機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第5版）課件：機(jī)械的調(diào)速與平衡

機(jī)械的調(diào)速和平衡第一節(jié)機(jī)械速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)一、調(diào)節(jié)機(jī)械速度波動(dòng)的目的1．機(jī)械速度波動(dòng)產(chǎn)生的原因

機(jī)械在工作時(shí)同時(shí)受驅(qū)動(dòng)力和工作阻力的聯(lián)合作用，而驅(qū)動(dòng)力所作的功Wq與克服阻力所需的功Wz不總是相等的。

由能量守衡定律知，在任一時(shí)間間隔內(nèi)，驅(qū)動(dòng)力所作的功和克服工作阻力所需的功之差等于該時(shí)間間隔內(nèi)機(jī)械動(dòng)能的變化。Wq-Wz>0—產(chǎn)生盈功Wz-Wq>0—產(chǎn)生虧功Wq-Wz=E2-E1Eω

故機(jī)械動(dòng)能的變化引起其速度的變化，導(dǎo)致機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度的波動(dòng)。2．機(jī)械速度波動(dòng)的危害

機(jī)械速度的波動(dòng)致使運(yùn)動(dòng)副中產(chǎn)生附加動(dòng)壓力，導(dǎo)致機(jī)械振動(dòng)加劇、傳動(dòng)效率降低、壽命縮短、工作質(zhì)量下降。例如，發(fā)電機(jī)速度波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致輸出電壓波動(dòng)；機(jī)床速度波動(dòng)會(huì)降低零件的加工質(zhì)量；電風(fēng)扇速度波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪聲等。為減少上述不良影響，必須設(shè)法調(diào)節(jié)機(jī)械的速度波動(dòng)，將其限制在許用范圍內(nèi)。

機(jī)械的速度波動(dòng)可分為周期性速度波動(dòng)和非周期性速度波動(dòng)兩種。二、機(jī)械速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)方法1．周期性速度波動(dòng)及其調(diào)節(jié)方法

在整個(gè)周期中Wd＝Wc；但是，在周期中的某段時(shí)間間隔內(nèi)，Wd≠Wc，因此，出現(xiàn)速度的波動(dòng)。機(jī)械的這種有規(guī)律的速度波動(dòng)稱為周期性速度波動(dòng)。

調(diào)節(jié)周期性速度波動(dòng)的方法，是在機(jī)械的轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件上加裝一個(gè)大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的回轉(zhuǎn)件（飛輪）。當(dāng)Wd＞

Wc出現(xiàn)盈功時(shí)，飛輪的轉(zhuǎn)速略增，將多余的能量儲(chǔ)存起來；反之，當(dāng)

Wd＜

Wc出現(xiàn)虧功時(shí)，飛輪的轉(zhuǎn)速略降，把儲(chǔ)存的能量釋放出來，補(bǔ)償虧功，以減少機(jī)械的速度波動(dòng)，達(dá)到調(diào)速的目的。2．非周期性速度波動(dòng)及其調(diào)節(jié)方法（1）非周期性速度波動(dòng)

機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，在很長一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)

Wd＞W(wǎng)c，將使機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度不斷升高，直至超過強(qiáng)度所允許的極限轉(zhuǎn)速導(dǎo)致機(jī)械損壞；反之，出現(xiàn)在很長一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)Wd＜Wc，將使機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的速度不斷下降，直至停車。

這種速度波動(dòng)是不規(guī)則的，沒有一定的周期，因此，稱為非周期性速度波動(dòng)。

非周期性速度波動(dòng)的產(chǎn)生原因是Wd一直大于或小于Wc，故這種速度波動(dòng)不能依靠飛輪來進(jìn)行調(diào)節(jié)，而必須采用調(diào)速器使Wd與Wc保持平衡，以達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。（2）調(diào)節(jié)方法機(jī)械式離心調(diào)速器工作原理：原動(dòng)機(jī)工作機(jī)調(diào)速器重球套杯節(jié)流閥

