機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 教學(xué)課件 作者 劉賽堂 李永敏 第十五章

1、在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)： :/教材其余課件及動(dòng)畫(huà)素材請(qǐng)查閱在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)QQ:349134187 或者直接輸入下面地址：機(jī)械設(shè)計(jì)根底劉賽堂 李永敏 主編第15章 機(jī)械的平衡與調(diào)速 1.機(jī)械平衡的概念及其重要意義。 2.回轉(zhuǎn)件的靜平衡；回轉(zhuǎn)件的動(dòng)平衡。 3.機(jī)械波動(dòng)原因及調(diào)節(jié)方法。知識(shí)點(diǎn)： 機(jī)械的平衡和調(diào)速是現(xiàn)代機(jī)械工程中十分重要的課題，尤其在高速機(jī)械及精密機(jī)械中更具有特別重要的意義。本章僅討論回轉(zhuǎn)構(gòu)件的平衡、機(jī)器的周期性速度波動(dòng)及其調(diào)節(jié)問(wèn)題。15.1 剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)靜平衡15.1.1 轉(zhuǎn)子平衡的目的 在機(jī)械中大量存在著繞固定軸線回轉(zhuǎn)的構(gòu)件，這類構(gòu)件稱為轉(zhuǎn)子(回轉(zhuǎn)件)。每個(gè)回轉(zhuǎn)件都可看作是由假設(shè)干質(zhì)量組成

2、的。由理論力學(xué)知識(shí)可知，一偏離回轉(zhuǎn)中心距離為r的質(zhì)量為m的轉(zhuǎn)子，當(dāng)以勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的離心力慣性力F為F=mr2 8.1 15.1.2 剛性轉(zhuǎn)子的平衡 轉(zhuǎn)子平衡的原理就是將其質(zhì)量的大小和分布重新調(diào)整，使慣性力形成一平衡力系。 根據(jù)回轉(zhuǎn)件質(zhì)量分布情況的不同，可分為靜平衡與動(dòng)平衡兩類，其平衡原理和方法略有不同。下面對(duì)這兩種情況進(jìn)行分析。15.1 剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)靜平衡1.靜平衡 對(duì)于軸向?qū)挾刃拸奖戎礏/D1/5)的回轉(zhuǎn)件，例如砂輪、飛輪、盤形輪等，其質(zhì)量的分布可近似地認(rèn)為在同一回轉(zhuǎn)面內(nèi)。因此，當(dāng)回轉(zhuǎn)件等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，這些質(zhì)量所產(chǎn)生的離心慣性力構(gòu)成同一平面內(nèi)匯交于回轉(zhuǎn)中心的力系。如圖15.1所示。假設(shè)

3、回轉(zhuǎn)件平衡，那么該力系的合力等于零，總質(zhì)心便與回轉(zhuǎn)軸線重合。如圖15.1(a)所示，此時(shí)回轉(zhuǎn)件質(zhì)心的重力對(duì)于回轉(zhuǎn)軸線的靜力矩等于零，轉(zhuǎn)子可在任何位置上保持靜止，而不會(huì)自行轉(zhuǎn)動(dòng)，這種平衡稱為靜平衡工業(yè)上也稱單面平衡。如果該力系不平衡，那么它們的合力不等于零。由匯交力系的平衡條件可知，如要到達(dá)平衡，應(yīng)在同一回轉(zhuǎn)面內(nèi)增加或減少一個(gè)平衡質(zhì)量，使其產(chǎn)生的離心慣性力與原有質(zhì)量所產(chǎn)生離心慣性力的矢量和等于零，該力系就成為平衡力系，回轉(zhuǎn)件即到達(dá)平衡狀態(tài)，如圖15.1b所示。圖15.1 慣性力的平面匯交力系15.1 剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)靜平衡2.動(dòng)平衡 對(duì)于軸向尺寸較大的寬徑比值B/D1/5)的回轉(zhuǎn)件，如電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子、

