第十五章機(jī)械的調(diào)速與平衡

第十五章機(jī)械的調(diào)速和平衡

第一節(jié)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)

第二節(jié)回轉(zhuǎn)件的平衡第一節(jié)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)一、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動(dòng)調(diào)節(jié)的目的和方法機(jī)械在驅(qū)動(dòng)力(矩)Pd(Wd)和各種阻力(矩)Pr(Wr)作用下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，若每一瞬時(shí)都保證驅(qū)動(dòng)力(矩)所做驅(qū)動(dòng)功Wd與各種阻力(矩)所做的阻抗功Wr相等，機(jī)械就能保持勻速運(yùn)轉(zhuǎn)。多數(shù)機(jī)械在工作時(shí)，并不能保證任一瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)功Wd與阻抗功Wr總是相等。當(dāng)Wd>Wr時(shí)，驅(qū)動(dòng)力(矩)做功有盈余，出現(xiàn)盈功，機(jī)械增速運(yùn)轉(zhuǎn);當(dāng)Wd<Wr時(shí)，驅(qū)動(dòng)力(矩)做功不足，出現(xiàn)虧功，機(jī)械減速運(yùn)轉(zhuǎn)。盈功和虧功統(tǒng)稱(chēng)盈虧功。盈虧功引起機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度的波動(dòng)。機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度的波動(dòng)使運(yùn)動(dòng)副中產(chǎn)生附加動(dòng)壓力，引起振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲，影響零件的強(qiáng)度、壽命，降低機(jī)械的效率和可靠性，降低機(jī)械工作精度和產(chǎn)品質(zhì)量，所以必須對(duì)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。下一頁(yè)返回第一節(jié)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)1.周期性速度波動(dòng)周期性速度波動(dòng)是由于機(jī)械動(dòng)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(dòng)(如圖15-1)2.非周期性速度波動(dòng)非周期性速度波動(dòng)是由于機(jī)械驅(qū)動(dòng)力(矩)或阻力(矩)不規(guī)則的變化而造成隨機(jī)的速度波動(dòng)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第一節(jié)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)二、周期性速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)—飛輪設(shè)計(jì)1.機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的平均速度和不均勻系數(shù)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)生周期性速度波動(dòng)時(shí)，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(shí)際的平均角速度(即機(jī)器銘牌上標(biāo)出的名義轉(zhuǎn)速或角速度)。為了正確描述機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的不均勻程度，引入機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)δ下一頁(yè)上一頁(yè)返回第一節(jié)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)2.飛輪設(shè)計(jì)的近似方法為了使機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的不均勻系數(shù)δ≤[δ]，需在機(jī)械中安裝一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大的盤(pán)狀零件—飛輪，來(lái)調(diào)節(jié)周期性速度的波動(dòng)。故此，飛輪設(shè)計(jì)的基本問(wèn)題是，根據(jù)機(jī)械主軸所需的平均角速度wm和所許用不均勻系數(shù)[δ]來(lái)確定飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量jF。一般機(jī)械的動(dòng)能與飛輪的動(dòng)能相比，可略去不計(jì)，因此飛輪的動(dòng)能就可近似地認(rèn)為是整個(gè)機(jī)械的動(dòng)能。當(dāng)飛輪處于wmax時(shí)，具有動(dòng)能的最大值Emax;當(dāng)飛輪處于wmin時(shí)，具有動(dòng)能的最小值Emin上一頁(yè)返回第二節(jié)回轉(zhuǎn)件的平衡一、機(jī)械平衡的目的和分類(lèi)機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，作變速運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件將產(chǎn)生慣性力，即使是繞固定軸線(xiàn)作等速轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件，如果結(jié)構(gòu)形狀不對(duì)稱(chēng)、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(yùn)動(dòng)副產(chǎn)生附加動(dòng)壓力，增大運(yùn)動(dòng)副的摩擦力，加快磨損，影響構(gòu)件的強(qiáng)度，降低機(jī)器效率和使用壽命，并且慣性力隨機(jī)械的運(yùn)動(dòng)而做周期性的變化，將引起機(jī)械的振動(dòng)和噪聲。當(dāng)振動(dòng)頻率接近機(jī)械系統(tǒng)固有頻率時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生共振，使機(jī)械破壞，甚至危及工作人員和廠(chǎng)房安全。合理分配機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的質(zhì)量，使慣性力得到平衡，這就是機(jī)械的平衡目的。下一頁(yè)返回第二節(jié)回轉(zhuǎn)件的平衡機(jī)械的平衡可分為兩類(lèi):回轉(zhuǎn)件的平衡和機(jī)械的平衡。1.回轉(zhuǎn)件的平衡繞固定軸線(xiàn)回轉(zhuǎn)的構(gòu)件稱(chēng)為回轉(zhuǎn)件(也稱(chēng)為轉(zhuǎn)子)?；剞D(zhuǎn)件回轉(zhuǎn)時(shí)，本身變形很小，可以忽略不計(jì)的稱(chēng)為剛性回轉(zhuǎn)件，本身變形不可忽略的稱(chēng)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(jī)械的平衡若機(jī)械中包含有作往復(fù)運(yùn)動(dòng)或作平面運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，則此機(jī)構(gòu)不能采用各個(gè)構(gòu)件分別進(jìn)行平衡的方法來(lái)解決，而必須就整個(gè)機(jī)構(gòu)來(lái)研究，使其在機(jī)架上得到平衡，這類(lèi)平衡稱(chēng)為機(jī)構(gòu)在機(jī)架上的平衡。下一頁(yè)上一頁(yè)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(jì)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(dòng)平衡兩類(lèi)。1.靜平衡設(shè)計(jì)對(duì)于寬徑比l/D≤1/5的回轉(zhuǎn)件，如葉輪、飛輪、砂輪、盤(pán)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(duì)于這類(lèi)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(shí)，其偏心質(zhì)量就會(huì)產(chǎn)生離心慣性力，從而在運(yùn)動(dòng)副中引起附加動(dòng)壓力，這種不平衡現(xiàn)象稱(chēng)為靜不平衡。為了消除慣性力的不利影響，設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)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(jì)圖上加上或相反方向減去該平衡質(zhì)量，以便使設(shè)計(jì)出來(lái)的回轉(zhuǎn)件在理論上達(dá)到靜平衡。這一過(guò)程稱(chēng)為回轉(zhuǎn)件的靜平衡設(shè)計(jì)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第二節(jié)回轉(zhuǎn)件的平衡2.動(dòng)平衡設(shè)計(jì)對(duì)于寬徑比l/D>1/5的回轉(zhuǎn)件，如多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子以及一些機(jī)床主軸等，由于其軸向?qū)挾容^大，其質(zhì)量分布在幾個(gè)不同的回轉(zhuǎn)平面內(nèi)。這時(shí)，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(yùn)動(dòng)的情況下才能顯示出來(lái)，故稱(chēng)為動(dòng)不平衡。為了消除動(dòng)不平衡現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)時(shí)需要首先根據(jù)回轉(zhuǎn)件結(jié)構(gòu)確定出各個(gè)不同回轉(zhuǎn)平面內(nèi)偏心質(zhì)量的大小和位置，然后計(jì)算出為使回轉(zhuǎn)件得到動(dòng)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(jì)圖上加上或相反方向減去這些平衡質(zhì)量，以便使設(shè)計(jì)出來(lái)的回轉(zhuǎn)件在理論上達(dá)到動(dòng)平衡，這一過(guò)程稱(chēng)為回轉(zhuǎn)件的動(dòng)平衡設(shè)計(jì)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第二節(jié)回轉(zhuǎn)件的平衡三、回轉(zhuǎn)件的平衡試驗(yàn)經(jīng)過(guò)上述平衡設(shè)計(jì)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(shí)際生產(chǎn)出來(lái)的回轉(zhuǎn)件在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)還會(huì)出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，由于這種不平衡現(xiàn)象在設(shè)計(jì)階段是無(wú)法確定和消除的，因此需要用試驗(yàn)的方法對(duì)其做進(jìn)一步平衡解決。剛性回轉(zhuǎn)件的平衡試驗(yàn)可分為靜平衡試驗(yàn)和動(dòng)平衡試驗(yàn)。