當(dāng)負(fù)載減小時(shí)，調(diào)速器主軸轉(zhuǎn)速升高，離心力使重球上升，通過連桿機(jī)構(gòu)關(guān)小節(jié)流閥，降低機(jī)械轉(zhuǎn)速。

當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，調(diào)速器主軸轉(zhuǎn)速下降，離心力使重球下落，通過連桿機(jī)構(gòu)開打節(jié)流閥，提升機(jī)械轉(zhuǎn)速。

機(jī)械式離心調(diào)速器

機(jī)械式調(diào)速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、靈敏度低，現(xiàn)在很多機(jī)械改用電子器件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。三、飛輪設(shè)計(jì)的基本原理

飛輪是具有較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的回轉(zhuǎn)件，利用飛輪的慣性來儲(chǔ)存和釋放能量。故飛輪設(shè)計(jì)的基本問題是確定飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度不均勻的相對程度控制在許用范圍內(nèi)。1．平均角速度工程上一般都以主軸的最大角速度ωmax和最小角速度ωmin的算術(shù)平均值作為機(jī)械的平均角速度ωm，即

2．速度不均勻系數(shù)機(jī)械的速度波動(dòng)的程度常采用速度不均勻系數(shù)δ來表示，其定義為角速度的最大波動(dòng)幅度(ωmax－ωmin)與平均角速度ωm之比值，即

當(dāng)ωm一定時(shí)，δ越小，則ωmax與ωmin的差異越小，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)越平穩(wěn)。所以，δ反映機(jī)械速度波動(dòng)的相對程度。不均勻系級

的取值范圍機(jī)械類型破碎機(jī)械沖壓機(jī)械壓縮機(jī)和水泵減速機(jī)械發(fā)電機(jī)不均勻系數(shù)δ0.1～0.20.05～0.150.03～0.050.015～0.20.002～0.003各種機(jī)械速度不均勻系數(shù)的許用值[δ]可查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊。3．飛輪設(shè)計(jì)（1）基本問題

飛輪設(shè)計(jì)的基本問題是根據(jù)機(jī)器實(shí)際所需的平均速角度ωm和許用的不均勻系數(shù)δ，確定飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J。（2）飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J的計(jì)算

飛輪是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大的回轉(zhuǎn)體，機(jī)械中其它構(gòu)件的動(dòng)能與飛輪相比甚小。在一般設(shè)計(jì)中，認(rèn)為飛輪的動(dòng)能就是整個(gè)機(jī)械的動(dòng)能。最大盈虧功：飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J：（3）公式分析1）當(dāng)Amax與ωm一定時(shí)：J與δ之間的關(guān)系為等邊雙曲線，當(dāng)δ很小時(shí)，減小δ會(huì)使J大幅度增加。因此，過高要求機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，會(huì)增加飛輪的尺寸、重量和制造成本。J—δ曲線2）當(dāng)J與ωm一定時(shí)：Amax∝δ，即最大盈虧功越大，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)越不均勻。3）當(dāng)Amax與δ一定時(shí)：J與ω2m成反比，為減小飛輪的J，飛輪宜裝在高速軸上。確定J后，對飛輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，計(jì)算幾何尺寸。

第二節(jié)機(jī)械的平衡回轉(zhuǎn)件（轉(zhuǎn)子）：繞固定軸線回轉(zhuǎn)的構(gòu)件。剛性轉(zhuǎn)子：工作轉(zhuǎn)速低于n＜（0.6～0.75）nc1的轉(zhuǎn)子。撓性轉(zhuǎn)子：工作轉(zhuǎn)速n≥（0.6～0.75）nc1的轉(zhuǎn)子彈性變形的撓度較大，不能忽略。2．回轉(zhuǎn)件產(chǎn)生不平衡的原因：

原因：回轉(zhuǎn)件結(jié)構(gòu)不對稱、材質(zhì)的不均勻以及制造和裝配中的偏差，導(dǎo)致其質(zhì)量中心和回轉(zhuǎn)軸線的不重合，使回轉(zhuǎn)件在回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生離心慣性力（F=mω2e）。一、機(jī)械平衡的目的1．回轉(zhuǎn)件

