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,*,在线教务辅导网：:/,教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网,QQ:,349134187,或者直接输入下面地址：,机械设计根底,刘赛堂 李永敏 主编,第,15,章,机械的平衡与调速,1.机械平衡的概念及其重要意义。,2.回转件的静平衡；回转件的动平衡。,3.机械波动原因及调节方法。,知识点：,机械的平衡和调速是现代机械工程中十分重要的课题，尤其在高速机械及精密机械中更具有特别重要的意义。本章仅讨论回转构件的平衡、机器的周期性速度波动及其调节问题。,15.1,刚性转子的动静平衡,15,.,1,.,1,转子平衡的目的,在机械中大量存在着绕固定轴线回转的构件，这类构件称为转子(回转件)。每个回转件都可看作是由假设干质量组成的。由理论力学知识可知，一偏离回转中心距离为r的质量为m的转子，当以匀角速度转动时，产生的离心力惯性力F为,F=mr2 8.1,15,.,1,.,2,刚性转子的平衡,转子平衡的原理就是将其质量的大小和分布重新调整，使惯性力形成一平衡力系。,根据回转件质量分布情况的不同，可分为静平衡与动平衡两类，其平衡原理和方法略有不同。下面对这两种情况进行分析。,15.1,刚性转子的动静平衡,1,.,静平衡,对于轴向宽度小宽径比值B/D1/5)的回转件，例如砂轮、飞轮、盘形轮等，其质量的分布可近似地认为在同一回转面内。因此，当回转件等速转动时，这些质量所产生的离心惯性力构成同一平面内汇交于回转中心的力系。如图15.1所示。假设回转件平衡，那么该力系的合力等于零，总质心便与回转轴线重合。如图15.1(a)所示，此时回转件质心的重力对于回转轴线的静力矩等于零，转子可在任何位置上保持静止，而不会自行转动，这种平衡称为静平衡工业上也称单面平衡。如果该力系不平衡，那么它们的合力不等于零。由汇交力系的平衡条件可知，如要到达平衡，应在同一回转面内增加或减少一个平衡质量，使其产生的离心惯性力与原有质量所产生离心惯性力的矢量和等于零，该力系就成为平衡力系，回转件即到达平衡状态，如图15.1b所示。,图,15.1,惯性力的平面汇交力系,15.1,刚性转子的动静平衡,2,.,动平衡,对于轴向尺寸较大的宽径比值B/D1/5)的回转件，如电动机的转子、多缸发动机的曲轴、汽轮机的转子以及机床主轴等，其质量的分布不能近似地认为是位于同一回转面内，而应看做分布于沿轴向的多个互相平行的回转面内，因而这类转子转动时所产生的离心惯性力构成空间力系，因此单靠在某一个回转面内加减平衡质量的静平衡方法并不能使这其转动时 到达平衡。,如图15.2所示的转子，设不平衡质量m1、m2分布于相距L的两个回转面内，且有m1=m2，r1-r2。该回转件的质心C虽落在回转轴上，满足静平衡条件；但因m1和m2不在同一回转面内，当回转件转动时，在包含m1、m2及回转轴的平面内存在一个由离心力F1和F2组成的力偶，该力偶的方向随回转件的转动而周期性变化，故回转件在转动时仍处于不平衡状态，这种因离心力系的合力偶不等于零引起的不平衡称为动不平衡。,图,15.2,静平衡但动平衡不平衡的转子,15.1,刚性转子的动静平衡,3,.,回转件的平衡试验,在转动速度一定的条件下，离心惯性力与质量和其径向位置有关，因此求转子静平衡，就是要确定平衡质量大小和其方位质径mr。用理论计算或图解的方法只能解决构件结构不对称引起的不平衡；对于制造、安装及转子本身材质不均匀等引起的不平衡，必须通过平衡试验解决。平衡试验分为静平衡试验和动平衡试验。,(1)静平衡试验,静不平衡的回转件，由于其质心偏离回转轴，会产生静力矩。利用静平衡架，找出不平衡质径的大小和方向，并由此确定平衡质量的大小和位置，使质心移到回转轴线上以到达静平衡。这种方法称为静平衡试验法。,图15.3所示为导轨式静平衡架。