天津大学机械原理与机械设计主编张策机械的平衡概要PPT学习教案

1、会计学1 天津大学机械原理与机械设计主编张策天津大学机械原理与机械设计主编张策 机械的平衡概要机械的平衡概要 目 录 1 机械平衡的目的、分类及方法 2 刚性转子的平衡设计 3 刚性转子的平衡试验 4 平面机构的平衡 第1页/共42页 一、机械平衡的目的 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。 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。 第2页/共

2、42页 二、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，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 ，弹性变形不可忽 略，且变形的大小、形态与工作转速有关； 平衡原理与方法可参考专题文献。 机械平衡的目的 、分类及方法 第3页/共42页 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

3、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 机械平衡的目的 、分类及方法 第4页/共42页 机械平衡的目的 、分类及方法 三、机械平衡的方法 p平衡设计 设计阶段采取措施，以消除或减少可能导致有害振动的 不平衡惯性力与惯性力矩。 p平衡试验 经平衡设计的机械，因制造、装配误差及材质不均匀等 非设计因素的影响，生产出来后往往达不到原始设计要求 ， 必须用试验的方法予以平衡。 第5页/共42页 一、静不平衡与动不平衡 对于径宽比 的刚性转子，因其轴向尺寸较大，其 质量应视为分布于若干个不同的回转平面内。 5/bD 对于径宽比 的刚性转子，因其轴向尺寸较小，可 近似地认为其质量分布于同一

4、回转平面内。 5/bD 径宽比转子的径向尺寸D与轴向尺寸b之比 。 第6页/共42页 刚性转子的 平衡设计 若转子的质心不在其回转轴线上，转子转动时偏心质量 便将产生离心惯性力，使运动副中引起附加的动压力。 这种不平衡现象在转子静态时即可表现出来。 静不平衡 动不平衡 对于径宽比 的刚性转子，即使其质心位于回转轴 线上，但因各偏心质量产生的离心惯性力不在同一回转平 面内，所形成的惯性力矩仍将使转子处于不平衡状态。这 种不平衡现象只有在转子运动时方能显示出来。 5/bD 第7页/共42页 刚性转子的 平衡设计 二、静平衡设计 对于径宽比 的刚性转子，设计时应先根据转子 的结构确定各偏心质量的大小

5、和方位，再计算为平衡偏心 质量所需增加的平衡质量的大小和方位，使所设计的转子 理论上达到静平衡。 5/bD 0 321b FFFFF 第8页/共42页 刚性转子的 平衡设计 0 3 2 32 2 21 2 1b 2 b 2 rrrremmmmm 0 332211bb rrrremmmmm 质径积，表征同一转速下各离心惯性力的相对大小与方位 在设计阶段，若已知各偏心质量的大小及其方位，则 0 1 bb n i ii mmrr 总质量 总质心 矢径 0e 总质心与其回转中心重合静平 衡 第9页/共42页 刚性转子的 平衡设计 1）刚性转子静平衡的条件为各偏心质量的离心惯性力 的合力为零或其质径积的

6、矢量和为零； 2）对于 的刚性转子，无论其有多少个偏心质量， 均只需适当地增加一个平衡质量即可达到静平衡。换言之 ，对于 的刚性转子，需增加的平衡质量的最少 数目为1。 5/bD 5/bD 结 论 第10页/共42页 图解法 刚性转子的 平衡设计 bbr m的确 定 第11页/共42页 0sinsin 0coscos 1 bbb 1 bbb n i iii n i iii rmrm rmrm 解析法 2 1 2 1 bb sincos n i iii n i iii rmrmrm n i iii n i iii rm rm 1 1 b cos sin arctan 刚性转子的 平衡设计 以回转

7、中心为原点O，在回转平面内创建直角坐标系 xOy， 则 象限判定 方向角的定义 第12页/共42页 u为使转子总质量不致过大，应尽可能将 rb 选大些。 u若转子实际结构不允许在矢径 rb 方向( 方向)上安装平衡 质量，亦可在矢径 rb 的反方向( 方向)上去除相应的质 量。 u若偏心质量所在的回转平面内，实际结构不允许安装平衡 质量，则应根据平行力的合成与分解原理，在另外两个回 转平面内分别安装合适的平衡质量。 b b 刚性转子的 平衡设计 注意事项 第13页/共42页 二、动平衡设计 对于 的刚性转子，设计时应首先根据转子的结 构确定各回转平面内偏心质量的大小和方位，然后计算 所需增加的

