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1、第十五章第十五章 机械的调速和平衡机械的调速和平衡第一第一节节 机械运转速度波动的调节机械运转速度波动的调节 一、机械运转速度波动调节的目的和方法一、机械运转速度波动调节的目的和方法 1）驱动力所做的功驱动力所做的功Wd=阻力所做的功阻力所做的功Wr 此时机械匀速转动此时机械匀速转动 2）当某一瞬间，当某一瞬间，Wd Wr，出现盈功出现盈功 使机械动能增加，转速增高。使机械动能增加，转速增高。3）当当 Wd Wr，出现亏功，出现亏功，使机械动能减少，转速下降。使机械动能减少，转速下降。机械速度的波动，是在机械速度的波动，是在Wd和和Wr不为常不为常量的情况下产生的。其结果是产生冲击、振量的情况
2、下产生的。其结果是产生冲击、振动，影响机件的强度和寿命，降低运动精度。动，影响机件的强度和寿命，降低运动精度。应尽量避免应尽量避免!机械运转速度的波动可分为：机械运转速度的波动可分为：周期速度波动周期速度波动 非周期速度波动非周期速度波动1、周期性速度波动、周期性速度波动 盈亏功呈周期性变化，速度波动也呈周期性盈亏功呈周期性变化，速度波动也呈周期性变化。周期可以是一周（机床主轴、冲床等）、变化。周期可以是一周（机床主轴、冲床等）、二周（四冲二周（四冲程内燃机）、程内燃机）、数周（轧钢机）数周（轧钢机）调节方法：调节方法：采用飞轮。采用飞轮。2、非周期性速度波动、非周期性速度波动 对于机械传动中
3、盈亏功呈无规律变化，速度波动对于机械传动中盈亏功呈无规律变化，速度波动也是无规律的，当一段时间内总出现盈功，则速度越也是无规律的，当一段时间内总出现盈功，则速度越来越快，造成飞车，来越快，造成飞车，若总出现亏功，速若总出现亏功，速度会越来越慢，甚度会越来越慢，甚至停车。至停车。调节方法：调节方法：采用调速器，有机采用调速器，有机械式和电子式机械械式和电子式机械式调速器见图式调速器见图15-3。二、二、周期性速度波动的调节周期性速度波动的调节飞轮设计飞轮设计1、机械运转的平均速度和速度不均匀系数、机械运转的平均速度和速度不均匀系数 1）、平均速度：）、平均速度：m 2）、）、名义转速名义转速 由
4、于实际的速度变化规律不易获得，工程上常用机由于实际的速度变化规律不易获得，工程上常用机械标牌上标出的转速（称为名义转速或额定转速）代械标牌上标出的转速（称为名义转速或额定转速）代替平均速度：替平均速度：m 3）、）、速度不均匀系数速度不均匀系数 用来表示机械速度波动的程度用来表示机械速度波动的程度部分机械的许用运转不均匀系数部分机械的许用运转不均匀系数机机 器器 名名 称称不均匀系数不均匀系数 机机 器器 名名 称称不均匀系数不均匀系数 石料破碎机石料破碎机造纸机、织布机造纸机、织布机农业机械农业机械压缩机压缩机冲床、剪床、锻冲床、剪床、锻床床纺纱机纺纱机轧钢机轧钢机内燃机内燃机金属切削机床金
5、属切削机床直流发电机直流发电机汽车、拖拉机汽车、拖拉机交流发电机交流发电机水泵、鼓风机水泵、鼓风机汽轮发电机汽轮发电机 越小，运动越平稳。越小，运动越平稳。2、飞轮设计的近似方法简介飞轮设计的近似方法简介 1)基本要求：基本要求：确定飞轮的转动惯量确定飞轮的转动惯量J，使，使机械的机械的 2)基本原理基本原理 a、同一运动系统中，其他构件的动能与飞轮同一运动系统中，其他构件的动能与飞轮 相比，可忽略不计。相比，可忽略不计。b、飞轮角速度最大飞轮角速度最大max时，动能最大时，动能最大 Emax，反之亦然。在一个周期内，动能的最大变反之亦然。在一个周期内，动能的最大变化量（化量（Emax-Emi
