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1、机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系第第12章章 机械平衡机械平衡机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系p 使运动副中产生附加的动压力，增加运动副的磨损、影 响构件的强度、降低机械的效率。p 使机械及其基础产生强迫振动，导致工作精度和可靠性 下降，零件疲劳损伤加剧，并产生噪声污染。p 引起共振，使机械遭到破坏，甚至危及人员及厂房安全。机械平衡的目的:消除或尽量减小惯性力的不良影响，提高机械的工作性能、延长机械的使用寿命并改善现场的工作环境。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系12.2.1 机械平衡的分类1.转子的平衡p 刚性转子的平衡 工作转速与一阶临界转速之比小于0.7
2、，弹性变形可忽略；利用力系平衡理论解决。p 挠性转子的平衡工作转速与一阶临界转速之比大于 0.7，挠曲变形不可忽略；挠性转子的平衡问题比较复杂，必须考虑变形（动挠度）对平衡的影响。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系2.机构的平衡 若机构中含有作往复运动或一般平面运动的构件，其产生的惯性力、惯性力矩无法在构件内部平衡，必须对整个机构进行研究。由于各运动构件产生的惯性力、惯性力矩可合成为一个作用于机架上的总惯性力及一个总惯性力矩，故可设法使总惯性力与总惯性力矩在机架上得以完全或部分的平衡。-机构在机架上的平衡 机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系12.2 刚性转子的平衡若不平衡，
3、若不平衡，则需要在需要在结构上采取措施消除不平衡构上采取措施消除不平衡惯性性力的影响。力的影响。转子的平衡子的平衡设计:在在转子的子的设计阶段，尤其是在段，尤其是在对高速高速转子及精密子及精密转子子进行行结构构设计时，必，必须对其其进行平衡行平衡计算，以算，以检查其其惯性力和性力和惯性力矩是否平衡。性力矩是否平衡。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系12.2.1 刚性转子的静平衡设计静不平衡现象：转子的质心不在回转轴线上，当其转动时，其偏心质量就会产生离心惯性力，从而在运动副中引起附加动压力。1)根据转子结构定出偏心质量的大小和方位；根据转子结构定出偏心质量的大小和方位；2)计算出为平
4、衡偏心质量需添加的平衡质量的大小计算出为平衡偏心质量需添加的平衡质量的大小及方位；及方位；3)在转子设计图上加上该平衡质量，以便使设计出在转子设计图上加上该平衡质量，以便使设计出来的转子在理论上达到平衡。来的转子在理论上达到平衡。径宽比径宽比D/b5的转子（砂轮、飞轮、齿轮）：可近似地认为其不平衡质的转子（砂轮、飞轮、齿轮）：可近似地认为其不平衡质量分布在同一回转平面内。量分布在同一回转平面内。静平衡设计：机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系已知：分布于同一回转平面内的偏心质量为m1,m2和m3.。从回转中心到各偏心质量中心的向径为r1，r2和r3。当转子以等角速度w转动时，各偏心质量
5、所产生的离心惯性力分别为：F1，F2，F3。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系 增加一个平衡质量mb，其向径为rb 所产生的离心惯性力为Fb。要求平衡时，要求平衡时，Fb,F1,F2,F3所形成的合所形成的合力力F应为零：应为零：F=F1+F2+F3+Fb=0 机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系也可根据理论力学的解析法求得。由矢量方程图解法可求得:机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系12.2.2 刚性转子的动平衡设计径宽比径宽比D/b 5的转子（多缸发动机的曲柄、汽轮机转子）。的转子（多缸发动机的曲柄、汽轮机转子）。特点：轴向宽度较大，其质量分布在几个不同的回转平面
6、内。特点：轴向宽度较大，其质量分布在几个不同的回转平面内。转子的动平衡设计：转子的动平衡设计：1)根据转子结构确定出各个不同回转平面内偏心质量的大根据转子结构确定出各个不同回转平面内偏心质量的大小和位置。小和位置。2)计算出为使转子得到动平衡所需增加的平衡质量的数目、计算出为使转子得到动平衡所需增加的平衡质量的数目、大小及方位；大小及方位；3)在转子设计图上加上这些平衡质量，以便使设计出来的在转子设计图上加上这些平衡质量，以便使设计出来的转子在理论上达到动平衡。转子在理论上达到动平衡。动不平衡问题：动不平衡问题：在转子运动的情况下才能显示出来的不平衡现象。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械
