機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡

1、機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡一、機(jī)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(shí)驗(yàn)一、機(jī)械平衡的目的及內(nèi)容一、機(jī)械平衡的目的及內(nèi)容1 慣性力及其影響2 機(jī)械平衡的目的3 機(jī)械平衡的分類4 機(jī)械平衡的方法機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡1 慣性力及其影響慣性力及其影響v運(yùn)動的構(gòu)件按運(yùn)動形態(tài)可分為三類：運(yùn)動的構(gòu)件按運(yùn)動形態(tài)可分為三類：定軸轉(zhuǎn)動、定軸轉(zhuǎn)動、往復(fù)直線運(yùn)動、往復(fù)直線運(yùn)動、復(fù)雜平面運(yùn)動復(fù)雜平面運(yùn)動除：除：1）等速直線運(yùn)動的構(gòu)件）等速直線運(yùn)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）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(yùn)動過程中都將產(chǎn)生慣性力或慣性力偶

2、矩其它構(gòu)件在運(yùn)動過程中都將產(chǎn)生慣性力或慣性力偶矩v舉例說明舉例說明v不平衡后果：不平衡后果：電風(fēng)扇電風(fēng)扇、砂輪磨削砂輪磨削、軸的塑性變形軸的塑性變形產(chǎn)生附加動壓力產(chǎn)生附加動壓力 摩擦摩擦 、磨損、磨損 、效率、效率 、振動噪音、振動噪音 . .影響機(jī)械的工作精度、可靠性、壽命影響機(jī)械的工作精度、可靠性、壽命. .造成破壞性事故造成破壞性事故機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡例：例：設(shè)偏心質(zhì)量設(shè)偏心質(zhì)量m=10kg，偏心距，偏心距e =1mm， =314 rad/s則：則：慣性力：慣性力：F = me 2=10 1x10-3 3142=986 N重量：重量： G = mg=10 9.8=98 N可見可

3、見 ：FG, F 慣性力的方向隨構(gòu)件的轉(zhuǎn)動而作周期性變化慣性力的方向隨構(gòu)件的轉(zhuǎn)動而作周期性變化eF 機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡2 機(jī)械平衡的目的機(jī)械平衡的目的v消除或減少慣性力消除或減少慣性力機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡3 機(jī)械平衡的分類機(jī)械平衡的分類v剛性轉(zhuǎn)子的靜平衡剛性轉(zhuǎn)子的靜平衡對長徑比對長徑比1/5的構(gòu)件，作單面平衡的構(gòu)件，作單面平衡v剛性轉(zhuǎn)子的動平衡剛性轉(zhuǎn)子的動平衡對長徑比對長徑比1/5的構(gòu)件，作雙面平衡的構(gòu)件，作雙面平衡v撓性轉(zhuǎn)子的平衡撓性轉(zhuǎn)子的平衡剛性轉(zhuǎn)子的平衡：剛性轉(zhuǎn)子的平衡： n(0.60.75)nc、彈、彈性變形不可忽略性變形不可忽略v機(jī)構(gòu)的平衡機(jī)構(gòu)的平衡(機(jī)構(gòu)在機(jī)架上的

4、平衡機(jī)構(gòu)在機(jī)架上的平衡) 往復(fù)直線運(yùn)動的構(gòu)件和復(fù)雜平面運(yùn)動往復(fù)直線運(yùn)動的構(gòu)件和復(fù)雜平面運(yùn)動的構(gòu)件的構(gòu)件m3m1m2FI1FI2FI3mFI機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡4 機(jī)械平衡的方法機(jī)械平衡的方法(1) (1) 平衡設(shè)計平衡設(shè)計v設(shè)計階段從結(jié)構(gòu)上采取措施，進(jìn)行平衡設(shè)計設(shè)計階段從結(jié)構(gòu)上采取措施，進(jìn)行平衡設(shè)計(2) (2) 平衡試驗(yàn)平衡試驗(yàn)v通過試驗(yàn)的方法加以平衡通過試驗(yàn)的方法加以平衡機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡二、二、剛性轉(zhuǎn)子的平衡計算剛性轉(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(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡G1 剛性轉(zhuǎn)子的不平

