第4章機械平衡

1、第四章第四章 機械的平衡41 機械平衡的目的及內(nèi)容機械平衡的目的及內(nèi)容42 剛性轉(zhuǎn)子的平衡計算剛性轉(zhuǎn)子的平衡計算 43 剛性轉(zhuǎn)子的平衡實驗剛性轉(zhuǎn)子的平衡實驗44 轉(zhuǎn)子的許用不平衡量轉(zhuǎn)子的許用不平衡量45 平面機構(gòu)的平衡平面機構(gòu)的平衡作者：潘存云教授回轉(zhuǎn)件（或轉(zhuǎn)子）回轉(zhuǎn)件（或轉(zhuǎn)子） - 繞定軸作回轉(zhuǎn)運動的構(gòu)件。繞定軸作回轉(zhuǎn)運動的構(gòu)件。F=mr2當(dāng)質(zhì)心離回轉(zhuǎn)軸的距離為當(dāng)質(zhì)心離回轉(zhuǎn)軸的距離為r 時，離心力為：時，離心力為：F=ma=Ge2/g舉例：舉例：已知圖示轉(zhuǎn)子的重量為已知圖示轉(zhuǎn)子的重量為G=10 N，重心與回轉(zhuǎn)軸線的距離為重心與回轉(zhuǎn)軸線的距離為1 mm，轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為速為n=3000 rpm, 求

2、離心力求離心力F F的大小。的大小。=1010-323000/602/9.8=100 N如果轉(zhuǎn)速增加一倍如果轉(zhuǎn)速增加一倍: n=6000 rpm F=400 N由此可知：不平衡所產(chǎn)生的慣性力對由此可知：不平衡所產(chǎn)生的慣性力對機械運轉(zhuǎn)有很大的影響。機械運轉(zhuǎn)有很大的影響。 大小方向變化N21N21N21GGFFe41 機械平衡的目的及內(nèi)容機械平衡的目的及內(nèi)容一、平衡的目的一、平衡的目的增加運動副的摩擦，降低機械的使用壽命。增加運動副的摩擦，降低機械的使用壽命。產(chǎn)生有害的振動，使機械的工作性能惡化。產(chǎn)生有害的振動，使機械的工作性能惡化。降低機械效率。降低機械效率。平衡的目的：平衡的目的：研究慣性力分

3、布及其變化規(guī)律，并采研究慣性力分布及其變化規(guī)律，并采取相應(yīng)的措施對慣性力進行平衡，從而減小或消除取相應(yīng)的措施對慣性力進行平衡，從而減小或消除所產(chǎn)生的附加動壓力、減輕振動、改善機械的工作所產(chǎn)生的附加動壓力、減輕振動、改善機械的工作性能和提高使用壽命。性能和提高使用壽命。本章重點介紹剛性轉(zhuǎn)子的平衡問題。本章重點介紹剛性轉(zhuǎn)子的平衡問題。附加動壓力會產(chǎn)生一系列不良后果：附加動壓力會產(chǎn)生一系列不良后果：離心力離心力P力的大小方向始終都在變化，將對運動副產(chǎn)力的大小方向始終都在變化，將對運動副產(chǎn)生動壓力。生動壓力。所謂剛性轉(zhuǎn)子的不平衡，是指由于結(jié)構(gòu)不對稱、材料缺陷以及制造誤差等原因而使質(zhì)量分布不均勻，致使中

4、心慣性主軸與回轉(zhuǎn)軸線不重合，而產(chǎn)生離心慣性力系的不平衡。根據(jù)平衡條件的不同，又可分為靜平衡和動平衡兩種情況。作者：潘存云教授作者：潘存云教授二、平衡的內(nèi)容二、平衡的內(nèi)容1.回轉(zhuǎn)件的平衡回轉(zhuǎn)件的平衡a)剛性轉(zhuǎn)子的平衡剛性轉(zhuǎn)子的平衡工作轉(zhuǎn)速工作轉(zhuǎn)速n(0.60.75)ne1轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子一階自振頻率?？珊雎赃\動時一階自振頻率?？珊雎赃\動時的軸線變形。平衡時可采用理的軸線變形。平衡時可采用理論力學(xué)力系平衡的原理。論力學(xué)力系平衡的原理。當(dāng)轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速當(dāng)轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速n(0.60.75)ne1，且重量和跨度較大，運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)且重量和跨度較大，運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生較大的變形，使離心慣性力大生較大的變形，使離心慣性力大大增加

