机械原理第六章机械的平衡

1、第六章第六章 机械的平衡机械的平衡 刚性转子的平衡计算刚性转子的平衡计算 刚性转子的平衡实验刚性转子的平衡实验转子的许用不平衡量转子的许用不平衡量平面机构的平衡平面机构的平衡本章主要内容本章主要内容6-1 机械平衡的目的及内容机械平衡的目的及内容 一机械平衡的目的一机械平衡的目的 构件的不平衡惯性力构件的不平衡惯性力 运动副中的动压力运动副中的动压力 摩擦和内摩擦和内应力应力 机械的效率和使用寿命机械的效率和使用寿命 ，严重的会导致共振。，严重的会导致共振。惯性力的不良影响：惯性力的不良影响： 机械平衡的目的：机械平衡的目的： 将构件的不平衡惯性力加以平衡以消除或减小惯性力的不良将构件的不平衡

2、惯性力加以平衡以消除或减小惯性力的不良影响。影响。 有一些机械是利用不平衡惯性力来工作的，如：振实机、有一些机械是利用不平衡惯性力来工作的，如：振实机、按摩机、蛙式打夯机、振动打桩机、振动运输机等。按摩机、蛙式打夯机、振动打桩机、振动运输机等。例：已知图示转子的重量为例：已知图示转子的重量为G=10 N，重心与回转轴线的距离为重心与回转轴线的距离为1 mm，转，转速为速为n=3000 rpm, 求离心力求离心力F F的大小。的大小。=1010-323000/602/9.8=100 NF=ma=Ge2/g如果转速增加一倍如果转速增加一倍: n=6000 rpm 由此可知：不平衡所产生的惯性力对由

3、此可知：不平衡所产生的惯性力对机械运转有很大的影响。机械运转有很大的影响。 F=400 NGG二机械平衡的内容二机械平衡的内容 1 .绕固定轴回转的构件惯性力的平衡绕固定轴回转的构件惯性力的平衡 1）刚性转子的平衡）刚性转子的平衡2）挠性转子的平衡）挠性转子的平衡2. 机构的平衡机构的平衡刚性转子刚性转子刚性好、共振转速高、工作转速刚性好、共振转速高、工作转速一般低于、弹性小一般低于、弹性小。 (1)静平衡：静平衡：只要求惯性力达到平衡；只要求惯性力达到平衡；(2)动平衡：动平衡：要求惯性力和惯性力矩都达到平衡。要求惯性力和惯性力矩都达到平衡。方方法法 挠性转子挠性转子质量很大、跨度很大、径向

4、尺寸小、质量很大、跨度很大、径向尺寸小、共振转速低、产生的变形较大。共振转速低、产生的变形较大。方法：基于弹性梁的横向振动理论。方法：基于弹性梁的横向振动理论。 对整个机构加以研究，设法使各运动构件惯性力的合力和合力偶达到对整个机构加以研究，设法使各运动构件惯性力的合力和合力偶达到完全地或部分的平衡。完全地或部分的平衡。本章重点介绍刚性转子的平衡问题。本章重点介绍刚性转子的平衡问题。结构不对称结构不对称材材 料料 缺缺 陷陷制制 造造 误误 差差质量分布质量分布不均匀不均匀中心惯性主轴与中心惯性主轴与回转轴线不重合回转轴线不重合离心惯性力系的不平衡离心惯性力系的不平衡6-2 刚性转子的平衡计算

5、刚性转子的平衡计算 一一. 刚性转子的静平衡计算刚性转子的静平衡计算转子的工作转速一般低于转子的工作转速一般低于(0.60.75)nc1，这类转子称为，这类转子称为刚性转子刚性转子。1. 静不平衡静不平衡当转子当转子(回转件回转件)的宽度与直径之比（宽径比）的宽度与直径之比（宽径比）b/D 0.2时，其所有的质量都可以看作分布在垂时，其所有的质量都可以看作分布在垂直于轴线的同一个平面内。直于轴线的同一个平面内。因为不平衡现象在转因为不平衡现象在转子静止时就能显示出来，故称为静不平衡。子静止时就能显示出来，故称为静不平衡。如果转子的质心位于回转轴线上就称为如果转子的质心位于回转轴线上就称为静平衡