架上两根互相平行的钢制刀口形导轨被安装在同一水平面内。试验时将回转件的轴放在导轨上。假设回转件偏心，那么由于重力的作用，回转件将在导轨上发生滚动。待到滚动停止时，质心C即处于最低位置，由此可确定质心的偏移方向。然后再在质心的反方向加一适当的平衡质量，并逐步调整其大小或径向位置，直到该回转件在任意位置都能保持静止。这时所加的平衡质量与其向径的乘积就是该回转件欲到达平衡所需加的质径积。根据情况也可在径向反位置按同等大小的质径积去掉质量使回转件到达静平衡。对于宽径比B/D1/5的回转件，一般只需进行静平衡试验，可不必进行动平衡试验校正。,15.1,刚性转子的动静平衡,导轨式静平衡架简单可靠，其精度也能满足一般机械生产的需要。但由于导轨需要互相平行，且在同一水平面内，故安装、调试要求较高。另外，它不能平衡两端轴径不等的回转件。,图,15.4,所示为圆盘式静平衡架，是另一种常用的静平衡设备。被平衡回转件的轴放置于分别由两个圆盘组成的支架上，圆盘可绕其几何中心转动，因此回转件可以自由转动。其试验程序与导轨式静平衡架同。由于试验架有一端支承的高度可调，故能进行两端轴径不等回转件的平衡试验。该设备的安装、调试也较简单，但由于其支承面间有较大的摩擦阻力，故平衡精度较低。,图,15.3,导轨式静平衡架,图,15.4,圆盘式静平衡架,15.1,刚性转子的动静平衡,(2)动平衡试验,对于宽径比B/D1/5的回转件以及有特殊要求的重要回转件，必须进行动平衡。,动平衡试验一般需要在专用的动平衡机上进行，生产中使用的动平衡机种类很多，虽然其构造及工作原理不尽相同，但其作用都是用来确定需加于两个平衡平面中的平衡质量的大小及方位。试验时，让回转件在动平衡机上运转，在两个选定平面内分别找出所需平衡质量的大小及方位，然后分别在这两个平面内加上适当的平衡量，使回转件到达动平衡。动平衡试验机主要由机械振动系统、驱动系统和电气测量系统三局部组成。机械振动系统的主要功用是支承试件，允许试件在旋转时产生有规律的振动；驱动系统的主要功用是驱动试件在额定的转速下旋转；电气测量系统的主要功用是处理由传感器送来的信号，显示出试件上不平衡量的大小和方位，它是动平衡试验机中的关键局部，其质量直接影动平衡机的性能。,动平衡试验机的种类很多，最常用的是电测式动平衡试验机，图15.5是一种带微机系统的硬支承动平衡机的工作原理图。,15.1,刚性转子的动静平衡,图,15.5,一种带微机系统的硬支承动平衡机的工作原理图,15.2,机械速度的波动及调节,在前面的讨论中总假设机械主轴为匀速转动。但实际上，即使机械在所谓的稳定运转阶段，由于原动机的驱动力矩和执行构件上的载荷都可能是变化的，且各中间构件的变速运动还会产生惯力矩，故原动件的转速很难维持匀速。在某段时间间隔内，当驱动力所作的功大于阻抗力所作功时，出现盈功，此时机械的动能增加，其运转的速度升高；当驱动力所作的功小于阻抗力所作功时，出现亏功，此时机械的动能减少，其运转的速度降低。机械在某一时间间隔内运转速度忽高忽低的变化称为机械速度的波动。机械的这种速度波动在运动副中会产生附加的动压力增加机械的磨损，降低机械的效率和工作可靠性；会引起机械的振动，降低机械的工作精度和使用性能。因此，匀速的假设只适宜于低速、轻载和对运动精度要求不高的机械系统。对执行机构运动规律要求较高或需机构进行精确的受力分析和强度计算时，必须考虑转速的波动和由此带来的影响，并且对机械的速度波动进行调节，将它限制在允许的范围之内，以减少对机械的不良影响。,机械的速度波动有周期性速度波动和非周期性速度波动两类，所以它的调节方法也相应地分为两类，即周期性速度波动的调节和非周期性速度波动的调节。,15.2,机械速度的波动及调节,15,.,2,.,1,周期性速度波动的调节,有些机器主轴的角速度呈周期性的变化，如二冲程内燃机，主轴每转动2角度其速度波动重复一次。这种周期性出现的速度波动称为周期性速度波动。周期性速度波动的特点是：一个波动周期内的输入功等于输出功，但是，在周期中的某段时间内，驱动力所作的功与阻力所作的功是不相等的。