第十五章機械的調(diào)速與平衡

第十五章機械的調(diào)速和平衡

第一節(jié)機械運轉(zhuǎn)速度波動的調(diào)節(jié)

第二節(jié)回轉(zhuǎn)件的平衡第一節(jié)機械運轉(zhuǎn)速度波動的調(diào)節(jié)一、機械運轉(zhuǎn)速度波動調(diào)節(jié)的目的和方法機械在驅(qū)動力(矩)Pd(Wd)和各種阻力(矩)Pr(Wr)作用下運轉(zhuǎn)時，若每一瞬時都保證驅(qū)動力(矩)所做驅(qū)動功Wd與各種阻力(矩)所做的阻抗功Wr相等，機械就能保持勻速運轉(zhuǎn)。多數(shù)機械在工作時，并不能保證任一瞬時驅(qū)動功Wd與阻抗功Wr總是相等。當(dāng)Wd>Wr時，驅(qū)動力(矩)做功有盈余，出現(xiàn)盈功，機械增速運轉(zhuǎn);當(dāng)Wd<Wr時，驅(qū)動力(矩)做功不足，出現(xiàn)虧功，機械減速運轉(zhuǎn)。盈功和虧功統(tǒng)稱盈虧功。盈虧功引起機械運轉(zhuǎn)速度的波動。機械運轉(zhuǎn)速度的波動使運動副中產(chǎn)生附加動壓力，引起振動，產(chǎn)生噪聲，影響零件的強度、壽命，降低機械的效率和可靠性，降低機械工作精度和產(chǎn)品質(zhì)量，所以必須對機械運轉(zhuǎn)速度波動進行調(diào)節(jié)。下一頁返回第一節(jié)機械運轉(zhuǎn)速度波動的調(diào)節(jié)1.周期性速度波動周期性速度波動是由于機械動能增減呈周期性變化，造成主軸角速度。隨之做周期性的波動(如圖15-1)2.非周期性速度波動非周期性速度波動是由于機械驅(qū)動力(矩)或阻力(矩)不規(guī)則的變化而造成隨機的速度波動。下一頁上一頁返回第一節(jié)機械運轉(zhuǎn)速度波動的調(diào)節(jié)二、周期性速度波動的調(diào)節(jié)—飛輪設(shè)計1.機械運轉(zhuǎn)的平均速度和不均勻系數(shù)機械運轉(zhuǎn)發(fā)生周期性速度波動時，由于速度的變化規(guī)律不易獲得，工程上常用角速度的算術(shù)平均值近似代替實際的平均角速度(即機器銘牌上標(biāo)出的名義轉(zhuǎn)速或角速度)。為了正確描述機械運轉(zhuǎn)的不均勻程度，引入機械運轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)δ下一頁上一頁返回第一節(jié)機械運轉(zhuǎn)速度波動的調(diào)節(jié)2.飛輪設(shè)計的近似方法為了使機械運轉(zhuǎn)的不均勻系數(shù)δ≤[δ]，需在機械中安裝一個轉(zhuǎn)動慣量較大的盤狀零件—飛輪，來調(diào)節(jié)周期性速度的波動。故此，飛輪設(shè)計的基本問題是，根據(jù)機械主軸所需的平均角速度wm和所許用不均勻系數(shù)[δ]來確定飛輪的轉(zhuǎn)動慣量jF。一般機械的動能與飛輪的動能相比，可略去不計，因此飛輪的動能就可近似地認(rèn)為是整個機械的動能。當(dāng)飛輪處于wmax時，具有動能的最大值Emax;當(dāng)飛輪處于wmin時，具有動能的最小值Emin上一頁返回第二節(jié)回轉(zhuǎn)件的平衡一、機械平衡的目的和分類機械在運轉(zhuǎn)時，作變速運動的構(gòu)件將產(chǎn)生慣性力，即使是繞固定軸線作等速轉(zhuǎn)動的構(gòu)件，如果結(jié)構(gòu)形狀不對稱、質(zhì)量分布不均勻，使其重心與回轉(zhuǎn)中心不重合，也將產(chǎn)生慣性力。慣性力將使運動副產(chǎn)生附加動壓力，增大運動副的摩擦力，加快磨損，影響構(gòu)件的強度，降低機器效率和使用壽命，并且慣性力隨機械的運動而做周期性的變化，將引起機械的振動和噪聲。當(dāng)振動頻率接近機械系統(tǒng)固有頻率時，還會產(chǎn)生共振，使機械破壞，甚至危及工作人員和廠房安全。合理分配機構(gòu)中各構(gòu)件的質(zhì)量，使慣性力得到平衡，這就是機械的平衡目的。下一頁返回第二節(jié)回轉(zhuǎn)件的平衡機械的平衡可分為兩類:回轉(zhuǎn)件的平衡和機械的平衡。