下一頁(yè)上一頁(yè)返回第二節(jié)回轉(zhuǎn)件的平衡1.靜平衡試驗(yàn)對(duì)于寬徑比l/D≤1/5的回轉(zhuǎn)件，一般只需進(jìn)行靜平衡，可不必進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)校正)靜平衡試驗(yàn)在靜平衡架上進(jìn)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(yàn)時(shí)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(guò)回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的鉛直面內(nèi)，則由于重力對(duì)回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的力矩作用，回轉(zhuǎn)件將在導(dǎo)道上發(fā)生滾動(dòng)。直到停止運(yùn)動(dòng)，質(zhì)心即在最低位置(由于接觸處有滾動(dòng)摩擦影響，故稍有偏差，可用反向滾動(dòng)后再確定質(zhì)心位置的方法來(lái)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(dòng)時(shí)，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(yè)上一頁(yè)返回第二節(jié)回轉(zhuǎn)件的平衡導(dǎo)軌式靜平衡架簡(jiǎn)單可靠，精度也能滿(mǎn)足一般生產(chǎn)需要。其缺點(diǎn)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(dòng)平衡試驗(yàn)對(duì)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(jìn)行動(dòng)平衡。進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)需要使用動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)時(shí)，讓回轉(zhuǎn)件在動(dòng)平衡機(jī)上運(yùn)轉(zhuǎn)，并在兩個(gè)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(gè)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(dòng)平衡。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第二節(jié)回轉(zhuǎn)件的平衡

圖15一8所示為電測(cè)式動(dòng)平衡機(jī)的原理示意圖，它是軟支撐動(dòng)平衡機(jī)，由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)(擺架)和振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)三部分組成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)經(jīng)帶傳動(dòng)和萬(wàn)向節(jié)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子以選定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子的支撐架由彈簧片懸吊，構(gòu)成一個(gè)雙擺架勢(shì)彈性振動(dòng)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(dòng)，再通過(guò)傳感器將此振動(dòng)量變換為電信號(hào)。下一頁(yè)上一頁(yè)返回第二節(jié)回轉(zhuǎn)件的平衡測(cè)振系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)傳感器送來(lái)的振動(dòng)信號(hào)，測(cè)出轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量的大小和方向。傳感器拾得的振動(dòng)信號(hào)首先進(jìn)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(hào)放大和選頻，使其頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率相