西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)CH05

1、第五章第五章 機(jī)械的平衡機(jī)械的平衡5-1 機(jī)械平衡的目的及內(nèi)容機(jī)械平衡的目的及內(nèi)容5-2 轉(zhuǎn)子的平衡轉(zhuǎn)子的平衡5-3 轉(zhuǎn)子的平衡實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)子的平衡實(shí)驗(yàn)5-5 機(jī)械的平衡機(jī)械的平衡5-4 轉(zhuǎn)子的平衡轉(zhuǎn)子的平衡精度精度5-1 機(jī)械平衡的目的及內(nèi)容機(jī)械平衡的目的及內(nèi)容1. 機(jī)械平衡的目的 機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，構(gòu)件所生產(chǎn)的不平衡慣性力將在運(yùn)動(dòng)副中引起附加的動(dòng)壓力。例 磨削工件的砂輪 增大了運(yùn)動(dòng)副中摩擦和構(gòu)件中的內(nèi)應(yīng)力，降低了機(jī)械效率和使用壽命，影響機(jī)械本身的正常工作， 也必將引起機(jī)械及其基礎(chǔ)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，甚至產(chǎn)生共振。 會(huì)導(dǎo)致工作機(jī)械及其廠房建筑受到破壞。ABSSm=12.5 kge=1 mmn = 6000

2、r/minFF= me 2 = 5000 N其方向作周期性變化F在轉(zhuǎn)動(dòng)副中引起的附加反力是砂輪自重的40倍。 對(duì)于高速高精密機(jī)械尤為重要； 機(jī)械平衡的目的就是設(shè)法將構(gòu)件的不平衡慣性力加以平衡，以消除或減少慣性力的不良影響。機(jī)械的平衡是現(xiàn)代機(jī)械的一個(gè)重要問(wèn)題。 對(duì)于此類(lèi)機(jī)械則是如何合理利用不平衡慣性力的問(wèn)題。 但某些機(jī)械卻是利用構(gòu)件產(chǎn)生的不平衡慣性力所引起的振動(dòng)來(lái)工作的。2. 機(jī)械平衡的內(nèi)容 在機(jī)械中,由于各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)形式的不同,其所產(chǎn)生的慣性力和平衡方法也不同。（）轉(zhuǎn)子的平衡轉(zhuǎn)子的不平衡慣性力可利用在其上增加或除去一部分質(zhì)量的方法加以平衡。其實(shí)質(zhì)是通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子自身質(zhì)心的位置來(lái)達(dá)到消除或

3、減少慣性力的目的。機(jī)娥平衡的目的及內(nèi)容機(jī)娥平衡的目的及內(nèi)容(2/3)1）剛性轉(zhuǎn)子的平衡 剛性轉(zhuǎn)子n(0.60.75)nc1的平衡，是按其理論力學(xué)中的力學(xué)平衡理論進(jìn)行的。靜平衡動(dòng)平衡只要求其慣性力平衡；同時(shí)要求其慣性力和慣性力偶矩的平衡。2）撓性轉(zhuǎn)子的平衡 撓性轉(zhuǎn)子n(0.60.75)nc1的平衡，其平衡是基于彈性梁的橫向振動(dòng)理論。（2）機(jī)構(gòu)的平衡 作往復(fù)移動(dòng)或平面復(fù)合運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件，其所產(chǎn)生的慣性力無(wú)法在該構(gòu)件上平衡，而必須就整個(gè)機(jī)構(gòu)加以平衡。 即設(shè)法使各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件慣性力的合力和合力偶得到完全或部分平衡，以消除或降低其不良影響。 此類(lèi)平衡問(wèn)題為機(jī)構(gòu)的平衡或機(jī)械在機(jī)座上的平衡。機(jī)械平衡的目的及內(nèi)容機(jī)械