1.回轉(zhuǎn)件的平衡繞固定軸線回轉(zhuǎn)的構(gòu)件稱為回轉(zhuǎn)件(也稱為轉(zhuǎn)子)?；剞D(zhuǎn)件回轉(zhuǎn)時，本身變形很小，可以忽略不計的稱為剛性回轉(zhuǎn)件，本身變形不可忽略的稱為撓性回轉(zhuǎn)件?；剞D(zhuǎn)件的平衡，就是將其質(zhì)量的大小分布，重新調(diào)整，使慣性力形成一平衡力系。2.機械的平衡若機械中包含有作往復(fù)運動或作平面運動構(gòu)件，則此機構(gòu)不能采用各個構(gòu)件分別進行平衡的方法來解決，而必須就整個機構(gòu)來研究，使其在機架上得到平衡，這類平衡稱為機構(gòu)在機架上的平衡。下一頁上一頁返回第二節(jié)回轉(zhuǎn)件的平衡二、剛性回轉(zhuǎn)件的平衡設(shè)計剛性回轉(zhuǎn)件(轉(zhuǎn)子)的平衡，按照回轉(zhuǎn)件質(zhì)量分布的情況不同可分為靜平衡和動平衡兩類。1.靜平衡設(shè)計對于寬徑比l/D≤1/5的回轉(zhuǎn)件，如葉輪、飛輪、砂輪、盤形凸輪等，其質(zhì)量的分布可近似地認(rèn)為在同一回轉(zhuǎn)面內(nèi)。對于這類的回轉(zhuǎn)件，若回轉(zhuǎn)件的質(zhì)心不在回轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)其回轉(zhuǎn)時，其偏心質(zhì)量就會產(chǎn)生離心慣性力，從而在運動副中引起附加動壓力，這種不平衡現(xiàn)象稱為靜不平衡。為了消除慣性力的不利影響，設(shè)計時需要首先根據(jù)回轉(zhuǎn)件結(jié)構(gòu)定出偏心質(zhì)量的大小和方位，然后計算出為平衡偏心質(zhì)量需增、減的平衡質(zhì)量的大小和方位，最后在回轉(zhuǎn)件設(shè)計圖上加上或相反方向減去該平衡質(zhì)量，以便使設(shè)計出來的回轉(zhuǎn)件在理論上達(dá)到靜平衡。這一過程稱為回轉(zhuǎn)件的靜平衡設(shè)計。下一頁上一頁返回第二節(jié)回轉(zhuǎn)件的平衡2.動平衡設(shè)計對于寬徑比l/D>1/5的回轉(zhuǎn)件，如多缸發(fā)動機的曲軸、電動機的轉(zhuǎn)子、汽輪機的轉(zhuǎn)子以及一些機床主軸等，由于其軸向?qū)挾容^大，其質(zhì)量分布在幾個不同的回轉(zhuǎn)平面內(nèi)。這時，即使回轉(zhuǎn)件的質(zhì)心在回轉(zhuǎn)軸上，但由于各偏心質(zhì)量所產(chǎn)生的離心慣性力不在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，所形成的慣性力偶仍使回轉(zhuǎn)件處于不平衡狀態(tài)。由于這種不平衡只有回轉(zhuǎn)件運動的情況下才能顯示出來，故稱為動不平衡。為了消除動不平衡現(xiàn)象，在設(shè)計時需要首先根據(jù)回轉(zhuǎn)件結(jié)構(gòu)確定出各個不同回轉(zhuǎn)平面內(nèi)偏心質(zhì)量的大小和位置，然后計算出為使回轉(zhuǎn)件得到動平衡所需加減的平衡質(zhì)量的數(shù)目、大小和方位，并在回轉(zhuǎn)件設(shè)計圖上加上或相反方向減去這些平衡質(zhì)量，以便使設(shè)計出來的回轉(zhuǎn)件在理論上達(dá)到動平衡，這一過程稱為回轉(zhuǎn)件的動平衡設(shè)計。下一頁上一頁返回第二節(jié)回轉(zhuǎn)件的平衡三、回轉(zhuǎn)件的平衡試驗經(jīng)過上述平衡設(shè)計的剛性回轉(zhuǎn)件在理論上是完全平衡的，但是由于制造和裝配誤差及材質(zhì)不均勻等原因，實際生產(chǎn)出來的回轉(zhuǎn)件在運轉(zhuǎn)時還會出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，由于這種不平衡現(xiàn)象在設(shè)計階段是無法確定和消除的，因此需要用試驗的方法對其做進一步平衡解決。剛性回轉(zhuǎn)件的平衡試驗可分為靜平衡試驗和動平衡試驗。

