第5章機械的調(diào)速和平衡

第5章機械的調(diào)速和平衡5-1

機械速度波動的調(diào)節(jié)5-2

機械的平衡基本要求:了解機械功、能和原動件運動速度的特點掌握飛輪調(diào)速原理及飛輪設計的基本方法了解非周期性速度波動的基本概念和方法了解機械平衡的目的及分類熟練掌握剛性轉(zhuǎn)子靜、動平衡的原理和方法機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡5-1

機械速度波動的調(diào)節(jié)一、作用在機械上的力二、機械運轉(zhuǎn)過程三、速度波動的分類四、周期性速度波動的衡量指標五、飛輪的設計機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡一、作用在機械上的力外力：重力、摩擦力、驅(qū)動力、工作阻力…工作阻力：機械工作時需克服的生產(chǎn)阻力驅(qū)動力：驅(qū)動原動件運動的力機器動能方程式：

W=Wd–(Wr+Wf)=Wd-Wc

=

E2–E1=E

外力功=驅(qū)動功--阻力功=系統(tǒng)動能的增量盈功：驅(qū)動力作的功大于阻力作的功虧功：驅(qū)動力作的功小于阻力作的功機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡二、機械系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程（功、能轉(zhuǎn)換）1起動階段(0m)

特點：Wd>Wr=m2穩(wěn)定運轉(zhuǎn)階段(m)

特點：Wd=Wr=m勻速穩(wěn)定運轉(zhuǎn):m=C變速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)：周期性的速度波動,mC非周期性波動:mC3停車階段(m0)特點：

Wd<Wrm=0機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡總之,只要wdwc

，則E0變化（速度波動）TT起動穩(wěn)定運轉(zhuǎn)mt制動停車三、速度波動的分類穩(wěn)定運轉(zhuǎn)階段的速度變化：勻速的、周期性波動、非周期性波動影響：速度波動動壓力振動，噪音,工作質(zhì)量降低分類：1周期性速度波動及其調(diào)節(jié)2非周期性速度波動及其調(diào)節(jié)機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡1周期性速度波動及其調(diào)節(jié)特點:(1)在一個周期T內(nèi):Wd-Wc=E=0(2)機器的位置、速度、加速度和受力等呈周期性的變化機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡調(diào)節(jié)方法：飛輪——轉(zhuǎn)動慣量很大的回轉(zhuǎn)構(gòu)件(能量儲存器)飛輪作用：調(diào)速飛輪調(diào)速原理：Wd＞W(wǎng)r

盈功動能飛輪儲存能量，使；Wd＜Wr

虧功動能飛輪釋放能量，使；J越大，調(diào)速作用越好瞬時過載時，利用飛輪釋放的能量克服，減小原動機功率j(T)j(T)2非周期性速度波動及其調(diào)節(jié)特點:工作阻力或驅(qū)動力發(fā)生突變——發(fā)生“停車”或“飛車”Wd＞W(wǎng)r

盈功動能“飛車“Wd＜Wr

虧功動能“悶車“機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡調(diào)節(jié)方法：自調(diào)節(jié)——原動機的驅(qū)動力矩是速度的函數(shù)，且具有下降的趨勢時調(diào)速器——調(diào)節(jié)驅(qū)動力w調(diào)速器工作原理圖油箱供油發(fā)動機燃燒室機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡四、周期性速度波動的衡量指標1.絕對不均勻度許用不均勻系數(shù)[]見p51表5-1得3.速度不均勻系數(shù)(相對不均勻度）2.平均角速度機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡mj(T)j(T)minmax五、飛輪的設計1飛輪設計的基本原理2最大盈虧功Amax的確定3飛輪主要尺寸的確定機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡關(guān)鍵：根據(jù)wm、[]確定飛輪的JF.最大盈虧功Amax與動能的增量的關(guān)系：JF[]分析：(1)Amax、ωm=const.→JF-δ成反比

-----不宜選取過小的[δ]-----不能完全消除系統(tǒng)周期性速度波動

(2)JF

、ωm=const.→Amax

-δ成正比

-----Amax

愈大機器速度波動愈嚴重

(3)Amax

、δ=const.→JF-ω2m成反比

-----為減少JF,飛輪宜安裝在轉(zhuǎn)速較高的軸上機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡1飛輪設計的基本原理d設在T內(nèi)，Md與Mr變化規(guī)律如圖示，Je為常數(shù)當Md>Mr

時外力對系統(tǒng)作正功，(盈功)動能，速度

Md<Mr

時外力對系統(tǒng)作負功，(虧功)動能，速度

Md=Mr時=0，出現(xiàn)min

和max(如圖示)minmin(b)maxmax(e)

在b到e區(qū)間外力對系統(tǒng)作的功稱為最大盈虧功AmaxminmaxMdMr+–––+MabcdeaT能量指示圖abcea機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡2最大盈虧功Amax的確定minmaxMvdMvr+–––+MabcdeaTW1W2W3W4W5假設：W1=-100，W2=350，W3=-80，

W4=330，W5=-500或機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡例題：1700-10025050003飛輪主要尺寸的確定根據(jù)飛輪的轉(zhuǎn)動慣量確定飛輪的具體結(jié)構(gòu)尺寸機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡5-2機械的平衡機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡一、機械平衡的目的及內(nèi)容二、剛性轉(zhuǎn)子的平衡計算三、剛性轉(zhuǎn)子的平衡實驗一、機械平衡的目的及內(nèi)容1慣性力及其影響2機械平衡的目的3機械平衡的分類4機械平衡的方法機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡1慣性力及其影響運動的構(gòu)件按運動形態(tài)可分為三類：定軸轉(zhuǎn)動、往復直線運動、復雜平面運動除：1）等速直線運動的構(gòu)件