5、。此類問題復(fù)雜，有專門大增加。此類問題復(fù)雜，有專門的學(xué)科論述。的學(xué)科論述。b)撓性轉(zhuǎn)子的平衡撓性轉(zhuǎn)子的平衡根據(jù)構(gòu)件運動特點形式的不同，平衡問題可歸納為如下兩個方面：靜止靜止運動運動2)機構(gòu)的平衡機構(gòu)的平衡 對平面連桿機構(gòu)，由于作往復(fù)運動和平面運動的對平面連桿機構(gòu)，由于作往復(fù)運動和平面運動的構(gòu)件總是存在加速度，就單個構(gòu)件而言，是無法平衡構(gòu)件總是存在加速度，就單個構(gòu)件而言，是無法平衡的。但可以將整個機構(gòu)一并考慮，采取措施對總的慣的。但可以將整個機構(gòu)一并考慮，采取措施對總的慣性力或慣性力矩進行平衡。性力或慣性力矩進行平衡。本章重點介紹本章重點介紹剛性轉(zhuǎn)子的平衡剛性轉(zhuǎn)子的平衡問題。問題。結(jié)構(gòu)不對稱結(jié)構(gòu)

6、不對稱材材 料料 缺缺 陷陷制制 造造 誤誤 差差質(zhì)量分布質(zhì)量分布不均勻不均勻中心慣性主軸與中心慣性主軸與回轉(zhuǎn)軸線不重合回轉(zhuǎn)軸線不重合離心慣性力系的不平衡離心慣性力系的不平衡 靜平衡靜平衡分類分類 動平衡動平衡所謂剛性轉(zhuǎn)子的不平衡，是指由于作者：潘存云教授特點：特點：若重心不在回轉(zhuǎn)軸線若重心不在回轉(zhuǎn)軸線上，則在靜止?fàn)顟B(tài)下，無論上，則在靜止?fàn)顟B(tài)下，無論其重心初始在何位置，最終其重心初始在何位置，最終都會落在軸線的鉛垂線的下都會落在軸線的鉛垂線的下方這種不平衡現(xiàn)象在靜止?fàn)罘竭@種不平衡現(xiàn)象在靜止?fàn)顟B(tài)下就能表現(xiàn)出來，故稱為態(tài)下就能表現(xiàn)出來，故稱為靜平衡。靜平衡。 如自行車輪一、質(zhì)量分布在同一回轉(zhuǎn)面內(nèi)一

7、、質(zhì)量分布在同一回轉(zhuǎn)面內(nèi)( (靜平衡靜平衡) )平衡原理：平衡原理：在重心的另一側(cè)加上一定的質(zhì)量，或在重在重心的另一側(cè)加上一定的質(zhì)量，或在重心同側(cè)去掉一些質(zhì)量，使質(zhì)心位置落在回轉(zhuǎn)軸線上，心同側(cè)去掉一些質(zhì)量，使質(zhì)心位置落在回轉(zhuǎn)軸線上，而使離心慣性力達到平衡。而使離心慣性力達到平衡。適用范圍：適用范圍：軸向尺寸較小的盤形轉(zhuǎn)子軸向尺寸較小的盤形轉(zhuǎn)子（B/D0.2B/D= F Fi i= mi2ri作者：潘存云教授m1m2m3P3P1P2稱稱miri為為質(zhì)徑積質(zhì)徑積平衡配重所產(chǎn)生的離心慣性力為：平衡配重所產(chǎn)生的離心慣性力為： 總離心慣性力的合力為：總離心慣性力的合力為： PbrbFb=mb2rb ？

