机械原理——机械的平衡.ppt

1,第六章机械的平衡,一、机械平衡的目的及内容,二、刚性转子的平衡计算,三、刚性转子的平衡实验,五、平面机构的平衡,四、转子的许用不平衡量,2,本章重点：刚性转子动平衡的原理与方法；静平衡只能平衡惯性力，动平衡使惯性力和惯性力矩均为零。满足静平衡要求的转子，不一定满足动平衡要求，而满足动平衡要求的转子，一定满足静平衡要求,本章难点：一个转子，不论其形状如何复杂，理论上只需要在任意选定的两个平面内分别增加（或减少）一个平衡质量，就能使该转子完全平衡。,3,这部分有何作用,4,6-1机械平衡(mechanicalbalance)的目的及内容,一、机械平衡的目的,机械在运转时，构件所产生的不平衡惯性力将在运动副中引起附加的动压力。,例磨削工作的砂轮,F在转动副中引起的附加反力是砂轮自重的40倍。,F=me2=5000N,其方向作周期性变化,5,二、机械平衡的内容,1.转子(rotor)的平衡,转子：绕固定轴回转的构件。,转子的不平衡惯性力可通过增加或除去一部分质量的方法加以平衡。,实质-调节转子质心的位置至回转中心。,机械平衡的目的就是消除或减轻轴承所受的附加动压力。,也有机械利用不平衡惯性力工作打夯机、振动台等,6,汽轮机转子,水轮机转子,电机转子,7,（1）刚性转子(rigidrotor)的平衡,刚性转子：工作转速一般低于(0.60.75)倍nc1的转子。nc1为转子的第一阶临界转速转子临界转速:与转子及其支承系统的固有振动频率相对应的转子转速静平衡：只要求其惯性力平衡。动平衡：同时要求其惯性力和惯性力矩的平衡。,挠性转子：工作转速大于(0.60.75)倍nc1的转子。其平衡原理是基于弹性梁的横向振动理论。,（2）挠性转子(flexiblerotor)的平衡,2.机构的平衡,对含作往复运动和作平面复杂运动的构件,无法使其质心加速度为0，只能作整机研究。,8,6-2刚性转子的平衡计算,一、刚性转子的静平衡(staticbalance),相对较薄()，可近似认为质量分布在同一平面内,各质点惯性力共面。,（1）静不平衡转子：,9,平衡后转子的各偏心质量（包括平衡质量）的惯性力的合力为零。,对于静不平衡转子，利用在其上增加或除去一部分质量，使其质心与回转轴心重合，即可使转子的惯性力得以平衡的方法。,（2）静平衡及其条件,（3）静平衡计算,静平衡计算主要是针对由于结构所引起的静不平衡的转子而进行平衡的计算。,根据其结构，计算确定需增加或除去的平衡质量，使其在设计时获得静平衡。,盘形凸轮的静平衡计算,静平衡,静平衡的条件,10,11,解：,例：如图，盘状转子偏心质量m1、m2，回转半径r1、r2，如何实现静平衡？,可用作图法和解析法求解,质径积,12,选定rb,除了增加平衡质量mb之外，也可以从转盘上除去一部分质量，但要满足两个条件。,2,静不平衡转子,无论偏心质量有多少,只需进行单面平衡。,13,二、刚性转子的动平衡(dynamicbalance),-其不平衡在静止时不能完全表现出来。几何特点:,不能认为质量分布在同一平面内，而是分布在不同的回转平面内。,（1）动不平衡转子,即使转子的质心在回转轴线上，但各偏心质量所形成的惯性力偶仍不平衡，而且其作用方位是随转子的回转而变化的。,这种不平衡只有在转子运转时才能显现出来的,分类：1）静平衡而动不平衡；2）静不平衡且动不平衡,14,二、刚性转子的动平衡(dynamicbalance),特点:)总质心在轴线上,惯性力的合力为0-静平衡;)运转时产生P1,P2,形成惯性力偶矩,运动副受到附加动压力-动不平衡.,1）静平衡而动不平衡,特点:)总质心不在轴线上,惯性力的合力不为0-静不平衡;)将惯性力向质心简化,除合力外还有惯性力偶矩-动不平衡.,2）静不平衡且动不平衡,15,2.动平衡及其条件,对于动不平衡转子，通过选定两个回转平面及作为平面基面，再分别在这两个面上增加或除去适当的平衡质量，使转子在运转时各偏心质量所产生的惯性力和惯性力偶矩同时得以平衡。,动平衡,这种平衡方法称为动平衡。,内燃机曲轴,双凸轮轴,16,17,18,3.刚性转子动平衡的条件,使得各偏心质量（包括平衡质量）产生的惯性力的矢量和为零，以及这些惯性力所构成的力矩矢量和也为零,19,20,在平衡基面I和II内各施加一个平衡质量，使两平衡基面内的惯性力之和为零，则该转子可满足动平衡要求。由于涉及到两个平衡基面，故动平衡也称为双面平衡。,*动平衡需要考虑的问题：,1.转子的结构和安装空间2.力矩平衡的效果（适当增加平衡基面之间的距离）3.尽量减小平衡质量（增大rb）,21,可以随便选择平衡平面和的位置吗？