8、平衡质量的数目、大小及方位，以使所设计 的转子理论上达到动平衡。 5/bD 刚性转子的 平衡设计 1 2 11 rFm 第14页/共42页 刚性转子的 平衡设计 偏心质量 m1 位于平面 、 之间，由理论力学可知 T T 设 、 分别为平面 、 内的矢径为 r1 的偏心质量 及 所产生的离心惯性力，则 1 F 1 m 1 m 1 F TT 1 1 1 FF l l 1 1 1 FF l l 1 2 1 1 1 2 11 rrFm l l m 1 2 1 1 1 2 11 rrFm l l m 1 1 11 1 1 ,m l l mm l l m 则 2 2 22 2 2 ,m l l mm l

9、 l m 3 3 33 3 3 ,m l l mm l l m 同理 第15页/共42页 刚性转子的 平衡设计 平面1、2、3内的偏心质量完全可用平面 、 内的 偏心质量来替代，它们所产生的不平衡效果是一致的。 因此，刚性转子的动平衡设计问题等同于平面 、 内 的静平衡设计问题。 T T T T 对于平面 、 ，可得 T T 0 3 1 bb i ii mmrr0 3 1 bb i ii mmrr 采用图解法或解析法，均可求出质径积 、 的 大小及方位。 bb r m bb r m 适当选择矢径 、 的大小，即可求出平面 、 内应 加的平衡质量 、 。 b r b r b m b m T T

10、平衡平面或校正平面 第16页/共42页 v 刚性转子动平衡的条件为分布于不同回转平面内的各偏心 质量的空间离心惯性力系的合力及合力矩均为零。 v 对于动不平衡的刚性转子，所需增加的平衡质量的最少数 目为2；动平衡亦称双面平衡，而静平衡则称单面平衡。 v 经动平衡设计的刚性转子一定是静平衡的，而经静平衡设 计的刚性转子则不一定是动平衡的。 v 对于 的刚性转子，只需进行动平衡设计。5/bD 刚性转子的 平衡设计 结 论 第17页/共42页 刚性转子的 平衡设计 例 题 图12-3所示为一个安装有带轮的滚筒轴。已知带轮上的偏 心质量 ，滚筒上的偏心质量 ，偏心质量分布如图所示，且 ， 。试对该滚筒

11、轴进行动平衡设计。 kg5 . 0 1 mkg4 . 0 432 mmm mm80 1 rmm100 432 rrr 第18页/共42页 刚性转子的 平衡设计 kg652. 0kg5 . 0 460 140460 1 1 1 m l l m kg365. 0kg4 . 0 460 40460 2 2 2 m l l m 解 1)为使滚筒轴达到动平衡，必须任选两个平衡平面，并在两 平衡平面内各加一个合适的平衡质量。本题中，可选择滚 筒轴的两个端面 、 作为平衡平面。 2)根据平行力的合成与分解原理，将各偏心质量分别分解到 平衡平面 、 内。 平面 内： T T T T T 第19页/共42页 k

12、g174. 0kg4 . 0 460 22040460 3 3 3 m l l m kg087. 0kg4 . 0 460 10022040460 4 4 4 m l l m 平面 内： T kg152. 0kg5 . 0 460 140 1 1 1 m l l m kg035. 0kg4 . 0 460 40 2 2 2 m l l m kg226. 0kg4 . 0 460 22040 3 3 3 m l l m kg313. 0kg4 . 0 460 10022040 4 4 4 m l l m 刚性转子的 平衡设计 第20页/共42页 刚性转子的 平衡设计 90 111 120 222