周期性速度波动的调节方法是在机械中加一个转动惯量很大的轮子飞轮。当机械中出现盈功，动能增加时，飞轮的作用是将多余的动能储存起来，使机械的速度不致增加过大；当机械出现亏功，动能减少时，它将储存的动能释放出来，以补充动能的缺乏，使机械的速度不致降低过大。因此，当动能增减规律不变时，安装飞轮可以减小机械速度波动的幅度，起到调节速度波动范围的作用。,有关飞轮设计的根本原理和方法可参看机械原理教材或机械设计手册。,15.2,机械速度的波动及调节,15,.,2,.,2,非周期性速度波动的调节,有一些机器在长期运转阶段速度波动是不规那么的。如汽轮发电机组，其负荷为用户的耗电量，用户用电量的增减是没有规律的，所以，其速度波动没有一定的周期。这种速度波动称为非周期性速度波动。非周期性速度波的危害为：如果输入功在很长一段时间内总是大于输出功，那么机械转速将不断增高，甚至超过机械强度所允许的极限转速而导致机器损坏；反之，如果输入功总是小于输出功，那么机械运转速度将不断下降，直至停车。由于一段时间的速度波动没有规律，故不能用安装飞轮的方法来调节，而需要专用的装置，使驱动力所作的功与阻力所作的功趋于平衡。这种专用装置称为调速器。,调速器的种类很多，图15.6所示为柴油机离心调速器的工作原理图。当工作机1的负荷突然减小时，柴油机2的输出转速升高，通过齿轮3、4使调速器的转速也升高。由于离心运动，重球G和G将绕轴A和B向外扩张，推动套筒与压缩弹簧向左移动。通过套环6和小连杆等将节流阀门V关小，以减少供油量，从而使柴油机转速下降。假设转速过低，重球G和G的离心力减小，弹簧5将推动套环6右移，节流阀门V开大，增加供油量，使柴油机转速上升，这样可将柴油机转速稳定在某个数值附近。,机械式调速器灵敏度低，结构复杂，在近代机械中已逐步被液压和电子调速装置取代。,图,15.6,离心调速器,1.,工作机；,2.,柴油机,;3,、,4.,齿轮,;5.,弹簧,;6.,套环,15.2,机械速度的波动及调节,1由于运动构件上惯性力的变化，将在运动副中产生动压力，并使机械构件和根底产生振动。合理分配机构中构件的质量，使惯性力得到平衡。这是机械平衡的问题。,2由于机械动能变化引起机械运转速度的波动，也将在运动副中产生动压力，并引起振动。对系统过大的速度波动进行调节，这是机械的调速问题。,3转子指绕固定轴线回转的构件，如其变形可忽略不计那么称为刚性转子。,按转子质量分布情况的不同，刚性转子平衡分为动平衡和静平衡两类。,4静平衡也称为单面平衡,适合于B/D1/5的回转件。动平衡也称双面平衡，适合于B/D1/5的回转件。由于动平衡条件中包含静平衡条件，故经过动平衡的回转件一定是静平衡的，反之，静平衡的回转件不一定是动平衡。5机械平衡的方法有理论计算法、图解法和实验法。对于制造安装及材质不均匀等引起的不平衡必须通过平衡试验解决。,6平衡试验分静平衡试验和动平衡试验。静平衡试验在静平衡架上进行；动平衡试验需使用动平衡试验机。,7机械速度波动有周期性波动和非周期性波动两类。周期性波动调节方法是在机械中加飞轮；非周期性波动需用专用装置调节。,小 结,15.2,机械速度的波动及调节,1.为什么要对回转件进行平衡校正?导致回转件不平衡的可能原因有哪些？,2.什么是单面平衡？什么是双面平衡?比较这两种平衡,说明它们的适用范围。,3.为什么要调节机械的速度波动?,4.周期性速度波动和非周期性速度波动的特点各是什么?各用什么方法调节?,5.安装飞轮的目的和作用是什么?主要安装在机械的何处?为什么?,6.主轴作周期性速度波动、回转体不平衡时都会使机座产生振动，试比较这两种振动产生的原因,并说明能否在理论上、实践上消除这两种振动。,习 题,15.2,机械速度的波动及调节,谢谢欣赏,Thank You!,
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