第5章機(jī)械的調(diào)速和平衡

1、 5-1 機(jī)械速度波動(dòng)的調(diào)節(jié) 5-2 機(jī)械的平衡基本要求基本要求: : 了解機(jī)械功、能和原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)速度的特點(diǎn)了解機(jī)械功、能和原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)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(dòng)的基本概念和方法了解非周期性速度波動(dòng)的基本概念和方法 了解機(jī)械平衡的目的及分類(lèi)了解機(jī)械平衡的目的及分類(lèi) 熟練掌握剛性轉(zhuǎn)子靜、動(dòng)平衡的原理和方法熟練掌握剛性轉(zhuǎn)子靜、動(dòng)平衡的原理和方法機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡一、作用在機(jī)械上的力二、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程三、速度波動(dòng)的分類(lèi)四、周期性速度波動(dòng)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)械上的力一、作用

2、在機(jī)械上的力外力：外力：重力、摩擦力、重力、摩擦力、驅(qū)動(dòng)力、工作阻力驅(qū)動(dòng)力、工作阻力v工作阻力：工作阻力：機(jī)械工作時(shí)需克服的生產(chǎn)阻力機(jī)械工作時(shí)需克服的生產(chǎn)阻力v驅(qū)動(dòng)力：驅(qū)動(dòng)力：驅(qū)動(dòng)原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的力驅(qū)動(dòng)原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的力v機(jī)器動(dòng)能方程式：機(jī)器動(dòng)能方程式： W = Wd (Wr+Wf)=Wd-Wc = E2 E1= E 外力功外力功 = 驅(qū)動(dòng)功驅(qū)動(dòng)功 - 阻力功阻力功 = 系統(tǒng)動(dòng)能的增量系統(tǒng)動(dòng)能的增量v盈功：盈功：驅(qū)動(dòng)力作的功驅(qū)動(dòng)力作的功大于大于阻力作的功阻力作的功v虧功：虧功：驅(qū)動(dòng)力作的功驅(qū)動(dòng)力作的功小于小于阻力作的功阻力作的功機(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(guò)程（功、能轉(zhuǎn)換）二、機(jī)械系統(tǒng)

3、運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程（功、能轉(zhuǎn)換）1 起動(dòng)階段起動(dòng)階段(0 m) 特點(diǎn)特點(diǎn)：WdWr = m2 穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段( m) 特點(diǎn)特點(diǎn)：Wd=Wr = mv勻速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)勻速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn): m =Cv變速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)：周期性的速度變速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)：周期性的速度波動(dòng)波動(dòng), m Cv非周期性波動(dòng)非周期性波動(dòng): m C3 停車(chē)階段停車(chē)階段( m 0)特點(diǎn)特點(diǎn)： Wd Mr 時(shí)時(shí)外力對(duì)系統(tǒng)作正功，外力對(duì)系統(tǒng)作正功，(盈功盈功)動(dòng)動(dòng)能能 ，速度，速度 MdG, F 慣性力的方向隨構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)而作周期性變化慣性力的方向隨構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)而作周期性變化eF 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡2 機(jī)械平衡的目的機(jī)械平衡的目的v消除或減少慣性力消

4、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(lèi)機(jī)械平衡的分類(lèi)v剛性轉(zhuǎn)子的靜平衡剛性轉(zhuǎn)子的靜平衡對(duì)長(zhǎng)徑比對(duì)長(zhǎng)徑比1/5的構(gòu)件，作單面平衡的構(gòu)件，作單面平衡v剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡對(duì)長(zhǎng)徑比對(duì)長(zhǎng)徑比1/5的構(gòu)件，作雙面平衡的構(gòu)件，作雙面平衡v撓性轉(zhuǎn)子的平衡撓性轉(zhuǎn)子的平衡剛性轉(zhuǎn)子的平衡：剛性轉(zhuǎn)子的平衡： n(0.60.75)nc、彈、彈性變形不可忽略性變形不可忽略v機(jī)構(gòu)的平衡機(jī)構(gòu)的平衡(機(jī)構(gòu)在機(jī)架上的平衡機(jī)構(gòu)在機(jī)架上的平衡) 往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件和復(fù)雜平面運(yùn)動(dòng)往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件和復(fù)雜平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件的構(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

5、方法機(jī)械平衡的方法(1) (1) 平衡設(shè)計(jì)平衡設(shè)計(jì)v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)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) (2) 平衡試驗(yàn)平衡試驗(yàn)v通過(guò)試驗(yàn)的方法加以平衡通過(guò)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)算二、剛性轉(zhuǎn)子的平衡計(jì)算1 剛性轉(zhuǎn)子的不平衡類(lèi)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(dòng)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(lèi)型剛性轉(zhuǎn)子的不平衡類(lèi)型1 1 靜不平衡靜不平衡 ( (b / /D 1/5) 1/5)v靜平衡靜平衡v平面匯交力系平面匯交力系v單面平衡單面平衡2 2 動(dòng)不平衡動(dòng)不平衡 (b/