4、平衡的目的及內(nèi)容(3/3) 故這類(lèi)轉(zhuǎn)子稱為靜不平衡轉(zhuǎn)子。 其質(zhì)量可近似認(rèn)為分布在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)。 這時(shí)其偏心質(zhì)量在轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生慣性力，5-2 剛性轉(zhuǎn)子的平衡計(jì)算剛性轉(zhuǎn)子的平衡計(jì)算 為了使轉(zhuǎn)子得到平衡，在設(shè)計(jì)時(shí)就要根據(jù)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，通過(guò)計(jì)算將轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)成平衡的。1.剛性轉(zhuǎn)子的靜平衡計(jì)算（1）靜不平衡轉(zhuǎn)子對(duì)于軸向尺寸較小的盤(pán)形轉(zhuǎn)子(b/D 0.2)， 因這種不平衡現(xiàn)象在轉(zhuǎn)子靜態(tài)時(shí)就可表現(xiàn)出來(lái)，bABD回轉(zhuǎn)平面mmrFG 平衡后轉(zhuǎn)子的各偏心質(zhì)量（包括平衡質(zhì)量）的慣性力的合力為零。 對(duì)于 靜不平衡轉(zhuǎn)子，利用在其上增加或除去一部分質(zhì)量，使其質(zhì)心與回轉(zhuǎn)軸心重合，即可使轉(zhuǎn)子的慣性力得以平衡的方法。（2）靜平

5、衡及其條件靜平衡靜平衡的條件F0即（3）靜平衡計(jì)算 靜平衡計(jì)算主要是針對(duì)由于結(jié)構(gòu)所引起的靜不平衡的轉(zhuǎn)子而進(jìn)行平衡的計(jì)算。 根據(jù)其結(jié)構(gòu)，計(jì)算確定需增加或除去的平衡質(zhì)量，使其在設(shè)計(jì)時(shí)獲得靜平衡。例 盤(pán)形凸輪的靜平衡計(jì)算剛性轉(zhuǎn)子的平衡計(jì)算剛性轉(zhuǎn)子的平衡計(jì)算(2/4) 對(duì)于動(dòng)不平衡轉(zhuǎn)子，通過(guò)選定兩個(gè)回轉(zhuǎn)平面及作為平面基面， 這種不平衡只有在轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)才能顯現(xiàn)出來(lái)的，故稱此類(lèi)轉(zhuǎn)子為動(dòng)不平衡轉(zhuǎn)子。 其質(zhì)量就不能分布在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，而往往是分布在若干個(gè)不同的回轉(zhuǎn)平面內(nèi)。2. 剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡計(jì)算（1）動(dòng)不平衡轉(zhuǎn)子 對(duì)于軸向尺寸較大的轉(zhuǎn)子（b/D0.2)， 這時(shí)即使轉(zhuǎn)子的質(zhì)心在回轉(zhuǎn)軸線上，但各偏心質(zhì)量所形成

6、的慣性力偶仍不平衡，而且其作用方位是隨轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)而變化的。（2）動(dòng)平衡及其條件動(dòng)平衡 再分別在這兩個(gè)面上增加或除去適當(dāng)?shù)钠胶赓|(zhì)量，使轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)各偏心質(zhì)量所產(chǎn)生的慣性力和慣性力偶矩同時(shí)得以平衡。這種平衡方法稱為動(dòng)平衡。剛性轉(zhuǎn)子的平衡計(jì)算剛性轉(zhuǎn)子的平衡計(jì)算(3/4) 即根據(jù)其結(jié)構(gòu)計(jì)算確定其上需增加或除去的平衡質(zhì)量，使其在設(shè)計(jì)時(shí)獲得動(dòng)平衡。（3）動(dòng)平衡計(jì)算動(dòng)平衡計(jì)算是針對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)不平衡轉(zhuǎn)子而進(jìn)行平衡的計(jì)算。 剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的條件：各偏心質(zhì)量（包括平衡質(zhì)量）產(chǎn)生的慣性力的矢量和為零，以及這些慣性力所構(gòu)成的力矩矢量和也為零，F(xiàn)0，即M0例1 內(nèi)燃機(jī)曲軸例2 雙凸輪軸例3 某印刷機(jī)的三凸輪軸的平衡計(jì)算剛性