6、n）即为最大盈亏功即为最大盈亏功Wmax。飞轮转飞轮转动惯量动惯量c、飞轮转动惯量飞轮转动惯量 JF n 为转速（为转速（r/min）,则则m=n/30 d、结论结论 a）当当 Wmax 和和m 一定时，一定时，JF与与为等边双曲线为等边双曲线 关系，过分要求关系，过分要求 很小，势必造成很小，势必造成 JF 很大，很大，使使飞轮质量很大，导致尺寸加大。飞轮质量很大，导致尺寸加大。b）当当 JF 和和 m 一定时，一定时，Wmax 与与 成正比。成正比。c）当当 Wmax 与与 一定时一定时,JF 和和 m 成反比。所以成反比。所以 应将飞轮装在系统的高速轴上，可减小飞轮应将飞轮装在系统的高速
7、轴上，可减小飞轮 的尺寸。的尺寸。3、飞轮尺寸的确定、飞轮尺寸的确定 1)、圆环体：、圆环体：求出质量：求出质量：求出质量求出质量 m 后，就可以确定飞轮后，就可以确定飞轮的尺寸：的尺寸：m=DmHB (Kg)：材料密度（材料密度（Kg/m3）2、实心轮实心轮 为防止过高的离心力对飞轮的破坏，应注意：为防止过高的离心力对飞轮的破坏，应注意：铸铁飞轮：铸铁飞轮：vmax 36 m/s 铸钢飞轮：铸钢飞轮：vmax 50 m /s 例例 在电动机驱动的剪床中在电动机驱动的剪床中,已知剪床主轴上的阻力矩已知剪床主轴上的阻力矩变化曲线变化曲线Mr-如图所示。电动机驱动，可认为驱动力如图所示。电动机驱动
8、，可认为驱动力矩矩Md为常数，电动机转速为为常数，电动机转速为1500r/min。求许用不均匀求许用不均匀系数系数=0.05时，所需安装在电动机主轴上的飞轮转动惯时，所需安装在电动机主轴上的飞轮转动惯量。量。解解 （1）求驱动力矩）求驱动力矩Md 在一个运动周期中，在一个运动周期中，驱动力矩驱动力矩Md和阻力矩和阻力矩Mr所作的功分别为所作的功分别为 根据稳定运转时，一个周期中功相等的原根据稳定运转时，一个周期中功相等的原理求出驱动力矩为：理求出驱动力矩为：（2）确定最大盈亏功）确定最大盈亏功Wmax 图中标有正号的面图中标有正号的面积为盈功，标有负号的面积为亏功。积为盈功，标有负号的面积为亏
9、功。Md-与与Mr-所包围的各小块面积及其所代表的功分别为：所包围的各小块面积及其所代表的功分别为：最大盈亏功为最大盈亏功为：S2=1256.3 (J)若用实心轮飞轮若用实心轮飞轮若用圆环体飞轮若用圆环体飞轮第二节第二节 回转件的平衡回转件的平衡 一、不平衡的产生一、不平衡的产生 假如回转件质量不均匀，假如回转件质量不均匀，有一块质量有一块质量 m，偏离回转偏离回转中心中心 r，当回转件以当回转件以 做做匀速转动时，离心力为：匀速转动时，离心力为：使轴弯曲，产生振动、噪音，甚至破坏机件。使轴弯曲，产生振动、噪音，甚至破坏机件。二、回转件平衡的目的和分类二、回转件平衡的目的和分类 1、目的、目的
10、 对于重要的高速回转件，如机床主轴、电机对于重要的高速回转件，如机床主轴、电机转子等都要进行平衡试验，调整其上所有质量转子等都要进行平衡试验，调整其上所有质量产生的离心力的合力为零，达到新的平衡。产生的离心力的合力为零，达到新的平衡。2、分类、分类 1）回转件的平衡）回转件的平衡 2）机械的平衡）机械的平衡1回转件的平衡回转件的平衡 绕固定轴线回转的构件称为回转件（转子）。回转件绕固定轴线回转的构件称为回转件（转子）。回转件回转时，本身变形很小，可以忽略不计的称为刚性回转回转时，本身变形很小，可以忽略不计的称为刚性回转件，本身变形不可忽略的称为挠性回转件。回转件的平件，本身变形不可忽略的称为挠