13、 240 333 330 444 3) 各偏心质量的方向角为 4) 平衡质量的质径积的大小及方向角分别为 mmkg22.67mmkg35.6442.19 sincos 2 2 2 4 1 2 4 1 bb i iii i iii rmrmrm 79.286 42.19 35.64 arctan cos sin arctan 4 1 4 1 b i iii i iii rm rm 第21页/共42页 mmkg53.46mmkg35.4406.14 sincos 2 2 2 4 1 2 4 1 bb i iii i iii rmrmrm 59.107 06.14 35.44 arctan cos

14、sin arctan 4 1 4 1 b i iii i iii rm rm 刚性转子的 平衡设计 5)确定平衡质量的矢径大小并计算平衡质量。 不妨设 ，则平衡平面 、 内应增加的平衡质 量分别为 mm100 bb rr T T kg6722. 0kg 100 22.67 b bb b r rm mkg4653. 0kg 100 53.46 b bb b r rm m 第22页/共42页 圆盘式 使用方便，一端支承的高度可以调节；但因圆盘的 摩擦阻力较大，故平衡精度不如导轨式静平衡架。 一、静平衡试验 导轨式静平衡架 结构简单，平衡精度较高；但必须保证两导轨在同一 水平面内且相互平行，安装、调

15、整较困难。 第23页/共42页 在专用的动平衡机上完成。目前应用较多的动平衡机是根 据振动原理设计的。测量转子支承处的振动信号，即可确 定需加于两个平衡平面内的平衡质量的大小及方位。 刚性转子 的平衡试 验 二、动平衡试验 软支承 n 2 硬支承 n 3 . 0 第24页/共42页 刚性转子 的平衡试 验 带微机系统的硬支承动平衡机 第25页/共42页 三、转子的平衡品质 1. 转子不平衡量的表示方法 刚性转子 的平衡试 验 e iir m p 质径积表示法 p 偏心距表示法 2. 转子的许用不平衡量及平衡品质 p 许用不平衡质径积 mr p 许用偏心距 e p 工程 p ISO平衡精度100

16、0/eA e 第26页/共42页 p S 的运动轨迹一般为一封闭曲线，不可能永远匀速直线 运动，则机构总惯性力平衡的条件为总质心静止不动。 可采用附加平衡质量、构件合理布置或附加平衡机构 等 方法，使机构的总惯性力得以完全或部分平衡。 p 为使机构处于平衡状态，必须满足作用在机架上的总 惯性力 且总惯性力矩 。0F0M p 设各运动构件总质量为 m，总质心 S 加速度为 aS 。为使 ，必须 ，即 S 应作匀速直线运动或 保持静止。 0 S a0 S maF 第27页/共42页 1. 附加平衡质量法 质量代换法：将构件的质量以若干集中质量来代换，并 使其产生的动力学效应与原构件的动力学效应相同

17、。 平面机构的平衡 一、机构总惯性力的完全平衡 S Sy Sx JM ymF xmF 第28页/共42页 代换条件 平面机构的平衡 满足上述三个条件 质量动代换 仅满足前两个条件 质量静代换 mm n i i 1 S n i ii S n i ii myym mxxm 1 1 S n i SiSii Jyyxxm 1 22 )()( (1 ) (2 ) (3 ) 质量不变 惯性力不变 惯性力矩不变 第29页/共42页 A S K SA A K SA S A ml J l Jml lm m Jml mJ m 2 22 2 两点代换法 平面机构的平衡 1. 两点动代换 mmm KA KKAA lm

18、lm SKKAA Jlmlm 22 两点质量代换 第30页/共42页 mmm BA BBAA lmlm m l l m ll l m m l l m ll l m A BA A B B BA B A 两点质量代换 2. 两点静代换 平面机构的平衡 第31页/共42页 2 2 2 2 m l l m m l l m BC BS C BC CS B r lmlm m ASABB 1 1 r lmlm m DSCDC 3 3 平面机构的平衡 例：铰链四杆机构 第32页/共42页 整个机构的总质量为 DA mmm mmmm mmmm CD BA 3 1 A D DS AS m m l l 总质心 S 应位于直线 AD （即机架）上，且 0 S a 平面机构的平衡 第33页/共42页 r lmlm m BCBS 32 2 mmmmB 32 r lmlm m ABBAS 1 1 mmmmm BA 1 例：曲柄滑块机构 平面机构的平衡 第34页/共42页 2. 对称布置