當(dāng)偏心重量Fw=100N，偏心距e=1mm的轉(zhuǎn)子，若其轉(zhuǎn)速n=10000r/min，則其離心慣性力為：

F=mω2e=Fw/g(πn/30)2e=1117830.62N回轉(zhuǎn)件在高速下運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生很大的的離心慣性力，在運(yùn)動(dòng)副中產(chǎn)生附加的動(dòng)壓力，增大運(yùn)動(dòng)副中的摩擦，降低機(jī)械效率及使用壽命，必須將這類離心慣性力平衡，消除或減少其不良后果。二、回轉(zhuǎn)件的靜平衡對于軸向尺寸B與直徑d之比小于0.2的回轉(zhuǎn)件（如齒輪、帶輪、飛輪、盤形凸輪及螺旋槳等），其質(zhì)量可近似地看作分布在與其軸線垂直的同一平面內(nèi)。各個(gè)偏心質(zhì)量所產(chǎn)生的離心慣性力形成一平面匯交力系。故對這類轉(zhuǎn)子只要求平衡其離心慣性力就可以了。這類平衡稱為回轉(zhuǎn)件的靜平衡。Bd1.回轉(zhuǎn)件的靜平衡原理

圖中m1、m2、m3

為分布在同一平面內(nèi)的三個(gè)不平衡質(zhì)量，各自產(chǎn)生的離心慣性力F1、F2、F3組成一不平衡的平面匯交力系。

根據(jù)平面匯交力系的平衡條件，可在該平面內(nèi)添加一個(gè)平衡質(zhì)量mb，使其產(chǎn)生的離心慣性力Fb與其它三個(gè)慣性力平衡。2．回轉(zhuǎn)件的靜平衡條件

構(gòu)成回轉(zhuǎn)件所有質(zhì)量的離心慣性力的向量和等于零。3．回轉(zhuǎn)件的靜平衡實(shí)驗(yàn)（1）刀口式靜平衡架

主要結(jié)構(gòu)為兩條相互平行的刀口形導(dǎo)軌。

試驗(yàn)時(shí)，將回轉(zhuǎn)件的軸頸架在導(dǎo)軌上，如果質(zhì)心不在正下方，回轉(zhuǎn)件在重力矩的作用下沿軌道滾動(dòng)。直到質(zhì)心處在正下方，試件停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

可在質(zhì)心位置的相反方向加一平衡質(zhì)量，逐步調(diào)整其大小或徑向位置，反復(fù)試驗(yàn)，直到試件隨遇靜止為止。

也可在質(zhì)心所在半徑方向采取去除材料的方法，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，達(dá)到平衡。

用刀口式平衡架進(jìn)行靜平衡實(shí)驗(yàn)，設(shè)備簡單，平衡精度高，但要求兩根導(dǎo)軌平行，兩刀口位于同一平面，調(diào)整較困難。（2）圓盤式靜平衡架

平衡方法相同，但圓盤的摩擦阻力較大，平衡精度較低。三、回轉(zhuǎn)件的動(dòng)平衡

回轉(zhuǎn)件質(zhì)量分布在不同回轉(zhuǎn)面上的平衡問題稱為動(dòng)平衡。

對于軸向尺寸較大的回轉(zhuǎn)件,即B＞0.2d，其質(zhì)量分布應(yīng)看成是位于垂直于軸線并沿軸向分布的許多相互平行的平面內(nèi)。其離心慣性力構(gòu)成空間力系，不能再用靜平衡方法解決其平衡問題。1．回轉(zhuǎn)件的動(dòng)平衡條件

不平衡質(zhì)量m1和m2分別位于相距為l的兩平行平面中，離心慣性力F1和F2

大小相等，方向相反，兩者平衡。但F1

和F2形成力矩，使回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)件仍處于不平衡狀態(tài)?；剞D(zhuǎn)件的動(dòng)平衡條件：（1）分布在回轉(zhuǎn)件上的各個(gè)質(zhì)量的離心力的向量和等于零。（2）由離心力引起的離心力矩的向量和等于零。2．回轉(zhuǎn)件的動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)

回轉(zhuǎn)件的動(dòng)平