4、多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸、汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子以及機(jī)床主軸等，其質(zhì)量的分布不能近似地認(rèn)為是位于同一回轉(zhuǎn)面內(nèi)，而應(yīng)看做分布于沿軸向的多個(gè)互相平行的回轉(zhuǎn)面內(nèi)，因而這類轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的離心慣性力構(gòu)成空間力系，因此單靠在某一個(gè)回轉(zhuǎn)面內(nèi)加減平衡質(zhì)量的靜平衡方法并不能使這其轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 到達(dá)平衡。 如圖15.2所示的轉(zhuǎn)子，設(shè)不平衡質(zhì)量m1、m2分布于相距L的兩個(gè)回轉(zhuǎn)面內(nèi)，且有m1=m2，r1-r2。該回轉(zhuǎn)件的質(zhì)心C雖落在回轉(zhuǎn)軸上，滿足靜平衡條件；但因m1和m2不在同一回轉(zhuǎn)面內(nèi)，當(dāng)回轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在包含m1、m2及回轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)存在一個(gè)由離心力F1和F2組成的力偶，該力偶的方向隨回轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)而周期性變化，故回轉(zhuǎn)件在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)仍處于不

5、平衡狀態(tài)，這種因離心力系的合力偶不等于零引起的不平衡稱為動(dòng)不平衡。圖15.2 靜平衡但動(dòng)平衡不平衡的轉(zhuǎn)子15.1 剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)靜平衡3.回轉(zhuǎn)件的平衡試驗(yàn) 在轉(zhuǎn)動(dòng)速度一定的條件下，離心慣性力與質(zhì)量和其徑向位置有關(guān)，因此求轉(zhuǎn)子靜平衡，就是要確定平衡質(zhì)量大小和其方位質(zhì)徑mr。用理論計(jì)算或圖解的方法只能解決構(gòu)件結(jié)構(gòu)不對(duì)稱引起的不平衡；對(duì)于制造、安裝及轉(zhuǎn)子本身材質(zhì)不均勻等引起的不平衡，必須通過(guò)平衡試驗(yàn)解決。平衡試驗(yàn)分為靜平衡試驗(yàn)和動(dòng)平衡試驗(yàn)。 (1)靜平衡試驗(yàn) 靜不平衡的回轉(zhuǎn)件，由于其質(zhì)心偏離回轉(zhuǎn)軸，會(huì)產(chǎn)生靜力矩。利用靜平衡架，找出不平衡質(zhì)徑的大小和方向，并由此確定平衡質(zhì)量的大小和位置，使質(zhì)心移到回轉(zhuǎn)軸

6、線上以到達(dá)靜平衡。這種方法稱為靜平衡試驗(yàn)法。 圖15.3所示為導(dǎo)軌式靜平衡架。架上兩根互相平行的鋼制刀口形導(dǎo)軌被安裝在同一水平面內(nèi)。試驗(yàn)時(shí)將回轉(zhuǎn)件的軸放在導(dǎo)軌上。假設(shè)回轉(zhuǎn)件偏心，那么由于重力的作用，回轉(zhuǎn)件將在導(dǎo)軌上發(fā)生滾動(dòng)。待到滾動(dòng)停止時(shí)，質(zhì)心C即處于最低位置，由此可確定質(zhì)心的偏移方向。然后再在質(zhì)心的反方向加一適當(dāng)?shù)钠胶赓|(zhì)量，并逐步調(diào)整其大小或徑向位置，直到該回轉(zhuǎn)件在任意位置都能保持靜止。這時(shí)所加的平衡質(zhì)量與其向徑的乘積就是該回轉(zhuǎn)件欲到達(dá)平衡所需加的質(zhì)徑積。根據(jù)情況也可在徑向反位置按同等大小的質(zhì)徑積去掉質(zhì)量使回轉(zhuǎn)件到達(dá)靜平衡。對(duì)于寬徑比B/D1/5的回轉(zhuǎn)件，一般只需進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)，可不必進(jìn)行動(dòng)