6、静平衡。b工程中符合这种条件的构件有工程中符合这种条件的构件有: 齿轮、带轮、风扇叶轮、飞机的螺旋桨、砂齿轮、带轮、风扇叶轮、飞机的螺旋桨、砂轮等等轮等等2. 静平衡条件静平衡条件在转子上增加或除去一部分质量，使其质心与回转轴线重合，在转子上增加或除去一部分质量，使其质心与回转轴线重合，从而使转子的惯性力得以平衡。从而使转子的惯性力得以平衡。力学条件为：力学条件为： 如果重心不在回转轴线上，则在静止状态下，无论其重心初如果重心不在回转轴线上，则在静止状态下，无论其重心初始在何位置，最终都会落在轴线的铅垂线的下方这种不平衡始在何位置，最终都会落在轴线的铅垂线的下方这种不平衡现象在静止状态下就能表

7、现出来，故称为现象在静止状态下就能表现出来，故称为静不平衡静不平衡。 3. 静平衡计算静平衡计算如图为一盘状转子。已知如图为一盘状转子。已知m1和和m2和和r1和和r2v 当转子以角速度当转子以角速度w w回转时，各偏心回转时，各偏心质量所产生的离心惯性力为：质量所产生的离心惯性力为：FI1FI2m2m1r2r1F F = F Fb bF Fi i = 0= 0v 为平衡这些离心惯性力，在转子上加一为平衡这些离心惯性力，在转子上加一平衡质量平衡质量mb，使，使Fb与与FIi相平衡，即：相平衡，即：平衡质径积平衡质径积mbrb的大小和方位可根据上式用的大小和方位可根据上式用图解法求出。图解法求出

8、。FI1FI2m2m1r2r1mbrbFbm1r1m2r2mbrbFi = mi2riF F = Fb + +FFi = 0m2e = mb2rb + m12r1 + m22r2=0 me = mbrb + m1r1 + m2r2= 0 miri为质径积为质径积求出求出mbrb后，可以根据转子的结构后，可以根据转子的结构选定选定rb ，即可定出平衡质量，即可定出平衡质量mb 。也可在也可在rb的反方向的反方向rb 处除去一部分质处除去一部分质量量mb 来使转子得到平衡，只要保证来使转子得到平衡，只要保证mbrb = mb rb 即可。即可。m2m1r2r1FI1FI2mbrbFbmb rb 4

9、. 结论结论（1）静平衡的条件）静平衡的条件分布于转子上的各个偏心分布于转子上的各个偏心质量的离心惯性力的合质量的离心惯性力的合力为零。力为零。注注:对于静不平衡的转子，不论它有多少个平衡质量，都只需对于静不平衡的转子，不论它有多少个平衡质量，都只需在同一平衡面内增加或除去一个平衡质量就可以获得平在同一平衡面内增加或除去一个平衡质量就可以获得平衡衡单面平衡单面平衡例题：例题：图示盘状转子上有两个不平衡质量：图示盘状转子上有两个不平衡质量： m1=1.5kg，m2=0.8kg，r1=140mm，r2=180mm，相位如图。现用去重法来平衡，求所需挖去的质量，相位如图。现用去重法来平衡，求所需挖去

10、的质量的大小和相位的大小和相位(设挖去质量处的半径设挖去质量处的半径r=140mm)。解：解：不平衡质径积不平衡质径积mmkgrm 21011mmkgrm 14422静平衡条件静平衡条件作图解得：作图解得：mmkgrmbb 140应加平衡质量应加平衡质量kgmb1140/140去除的质量应在矢量的反方向，去除的质量应在矢量的反方向，140mm处去除处去除1kg质量。质量。11rm22rmbbrm mmmmkgmr 去除质量方向去除质量方向m2m1r2r1me = mbrb + m1r1 + m2r2= 0 二二. 刚性转子的动平衡计算刚性转子的动平衡计算(Dynamic balance)1.

