(zhì)量均位于同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)。第第2 2節(jié)節(jié) 剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計(jì)算剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計(jì)算 1010靜平衡靜平衡第第2 2節(jié)節(jié) 剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計(jì)算剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計(jì)算 1111F F F F F F 需在兩個(gè)需在兩個(gè)平衡基平衡基面面上施加上施加( (或減去或減去) )。a a、幾何條件、幾何條件 B/D 0.2 即不能忽略力矩的影響。即不能忽略力矩的影響。b b、力平衡條件

7、、力平衡條件 Fi = 0 Mi = 0c c、特點(diǎn)、特點(diǎn) 平衡基面：施加平衡基面：施加( (或減去或減去) )平衡質(zhì)平衡質(zhì)量點(diǎn)所在的回轉(zhuǎn)面。量點(diǎn)所在的回轉(zhuǎn)面。3 3 動(dòng)平衡計(jì)算動(dòng)平衡計(jì)算 其質(zhì)量不是分布于其質(zhì)量不是分布于同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi) 第第2 2節(jié)節(jié) 剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計(jì)算剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計(jì)算 12123 3 動(dòng)平衡計(jì)算動(dòng)平衡計(jì)算 一般應(yīng)在回轉(zhuǎn)件上適當(dāng)位置加入若干平衡質(zhì)量，以使整個(gè)回轉(zhuǎn)件的離心慣性力系的主主矢和主矩矢和主矩均等于零， 第第2 2節(jié)節(jié) 剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計(jì)算剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計(jì)算 13133 3 動(dòng)平衡計(jì)算動(dòng)平衡計(jì)算 如果回轉(zhuǎn)件上的離心慣性力F1可以由分別作用在平面I和

8、內(nèi)的兩個(gè)平行分力F1和F1來(lái)代替。F1和F1的大小根據(jù)靜力學(xué)平衡方程式為 111111FFFFLLLL 1111111111rrrrmLLmmLLm 111111mLLmmLLmr1= r1= r1 平面平面I I內(nèi)的平衡質(zhì)徑積內(nèi)的平衡質(zhì)徑積 0CC332211rrrrmmmm 平面平面內(nèi)的平衡質(zhì)徑積內(nèi)的平衡質(zhì)徑積可由下式 0CC332211 rrrrmmmm第第2 2節(jié)節(jié) 剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計(jì)算剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計(jì)算 1414步驟：步驟：(1) 分別將各回轉(zhuǎn)平面上集中質(zhì)量點(diǎn)mi所產(chǎn)生的慣性力Fi (或質(zhì)徑積、重徑積)向兩個(gè)平衡基面上分解，得到Fi和Fi 。(2) 分別在兩個(gè)平衡基面上用靜平衡的方

9、法求解平衡質(zhì)量點(diǎn)的質(zhì)徑積mi ri(或重徑積)。第第2 2節(jié)節(jié) 剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計(jì)算剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計(jì)算 1515第第3 3節(jié)節(jié) 剛性回轉(zhuǎn)體的平衡試驗(yàn)剛性回轉(zhuǎn)體的平衡試驗(yàn) 1 1 靜平衡試驗(yàn)靜平衡試驗(yàn)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，操作也很方便，工作效率較低。 16162 2 動(dòng)平衡試驗(yàn)動(dòng)平衡試驗(yàn)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡試驗(yàn)一般需在專用的動(dòng)平衡機(jī)動(dòng)平衡機(jī)上進(jìn)行。動(dòng)平衡機(jī)有各種不同的型式，各種動(dòng)平衡機(jī)的構(gòu)造及工作原理也不盡相同，有通用平衡機(jī)，專用平衡機(jī)(如陀螺平衡機(jī)、曲軸平衡機(jī)、渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子平衡機(jī)、傳動(dòng)軸平衡機(jī)等)，但其作用都是用來(lái)測(cè)定需加于兩個(gè)平衡基面兩個(gè)平衡基面中的平衡質(zhì)量的大小及方位。動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、支承系統(tǒng)