7、平衡試驗(yàn)校正。 15.1 剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)靜平衡 導(dǎo)軌式靜平衡架簡(jiǎn)單可靠，其精度也能滿足一般機(jī)械生產(chǎn)的需要。但由于導(dǎo)軌需要互相平行，且在同一水平面內(nèi)，故安裝、調(diào)試要求較高。另外，它不能平衡兩端軸徑不等的回轉(zhuǎn)件。 圖15.4所示為圓盤式靜平衡架，是另一種常用的靜平衡設(shè)備。被平衡回轉(zhuǎn)件的軸放置于分別由兩個(gè)圓盤組成的支架上，圓盤可繞其幾何中心轉(zhuǎn)動(dòng)，因此回轉(zhuǎn)件可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。其試驗(yàn)程序與導(dǎo)軌式靜平衡架同。由于試驗(yàn)架有一端支承的高度可調(diào)，故能進(jìn)行兩端軸徑不等回轉(zhuǎn)件的平衡試驗(yàn)。該設(shè)備的安裝、調(diào)試也較簡(jiǎn)單，但由于其支承面間有較大的摩擦阻力，故平衡精度較低。圖15.3 導(dǎo)軌式靜平衡架圖15.4 圓盤式靜平衡架15.

8、1 剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)靜平衡 (2)動(dòng)平衡試驗(yàn) 對(duì)于寬徑比B/D1/5的回轉(zhuǎn)件以及有特殊要求的重要回轉(zhuǎn)件，必須進(jìn)行動(dòng)平衡。 動(dòng)平衡試驗(yàn)一般需要在專用的動(dòng)平衡機(jī)上進(jìn)行，生產(chǎn)中使用的動(dòng)平衡機(jī)種類很多，雖然其構(gòu)造及工作原理不盡相同，但其作用都是用來(lái)確定需加于兩個(gè)平衡平面中的平衡質(zhì)量的大小及方位。試驗(yàn)時(shí)，讓回轉(zhuǎn)件在動(dòng)平衡機(jī)上運(yùn)轉(zhuǎn)，在兩個(gè)選定平面內(nèi)分別找出所需平衡質(zhì)量的大小及方位，然后分別在這兩個(gè)平面內(nèi)加上適當(dāng)?shù)钠胶饬?，使回轉(zhuǎn)件到達(dá)動(dòng)平衡。動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)主要由機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電氣測(cè)量系統(tǒng)三局部組成。機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的主要功用是支承試件，允許試件在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生有規(guī)律的振動(dòng)；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要功用是驅(qū)動(dòng)試件在額定的轉(zhuǎn)

9、速下旋轉(zhuǎn)；電氣測(cè)量系統(tǒng)的主要功用是處理由傳感器送來(lái)的信號(hào)，顯示出試件上不平衡量的大小和方位，它是動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)中的關(guān)鍵局部，其質(zhì)量直接影動(dòng)平衡機(jī)的性能。 動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)的種類很多，最常用的是電測(cè)式動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)，圖15.5是一種帶微機(jī)系統(tǒng)的硬支承動(dòng)平衡機(jī)的工作原理圖。15.1 剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)靜平衡圖15.5 一種帶微機(jī)系統(tǒng)的硬支承動(dòng)平衡機(jī)的工作原理圖15.2 機(jī)械速度的波動(dòng)及調(diào)節(jié) 在前面的討論中總假設(shè)機(jī)械主軸為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。但實(shí)際上，即使機(jī)械在所謂的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段，由于原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩和執(zhí)行構(gòu)件上的載荷都可能是變化的，且各中間構(gòu)件的變速運(yùn)動(dòng)還會(huì)產(chǎn)生慣力矩，故原動(dòng)件的轉(zhuǎn)速很難維持勻速。在某段時(shí)間間隔內(nèi)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)