5、衡類型剛性轉(zhuǎn)子的不平衡類型1 1 靜不平衡靜不平衡 ( (b / /D 1/5) 1/5)v靜平衡靜平衡v平面匯交力系平面匯交力系v單面平衡單面平衡2 2 動不平衡動不平衡 (b/D1/5)v動平衡動平衡v空間力系空間力系v雙面平衡雙面平衡GF1F2m1m2SF1F2機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡2 剛性轉(zhuǎn)子的靜平衡計算剛性轉(zhuǎn)子的靜平衡計算條件：條件：b / /D 1/5, 1/5, 所有慣性力可認(rèn)所有慣性力可認(rèn)為在同一個平面上為在同一個平面上慣性力為平面匯交力系：慣性力為平面匯交力系： m1m2m3m4F2F3F1F4r1r2r3r4mbrbW1W2WbW4W3ab2 iiirmF 其合力其合

6、力 0iFF平衡方法：平衡方法：在合力在合力P的反向加的反向加mb, 使使FFb abrmbb平衡：平衡：去重或配重去重或配重0 biFFF則則Fb機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡質(zhì)徑積表達(dá)方式質(zhì)徑積表達(dá)方式v平衡方程：平衡方程：F2F3F1F4m1r1m2r2m3r3m4r4mbrbFb W1WbW4W3abW204321 bFFFFF質(zhì)徑積矢量方程解法：質(zhì)徑積矢量方程解法：1. 圖解法：圖解法：定比例尺定比例尺 ，作質(zhì)徑積矢量圖，量平，作質(zhì)徑積矢量圖，量平衡質(zhì)徑積的大小衡質(zhì)徑積的大小2. 解析法：解析法：若各不平衡質(zhì)量方向以角度給出若各不平衡質(zhì)量方向以角度給出04321bWWWWW022442

7、33222211bbrmrmrmrmrm044332211bbrmrmrmrmrmv質(zhì)徑積矢量方程：質(zhì)徑積矢量方程：v質(zhì)徑積矢量方程：質(zhì)徑積矢量方程：0bbiirmrmem機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡靜平衡結(jié)論靜平衡結(jié)論v產(chǎn)生靜不平衡的原因是合慣性力不產(chǎn)生靜不平衡的原因是合慣性力不為零為零v 靜平衡的條件：靜平衡的條件：分布于轉(zhuǎn)子上的各分布于轉(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)徑積的向量和為零零，或質(zhì)徑積的向量和為零v 對于靜不平衡的剛性轉(zhuǎn)子，無論它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(dāng)增加有多少個偏心質(zhì)量，只要適當(dāng)增加（或減?。┮粋€

8、平衡質(zhì)量，就能使（或減?。┮粋€平衡質(zhì)量，就能使其獲得平衡。即對靜不平衡的轉(zhuǎn)子，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)目為需加平衡質(zhì)量的最少數(shù)目為1F2F3F1F4m1r1m2r2m3r3m4r4mbrbFb W1WbW4W3abW2機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡3 偏心質(zhì)量的等效平衡偏心質(zhì)量的等效平衡v力學(xué)基礎(chǔ)：力學(xué)基礎(chǔ)：力的平行分解力的平行分解v即以即以P1、P2等效代替等效代替Pv應(yīng)滿足：應(yīng)滿足：力等效、力矩等效力等效、力矩等效P12l1l221PPP 2121lllPP 2112lllPP 機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡偏心質(zhì)量的等效平衡偏心質(zhì)量的等效平衡平衡條件：平衡條件：v

9、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(dá)到平衡。裝平衡質(zhì)量，即可使轉(zhuǎn)子達(dá)到平衡。m, rFmb, rbFb0 bFFF0 bbrmrm將質(zhì)量將質(zhì)量m(向徑向徑r)的偏心質(zhì)量用另外兩個平面的偏心質(zhì)量用另外兩個平面的質(zhì)量的質(zhì)量m1(r1),m2(r2)等效代替等效代替m2 , r2m1, r1F2F121FFF 22110lFlF 2211rmrmmr 222111lrmlrm llmrrm211 llmrrm122 mb1, rb1mb2, rb2Fb1Fb2分別在兩個平面內(nèi)加上平衡質(zhì)量使之靜平衡分別在兩個平面內(nèi)加上

