河南理工大學機械設(shè)計基礎(chǔ)第16章 機械的平衡與調(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”機電類規(guī)劃教材機電類規(guī)劃教材第第1616章章 機械的平衡與調(diào)速機械的平衡與調(diào)速機械設(shè)計基礎(chǔ)（第機械設(shè)計基礎(chǔ)（第2 2版）版）薛銅龍薛銅龍 主編主編河南理工大學河南理工大學機械與動力工程學院機械與動力工程學院2014 年年 6 月月2 2 第1節(jié) 機械平衡的目的、分類及方法 第2節(jié) 剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計算 第3節(jié) 剛性回轉(zhuǎn)體的平衡試驗 第4節(jié) 機械速度波動產(chǎn)生的原因及調(diào)節(jié)方法 第5節(jié) 飛輪的設(shè)計原理第第1616章章 機械的平衡與調(diào)速機械的平衡與調(diào)速3 3重點學習內(nèi)容重點學習內(nèi)容掌握機械產(chǎn)生周期性速度波動的原因及調(diào)節(jié)；理解飛輪調(diào)速的

2、基本原理；掌握回轉(zhuǎn)構(gòu)件的動平衡和靜平衡原理。第第1616章章 機械的平衡與調(diào)速機械的平衡與調(diào)速4 4第第1 1節(jié)節(jié) 機械平衡的目的、分類及方法機械平衡的目的、分類及方法 機械平衡的目的就是為了完全或部分消除慣性力給機械帶來的不良影響，以改善機械工作性能和延長其使用壽命。 研究機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題，即為機械平衡問題。1 1 機械平衡的分類機械平衡的分類機械的平衡可分為回轉(zhuǎn)件回轉(zhuǎn)件平衡和機構(gòu)機構(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)動的構(gòu)件，其慣性力和慣性力矩的平衡問題稱為回轉(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) 機構(gòu)的平衡機構(gòu)的平衡 對于存在有往復(fù)運動或平面復(fù)合運動構(gòu)件往復(fù)運動或平面復(fù)合運動構(gòu)件的機構(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通過機構(gòu)質(zhì)心并作用于機架上的總慣性力和慣性力矩。 這類平衡問題必須就整個機構(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架上得到完全或部分平衡，所以這類平衡又稱為機構(gòu)在機架上的平衡。 第第1 1節(jié)節(jié) 機械平衡的目的、分類及方法機械平衡的目的、分類及方法6 62 2 機械平衡的方法機械平衡的方法1)1)平衡設(shè)計平衡設(shè)計 在機械的設(shè)計階段，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)生有害振動的不平衡慣性力，即進行平衡設(shè)計。2)2)平衡試驗平衡試驗 經(jīng)過平衡設(shè)計的機械，雖然從理論上已經(jīng)達到平衡，但由于制造不精確、材料不均勻及安裝不準確等非設(shè)計方面的原因，還會有不平衡現(xiàn)象。這種不平衡在設(shè)計階段是無法確定和消除的，需要通過試驗的方法加以平衡。 第第1 1節(jié)節(jié) 機械平衡

5、的目的、分類及方法機械平衡的目的、分類及方法7 7第第2 2節(jié)節(jié) 剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計算剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計算 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)可以通過靜態(tài)試驗靜態(tài)試驗顯示出來，所以稱為靜不平衡。 2) 2) 動平衡動平衡 將通過質(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)動起來時才能顯示出來，因而稱為動不平衡。 8 82 2 靜平衡計算靜平衡計算 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)體的平衡計算剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計算 9 9B/D 0.2BDm3m1m2m3m1m2 近似認為各偏心質(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)體的平衡計算剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計算 1010靜平衡靜平衡第第2 2節(jié)節(jié) 剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計算剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計算 1111F F F F F F 需在兩個需在兩個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、特點 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)量點所在的回轉(zhuǎn)面。量點所在的回轉(zhuǎn)面。3 3 動平衡計算動平衡計算 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)體的平衡計算剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計算 12123 3 動平衡計算動平衡計算 一般應(yīng)在回轉(zhuǎn)件上適當位置加入若干平衡質(zhì)量，以使整個回轉(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)體的平衡計算剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計算 13133 3 動平衡計算動平衡計算 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)的兩個平行分力F1和F1來代替。F1和F1的大小根據(jù)靜力學平衡方程式為 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)體的平衡計算剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計算 1414步驟：步驟：(1) 分別將各回轉(zhuǎn)平面上集中質(zhì)量點mi所產(chǎn)生的慣性力Fi (或質(zhì)徑積、重徑積)向兩個平衡基面上分解，得到Fi和Fi 。(2) 分別在兩個平衡基面上用靜平衡的方