10、力所作的功大于阻抗力所作功時(shí)，出現(xiàn)盈功，此時(shí)機(jī)械的動(dòng)能增加，其運(yùn)轉(zhuǎn)的速度升高；當(dāng)驅(qū)動(dòng)力所作的功小于阻抗力所作功時(shí)，出現(xiàn)虧功，此時(shí)機(jī)械的動(dòng)能減少，其運(yùn)轉(zhuǎn)的速度降低。機(jī)械在某一時(shí)間間隔內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)速度忽高忽低的變化稱為機(jī)械速度的波動(dòng)。機(jī)械的這種速度波動(dòng)在運(yùn)動(dòng)副中會(huì)產(chǎn)生附加的動(dòng)壓力增加機(jī)械的磨損，降低機(jī)械的效率和工作可靠性；會(huì)引起機(jī)械的振動(dòng)，降低機(jī)械的工作精度和使用性能。因此，勻速的假設(shè)只適宜于低速、輕載和對(duì)運(yùn)動(dòng)精度要求不高的機(jī)械系統(tǒng)。對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律要求較高或需機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確的受力分析和強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，必須考慮轉(zhuǎn)速的波動(dòng)和由此帶來(lái)的影響，并且對(duì)機(jī)械的速度波動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，將它限制在允許的范圍之內(nèi)，以減少對(duì)機(jī)械的

11、不良影響。 機(jī)械的速度波動(dòng)有周期性速度波動(dòng)和非周期性速度波動(dòng)兩類，所以它的調(diào)節(jié)方法也相應(yīng)地分為兩類，即周期性速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)和非周期性速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)。15.2 機(jī)械速度的波動(dòng)及調(diào)節(jié)15.2.1 周期性速度波動(dòng)的調(diào)節(jié) 有些機(jī)器主軸的角速度呈周期性的變化，如二沖程內(nèi)燃機(jī)，主軸每轉(zhuǎn)動(dòng)2角度其速度波動(dòng)重復(fù)一次。這種周期性出現(xiàn)的速度波動(dòng)稱為周期性速度波動(dòng)。周期性速度波動(dòng)的特點(diǎn)是：一個(gè)波動(dòng)周期內(nèi)的輸入功等于輸出功，但是，在周期中的某段時(shí)間內(nèi)，驅(qū)動(dòng)力所作的功與阻力所作的功是不相等的。周期性速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)方法是在機(jī)械中加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大的輪子飛輪。當(dāng)機(jī)械中出現(xiàn)盈功，動(dòng)能增加時(shí)，飛輪的作用是將多余的動(dòng)能儲(chǔ)存起來(lái)，

12、使機(jī)械的速度不致增加過(guò)大；當(dāng)機(jī)械出現(xiàn)虧功，動(dòng)能減少時(shí)，它將儲(chǔ)存的動(dòng)能釋放出來(lái)，以補(bǔ)充動(dòng)能的缺乏，使機(jī)械的速度不致降低過(guò)大。因此，當(dāng)動(dòng)能增減規(guī)律不變時(shí)，安裝飛輪可以減小機(jī)械速度波動(dòng)的幅度，起到調(diào)節(jié)速度波動(dòng)范圍的作用。 有關(guān)飛輪設(shè)計(jì)的根本原理和方法可參看機(jī)械原理教材或機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)。15.2 機(jī)械速度的波動(dòng)及調(diào)節(jié)15.2.2 非周期性速度波動(dòng)的調(diào)節(jié) 有一些機(jī)器在長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)階段速度波動(dòng)是不規(guī)那么的。如汽輪發(fā)電機(jī)組，其負(fù)荷為用戶的耗電量，用戶用電量的增減是沒(méi)有規(guī)律的，所以，其速度波動(dòng)沒(méi)有一定的周期。這種速度波動(dòng)稱為非周期性速度波動(dòng)。非周期性速度波的危害為：如果輸入功在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)總是大于輸出功，那么機(jī)械

