第5章機(jī)械的調(diào)速和平衡

第5章機(jī)械的調(diào)速和平衡5-1

機(jī)械速度波動的調(diào)節(jié)5-2

機(jī)械的平衡基本要求:了解機(jī)械功、能和原動件運(yùn)動速度的特點(diǎn)掌握飛輪調(diào)速原理及飛輪設(shè)計(jì)的基本方法了解非周期性速度波動的基本概念和方法了解機(jī)械平衡的目的及分類熟練掌握剛性轉(zhuǎn)子靜、動平衡的原理和方法機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡5-1

機(jī)械速度波動的調(diào)節(jié)一、作用在機(jī)械上的力二、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程三、速度波動的分類四、周期性速度波動的衡量指標(biāo)五、飛輪的設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡一、作用在機(jī)械上的力外力：重力、摩擦力、驅(qū)動力、工作阻力…工作阻力：機(jī)械工作時(shí)需克服的生產(chǎn)阻力驅(qū)動力：驅(qū)動原動件運(yùn)動的力機(jī)器動能方程式：

W=Wd–(Wr+Wf)=Wd-Wc

=

E2–E1=E

外力功=驅(qū)動功--阻力功=系統(tǒng)動能的增量盈功：驅(qū)動力作的功大于阻力作的功虧功：驅(qū)動力作的功小于阻力作的功機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡二、機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程（功、能轉(zhuǎn)換）1起動階段(0m)

特點(diǎn)：Wd>Wr=m2穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段(m)

特點(diǎn)：Wd=Wr=m勻速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn):m=C變速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)：周期性的速度波動,mC非周期性波動:mC3停車階段(m0)特點(diǎn)：

Wd<Wrm=0機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡總之,只要wdwc

，則E0變化（速度波動）TT起動穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)mt制動停車三、速度波動的分類穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段的速度變化：勻速的、周期性波動、非周期性波動影響：速度波動動壓力振動，噪音,工作質(zhì)量降低分類：1周期性速度波動及其調(diào)節(jié)2非周期性速度波動及其調(diào)節(jié)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡1周期性速度波動及其調(diào)節(jié)特點(diǎn):(1)在一個(gè)周期T內(nèi):Wd-Wc=E=0(2)機(jī)器的位置、速度、加速度和受力等呈周期性的變化機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡調(diào)節(jié)方法：飛輪——轉(zhuǎn)動慣量很大的回轉(zhuǎn)構(gòu)件(能量儲存器)飛輪作用：調(diào)速飛輪調(diào)速原理：Wd＞W(wǎng)r

盈功動能飛輪儲存能量，使；Wd＜Wr

虧功動能飛輪釋放能量，使；J越大，調(diào)速作用越好瞬時(shí)過載時(shí)，利用飛輪釋放的能量克服，減小原動機(jī)功率j(T)j(T)2非周期性速度波動及其調(diào)節(jié)特點(diǎn):工作阻力或驅(qū)動力發(fā)生突變——發(fā)生“停車”或“飛車”Wd＞W(wǎng)r

盈功動能“飛車“Wd＜Wr

虧功動能“悶車“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡調(diào)節(jié)方法：自調(diào)節(jié)——原動機(jī)的驅(qū)動力矩是速度的函數(shù)，且具有下降的趨勢時(shí)調(diào)速器——調(diào)節(jié)驅(qū)動力w調(diào)速器工作原理圖油箱供油發(fā)動機(jī)燃燒室機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡四、周期性速度波動的衡量指標(biāo)1.絕對不均勻度許用不均勻系數(shù)[]見p51表5-1得3.速度不均勻系數(shù)(相對不均勻度）2.平均角速度機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡mj(T)j(T)minmax五、飛輪的設(shè)計(jì)1飛輪設(shè)計(jì)的基本原理2最大盈虧功Amax的確定3飛輪主要尺寸的確定機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡關(guān)鍵：根據(jù)wm、[]確定飛輪的JF.最大盈虧功Amax與動能的增量的關(guān)系：JF[]分析：(1)Amax、ωm=const.→JF-δ成反比

-----不宜選取過小的[δ]-----不能完全消除系統(tǒng)周期性速度波動

(2)JF

、ωm=const.→Amax

-δ成正比

-----Amax

愈大機(jī)器速度波動愈嚴(yán)重

(3)Amax

、δ=const.→JF-ω2m成反比

-----為減少JF,飛輪宜安裝在轉(zhuǎn)速較高的軸上機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡1飛輪設(shè)計(jì)的基本原理d設(shè)在T內(nèi)，Md與Mr變化規(guī)律如圖示，Je為常數(shù)當(dāng)Md>Mr

時(shí)外力對系統(tǒng)作正功，(盈功)動能，速度

Md<Mr

時(shí)外力對系統(tǒng)作負(fù)功，(虧功)動能，速度

Md=Mr時(shí)=0，出現(xiàn)min

和max(如圖示)minmin(b)maxmax(e)

在b到e區(qū)間外力對系統(tǒng)作的功稱為最大盈虧功AmaxminmaxMdMr+–––+MabcdeaT能量指示圖abcea機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡2最大盈虧功Amax的確定minmaxMvdMvr+–––+MabcdeaTW1W2W3W4W5假設(shè)：W1=-100，W2=350，W3=-80，