9、法求解平衡質(zhì)量點的質(zhì)徑積mi ri(或重徑積)。第第2 2節(jié)節(jié) 剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計算剛性回轉(zhuǎn)體的平衡計算 1515第第3 3節(jié)節(jié) 剛性回轉(zhuǎn)體的平衡試驗剛性回轉(zhuǎn)體的平衡試驗 1 1 靜平衡試驗靜平衡試驗結(jié)構(gòu)比較簡單，操作也很方便，工作效率較低。 16162 2 動平衡試驗動平衡試驗轉(zhuǎn)子的動平衡試驗一般需在專用的動平衡機動平衡機上進行。動平衡機有各種不同的型式，各種動平衡機的構(gòu)造及工作原理也不盡相同，有通用平衡機，專用平衡機(如陀螺平衡機、曲軸平衡機、渦輪機轉(zhuǎn)子平衡機、傳動軸平衡機等)，但其作用都是用來測定需加于兩個平衡基面兩個平衡基面中的平衡質(zhì)量的大小及方位。動平衡試驗機主要由驅(qū)動系統(tǒng)、支承系統(tǒng)

10、、測量指示系統(tǒng)等部分組成。當前工業(yè)上使用較多的動平衡機是根據(jù)振動原理設(shè)計的，測振傳感器將因轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動所引起的振動轉(zhuǎn)換成電信號，通過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)體的平衡試驗剛性回轉(zhuǎn)體的平衡試驗 1717 機械系統(tǒng)速度波動可以分為周期性速度波動周期性速度波動和非周期性非周期性速度波動速度波動。 周期性波動周期性波動是由于機械系統(tǒng)動能增減呈周期性變化，造成主動軸角速度隨之作周期性的波動。 非周期性波動非周期性波動是由于機械系統(tǒng)驅(qū)動力或阻力不規(guī)則的變化造成隨機的速度波動。 如果驅(qū)動功在長時間內(nèi)總是小于阻抗功式，則機械系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的速

11、度會不斷下降，直到停車。 如果驅(qū)動功在較長時間內(nèi)總是大于阻抗功，機械系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的速度將不斷升高，當超過機械系統(tǒng)所允許的最高轉(zhuǎn)速時，機械系統(tǒng)將不能正常工作。第第4 4節(jié)節(jié) 機械速度波動產(chǎn)生的原因及調(diào)節(jié)方法機械速度波動產(chǎn)生的原因及調(diào)節(jié)方法 1818 第第4 4節(jié)節(jié) 機械速度波動產(chǎn)生的原因及調(diào)節(jié)方法機械速度波動產(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)計原理飛輪的設(shè)計原理 2020 機械系統(tǒng)運轉(zhuǎn)發(fā)生速度波動時，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際平均角速實際平均角速度（名義轉(zhuǎn)速或角速度）。度（名義轉(zhuǎn)速或角速度）。maxmin2m 為了正確描述機械系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的不均勻

12、程度，引入機械系統(tǒng)運轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)不均勻系數(shù)。maxminm 如果過大，將影響機械系統(tǒng)正常工作，工程上對各種機械系統(tǒng)的運轉(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)計原理飛輪的設(shè)計原理 2121機械名稱交流發(fā)電機0.0020.003直流發(fā)電機0.0050.01內(nèi)燃機0.0070.0125船用發(fā)動機0.0070.05紡紗機0.010.017減速機0.0150.02機械名稱農(nóng)業(yè)機械0.020.20軋鋼機0.040.10破碎機0.100.20沖、剪、鍛床0.050.15金屬切削機床0.020.05壓縮機和水泵0.030.05第第5 5節(jié)節(jié) 飛輪的設(shè)計原理飛輪的設(shè)計原理 2222 飛輪實際上是一個半徑很大，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)計的關(guān)鍵是確定飛輪轉(zhuǎn)飛輪轉(zhuǎn)動慣量動慣量，使機械系統(tǒng)的運動不均勻系數(shù)控制在許用范圍內(nèi)。由于機械系統(tǒng)中其他運動構(gòu)件的動能比飛輪動能小很多，一般近似地任務(wù)飛輪的動能就等于整個機械系統(tǒng)所需的動能。 飛輪的最大變化量Emax應(yīng)等于機械系統(tǒng)最大盈虧功Wmax。22maxmaxmaxminmaxmin12WEEEJ maxminmaxmin2J2mJ 第第5 5節(jié)節(jié) 飛輪的設(shè)計原理飛輪的設(shè)計原理 2323設(shè)飛輪的轉(zhuǎn)速為n (r/min)，/30mnmax22900WJn由上式可知：當Wm