機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 第4版 課件 第11章 機(jī)器速度與機(jī)械平衡

第11章機(jī)器速度與機(jī)械平衡11.1機(jī)器速度的波動(dòng)與調(diào)節(jié)11.2機(jī)械的平衡11.1機(jī)器速度的波動(dòng)與調(diào)節(jié)11.1.1機(jī)器速度波動(dòng)的原因機(jī)器是在外力(驅(qū)動(dòng)力與阻力)聯(lián)合作用下運(yùn)轉(zhuǎn)的，從啟動(dòng)到停止一般經(jīng)歷三個(gè)過(guò)程：1．啟動(dòng)階段：這個(gè)階段，機(jī)器是由靜止?fàn)顟B(tài)逐步轉(zhuǎn)化到穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。在這個(gè)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)力所消耗的功大于阻力所做的總功，驅(qū)動(dòng)功的剩余部分用來(lái)增加機(jī)器的動(dòng)能，所以在啟動(dòng)階段機(jī)器做加速運(yùn)動(dòng)。2．穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)階段：在此階段，機(jī)器的驅(qū)動(dòng)功等于阻力總的消耗功，其動(dòng)能不再增加，理論上機(jī)器保持等速。但實(shí)際情況是機(jī)器的驅(qū)動(dòng)功往往不等于阻力總的消耗功，所以機(jī)器會(huì)圍繞某一速度做周期性波動(dòng)。3．停轉(zhuǎn)階段：當(dāng)撤去驅(qū)動(dòng)力后，機(jī)器的驅(qū)動(dòng)功變?yōu)榱?，機(jī)器憑借原有的儲(chǔ)存動(dòng)能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。但由于機(jī)器需要克服阻力的功，其動(dòng)能逐漸減少，轉(zhuǎn)速下降，直至機(jī)器停止運(yùn)轉(zhuǎn)。從機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的三個(gè)階段可知：機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)遵守能量守恒定律，在任意時(shí)間間隔內(nèi)驅(qū)動(dòng)功與總消耗功之差等于該時(shí)間間隔內(nèi)機(jī)器動(dòng)能的變化，即：

大多數(shù)機(jī)器在穩(wěn)定轉(zhuǎn)運(yùn)階段的速度是不恒定的，主要原因是：機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)功與總消耗功是不相等的，所以機(jī)器的動(dòng)能是變化的，從而機(jī)器的速度也發(fā)生波動(dòng)。11.1.2周期性速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)周期性速度波動(dòng)常用的方法是在機(jī)械中加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量足夠大的回轉(zhuǎn)體，即飛輪。盈功使飛輪動(dòng)能增加，虧功使飛輪動(dòng)能減少。由動(dòng)力學(xué)可知，飛輪的動(dòng)能變化為：從上式可以看出，當(dāng)動(dòng)能變化數(shù)值相同時(shí)，飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J越大，其角速度的波動(dòng)就越小。

11.1.3非周期性速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)非周期性速度波動(dòng)產(chǎn)生的原因是：機(jī)器在工作時(shí)驅(qū)動(dòng)力或工作阻力無(wú)規(guī)律地變化導(dǎo)致機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)速度的波動(dòng)沒(méi)有一定的規(guī)律。如果在一段時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)功總是大于總消耗功，則機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)速度將持續(xù)上升，直到超過(guò)機(jī)器極限速度而導(dǎo)致機(jī)器損壞；反之，如果驅(qū)動(dòng)功總是小于總消耗功，則機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度將不斷下降直至停止運(yùn)轉(zhuǎn)。非周期性速度波動(dòng)不能用飛輪進(jìn)行調(diào)節(jié)，只能用特殊的裝置使輸入功與輸出功趨于平衡，這種裝置通常稱為調(diào)速器。右圖就是一種離心式調(diào)速器。離心式調(diào)速器的工作原理1-工作機(jī)；2-汽輪機(jī)11.2機(jī)械的平衡11.2.1回轉(zhuǎn)體平衡的目的與分類