6、D1/5)v動(dòng)平衡動(dòng)平衡v空間力系空間力系v雙面平衡雙面平衡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)算剛性轉(zhuǎn)子的靜平衡計(jì)算條件：條件：b / /D 1/5, 1/5, 所有慣性力可認(rèn)所有慣性力可認(rèn)為在同一個(gè)平面上為在同一個(gè)平面上慣性力為平面匯交力系：慣性力為平面匯交力系： m1m2m3m4F2F3F1F4r1r2r3r4mbrbW1W2WbW4W3ab2 iiirmF 其合力其合力 0iFF平衡方法：平衡方法：在合力在合力P的反向加的反向加mb, 使使FFb abrmbb平衡：平衡：去重或配重去重或配重0 biFFF則則Fb機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡質(zhì)徑

7、積表達(dá)方式質(zhì)徑積表達(dá)方式v平衡方程：平衡方程：F2F3F1F4m1r1m2r2m3r3m4r4mbrbFb W1WbW4W3abW204321 bFFFFF質(zhì)徑積矢量方程解法：質(zhì)徑積矢量方程解法：1. 圖解法：圖解法：定比例尺定比例尺 ，作質(zhì)徑積矢量圖，量平，作質(zhì)徑積矢量圖，量平衡質(zhì)徑積的大小衡質(zhì)徑積的大小2. 解析法：解析法：若各不平衡質(zhì)量方向以角度給出若各不平衡質(zhì)量方向以角度給出04321bWWWWW02244233222211bbrmrmrmrmrm044332211bbrmrmrmrmrmv質(zhì)徑積矢量方程：質(zhì)徑積矢量方程：v質(zhì)徑積矢量方程：質(zhì)徑積矢量方程：0bbiirmrmem機(jī)械設(shè)計(jì)

8、基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡靜平衡結(jié)論靜平衡結(jié)論v產(chǎn)生靜不平衡的原因是合慣性力不產(chǎn)生靜不平衡的原因是合慣性力不為零為零v 靜平衡的條件：靜平衡的條件：分布于轉(zhuǎn)子上的各分布于轉(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)徑積的向量和為零零，或質(zhì)徑積的向量和為零v 對(duì)于靜不平衡的剛性轉(zhuǎn)子，無(wú)論它對(duì)于靜不平衡的剛性轉(zhuǎn)子，無(wú)論它有多少個(gè)偏心質(zhì)量，只要適當(dāng)增加有多少個(gè)偏心質(zhì)量，只要適當(dāng)增加（或減小）一個(gè)平衡質(zhì)量，就能使（或減小）一個(gè)平衡質(zhì)量，就能使其獲得平衡。即對(duì)靜不平衡的轉(zhuǎn)子，其獲得平衡。即對(duì)靜不平衡的轉(zhuǎn)子，需加平衡質(zhì)量的最少數(shù)目為需加平衡質(zhì)量的最少數(shù)目為1F2F3F1F4m1

9、r1m2r2m3r3m4r4mbrbFb W1WbW4W3abW2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)量的等效平衡偏心質(zhì)量的等效平衡v力學(xué)基礎(chǔ)：力學(xué)基礎(chǔ)：力的平行分解力的平行分解v即以即以P1、P2等效代替等效代替Pv應(yīng)滿(mǎn)足：應(yīng)滿(mǎn)足：力等效、力矩等效力等效、力矩等效P12l1l221PPP 2121lllPP 2112lllPP 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡偏心質(zhì)量的等效平衡偏心質(zhì)量的等效平衡平衡條件：平衡條件：v對(duì)任意一個(gè)偏心質(zhì)量，可在另外兩個(gè)回轉(zhuǎn)平面內(nèi)分別安對(duì)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。裝平衡質(zhì)量，即可使轉(zhuǎn)子達(dá)到平衡。m, rFmb, r

10、bFb0 bFFF0 bbrmrm將質(zhì)量將質(zhì)量m(向徑向徑r)的偏心質(zhì)量用另外兩個(gè)平面的偏心質(zhì)量用另外兩個(gè)平面的質(zhì)量的質(zhì)量m1(r1),m2(r2)等效代替等效代替m2 , r2m1, r1F2F121FFF 22110lFlF 2211rmrmmr 222111lrmlrm llmrrm211 llmrrm122 mb1, rb1mb2, rb2Fb1Fb2分別在兩個(gè)平面內(nèi)加上平衡質(zhì)量使之靜平衡分別在兩個(gè)平面內(nèi)加上平衡質(zhì)量使之靜平衡011 bFF022 bFF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(dòng)平衡計(jì)算剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡計(jì)算v條件：條件：b / /D 1/5 1/5，不能認(rèn)為質(zhì)量分布在