7、设计系设转子上的偏心质量m1,m2和m3分别在回转平面1，2，3内，其质心的向径分别为r1、r2、r3。当转子以等角速度当转子以等角速度 w转动时，平面转动时，平面1内的偏心质量内的偏心质量m1所产生的离心惯所产生的离心惯性力：性力：F1 1=m1 1w2 2。在转子的两端选定两个垂直转子在转子的两端选定两个垂直转子轴线的平面轴线的平面 T、T。设设 T与与 T相距相距 l l，平面，平面1到平面到平面 T、T 的距离分别为的距离分别为 、F1可用分解到平面可用分解到平面 T 和和T中的力中的力 、来代替。来代替。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系机械工程学院机
8、械设计系由理论力学的知识可知由理论力学的知识可知、分别为平面分别为平面、中向径为中向径为r1 1的偏心质量的偏心质量、所产生的离心惯性力。所产生的离心惯性力。原分布在平面原分布在平面1 1、2 2、3 3上的偏心质量上的偏心质量、，完全可以用平面，完全可以用平面 、上上的的 和和 ，和和 ，和和 所代替，它们的不平衡效果所代替，它们的不平衡效果是一样的。是一样的。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系对于平面 ：刚性转子的动平衡设计问题可刚性转子的动平衡设计问题可以用静平衡设计的方法来解决！以用静平衡设计的方法来解决！对于平面对于平面 ：无论是用解析法还是图解法，均可解出无论是用解析法还
9、是图解法，均可解出 ，的大小及方位。的大小及方位。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系小结：(1)动平衡的条件：当转子转动时，转子上分布在不同平面内的各个质量所产生的空间离心惯性力系的合力及合力矩均为零。12.2.2刚性转子的动平衡设计(2)对于动不平衡的转子，需加平衡质量的最少数目为对于动不平衡的转子，需加平衡质量的最少数目为2。动。动不平衡又称为双面平衡，而静平衡则称为单面平衡。不平衡又称为双面平衡，而静平衡则称为单面平衡。(3)(3)经过动平衡的转子一定静平衡；反之，经过静平衡的经过动平衡的转子一定静平衡；反之，经过静平衡的转子则不一定是动平衡的。转子则不一定是动平衡的。机械工程
10、学院机械设计系机械工程学院机械设计系12.2.3 刚性转子的平衡试验试验原因及目的：平衡设计：理论上是完全平衡的。还会出现不平衡现象。需要用试验的方法对其做进一步平衡。需要用试验的方法对其做进一步平衡。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系1、刚性转子的静平衡试验当刚性转子的径宽比当刚性转子的径宽比D/b5时，通常只需对转子进行静平衡试时，通常只需对转子进行静平衡试验。验。静平衡试验所用的设备称为静平衡试验所用的设备称为静平衡架。静平衡架。导轨式静平衡架圆盘式静平衡架机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系径宽比径宽比D/b5的刚性转子：必要时在制成后还要的刚性转子：必要时在制成后还
11、要进行进行动平衡试验动平衡试验。2、刚性转子的动平衡试验 动平衡试验一般需要在专用的动平衡机上进行，确定需加于两个平衡平面中的平衡质量的大小及方位。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系动平衡试验机原理图 机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系 平面机构的平衡简介 n一般存在往复运动或平面复合运动构件，其一般存在往复运动或平面复合运动构件，其惯性力和惯性力矩不可能在构件内部平衡。惯性力和惯性力矩不可能在构件内部平衡。机构在机架上的平衡：机构在机架上的平衡：1.设法使总惯性力和总惯性力矩在机架上得到完全或部分平衡。将所有构件上的惯性力和惯性力矩合成为一个通过机构质心并作用于机架上的总
12、惯性力和惯性力矩。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系1 1利用附加质量的平衡法利用附加质量的平衡法:在某些机构中在某些机构中,可通过在构件中添加平衡质量的方法来完全平衡其惯可通过在构件中添加平衡质量的方法来完全平衡其惯性力。性力。机械工程学院机械设计系机械工程学院机械设计系2利用附加机构的平衡法(1)利用对称机构可得到很好的平衡效果，但机器的利用对称机构可得到很好的平衡效果，但机器的体积将会增大。体积将会增大。（1）利用对称机构平衡（2）利用非完全对称机构平衡(2)由于采用的是非完全对称布置，所以只能使惯性由于采用的是非完全对称布置，所以只能使惯性力在机架上得到部分的平衡。力在机架上得到部分的平衡。