W4=330，W5=-500或機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡例題：1700-10025050003飛輪主要尺寸的確定根據(jù)飛輪的轉(zhuǎn)動慣量確定飛輪的具體結(jié)構(gòu)尺寸機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡5-2機(jī)械的平衡機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡1慣性力及其影響運(yùn)動的構(gòu)件按運(yùn)動形態(tài)可分為三類：定軸轉(zhuǎn)動、往復(fù)直線運(yùn)動、復(fù)雜平面運(yùn)動除：1）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舉例說明不平衡后果：電風(fēng)扇、砂輪磨削、軸的塑性變形產(chǎn)生附加動壓力摩擦、磨損、效率、振動噪音...影響機(jī)械的工作精度、可靠性、壽命...造成破壞性事故機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡例：設(shè)偏心質(zhì)量m=10kg，偏心距e=1mm，=314rad/s則：慣性力：F=me2=101x10-33142=986N重量：

G=mg=109.8=98N可見：F>>G,F慣性力的方向隨構(gòu)件的轉(zhuǎn)動而作周期性變化eFw機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡2機(jī)械平衡的目的消除或減少慣性力機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡3機(jī)械平衡的分類剛性轉(zhuǎn)子的靜平衡對長徑比＜1/5的構(gòu)件，作單面平衡剛性轉(zhuǎn)子的動平衡對長徑比＞1/5的構(gòu)件，作雙面平衡撓性轉(zhuǎn)子的平衡剛性轉(zhuǎn)子的平衡：n<(0.6~0.75)nc

例:機(jī)床的主軸、齒輪、飛輪...撓性轉(zhuǎn)子的平衡：n>(0.6~0.75)nc、彈性變形不可忽略機(jī)構(gòu)的平衡(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)動的構(gòu)件m3m1m2FI1FI2FI3mFI機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡4機(jī)械平衡的方法(1)平衡設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)階段從結(jié)構(gòu)上采取措施，進(jìn)行平衡設(shè)計(jì)(2)平衡試驗(yàn)通過試驗(yàn)的方法加以平衡機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡二、剛性轉(zhuǎn)子的平衡計(jì)算1剛性轉(zhuǎn)子的不平衡類型2剛性轉(zhuǎn)子的靜平衡計(jì)算3偏心質(zhì)量的等效平衡4剛性轉(zhuǎn)子的動平衡計(jì)算機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡G1剛性轉(zhuǎn)子的不平衡類型1靜不平衡(b/D1/5)靜平衡平面匯交力系單面平衡2動不平衡(b/D>1/5)動平衡空間力系雙面平衡GF1F2m1m2SF1F2機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡2剛性轉(zhuǎn)子的靜平衡計(jì)算條件：b/D1/5,所有慣性力可認(rèn)為在同一個(gè)平面上慣性力為平面匯交力系：m1m2m3m4F2F3F1FF4r1r2r3r4mbrbW1W2WbW4W3ab其合力平衡方法：在合力P的反向加mb,使平衡：去重或配重則Fb機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡質(zhì)徑積表達(dá)方式平衡方程：F2F3F1FF4m1r1m2r2m3r3m4r4mbrbFbW1WbW4W3abW2質(zhì)徑積矢量方程解法：1.圖解法：定比例尺，作質(zhì)徑積矢量圖，量平衡質(zhì)徑積的大小2.解析法：若各不平衡質(zhì)量方向以角度給出質(zhì)徑積矢量方程：質(zhì)徑積矢量方程：機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡靜平衡結(jié)論產(chǎn)生靜不平衡的原因是合慣性力不為零

靜平衡的條件：分布于轉(zhuǎn)子上的各個(gè)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

對于靜不平衡的剛性轉(zhuǎn)子，無論它有多少個(gè)偏心質(zhì)量，只要適當(dāng)增加（或減?。┮粋€(gè)平衡質(zhì)量，就能使其獲得平衡。即對靜不平衡的轉(zhuǎn)子，需加平衡質(zhì)量的最少數(shù)目為1F2F3F1FF4m1r1m2r2m3r3m4r4mbrbFbW1WbW4W3abW2機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡3偏心質(zhì)量的等效平衡力學(xué)基礎(chǔ)：力的平行分解即以P1、P2等效代替P應(yīng)滿足：力等效、力矩等效ＰP1Ｐ2l1l2機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡偏心質(zhì)量的等效平衡平衡條件：對任意一個(gè)偏心質(zhì)量，可在另外兩個(gè)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。m,rFmb,

rbFb將質(zhì)量m(向徑r)的偏心質(zhì)量用另外兩個(gè)平面的質(zhì)量m1(r1),m2(r2)等效代替m2,r2m1,r1F2F1mb1,rb1mb2,rb2Fb1Fb2分別在兩個(gè)平面內(nèi)加上平衡質(zhì)量使之靜平衡機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡4剛性轉(zhuǎn)子的動平衡計(jì)算條件：b/D>1/5，不能認(rèn)為質(zhì)量分布在同一平面實(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…m3m1m2FFcm

m不能認(rèn)為質(zhì)量分布在同一平面靜平衡而動不平衡機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡動平衡設(shè)計(jì)動平衡條件將所有質(zhì)量向另外兩個(gè)平面投影(等效替換),最后在兩個(gè)平面內(nèi)加上平衡質(zhì)量使之靜平衡m1m2F1F2m1’,r1’F1’F1’’m1’’,r1’’m2’,r2’F2’m2’’,r2’’F2’’平面1平面2機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡F2F3F1123m2m1m3r2r1r3IIIF2IF3IF2IIF3IIF1IF1IIrImb

IPIrIImb

IIFIILl1l2l3WIW1IW2IW3IW2IIW3IIW1IIWIImbIrI=WImbIIrII=WII平衡平面動平衡設(shè)計(jì)圖示機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——機(jī)械的調(diào)速和平衡動平衡結(jié)論產(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