下一頁上一頁返回第二節(jié)回轉(zhuǎn)件的平衡1.靜平衡試驗對于寬徑比l/D≤1/5的回轉(zhuǎn)件，一般只需進行靜平衡，可不必進行動平衡試驗校正)靜平衡試驗在靜平衡架上進行，圖15-7(a)所示為常用的導(dǎo)軌式靜平衡架，其主要部分為兩根互相平行的鋼制刀口形導(dǎo)軌(也有棱柱形和圓柱形)安裝在同一水平面內(nèi)。試驗時將回轉(zhuǎn)件的軸放置在導(dǎo)軌上，如回轉(zhuǎn)件質(zhì)心S不在通過回轉(zhuǎn)軸線的鉛直面內(nèi)，則由于重力對回轉(zhuǎn)軸線的力矩作用，回轉(zhuǎn)件將在導(dǎo)道上發(fā)生滾動。直到停止運動，質(zhì)心即在最低位置(由于接觸處有滾動摩擦影響，故稍有偏差，可用反向滾動后再確定質(zhì)心位置的方法來校正)，由此便可確定質(zhì)心的偏移方向。然后再用橡皮泥或其他方法在質(zhì)心的相反方向加一適當(dāng)?shù)钠胶赓|(zhì)量，并逐漸調(diào)整其大小或徑向位置。當(dāng)該回轉(zhuǎn)件在任意位置都能保持靜止不動時，所加平衡質(zhì)量與其回轉(zhuǎn)半徑的乘積即為該回轉(zhuǎn)件達(dá)到靜平衡所需加的質(zhì)徑積(它能夠表達(dá)回轉(zhuǎn)件上各質(zhì)量在同一轉(zhuǎn)速下離心力的大小和方向)的大小。根據(jù)情況也可在徑向相反位置按同等大小的質(zhì)徑積去掉質(zhì)量使回轉(zhuǎn)件達(dá)到靜平衡。下一頁上一頁返回第二節(jié)回轉(zhuǎn)件的平衡導(dǎo)軌式靜平衡架簡單可靠，精度也能滿足一般生產(chǎn)需要。其缺點是導(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。2.動平衡試驗對于寬徑比l/D>1/5的回轉(zhuǎn)件，以及有特殊要求的重要回轉(zhuǎn)件必須進行動平衡。進行動平衡試驗需要使用動平衡試驗機。試驗時，讓回轉(zhuǎn)件在動平衡機上運轉(zhuǎn)，并在兩個選定的平面內(nèi)分別找出所需的平衡質(zhì)徑積的大小和方位;然后分別在兩個平面內(nèi)各加上或減去適當(dāng)?shù)钠胶赓|(zhì)量，使回轉(zhuǎn)件達(dá)到動平衡。下一頁上一頁返回第二節(jié)回轉(zhuǎn)件的平衡

圖15一8所示為電測式動平衡機的原理示意圖，它是軟支撐動平衡機，由驅(qū)動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)(擺架)和振動測量系統(tǒng)三部分組成。驅(qū)動系統(tǒng)由電動機經(jīng)帶傳動和萬向節(jié)，帶動轉(zhuǎn)子以選定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子的支撐架由彈簧片懸吊，構(gòu)成一個雙擺架勢彈性振動系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子上的偏心質(zhì)量所產(chǎn)生的離心慣性力，驅(qū)使支撐架沿水平方向振動，再通過傳感器將此振動量變換為電信號。下一頁上一頁返回第二節(jié)回轉(zhuǎn)件的平衡測振系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)傳感器送來的振動信號，測出轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量的大小和方向。傳感器拾得的振動信號首先進入面的分離電路，以消除左、右兩面間的相互影響，然后將信號放大和選頻，使其頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的頻率相