10、平衡質(zhì)量使之靜平衡011 bFF022 bFF機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡4 剛性轉(zhuǎn)子的動平衡計算剛性轉(zhuǎn)子的動平衡計算v條件：條件：b / /D 1/5 1/5，不能認(rèn)為質(zhì)量分布在同一平面，不能認(rèn)為質(zhì)量分布在同一平面v實(shí)例：實(shí)例：電動機(jī)的轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子、多缸內(nèi)燃機(jī)曲軸電動機(jī)的轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子、多缸內(nèi)燃機(jī)曲軸m3m1m2FFcm m不能認(rèn)為質(zhì)量分布在同一平面不能認(rèn)為質(zhì)量分布在同一平面靜平衡而動不平衡靜平衡而動不平衡機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡動平衡設(shè)計動平衡設(shè)計v動平衡條件動平衡條件v將所有質(zhì)量向另外兩個平面投將所有質(zhì)量向另外兩個平面投影影(等效替換等效替換), 最后在兩個平最后在兩個平面

11、內(nèi)加上平衡質(zhì)量使之靜平衡面內(nèi)加上平衡質(zhì)量使之靜平衡m1m2F1F2 0M 0Fm1, r1F1F1m1, r1m2,r2F2m2, r2F21 111llmm 111 1llmm 2 222llmm 222 2llmm 0bbiirmrm平面平面1 0 bbiirmrm平面平面2機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡III231123m2m1m3r2r1r3IIIF2IF3IF2 IIF3 IIF1IF1 IIrImb IPIrIImb IIFIILl1l2l3IIIWIW1IW2IW3IW2IIW3IIW1IIWIImbIrI=WI mbIIrII=WII 平衡平面平衡平面動平衡設(shè)計圖示動平衡設(shè)計圖示

12、機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡動平衡結(jié)論動平衡結(jié)論v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，合慣性力為零，而合慣性力偶矩不為零）（特殊情況下，合慣性力為零，而合慣性力偶矩不為零）v 動平衡的條件：動平衡的條件：轉(zhuǎn)子上各個質(zhì)量所產(chǎn)生的空間慣性力系的轉(zhuǎn)子上各個質(zhì)量所產(chǎn)生的空間慣性力系的合力及合力偶均為零合力及合力偶均為零v對于動不平衡的剛性轉(zhuǎn)子，只要分別在選定的兩個平面內(nèi)對于動不平衡的剛性轉(zhuǎn)子，只要分別在選定的兩個平面內(nèi)各加適當(dāng)?shù)钠胶赓|(zhì)量，就能達(dá)到完全平衡。即要使轉(zhuǎn)子達(dá)各加適當(dāng)?shù)钠胶赓|(zhì)量，就能達(dá)到完全平衡。即要使轉(zhuǎn)子達(dá)到動平衡

13、，所需加的平衡質(zhì)量的最少數(shù)量為到動平衡，所需加的平衡質(zhì)量的最少數(shù)量為2。故動平衡又。故動平衡又稱雙面平衡稱雙面平衡v由于動平衡同時滿足靜平衡的條件，故經(jīng)過動平衡的轉(zhuǎn)子由于動平衡同時滿足靜平衡的條件，故經(jīng)過動平衡的轉(zhuǎn)子一定靜平衡；反之，經(jīng)過靜平衡的轉(zhuǎn)子不一定是動平衡的一定靜平衡；反之，經(jīng)過靜平衡的轉(zhuǎn)子不一定是動平衡的機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡三、剛性轉(zhuǎn)子的平衡實(shí)驗(yàn)三、剛性轉(zhuǎn)子的平衡實(shí)驗(yàn)一、靜平衡實(shí)驗(yàn) 常用靜平衡架來平衡回轉(zhuǎn)構(gòu)件常用靜平衡架來平衡回轉(zhuǎn)構(gòu)件二、動平衡實(shí)驗(yàn) 對平衡要求較高的高速回轉(zhuǎn)構(gòu)件，需在對平衡要求較高的高速回轉(zhuǎn)構(gòu)件，需在動平衡機(jī)上作動平衡實(shí)驗(yàn)動平衡機(jī)上作動平衡實(shí)驗(yàn)機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡隨遇平衡隨遇平衡1 靜平衡實(shí)驗(yàn)靜平衡實(shí)驗(yàn)v刀刀 口口 式式 靜靜 平平 衡衡 架架v動畫演示動畫演示機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡靜平衡實(shí)驗(yàn)（續(xù)）靜平衡實(shí)驗(yàn)（續(xù)）v滾滾 輪輪 式式 靜靜 平平 衡衡 架架v動畫演示動畫演