11、同一平面，不能認(rèn)為質(zhì)量分布在同一平面v實(shí)例：實(shí)例：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子、多缸內(nèi)燃機(jī)曲軸電動(dòng)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)量分布在同一平面不能認(rèn)為質(zhì)量分布在同一平面靜平衡而動(dòng)不平衡靜平衡而動(dòng)不平衡機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡動(dòng)平衡設(shè)計(jì)動(dòng)平衡設(shè)計(jì)v動(dòng)平衡條件動(dòng)平衡條件v將所有質(zhì)量向另外兩個(gè)平面投將所有質(zhì)量向另外兩個(gè)平面投影影(等效替換等效替換), 最后在兩個(gè)平最后在兩個(gè)平面內(nèi)加上平衡質(zhì)量使之靜平衡面內(nèi)加上平衡質(zhì)量使之靜平衡m1m2F1F2 0M 0Fm1, r1F1F1m1, r1m2,r2F2m2, r2F21 111llmm 111 1llmm

12、2 222llmm 222 2llmm 0bbiirmrm平面平面1 0 bbiirmrm平面平面2機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡III231123m2m1m3r2r1r3IIIF2IF3IF2 IIF3 IIF1IF1 IIrImb IPIrIImb IIFIILl1l2l3IIIWIW1IW2IW3IW2IIW3IIW1IIWIImbIrI=WI mbIIrII=WII 平衡平面平衡平面動(dòng)平衡設(shè)計(jì)圖示動(dòng)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(dòng)平衡結(jié)論動(dòng)平衡結(jié)論v產(chǎn)生動(dòng)不平衡的原因是合慣性力、合慣性力偶矩均不為零產(chǎn)生動(dòng)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，合慣性力為零，而

13、合慣性力偶矩不為零）（特殊情況下，合慣性力為零，而合慣性力偶矩不為零）v 動(dòng)平衡的條件：動(dòng)平衡的條件：轉(zhuǎn)子上各個(gè)質(zhì)量所產(chǎn)生的空間慣性力系的轉(zhuǎn)子上各個(gè)質(zhì)量所產(chǎn)生的空間慣性力系的合力及合力偶均為零合力及合力偶均為零v對(duì)于動(dòng)不平衡的剛性轉(zhuǎn)子，只要分別在選定的兩個(gè)平面內(nèi)對(duì)于動(dòng)不平衡的剛性轉(zhuǎn)子，只要分別在選定的兩個(gè)平面內(nèi)各加適當(dāng)?shù)钠胶赓|(zhì)量，就能達(dá)到完全平衡。即要使轉(zhuǎn)子達(dá)各加適當(dāng)?shù)钠胶赓|(zhì)量，就能達(dá)到完全平衡。即要使轉(zhuǎn)子達(dá)到動(dòng)平衡，所需加的平衡質(zhì)量的最少數(shù)量為到動(dòng)平衡，所需加的平衡質(zhì)量的最少數(shù)量為2。故動(dòng)平衡又。故動(dòng)平衡又稱(chēng)雙面平衡稱(chēng)雙面平衡v由于動(dòng)平衡同時(shí)滿(mǎn)足靜平衡的條件，故經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡的轉(zhuǎn)子由于動(dòng)平衡同時(shí)

14、滿(mǎn)足靜平衡的條件，故經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡的轉(zhuǎn)子一定靜平衡；反之，經(jīng)過(guò)靜平衡的轉(zhuǎn)子不一定是動(dòng)平衡的一定靜平衡；反之，經(jīng)過(guò)靜平衡的轉(zhuǎn)子不一定是動(dòng)平衡的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡三、剛性轉(zhuǎn)子的平衡實(shí)驗(yàn)三、剛性轉(zhuǎn)子的平衡實(shí)驗(yàn)一、靜平衡實(shí)驗(yàn) 常用靜平衡架來(lái)平衡回轉(zhuǎn)構(gòu)件常用靜平衡架來(lái)平衡回轉(zhuǎn)構(gòu)件二、動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn) 對(duì)平衡要求較高的高速回轉(zhuǎn)構(gòu)件，需在對(duì)平衡要求較高的高速回轉(zhuǎn)構(gòu)件，需在動(dòng)平衡機(jī)上作動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)動(dòng)平衡機(jī)上作動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡隨遇平衡隨遇平衡1 靜平衡實(shí)驗(yàn)靜平衡實(shí)驗(yàn)v刀刀 口口 式式 靜靜 平平 衡衡 架架v動(dòng)畫(huà)演示動(dòng)畫(huà)演示機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)機(jī)械的調(diào)速和平衡靜平衡實(shí)驗(yàn)（續(xù)）靜平衡實(shí)驗(yàn)（續(xù)）v滾滾 輪輪 式式 靜靜 平平 衡衡