7、轉(zhuǎn)子的平衡計(jì)算剛性轉(zhuǎn)子的平衡計(jì)算(4/4)5-3 轉(zhuǎn)子的平衡實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)子的平衡實(shí)驗(yàn) 對(duì)于經(jīng)平衡計(jì)算在理論上已經(jīng)平衡的轉(zhuǎn)子，由于其制造精度和裝配的不精確、材質(zhì)的不均勻等原因，就會(huì)產(chǎn)生新的不平衡。但這種無(wú)法用計(jì)算來(lái)進(jìn)行平衡，而只能借助于實(shí)驗(yàn)平衡。 平衡實(shí)驗(yàn)是用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)確定出轉(zhuǎn)子的不平衡量的大小和方位，然后利用增加或除去平衡質(zhì)量的方法予以平衡。1靜平衡實(shí)驗(yàn)（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備導(dǎo)軌式靜平衡儀滾輪式靜平衡儀（2）實(shí)驗(yàn)方法 先將轉(zhuǎn)子放在平衡儀上，輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)，直至其質(zhì)心處于最低位置時(shí)才能停止。 此時(shí)在質(zhì)心相反的方向加校正平衡質(zhì)量，再重新轉(zhuǎn)動(dòng)。 反復(fù)增減平衡質(zhì)量，直至呈隨遇平衡狀態(tài)，即轉(zhuǎn)子達(dá)到了靜平衡。（3）實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

8、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。能滿足一定精度要求，但工作效率低。對(duì)于批量轉(zhuǎn)子靜平衡，可采用一種快速測(cè)定平衡的單面平衡機(jī)。2動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)一般需在專(zhuān)用的動(dòng)平衡機(jī)上進(jìn)行。（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備 動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、支承系統(tǒng)、測(cè)量指示系統(tǒng)等部分組成。例 光電式動(dòng)平衡機(jī)剛性轉(zhuǎn)子的平衡實(shí)驗(yàn)剛性轉(zhuǎn)子的平衡實(shí)驗(yàn)(2/3)（2）實(shí)驗(yàn)原理 目前多數(shù)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，最后用儀器顯示出被測(cè)試轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量矢徑積的大小和方位。3現(xiàn)場(chǎng)平衡 對(duì)于一些尺寸非常大或轉(zhuǎn)速很高的轉(zhuǎn)子，一般無(wú)法在專(zhuān)用動(dòng)平衡機(jī)上進(jìn)行平衡。 即使可以平衡，但由

9、于裝運(yùn)、蠕變和工作溫度過(guò)高或電磁場(chǎng)的影響等原因，仍會(huì)發(fā)生微小變形而造成不平衡。在這種情況下，一般可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)平衡。 現(xiàn)場(chǎng)平衡 就是通過(guò)直接測(cè)量機(jī)器中轉(zhuǎn)子支架的振動(dòng)，來(lái)確定其不平衡量的大小及方位，進(jìn)而確定應(yīng)增加或減去的平衡質(zhì)量的大小及方位，使轉(zhuǎn)子得以平衡。例 動(dòng)平衡機(jī)的工作原理剛性轉(zhuǎn)子的平衡實(shí)驗(yàn)剛性轉(zhuǎn)子的平衡實(shí)驗(yàn)(3/3) 轉(zhuǎn)子的質(zhì)心至回轉(zhuǎn)軸線的許用偏心距以e表示，它是與轉(zhuǎn)子質(zhì)量無(wú)關(guān)的絕對(duì)量。常用在衡量轉(zhuǎn)子平衡的優(yōu)劣或衡量平衡的檢測(cè)精度時(shí)，比較方便。 轉(zhuǎn)子的許用不平衡質(zhì)徑積以mr表示，它是與轉(zhuǎn)子質(zhì)量有關(guān)的一個(gè)相對(duì)量。常用于具體給定的轉(zhuǎn)子，它比較直觀又便于平衡操作。5-4 轉(zhuǎn)子的平衡精度轉(zhuǎn)子的平衡精