8、？ 可用圖解法求解此矢量方程可用圖解法求解此矢量方程( (選定比例選定比例w) )。 約掉公因式m3r3mbrbm2r2m1r1F F = Fb + +FFi = 0m2e = mb2rb + m12r1 + m22r2+ m32r3 =0 me = mbrb + m1r1 + m2r2+ m3r3 = 0 r2r1r3作者：潘存云教授me = mbrb + m1r1 + m2r2+ m3r3 = 0 很顯然，回轉(zhuǎn)件平衡后：很顯然，回轉(zhuǎn)件平衡后：e=0回轉(zhuǎn)件質(zhì)量對軸線產(chǎn)生的靜力矩：回轉(zhuǎn)件質(zhì)量對軸線產(chǎn)生的靜力矩：mge = 0靜平衡或單面平衡靜平衡或單面平衡該回轉(zhuǎn)件在任意位置將保持靜止：該回轉(zhuǎn)件

9、在任意位置將保持靜止：從理論上講，對于偏心質(zhì)量分布在多個運動平面內(nèi)的轉(zhuǎn)子，對每一個運動按靜平衡的方法來處理（加減質(zhì)量），也是可以達到平衡的。問題是由于實際結(jié)構(gòu)不允許在偏心質(zhì)量所在平面內(nèi)安裝平衡配重，也不允許去掉不平衡重量(如凸輪軸、曲軸、電機轉(zhuǎn)子等)。解決問題的唯一辦法就是將平衡配重分配到另外兩個平面I、II內(nèi)。 IIIm1m2m 平衡面內(nèi)不允許安裝平衡配平衡面內(nèi)不允許安裝平衡配重時，可分解到任意兩個平衡重時，可分解到任意兩個平衡面內(nèi)進行平衡。面內(nèi)進行平衡。作者：潘存云教授Ll1FbFbIFbIIm1m2m由理論力學(xué)可知：一個力可以分由理論力學(xué)可知：一個力可以分解成兩個與其解成兩個與其平行平行

10、的兩個分力。的兩個分力。兩者等效的條件是：兩者等效的條件是：bbIIFLlLF1bbIFLlF1bbIIbIFFF1lFLFbbI IIImb若取：若?。簉 rbIbI=r=rbIIbII=r=rb b ，則有：則有： bbbIbIrmLlrm1bbbIIbIIrmLlLrm1消去公因子2，得：bbImLlm1bbIImLlLm1r rb br rbIbIr rbIIbII得：得：強調(diào)重要結(jié)論作者：潘存云教授作者：潘存云教授重要結(jié)論：重要結(jié)論： 某一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的不平衡質(zhì)某一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的不平衡質(zhì)量量m m，可以在兩個任選的回轉(zhuǎn)平可以在兩個任選的回轉(zhuǎn)平面內(nèi)進行平衡。面內(nèi)進行平衡。m1m2m二、質(zhì)量

11、分布不在同一回轉(zhuǎn)面內(nèi)（動平衡）二、質(zhì)量分布不在同一回轉(zhuǎn)面內(nèi)（動平衡）mb IIILF1 F2 圖示凸輪軸的偏心質(zhì)量不在圖示凸輪軸的偏心質(zhì)量不在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，但質(zhì)心在回轉(zhuǎn)同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，但質(zhì)心在回轉(zhuǎn)軸上，在任意靜止位置，都處于軸上，在任意靜止位置，都處于平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)。慣性力偶矩：慣性力偶矩： 運動時有：運動時有：F F1 1+F+F2 2 = 0 = 0 M=FM=F1 1L=FL=F2 2L L0 0這種在靜止?fàn)顟B(tài)下處于平衡，而運動狀態(tài)下呈現(xiàn)不平這種在靜止?fàn)顟B(tài)下處于平衡，而運動狀態(tài)下呈現(xiàn)不平衡，稱為動不平衡。對此類轉(zhuǎn)子的平衡，稱為衡，稱為動不平衡。對此類轉(zhuǎn)子的平衡，稱為動平衡。動平衡。