11、性回转件。回转件的平衡，就是将其质量的大小分布，重新调整，使惯性力形衡，就是将其质量的大小分布，重新调整，使惯性力形成一平衡力系。成一平衡力系。2机械的平衡机械的平衡 若机械中包含有作往复运动或作平面运动构件，则此若机械中包含有作往复运动或作平面运动构件，则此机构不能采用各个构件分别进行平衡的方法来解决，而机构不能采用各个构件分别进行平衡的方法来解决，而必须就整个机构来研究，使其在机架上得到平衡，这类必须就整个机构来研究，使其在机架上得到平衡，这类平衡称为机构在机架上的平衡。平衡称为机构在机架上的平衡。本章节只讨论最常见的刚性回转件的平衡问题。本章节只讨论最常见的刚性回转件的平衡问题。三三 、
12、刚性回转件的平衡设计、刚性回转件的平衡设计 刚性回转件（转子）的平衡，按照回转件质刚性回转件（转子）的平衡，按照回转件质量分布的情况不同可分为静平衡和动平衡两类量分布的情况不同可分为静平衡和动平衡两类1、静平衡设计、静平衡设计 质量分布在同一回转平面内质量分布在同一回转平面内 当轴向尺寸很小，宽径比当轴向尺寸很小，宽径比l/D 1/5 的回转件的回转件 可以认为质量分布在同一回转平面内，如砂轮，可以认为质量分布在同一回转平面内，如砂轮，飞轮、叶轮等。飞轮、叶轮等。1）当回转件以）当回转件以 等速等速 转动时，回转件上各质转动时，回转件上各质 量产生的离心力分别为：量产生的离心力分别为：Fm1、
13、Fm2、Fmi，合力为：合力为：FmH，2）为使其平衡，在合力为使其平衡，在合力 FmH方向上，半径方向上，半径 rb 处处减去一质量减去一质量 mb,使：使：FmH=mb rb2 或在合力或在合力FmH相反的方相反的方向上，半径向上，半径 rb 处，加上处，加上一质量一质量 mb,使：使：FmH=mb rb2 这样，可以使离心力的合力为这样，可以使离心力的合力为0。达到新的平衡。达到新的平衡 即：即：Fm=Fmi+Fmb=0也可写也可写成：成：m r2=mi ri2+mb rb2=0可得到静平衡条件：可得到静平衡条件：m r=mi ri+mb rb=0 或：或：mg r=mig ri+mbg
14、 rb=0 式中：式中：mi、ri 原有不平衡部分质量和向径原有不平衡部分质量和向径 mb、rb 须须加装的平衡质量和向径加装的平衡质量和向径 mg r=0 表明回转体可以在停止任何位置。表明回转体可以在停止任何位置。3、重径积、重径积、mg r，静平衡静平衡:mg r=0 4、平衡重的求法、平衡重的求法 按式：按式：mig ri+mbg rb=0 可求出可求出需要加的或减的重径积：需要加的或减的重径积：mbg rb 通常向径通常向径 rb取大点，则配重取大点，则配重 mbg 可以小点。可以小点。5、假如平衡面无法加配重：、假如平衡面无法加配重：如曲轴如曲轴。需在左右两个。需在左右两个 辅助平
15、面内加配重。辅助平面内加配重。方法如下：方法如下：Fma=Fma1+Fma2 Fma1 L1=Fma2 L2 确定好向径确定好向径 ra1 和和 ra2，就可以确定就可以确定 ma1 和和 ma2 2、动平衡设计动平衡设计 对于宽径比对于宽径比 l/D 1/5 的回转件，如多缸发动机的回转件，如多缸发动机的曲轴、电动机的转子、汽轮机的转子以及一些机床的曲轴、电动机的转子、汽轮机的转子以及一些机床主轴等，由于其轴向宽度较大，其质量分布在几个不主轴等，由于其轴向宽度较大，其质量分布在几个不同的回转平面内。同的回转平面内。这样的平衡过程为动平衡设计。这样的平衡过程为动平衡设计。动平衡问题的解决方法：