10、度經(jīng)過(guò)平衡實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)子，不可避免的還會(huì)有一些殘存的不平衡。若要這種殘存的不平衡量愈小，則需平衡實(shí)驗(yàn)裝置愈精密、測(cè)試手段愈先進(jìn)和平衡技術(shù)愈高。 因此，根據(jù)工作要求，對(duì)轉(zhuǎn)子規(guī)定適當(dāng)?shù)脑S用不平衡量是很有必要的。1許用不平衡量表示方法質(zhì)徑積表示法偏心距表示法兩種表示法的關(guān)系：emr /m2轉(zhuǎn)子的平衡精度等級(jí)與許用不平衡量的確定（1）轉(zhuǎn)子的平衡精度A和平衡等級(jí)G，國(guó)際上已標(biāo)準(zhǔn)化(表6-1)。（2）轉(zhuǎn)子許用不平衡量的確定 表6-1中的轉(zhuǎn)子不平衡量以平衡精度A的形式給出，其值可由下式求得：Ae /1000 mm/s式中為轉(zhuǎn)子的角速度（rad/s）。 對(duì)于靜不平衡的轉(zhuǎn)子，許用不平衡量e在選定A值后可由上式求得。

11、 對(duì)于動(dòng)不平衡轉(zhuǎn)子，先由表中定出e，再求得許用不平衡質(zhì)徑積mrme，然后在將其分配到兩個(gè)平衡基面上。轉(zhuǎn)子的許用不平衡量轉(zhuǎn)子的許用不平衡量(2/3)a轉(zhuǎn)子的許用不平衡量轉(zhuǎn)子的許用不平衡量(2/3)Sb如下圖所示，兩平衡基面的許用不平衡質(zhì)徑積可按下式求得mr=mrb/(a+b)mr=mra/(a+b)5-5 機(jī)械的平衡機(jī)械的平衡 機(jī)構(gòu)的平衡，由于機(jī)構(gòu)各構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力可以簡(jiǎn)化為一個(gè)通過(guò)質(zhì)心的總慣性力和總慣性力偶矩，并全部由基座承受。所以，平面機(jī)構(gòu)的平衡就要設(shè)法平衡這個(gè)總慣性力和總慣性力偶矩。 機(jī)構(gòu)平衡的條件 作用于機(jī)構(gòu)質(zhì)心的總慣性力和總慣性力偶矩應(yīng)分別為零。 通常，對(duì)機(jī)構(gòu)只進(jìn)行總慣性力的平衡，所以欲使機(jī)構(gòu)總慣性力為零，應(yīng)使機(jī)構(gòu)的質(zhì)心加速度為零，即應(yīng)使機(jī)構(gòu)的質(zhì)心靜止不動(dòng)。即 F0 ， M0 采用完全平衡法，平衡效果很好。但會(huì)使機(jī)構(gòu)的質(zhì)量或體積大為增加，故一般采用部分平衡法。 完全平衡n個(gè)構(gòu)件的單自由度機(jī)構(gòu)的慣性力，應(yīng)至少加 n/2個(gè)平衡質(zhì)量，這樣就使機(jī)構(gòu)的質(zhì)量大大增加。所以一般不采用這種方法，而多采用部分平衡的方法。（2）利用平衡質(zhì)量平衡研究表明結(jié)論例1 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的完全平衡例2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的完全平衡平面機(jī)構(gòu)的平衡平面機(jī)構(gòu)的平衡(2/3)1完全平衡 機(jī)構(gòu)的完全平衡是指機(jī)構(gòu)的總慣性力恒為零。為了達(dá)到機(jī)構(gòu)的完全平衡的目的，可此采用如下措施：（1）利用