,从动平衡计算方法的角度来看，平衡平面和可以任意选定。但在实际计算中，应考虑到实际的回转构件上允许和适合加平衡质量的平面（或允许和适合减去平衡质量，如可钻孔的平面）。,问题讨论,22,理论上的平衡转子，由于制造精度、装配、材质不均匀等原因，会产生新的不平衡。,只能借助于实验平衡。,平衡实验是用实验的方法来确定出转子的不平衡量的大小和方位，利用增加或除去平衡质量的方法予以平衡。,一静平衡实验,6-3刚性转子的平衡试验,1.实验原理,23,3.实验方法,2.实验设备,导轨式静平衡仪,滚轮式静平衡仪,两端轴颈不等的回转件,1）先将转子放在平衡仪上，轻轻转动，直至其质心处于最低位置时才能停止。,2）此时在质心相反的方向加校正平衡质量，再重新转动。3）反复增减平衡质量，直至呈随遇平衡状态，即转子达到了静平衡。,24,4.实验特点,结构简单、操作方便。能满足一定精度要求，但工作效率低。,批量转子静平衡，可采用快速测定平衡的单面平衡机。,二、动平衡实验,转子的动平衡实验一般需在专用的动平衡机上进行。,1.实验原理,通过测量支承的振动参数来反映回转构件不平衡的情况，并将振动转换为电信号。,25,2.实验设备,动平衡实验机主要由驱动系统、支承系统、测量指示系统等部分组成。,26,27,3现场平衡,对于一些尺寸非常大或转速很高的转子，一般无法在专用动平衡机上进行平衡。,即使可以平衡，但由于装运、蠕变和工作温度过高或电磁场的影响等原因，仍会发生微小变形而造成不平衡。,在这种情况下，一般可进行现场平衡。,现场平衡就是通过直接测量机器中转子支架的振动，来确定其不平衡量的大小及方位，进而确定应增加或减去的平衡质量的大小及方位，使转子得以平衡。,28,转子的质心至回转轴线的许用偏心距以e表示，它是与转子质量无关的绝对量。常用在衡量转子平衡的优劣或衡量平衡的检测精度时，比较方便。,转子的许用不平衡质径积以mr表示，它是与转子质量有关的一个相对量。常用于具体给定的转子，它比较直观又便于平衡操作。,6-4转子的许用不平衡量,经过平衡实验的转子，不可避免的还会有一些残存的不平衡。,若要这种残存的不平衡量愈小，则需平衡实验装置愈精密、测试手段愈先进和平衡技术愈高。,因此，根据工作要求，对转子规定适当的许用不平衡量(allowableamountofunbalance)是很有必要的。,1许用不平衡量放表示方法,质径积(mass-radiusproduct)法,偏心距(offsetdistance)法,两种表示方法的关系,emr/m,29,2转子的平衡精度等级与许用不平衡量的确定,（1）转子的平衡精度A和平衡等级G，,国际上已标准化(表6-1)。,（2）转子许用不平衡量的确定,表6-1中的转子不平衡量以平衡精度A的形式给出，起值可由下式求得：,Ae/10000mm/s,式中为转子的角速度（rad/s）。,对于静不平衡的转子，许用不平衡量e在选定A值后可由上式求得。,对于动不平衡转子，先由表中定出e，再求得许用不平衡质径积mrme，然后在将其非配到两个平衡机基面上。,30,31,6-6平面机构的平衡,一.机构平衡的主要问题,需平衡作用在机构质心的总惯性力和总惯性力偶矩。仅讨论前者的平衡。完全平衡和部分平衡,二.简单机构总惯性力完全平衡的方法,欲使机构总惯性力为零，应使机构的质心加速度为零，即应使机构的质心静止不动。,32,采用完全平衡法，平衡效果很好。但会使机构的质量或体积大为增加，故一般采用部分平衡法。,完全平衡n个构件的单自由度机构的惯性力，应至少加n/2个平衡质量，这样就使机构的质量大大增加。所以一般不采用这种方法，而多采用部分平衡的方法。,（1）利用平衡质量平衡,研究表明,结论,例铰链四杆机构的完全平衡,例曲柄滑块机构的完全平衡,机构的完全平衡是指机构的总惯性力恒为零。为了达到机构的完全平衡的目的，可采用如下措施：,（2）利用对称机构平衡,二.简单机构总惯性力完全平衡的方法,33,1.利用配重,2.利用对称机构平衡总惯性力,34,12-1图示为一薄盘转子，重量Q=400N，经静平衡测定其重心S偏距e=1mm，方向垂直向下。由于该回转面不允许安装平衡重量，只能在平面、上校正(a=0.1m,b=0.16m)。求在、平面上应加的平衡重径积的大小与方向。,解:薄盘的不平衡重径积,由平衡条件,解之得:,Theend,35,36,37,38,三.简单机构总惯性力部分平衡的方法,39,三.简单机构总惯性力部分平衡的方法,机构的部分平衡是对机构的总惯性力只需平衡其中的一部分。机构的部分平衡有以下几种方法。,（1）利用平衡机构平衡,采用往复惯性力的部分平衡法，既可减