16、每一单个平面分别动平衡问题的解决方法：每一单个平面分别进行平衡，然后再分别向两个辅助平面上加配进行平衡，然后再分别向两个辅助平面上加配重，两个辅助平面上所加的配重，两个辅助平面上所加的配 再重新进行平衡再重新进行平衡又是静平衡问题了。又是静平衡问题了。图示：虽然满足静平衡条件图示：虽然满足静平衡条件 m r=m1 r1+m2 r2=0 但回转时存在一个力偶但回转时存在一个力偶故不平衡。即不满足动故不平衡。即不满足动平衡条件。平衡条件。结论：结论：（1）动平衡的条件：当回转件回转时，回转件上）动平衡的条件：当回转件回转时，回转件上分布在不同平面内的各个质量所产生的空间离心惯性分布在不同平面内的各
17、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。力系的合力及合力矩均为零。（2）对于动不平衡的回转件，无论它有多少个偏）对于动不平衡的回转件，无论它有多少个偏心质量，都只需要在任选的两个平衡平面内各增加或心质量，都只需要在任选的两个平衡平面内各增加或减少一个合适的平衡质量即可使回转件获得动平衡，减少一个合适的平衡质量即可使回转件获得动平衡，因此，动平衡又称为双面平衡，而静平衡则称为单面因此，动平衡又称为双面平衡，而静平衡则称为单面平衡。平衡。（3）由于动平衡同时满足了静平衡的条件，所以）由于动平衡同时满足了静平衡的条件，所以经过动平衡的回转件一定是静平衡；反之，经过静平经过动平衡的回转件一
18、定是静平衡；反之，经过静平衡的回转件则不一定是动平衡的。衡的回转件则不一定是动平衡的。四、四、回转件的平衡试验回转件的平衡试验1、静平衡试验、静平衡试验 静平衡试验台静平衡试验台2、动平衡试验、动平衡试验 对于宽径比对于宽径比 l/D 1/5 的回转件，以及有特殊要求的的回转件，以及有特殊要求的重要回转件必须进行动平衡。重要回转件必须进行动平衡。进行动平衡试验需要使用动平衡试验机。试验时，让进行动平衡试验需要使用动平衡试验机。试验时，让回转件在动平衡机上运转，并在两个选定的平面内分别回转件在动平衡机上运转，并在两个选定的平面内分别找出所需的平衡质径积的大小和方位；然后分别在两个找出所需的平衡质
19、径积的大小和方位；然后分别在两个平面内各加上或减去适当的平衡质量，使回转件达到动平面内各加上或减去适当的平衡质量，使回转件达到动平衡。平衡。动平衡试验机种类繁多，从应用方面分，有通用平衡动平衡试验机种类繁多，从应用方面分，有通用平衡机、专用平衡机等；从原理方面分，有软支承平衡机、机、专用平衡机等；从原理方面分，有软支承平衡机、硬支承平衡机等。硬支承平衡机等。目前使用较多的动平衡机是根据振动原理目前使用较多的动平衡机是根据振动原理设计的，它利用测振传感器将转子转动时产生设计的，它利用测振传感器将转子转动时产生的惯性力所引起的振动信号变为电信号，然后的惯性力所引起的振动信号变为电信号，然后通过电子线路加以处理和放大，最后通过解算通过电子线路加以处理和放大，最后通过解算求出被测转子的不平衡质量的质径积的大小和求出被测转子的不平衡质量的质径积的大小和方位。方位。动平衡试验机除传统的机械式、电子式外近动平衡试验机除传统的机械式、电子式外近年还应用了激光动平衡机等，有的测试精度可以年还应用了激光动平衡机等，有的测试精度可以达到很高，进一步了解，可参考有关技术资料。达到很高，进一步了解，可参考有关技术资料。电测式动平衡机的原理示意图电测式动平衡机的原理示意图 1、5、8-传感器；传感器；2-闪光灯；闪光灯；3-电测装置；电测装置；4-电流表；电流表；6、7-弹簧片弹簧片