12、適用對象：適用對象：軸向尺寸較大軸向尺寸較大(B/D0.2)(B/D0.2)的轉(zhuǎn)子，如內(nèi)燃的轉(zhuǎn)子，如內(nèi)燃機中的曲軸和凸輪軸、電機轉(zhuǎn)子、機床主軸等都必須機中的曲軸和凸輪軸、電機轉(zhuǎn)子、機床主軸等都必須按動平衡來處理。按動平衡來處理。理由：理由：此類轉(zhuǎn)子由于質(zhì)量分布不在同一個平面內(nèi)，離此類轉(zhuǎn)子由于質(zhì)量分布不在同一個平面內(nèi)，離心慣性力將形成一個心慣性力將形成一個不匯交不匯交空間力系，故不能按靜平空間力系，故不能按靜平衡處理。衡處理。任意空間力系的平衡條件為：任意空間力系的平衡條件為：FFi i = 0, M = 0, Mi i=0=0作者：潘存云教授作者：潘存云教授IIIF2IF1IF3IF2IIF3

13、IIF1IIm2m3m1Lr1F2r2F3r3F1首先在轉(zhuǎn)子上選定兩個回轉(zhuǎn)平面和作為平衡基面，該平面用來加裝或去掉平衡質(zhì)量。將三個不同回轉(zhuǎn)面內(nèi)的離心慣性力往平面和上分解。l1l2動平衡的計算方法：動平衡的計算方法：l3FLlFI1FLlLFII1直接引用前述結(jié)論得：直接引用前述結(jié)論得：FFIFIIr rI I=r=r=r=rIIIILl1作者：潘存云教授111FLlFI111FLlLFII動平衡的計算方法：動平衡的計算方法：IIIm2m3m1Lr1F2IF2IIF2r2F3IF3IIF3r3F1IF1IIF1l1l2l3222FLlFI222FLlLFII333FLlFI333FLlLFII離

14、心慣性力離心慣性力分解結(jié)果：分解結(jié)果：作者：潘存云教授IIILF2F3F1m1Im3Im2Im1IIm3IIm2IIm2m3m1l1l2l3r1r2r3111mLlmI111mLlLmII222mLlmI222mLlLmII333mLlmI333mLlLmII不平衡質(zhì)量不平衡質(zhì)量分解結(jié)果：分解結(jié)果：作者：潘存云教授m3Ir3m1Ir1m2Ir2mbIrbIm3IIr3m1IIr1m2IIr2mbIIrbII mbIrbI + m1Ir1 + m2Ir2+ m3Ir3 = 0 mbIIrbII + m1IIr1 + m2IIr2+ m3IIr3 = 0 FbImbIrbI作圖法求解作圖法求解空間

15、力系的平衡空間力系的平衡兩個平面匯交力系的平衡問題。兩個平面匯交力系的平衡問題。FbIImbIIrbIIIIILF2F3F1F1IF3IF2Im1Im3Im2IF1IIF3IIF2IIm1IIm3IIm2IIm2m3m1l1l2l3r1r2r3結(jié)論：結(jié)論： 對于對于動不平衡動不平衡的轉(zhuǎn)子，無論其具有多少個偏心質(zhì)的轉(zhuǎn)子，無論其具有多少個偏心質(zhì)量以及分布在多少個回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，都只要在兩個選定量以及分布在多少個回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，都只要在兩個選定的平衡基面內(nèi)加上或去掉平衡質(zhì)量，即可獲得完全平的平衡基面內(nèi)加上或去掉平衡質(zhì)量，即可獲得完全平衡。故動平衡又稱為衡。故動平衡又稱為雙面平衡。雙面平衡。經(jīng)過計算，在理論上