2）質(zhì)量分布對其轉(zhuǎn)動軸線完全對稱的等速轉(zhuǎn)動構(gòu)件其它構(gòu)件在運動過程中都將產(chǎn)生慣性力或慣性力偶矩舉例說明不平衡后果：電風扇、砂輪磨削、軸的塑性變形產(chǎn)生附加動壓力摩擦、磨損、效率、振動噪音...影響機械的工作精度、可靠性、壽命...造成破壞性事故機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡例：設偏心質(zhì)量m=10kg，偏心距e=1mm，=314rad/s則：慣性力：F=me2=101x10-33142=986N重量：

G=mg=109.8=98N可見：F>>G,F慣性力的方向隨構(gòu)件的轉(zhuǎn)動而作周期性變化eFw機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡2機械平衡的目的消除或減少慣性力機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡3機械平衡的分類剛性轉(zhuǎn)子的靜平衡對長徑比＜1/5的構(gòu)件，作單面平衡剛性轉(zhuǎn)子的動平衡對長徑比＞1/5的構(gòu)件，作雙面平衡撓性轉(zhuǎn)子的平衡剛性轉(zhuǎn)子的平衡：n<(0.6~0.75)nc

例:機床的主軸、齒輪、飛輪...撓性轉(zhuǎn)子的平衡：n>(0.6~0.75)nc、彈性變形不可忽略機構(gòu)的平衡(機構(gòu)在機架上的平衡)

往復直線運動的構(gòu)件和復雜平面運動的構(gòu)件m3m1m2FI1FI2FI3mFI機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡4機械平衡的方法(1)平衡設計設計階段從結(jié)構(gòu)上采取措施，進行平衡設計(2)平衡試驗通過試驗的方法加以平衡機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡二、剛性轉(zhuǎn)子的平衡計算1剛性轉(zhuǎn)子的不平衡類型2剛性轉(zhuǎn)子的靜平衡計算3偏心質(zhì)量的等效平衡4剛性轉(zhuǎn)子的動平衡計算機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡G1剛性轉(zhuǎn)子的不平衡類型1靜不平衡(b/D1/5)靜平衡平面匯交力系單面平衡2動不平衡(b/D>1/5)動平衡空間力系雙面平衡GF1F2m1m2SF1F2機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡2剛性轉(zhuǎn)子的靜平衡計算條件：b/D1/5,所有慣性力可認為在同一個平面上慣性力為平面匯交力系：m1m2m3m4F2F3F1FF4r1r2r3r4mbrbW1W2WbW4W3ab其合力平衡方法：在合力P的反向加mb,使平衡：去重或配重則Fb機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡質(zhì)徑積表達方式平衡方程：F2F3F1FF4m1r1m2r2m3r3m4r4mbrbFbW1WbW4W3abW2質(zhì)徑積矢量方程解法：1.圖解法：定比例尺，作質(zhì)徑積矢量圖，量平衡質(zhì)徑積的大小2.解析法：若各不平衡質(zhì)量方向以角度給出質(zhì)徑積矢量方程：質(zhì)徑積矢量方程：機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡靜平衡結(jié)論產(chǎn)生靜不平衡的原因是合慣性力不為零

靜平衡的條件：分布于轉(zhuǎn)子上的各個偏心質(zhì)量的離心慣性力的合力為零，或質(zhì)徑積的向量和為零

對于靜不平衡的剛性轉(zhuǎn)子，無論它有多少個偏心質(zhì)量，只要適當增加（或減小）一個平衡質(zhì)量，就能使其獲得平衡。即對靜不平衡的轉(zhuǎn)子，需加平衡質(zhì)量的最少數(shù)目為1F2F3F1FF4m1r1m2r2m3r3m4r4mbrbFbW1WbW4W3abW2機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡3偏心質(zhì)量的等效平衡力學基礎：力的平行分解即以P1、P2等效代替P應滿足：力等效、力矩等效ＰP1Ｐ2l1l2機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡偏心質(zhì)量的等效平衡平衡條件：對任意一個偏心質(zhì)量，可在另外兩個回轉(zhuǎn)平面內(nèi)分別安裝平衡質(zhì)量，即可使轉(zhuǎn)子達到平衡。m,rFmb,

rbFb將質(zhì)量m(向徑r)的偏心質(zhì)量用另外兩個平面的質(zhì)量m1(r1),m2(r2)等效代替m2,r2m1,r1F2F1mb1,rb1mb2,rb2Fb1Fb2分別在兩個平面內(nèi)加上平衡質(zhì)量使之靜平衡機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡4剛性轉(zhuǎn)子的動平衡計算條件：b/D>1/5，不能認為質(zhì)量分布在同一平面實例：電動機的轉(zhuǎn)子、汽輪機的轉(zhuǎn)子、多缸內(nèi)燃機曲軸…m3m1m2FFcm

m不能認為質(zhì)量分布在同一平面靜平衡而動不平衡機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡動平衡設計動平衡條件將所有質(zhì)量向另外兩個平面投影(等效替換),最后在兩個平面內(nèi)加上平衡質(zhì)量使之靜平衡m1m2F1F2m1’,r1’F1’F1’’m1’’,r1’’m2’,r2’F2’m2’’,r2’’F2’’平面1平面2機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡F2F3F1123m2m1m3r2r1r3IIIF2IF3IF2IIF3IIF1IF1IIrImb

IPIrIImb

IIFIILl1l2l3WIW1IW2IW3IW2IIW3IIW1IIWIImbIrI=WImbIIrII=WII平衡平面動平衡設計圖示機械設計基礎——機械的調(diào)速和平衡動平衡結(jié)論產(chǎn)生動不平衡的原因是合慣性力、合慣性力偶矩均不為零（特殊情況下，合慣