河南理工大学机械设计基础第16章 机械的平衡与调速

1、电子工业出版社电子工业出版社普通高等教育普通高等教育“十二五十二五”机电类规划教材机电类规划教材第第1616章章 机械的平衡与调速机械的平衡与调速机械设计基础（第机械设计基础（第2 2版）版）薛铜龙薛铜龙 主编主编河南理工大学河南理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院2014 年年 6 月月2 2 第1节 机械平衡的目的、分类及方法 第2节 刚性回转体的平衡计算 第3节 刚性回转体的平衡试验 第4节 机械速度波动产生的原因及调节方法 第5节 飞轮的设计原理第第1616章章 机械的平衡与调速机械的平衡与调速3 3重点学习内容重点学习内容掌握机械产生周期性速度波动的原因及调节；理解飞轮调速的

2、基本原理；掌握回转构件的动平衡和静平衡原理。第第1616章章 机械的平衡与调速机械的平衡与调速4 4第第1 1节节 机械平衡的目的、分类及方法机械平衡的目的、分类及方法 机械平衡的目的就是为了完全或部分消除惯性力给机械带来的不良影响，以改善机械工作性能和延长其使用寿命。 研究机械中惯性力的分布及其变化规律，以消除或减少惯性力和惯性力矩的问题，即为机械平衡问题。1 1 机械平衡的分类机械平衡的分类机械的平衡可分为回转件回转件平衡和机构机构平衡两大类。 1) 1) 回转件的平衡回转件的平衡 回转件是指绕固定轴线转动的构件，其惯性力和惯性力矩的平衡问题称为回转件的平衡。根据回转件的工作转速的不同，回

3、转件的平衡又分为以下两类。 5 51) 1) 回转件的平衡回转件的平衡 a 刚性回转件的平衡工作转速低于一阶临界转速低于一阶临界转速、其旋转轴线挠曲变形可以忽略不计的回转件称为刚性回转件的平衡。 b 挠性回转件的平衡工作转速高于一阶临界转速高于一阶临界转速、其旋转轴线挠曲变形不可忽略的回转件称为挠性回转件的平衡。 2) 2) 机构的平衡机构的平衡 对于存在有往复运动或平面复合运动构件往复运动或平面复合运动构件的机构，其惯性力和惯性力矩不可能在构件内部消除，但所有构件上的惯性力和惯性力矩可合成为一个通过机构质心并作用于机架上的总惯性力和惯性力矩。 这类平衡问题必须就整个机构加以研究，应设法使其总

4、惯性力和总惯性力矩在机架上得到完全或部分平衡，所以这类平衡又称为机构在机架上的平衡。 第第1 1节节 机械平衡的目的、分类及方法机械平衡的目的、分类及方法6 62 2 机械平衡的方法机械平衡的方法1)1)平衡设计平衡设计 在机械的设计阶段，除了要保证其满足工作要求及制造工艺要求外，还要在结构上采取措施消除或减少产生有害振动的不平衡惯性力，即进行平衡设计。2)2)平衡试验平衡试验 经过平衡设计的机械，虽然从理论上已经达到平衡，但由于制造不精确、材料不均匀及安装不准确等非设计方面的原因，还会有不平衡现象。这种不平衡在设计阶段是无法确定和消除的，需要通过试验的方法加以平衡。 第第1 1节节 机械平衡

5、的目的、分类及方法机械平衡的目的、分类及方法7 7第第2 2节节 刚性回转体的平衡计算刚性回转体的平衡计算 1 1 刚性回转体惯性力系的刚性回转体惯性力系的平衡条件平衡条件惯性力系的主矢和主矩均等于零: FI = 0 , MI = 0 1) 1) 静平衡静平衡 不平衡状态可以通过静态试验静态试验显示出来，所以称为静不平衡。 2) 2) 动平衡动平衡 将通过质心的中心惯性主轴作为回转轴。 这种不平衡只有在回转体转动起来时才能显示出来，因而称为动不平衡。 8 82 2 静平衡计算静平衡计算 C C0i immm err质量分布在同一回转平面内的刚性回转体的平衡条件是：回转体中各质量的质径积的质径积

6、的矢量和等于零矢量和等于零。这类转子的平衡称为静平衡静平衡。质径积质径积 b/d0.2 矢量图解法矢量图解法第第2 2节节 刚性回转体的平衡计算刚性回转体的平衡计算 9 9B/D 0.2BDm3m1m2m3m1m2 近似认为各偏心质量均位于同一回转平面内。第第2 2节节 刚性回转体的平衡计算刚性回转体的平衡计算 1010静平衡静平衡第第2 2节节 刚性回转体的平衡计算刚性回转体的平衡计算 1111F F F F F F 需在两个需在两个平衡基平衡基面面上施加上施加( (或减去或减去) )。a a、几何条件、几何条件 B/D 0.2 即不能忽略力矩的影响。即不能忽略力矩的影响。b b、力平衡条件