回轉(zhuǎn)體由于制造、裝配誤差以及材質(zhì)不均等原因造成質(zhì)量分布不均，其質(zhì)心有可能不在回轉(zhuǎn)體軸線上，從而產(chǎn)生慣性力。慣性力使機(jī)械的構(gòu)件和基礎(chǔ)產(chǎn)生振動(dòng)，將降低機(jī)器的工作精度、機(jī)械效牢及可靠性，甚至縮短機(jī)器的使用壽命。尤其當(dāng)振動(dòng)頻率接近系統(tǒng)的固有頻率時(shí)會(huì)引起共振，將造成重大損失。根據(jù)回轉(zhuǎn)體的不平衡形式可分為以下兩種：1．靜不平衡如齒輪、飛輪、砂輪等構(gòu)件，這些回轉(zhuǎn)體軸向尺寸很小，可將偏心質(zhì)量當(dāng)成位于同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，如果發(fā)生不平衡，是由于重心不在回轉(zhuǎn)軸上的緣故。由此產(chǎn)生的不平衡狀態(tài)在同轉(zhuǎn)體靜止時(shí)也可以顯示出來(lái)，所以稱為靜不平衡。如右圖所示。如多缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子等回轉(zhuǎn)體，由于軸向尺寸較大，一般是轉(zhuǎn)子的寬徑比(B／D)大于0.2，就不能近似認(rèn)為質(zhì)量分布于同一平面內(nèi)，而是分布在不同的幾個(gè)回轉(zhuǎn)平面內(nèi)。如右圖所示，在這種情況下，即使回轉(zhuǎn)體的質(zhì)心在回轉(zhuǎn)軸線（見右圖）

動(dòng)不平衡回轉(zhuǎn)體上，但是由于各偏心質(zhì)量產(chǎn)生的離心慣性力不在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，存在的慣性力偶爾使回轉(zhuǎn)體不平衡。這種不平衡狀態(tài)只有在回轉(zhuǎn)體運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下才能顯示出來(lái)，所以稱為動(dòng)不平衡。2．動(dòng)不平衡動(dòng)不平衡回轉(zhuǎn)體由上面的分析可知，靜不平衡的偏心質(zhì)心是分布在同一回轉(zhuǎn)體內(nèi)。當(dāng)回轉(zhuǎn)體以角速度

旋轉(zhuǎn)時(shí)，各質(zhì)量產(chǎn)生的離心慣性力構(gòu)成一個(gè)平面匯交力系。如果它們的合力

不等于零，則回轉(zhuǎn)體不平衡。要使其平衡必須在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)增加或在相反位置減去一質(zhì)量．使其產(chǎn)生的離心力與原有質(zhì)量產(chǎn)生的離心力矢量之和等于零，此回轉(zhuǎn)體就達(dá)到平衡狀態(tài)，即：11.2.2靜平衡計(jì)算及靜平衡試驗(yàn)上式可改寫成：當(dāng)總質(zhì)量的質(zhì)心與回轉(zhuǎn)體軸線重合，即e=0時(shí)，構(gòu)件對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的靜力矩等于零，稱為靜平衡。所以機(jī)械系統(tǒng)處于靜平衡的條件是所有質(zhì)徑積的矢量等于零。

經(jīng)過(guò)計(jì)算后加上平衡質(zhì)量的回轉(zhuǎn)體，理論上應(yīng)該是平衡的，但是由于制造或裝配等誤差存在，實(shí)際上還達(dá)不到預(yù)期的平衡要求，所以還需要進(jìn)行回轉(zhuǎn)體的靜平衡試驗(yàn)。11.2.3動(dòng)平衡計(jì)算及動(dòng)平衡試驗(yàn)由于動(dòng)平衡狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)體質(zhì)量分布不能近似認(rèn)為位于同一個(gè)回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，所以動(dòng)平衡回轉(zhuǎn)體回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生離心空間力系。要使回轉(zhuǎn)體平衡，必須滿足各質(zhì)量產(chǎn)生的離心力的合力和合力矩都等于零。如上圖所示，假設(shè)在平面內(nèi)有偏心質(zhì)量m1、m2、m3，其向

徑分別為r1、r2、r3。當(dāng)回轉(zhuǎn)體繞O-O軸回轉(zhuǎn)時(shí)，離心慣性力F1、F2、F3組成一個(gè)空間力系?，F(xiàn)選定兩個(gè)校正平面和，把m1、m2、m3向這兩個(gè)平面分解，得到：這樣可以認(rèn)為回轉(zhuǎn)體的偏心質(zhì)量集中在和兩個(gè)平面內(nèi)。對(duì)于校正平面的平衡方程為：作出向量圖，即可求出。從上述分析的動(dòng)平衡原理可知，軸向尺寸較大的回轉(zhuǎn)體。必須分別在任意兩個(gè)校正平面內(nèi)各加一個(gè)適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量，才能使回轉(zhuǎn)體達(dá)到平衡。利用專門的動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)測(cè)試出回轉(zhuǎn)體不平衡質(zhì)量、向徑確切的大小和位