10、、測(cè)量指示系統(tǒng)等部分組成。當(dāng)前工業(yè)上使用較多的動(dòng)平衡機(jī)是根據(jù)振動(dòng)原理設(shè)計(jì)的，測(cè)振傳感器將因轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)所引起的振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)電子線路加以處理和放大，最后用電子儀器顯示出被試轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)徑積的大小和方位。第第3 3節(jié)節(jié) 剛性回轉(zhuǎn)體的平衡試驗(yàn)剛性回轉(zhuǎn)體的平衡試驗(yàn) 1717 機(jī)械系統(tǒng)速度波動(dòng)可以分為周期性速度波動(dòng)周期性速度波動(dòng)和非周期性非周期性速度波動(dòng)速度波動(dòng)。 周期性波動(dòng)周期性波動(dòng)是由于機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)能增減呈周期性變化，造成主動(dòng)軸角速度隨之作周期性的波動(dòng)。 非周期性波動(dòng)非周期性波動(dòng)是由于機(jī)械系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力或阻力不規(guī)則的變化造成隨機(jī)的速度波動(dòng)。 如果驅(qū)動(dòng)功在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)總是小于阻抗功式，則機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的速

11、度會(huì)不斷下降，直到停車。 如果驅(qū)動(dòng)功在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)總是大于阻抗功，機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度將不斷升高，當(dāng)超過(guò)機(jī)械系統(tǒng)所允許的最高轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)械系統(tǒng)將不能正常工作。第第4 4節(jié)節(jié) 機(jī)械速度波動(dòng)產(chǎn)生的原因及調(diào)節(jié)方法機(jī)械速度波動(dòng)產(chǎn)生的原因及調(diào)節(jié)方法 1818 第第4 4節(jié)節(jié) 機(jī)械速度波動(dòng)產(chǎn)生的原因及調(diào)節(jié)方法機(jī)械速度波動(dòng)產(chǎn)生的原因及調(diào)節(jié)方法 1919第第5 5節(jié)節(jié) 飛輪的設(shè)計(jì)原理飛輪的設(shè)計(jì)原理 2020 機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)生速度波動(dòng)時(shí)，由于速度的變化規(guī)律不易獲得，工程上常用算術(shù)平均角速度近似代替實(shí)際平均角速實(shí)際平均角速度（名義轉(zhuǎn)速或角速度）。度（名義轉(zhuǎn)速或角速度）。maxmin2m 為了正確描述機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的不均勻

12、程度，引入機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)不均勻系數(shù)。maxminm 如果過(guò)大，將影響機(jī)械系統(tǒng)正常工作，工程上對(duì)各種機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)規(guī)定了許用值許用值 。第第5 5節(jié)節(jié) 飛輪的設(shè)計(jì)原理飛輪的設(shè)計(jì)原理 2121機(jī)械名稱交流發(fā)電機(jī)0.0020.003直流發(fā)電機(jī)0.0050.01內(nèi)燃機(jī)0.0070.0125船用發(fā)動(dòng)機(jī)0.0070.05紡紗機(jī)0.010.017減速機(jī)0.0150.02機(jī)械名稱農(nóng)業(yè)機(jī)械0.020.20軋鋼機(jī)0.040.10破碎機(jī)0.100.20沖、剪、鍛床0.050.15金屬切削機(jī)床0.020.05壓縮機(jī)和水泵0.030.05第第5 5節(jié)節(jié) 飛輪的設(shè)計(jì)原理飛輪的設(shè)計(jì)原理 2222 飛輪實(shí)際上是一個(gè)半徑很大，且絕大部分質(zhì)量集中在輪輪緣部分的輪輻式結(jié)構(gòu)的輪子緣部分的輪輻式結(jié)構(gòu)的輪子。飛輪設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定飛輪轉(zhuǎn)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量動(dòng)慣量，使機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)不均勻系數(shù)控制在許用范圍內(nèi)。由于機(jī)械系統(tǒng)中其他運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的動(dòng)能比飛輪動(dòng)能小很多，一般近似地任務(wù)飛輪的動(dòng)能就等于整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)所需的動(dòng)能。 飛輪的最大變化量Emax應(yīng)等于機(jī)械系統(tǒng)最大盈虧功Wmax。22maxmaxmaxminmaxmin12WEEEJ maxminmaxmin2J2mJ 第第5 5節(jié)節(jié) 飛輪的設(shè)計(jì)原理飛輪的設(shè)計(jì)原理 2323設(shè)飛輪的轉(zhuǎn)速為n (r/min)，/30mnmax22900WJn由上式可知：當(dāng)Wm