16、是平衡的轉(zhuǎn)子，由于制造誤差、材質(zhì)不均勻、安裝誤差等因素，使實際轉(zhuǎn)子存在不平衡量。要徹底消除不平衡，只有通過實驗方法測出其不平衡質(zhì)量的大小和方向。然后通過增加或除去平衡質(zhì)量的方法予以平衡。作者：潘存云教授作者：潘存云教授4 43 剛性轉(zhuǎn)子的平衡實驗剛性轉(zhuǎn)子的平衡實驗一、靜平衡實驗一、靜平衡實驗導(dǎo)軌導(dǎo)軌式平衡架式平衡架導(dǎo)軌式靜平衡導(dǎo)軌式靜平衡架架OOQSQS導(dǎo)軌式靜平衡導(dǎo)軌式靜平衡架架QSOOQS導(dǎo)軌式靜平衡導(dǎo)軌式靜平衡架架QSOOQS導(dǎo)軌式靜平衡導(dǎo)軌式靜平衡架架QSOOQS導(dǎo)軌式靜平衡導(dǎo)軌式靜平衡架架QSOOQS特點：特點：結(jié)構(gòu)簡單、精度高，但兩刀口平行、調(diào)整困結(jié)構(gòu)簡單、精度高，但兩刀口平行、調(diào)

17、整困難，且要求兩軸端直徑相同。一般要經(jīng)過多次實驗難，且要求兩軸端直徑相同。一般要經(jīng)過多次實驗才能找準，工作效率低，不適合批量生產(chǎn)才能找準，工作效率低，不適合批量生產(chǎn)。作者：潘存云教授二、動平衡實驗二、動平衡實驗mmrrTTT”T”1 12 23 34 45 5根據(jù)強迫振動理論有：根據(jù)強迫振動理論有：Z=mr Z=mr 成正比 用標(biāo)準轉(zhuǎn)子測得：用標(biāo)準轉(zhuǎn)子測得：ZZ0 0=m=m0 0rr0 0 = Z= Z0 0/m/m0 0rr0 0 不平衡質(zhì)徑積：不平衡質(zhì)徑積： mr= Z/mr= Z/m”m”r”r”3 34 4TTT”T”m”m”mmrr1 12 25 5r”r”3 34 4TTT”T”

18、m”m”mmrr1 12 25 5r”r”TTT”T”m”m”mmrr1 12 23 34 45 5r”r”ZZ作者：潘存云教授作者：潘存云教授TTT”T”m”m”mmrr1 12 23 34 45 5r”r”確定相位差確定相位差TTOO1 1OO2 2TT1 1OO1 1TT1 1OO2 2TT1 1OO1 1mm 擺架位于最高點時，不平衡質(zhì)量不在正上方，擺架位于最高點時，不平衡質(zhì)量不在正上方，而是處在沿回轉(zhuǎn)方向超前角而是處在沿回轉(zhuǎn)方向超前角的位置。的位置。稱為強迫振動相位差。稱為強迫振動相位差。作者：潘存云教授作者：潘存云教授2 2(b)(b)(a)(a)1 11 12 2H H1 1H

19、H2 2將圖（將圖（b b）轉(zhuǎn)動）轉(zhuǎn)動 2-22-2后與圖（后與圖（a a）疊加，）疊加，1 1(c)(c)H H1 1H H2 22 21 12 2不平衡質(zhì)量位于不平衡質(zhì)量位于H H1 1與與H H2 2連線的中垂線上。連線的中垂線上。筆尖會劃出一小段圓弧,中點取為最高點。 作者：潘存云教授4 44 轉(zhuǎn)子的許用不平衡量轉(zhuǎn)子的許用不平衡量由于實驗設(shè)備本身精度的影響，經(jīng)過實驗平衡的轉(zhuǎn)子，實際上不可避免還存在一些殘余的不平衡量。要想進一步減小其不平衡量，就得使用更精密的平衡裝置和更高的平衡技術(shù)。但這意味著要提高生產(chǎn)成本，從合理降低生產(chǎn)成本而言，在滿足使用要求的前提下，使用的平衡設(shè)備越簡單越好。因此