7、、力平衡条件 Fi = 0 Mi = 0c c、特点、特点 平衡基面：施加平衡基面：施加( (或减去或减去) )平衡质平衡质量点所在的回转面。量点所在的回转面。3 3 动平衡计算动平衡计算 其质量不是分布于其质量不是分布于同一回转平面内同一回转平面内 第第2 2节节 刚性回转体的平衡计算刚性回转体的平衡计算 12123 3 动平衡计算动平衡计算 一般应在回转件上适当位置加入若干平衡质量，以使整个回转件的离心惯性力系的主主矢和主矩矢和主矩均等于零， 第第2 2节节 刚性回转体的平衡计算刚性回转体的平衡计算 13133 3 动平衡计算动平衡计算 如果回转件上的离心惯性力F1可以由分别作用在平面I和

8、内的两个平行分力F1和F1来代替。F1和F1的大小根据静力学平衡方程式为 111111FFFFLLLL 1111111111rrrrmLLmmLLm 111111mLLmmLLmr1= r1= r1 平面平面I I内的平衡质径积内的平衡质径积 0CC332211rrrrmmmm 平面平面内的平衡质径积内的平衡质径积可由下式 0CC332211 rrrrmmmm第第2 2节节 刚性回转体的平衡计算刚性回转体的平衡计算 1414步骤：步骤：(1) 分别将各回转平面上集中质量点mi所产生的惯性力Fi (或质径积、重径积)向两个平衡基面上分解，得到Fi和Fi 。(2) 分别在两个平衡基面上用静平衡的方

9、法求解平衡质量点的质径积mi ri(或重径积)。第第2 2节节 刚性回转体的平衡计算刚性回转体的平衡计算 1515第第3 3节节 刚性回转体的平衡试验刚性回转体的平衡试验 1 1 静平衡试验静平衡试验结构比较简单，操作也很方便，工作效率较低。 16162 2 动平衡试验动平衡试验转子的动平衡试验一般需在专用的动平衡机动平衡机上进行。动平衡机有各种不同的型式，各种动平衡机的构造及工作原理也不尽相同，有通用平衡机，专用平衡机(如陀螺平衡机、曲轴平衡机、涡轮机转子平衡机、传动轴平衡机等)，但其作用都是用来测定需加于两个平衡基面两个平衡基面中的平衡质量的大小及方位。动平衡试验机主要由驱动系统、支承系统

10、、测量指示系统等部分组成。当前工业上使用较多的动平衡机是根据振动原理设计的，测振传感器将因转子转动所引起的振动转换成电信号，通过电子线路加以处理和放大，最后用电子仪器显示出被试转子的不平衡质径积的大小和方位。第第3 3节节 刚性回转体的平衡试验刚性回转体的平衡试验 1717 机械系统速度波动可以分为周期性速度波动周期性速度波动和非周期性非周期性速度波动速度波动。 周期性波动周期性波动是由于机械系统动能增减呈周期性变化，造成主动轴角速度随之作周期性的波动。 非周期性波动非周期性波动是由于机械系统驱动力或阻力不规则的变化造成随机的速度波动。 如果驱动功在长时间内总是小于阻抗功式，则机械系统运转的速

11、度会不断下降，直到停车。 如果驱动功在较长时间内总是大于阻抗功，机械系统运转的速度将不断升高，当超过机械系统所允许的最高转速时，机械系统将不能正常工作。第第4 4节节 机械速度波动产生的原因及调节方法机械速度波动产生的原因及调节方法 1818 第第4 4节节 机械速度波动产生的原因及调节方法机械速度波动产生的原因及调节方法 1919第第5 5节节 飞轮的设计原理飞轮的设计原理 2020 机械系统运转发生速度波动时，由于速度的变化规律不易获得，工程上常用算术平均角速度近似代替实际平均角速实际平均角速度（名义转速或角速度）。度（名义转速或角速度）。maxmin2m 为了正确描述机械系统运转的不均匀

12、程度，引入机械系统运转不均匀系数不均匀系数。maxminm 如果过大，将影响机械系统正常工作，工程上对各种机械系统的运转不均匀系数规定了许用值许用值 。第第5 5节节 飞轮的设计原理飞轮的设计原理 2121机械名称交流发电机0.0020.003直流发电机0.0050.01内燃机0.0070.0125船用发动机0.0070.05纺纱机0.010.017减速机0.0150.02机械名称农业机械0.020.20轧钢机0.040.10破碎机0.100.20冲、剪、锻床0.050.15金属切削机床0.020.05压缩机和水泵0.030.05第第5 5节节 飞轮的设计原理飞轮的设计原理 2222 飞轮实际上是一个半径很大，且绝大部分质量集中在轮轮缘部分的轮辐式结构的轮子缘部分的轮辐式结构的轮子。飞轮设计的关键是确定飞轮转飞轮转动惯量动惯量，使机械系统的运动不均匀系数控制在许用范围内。由于机械系统中其他运动构件的动能比飞轮动能小很多，一般近似地任务飞轮的动能就等于整个机械系统所需的动能。 飞轮的最大变化量Emax应等于机械系统最大盈亏功Wmax。22maxmaxmaxminmaxmin12WEEEJ maxminmaxmin2J2mJ 第第5 5节节 飞轮的设计原理飞轮的设计原理 2323设飞轮的转速为n (r/min)，/30mnmax22900WJn由上式可知：当Wm