13、轉(zhuǎn)速將不斷增高，甚至超過(guò)機(jī)械強(qiáng)度所允許的極限轉(zhuǎn)速而導(dǎo)致機(jī)器損壞；反之，如果輸入功總是小于輸出功，那么機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度將不斷下降，直至停車。由于一段時(shí)間的速度波動(dòng)沒(méi)有規(guī)律，故不能用安裝飛輪的方法來(lái)調(diào)節(jié)，而需要專用的裝置，使驅(qū)動(dòng)力所作的功與阻力所作的功趨于平衡。這種專用裝置稱為調(diào)速器。 調(diào)速器的種類很多，圖15.6所示為柴油機(jī)離心調(diào)速器的工作原理圖。當(dāng)工作機(jī)1的負(fù)荷突然減小時(shí)，柴油機(jī)2的輸出轉(zhuǎn)速升高，通過(guò)齒輪3、4使調(diào)速器的轉(zhuǎn)速也升高。由于離心運(yùn)動(dòng)，重球G和G將繞軸A和B向外擴(kuò)張，推動(dòng)套筒與壓縮彈簧向左移動(dòng)。通過(guò)套環(huán)6和小連桿等將節(jié)流閥門V關(guān)小，以減少供油量，從而使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下降。假設(shè)轉(zhuǎn)速過(guò)低，重球G

14、和G的離心力減小，彈簧5將推動(dòng)套環(huán)6右移，節(jié)流閥門V開(kāi)大，增加供油量，使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速上升，這樣可將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在某個(gè)數(shù)值附近。 機(jī)械式調(diào)速器靈敏度低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在近代機(jī)械中已逐步被液壓和電子調(diào)速裝置取代。圖15.6 離心調(diào)速器1.工作機(jī)；2.柴油機(jī);3、4.齒輪;5.彈簧;6.套環(huán)15.2 機(jī)械速度的波動(dòng)及調(diào)節(jié) 1由于運(yùn)動(dòng)構(gòu)件上慣性力的變化，將在運(yùn)動(dòng)副中產(chǎn)生動(dòng)壓力，并使機(jī)械構(gòu)件和根底產(chǎn)生振動(dòng)。合理分配機(jī)構(gòu)中構(gòu)件的質(zhì)量，使慣性力得到平衡。這是機(jī)械平衡的問(wèn)題。 2由于機(jī)械動(dòng)能變化引起機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度的波動(dòng)，也將在運(yùn)動(dòng)副中產(chǎn)生動(dòng)壓力，并引起振動(dòng)。對(duì)系統(tǒng)過(guò)大的速度波動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這是機(jī)械的調(diào)速問(wèn)題。 3轉(zhuǎn)子

15、指繞固定軸線回轉(zhuǎn)的構(gòu)件，如其變形可忽略不計(jì)那么稱為剛性轉(zhuǎn)子。 按轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布情況的不同，剛性轉(zhuǎn)子平衡分為動(dòng)平衡和靜平衡兩類。 4靜平衡也稱為單面平衡,適合于B/D1/5的回轉(zhuǎn)件。動(dòng)平衡也稱雙面平衡，適合于B/D1/5的回轉(zhuǎn)件。由于動(dòng)平衡條件中包含靜平衡條件，故經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡的回轉(zhuǎn)件一定是靜平衡的，反之，靜平衡的回轉(zhuǎn)件不一定是動(dòng)平衡。 5機(jī)械平衡的方法有理論計(jì)算法、圖解法和實(shí)驗(yàn)法。對(duì)于制造安裝及材質(zhì)不均勻等引起的不平衡必須通過(guò)平衡試驗(yàn)解決。 6平衡試驗(yàn)分靜平衡試驗(yàn)和動(dòng)平衡試驗(yàn)。靜平衡試驗(yàn)在靜平衡架上進(jìn)行；動(dòng)平衡試驗(yàn)需使用動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)。 7機(jī)械速度波動(dòng)有周期性波動(dòng)和非周期性波動(dòng)兩類。周期性波動(dòng)調(diào)節(jié)方法是在機(jī)械中加飛輪；非周期性波動(dòng)需用專用裝置調(diào)節(jié)。小 結(jié)15.2 機(jī)械速度的波動(dòng)及調(diào)節(jié) 1.為什么要對(duì)回轉(zhuǎn)件進(jìn)行平衡校正