20、，根據(jù)工作要求，對轉(zhuǎn)子規(guī)定一個適用的許用不平衡量是完全有必要的。許用不平衡量的兩種表示法：許用不平衡量的兩種表示法：使用時參照使用時參照ISO標(biāo)準標(biāo)準P141表表61的推薦值。的推薦值。 1.)偏心距偏心距e;平衡精度：平衡精度：Ae/1000 e1000 A/mrImeb /(a+b)不平衡質(zhì)徑積：不平衡質(zhì)徑積： mrme靜平衡時，可直接采用以上值。而動平衡時，應(yīng)靜平衡時，可直接采用以上值。而動平衡時，應(yīng)將以上值分解到兩個平衡基面上，即：將以上值分解到兩個平衡基面上，即：abIII2.)質(zhì)徑積質(zhì)徑積mr 兩者關(guān)系：兩者關(guān)系： emr/ mmrIImea /(a+b)作者：潘存云教授平衡等級平

21、衡等級G平衡精度平衡精度表表4-1 各種典型轉(zhuǎn)子的平衡等級和許用不平衡量各種典型轉(zhuǎn)子的平衡等級和許用不平衡量典典 型型 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 子子 舉舉 例例eA1000 (mm/s)G4000 4000G1600 1600剛性安裝的具有奇數(shù)汽缸的低速船用柴油機曲軸剛性安裝的具有奇數(shù)汽缸的低速船用柴油機曲軸傳動裝置傳動裝置剛性安裝的大型二沖程發(fā)動機曲軸傳動裝置剛性安裝的大型二沖程發(fā)動機曲軸傳動裝置剛性安裝的高速四沖程發(fā)動機曲軸傳動裝置；彈剛性安裝的高速四沖程發(fā)動機曲軸傳動裝置；彈性安裝船用柴油機曲軸傳動裝置性安裝船用柴油機曲軸傳動裝置G630 630 .G2.5 2.5燃氣輪機和汽輪機、透平壓縮機、機床傳動裝

22、置、燃氣輪機和汽輪機、透平壓縮機、機床傳動裝置、特殊要求的中、大型電機轉(zhuǎn)子、小型電機轉(zhuǎn)子等。特殊要求的中、大型電機轉(zhuǎn)子、小型電機轉(zhuǎn)子等。磁帶錄音機傳動裝置、磨床傳動裝置、特殊要求磁帶錄音機傳動裝置、磨床傳動裝置、特殊要求的小型電機轉(zhuǎn)子。的小型電機轉(zhuǎn)子。精密磨床的主軸、砂輪盤及電機轉(zhuǎn)子陀螺儀。精密磨床的主軸、砂輪盤及電機轉(zhuǎn)子陀螺儀。G1 1G0.4 0.4對于作平面運動或往復(fù)移動的構(gòu)件，不能通過加減質(zhì)量的方法對單個構(gòu)件的慣性力進行平衡，而應(yīng)從整個機構(gòu)來考慮平衡問題。45 平面機構(gòu)的平衡平面機構(gòu)的平衡所謂對機構(gòu)的平衡，就是對所謂對機構(gòu)的平衡，就是對總慣性力和總慣性力偶矩進總慣性力和總慣性力偶矩進行

23、平衡行平衡, 即：即： 設(shè)機構(gòu)的總質(zhì)量為設(shè)機構(gòu)的總質(zhì)量為m，其質(zhì)心的加速度為，其質(zhì)心的加速度為as，機機構(gòu)總慣性力為：構(gòu)總慣性力為：機構(gòu)平衡的原理：機構(gòu)平衡的原理： 通過添加平衡配重使機構(gòu)的質(zhì)心靜止不動。通過添加平衡配重使機構(gòu)的質(zhì)心靜止不動。要使要使P=0，必有，必有: as 0機構(gòu)的質(zhì)心必須始終靜止不動。機構(gòu)的質(zhì)心必須始終靜止不動。當(dāng)機構(gòu)運動時，各構(gòu)件所產(chǎn)生的慣性力可以合成為一個通過質(zhì)心的總慣性力和一個總慣性力偶矩，它們都全部由機座來承受。P =0 M=0有完全平衡和部分兩種處理方法Pm as作者：潘存云教授作者：潘存云教授作者：潘存云教授AD123BC1. 完全平衡完全平衡1)利用對稱機構(gòu)平衡利用