11、动不平衡动不平衡在转子运动的情况下才能显示出来的不平衡现象。在转子运动的情况下才能显示出来的不平衡现象。对于对于b/D0.2的转子，其质量不能的转子，其质量不能再视为分布在同一平面内，即使质再视为分布在同一平面内，即使质心在回转轴线上，由于各惯性力不心在回转轴线上，由于各惯性力不在同一回转平面内，所形成惯性力在同一回转平面内，所形成惯性力偶仍使转子处于不平衡状态。偶仍使转子处于不平衡状态。m1m2工程中符合这种条件的构件有工程中符合这种条件的构件有: :多缸发动机的曲轴、汽轮机转子、多缸发动机的曲轴、汽轮机转子、电机转子、机床主轴等。电机转子、机床主轴等。螺杆泵转子动平衡螺杆泵转子动平衡低速风

12、机转子动平衡低速风机转子动平衡汽轮机转子动平衡汽轮机转子动平衡3. 动平衡计算动平衡计算2. 动平衡条件动平衡条件当转子各偏心质量引起的惯性力的矢量和为零，惯性力所构当转子各偏心质量引起的惯性力的矢量和为零，惯性力所构成的力矩的矢量和为零。力学条件为：成的力矩的矢量和为零。力学条件为： 动平衡与静平衡之间的关系：动平衡与静平衡之间的关系：静平衡的回转件不一定是动平衡的静平衡的回转件不一定是动平衡的动平衡的回转件一定是静平衡的动平衡的回转件一定是静平衡的选择两个平衡基面，并根据力的平行分解原理，将各不平衡质量的质径选择两个平衡基面，并根据力的平行分解原理，将各不平衡质量的质径积分别等效到两平衡基

13、面上，再分别按每个平衡基面建立质径积的平衡积分别等效到两平衡基面上，再分别按每个平衡基面建立质径积的平衡方程式，最后用图解法或解析法求解出两平衡基面的平衡质量的大小及方程式，最后用图解法或解析法求解出两平衡基面的平衡质量的大小及方位。由此可见，动平衡计算是通过简化为两个平衡基面的静平衡问题方位。由此可见，动平衡计算是通过简化为两个平衡基面的静平衡问题来进行计算的。来进行计算的。FFi i = 0, M = 0, Mi i=0=0IIILm1r1m2r2m3r3F2F3F1l1l2l3F1IF2IF3IF2IIF1IIF3IILlFFiii LlLFFiiiII)( 首先在转子上选定两个回转平面

14、首先在转子上选定两个回转平面和和作为平衡基面，该平面作为平衡基面，该平面用来加装或去掉平衡质量。用来加装或去掉平衡质量。将三个不同回转面内的离心惯性力向平面将三个不同回转面内的离心惯性力向平面和和上分解。上分解。IIIF2IF1IF3ILF2F3m1r1m2r2m3r3F1l1l2l3F2IIF1IIF3IIIIrm11bIbIrmIIrm22IIrm33Imr IImr bIIbIIrmIIIIrm33IIIIrm22IIIIrm11分别按每个平衡基面建立质径积的平衡方程式，用图解法求解分别按每个平衡基面建立质径积的平衡方程式，用图解法求解出两平衡基面的平衡质量的大小及方位。出两平衡基面的平

15、衡质量的大小及方位。4. 结论结论（2）动不平衡的转子，不论有多少个偏心质量，分布在多少）动不平衡的转子，不论有多少个偏心质量，分布在多少个回转平面内，都只需要在两个选定的平衡面内分别增个回转平面内，都只需要在两个选定的平衡面内分别增加或除去一个平衡质量，即可完全平衡。加或除去一个平衡质量，即可完全平衡。（1）动平衡的条件）动平衡的条件当转子转动时，转子分布在不同平面当转子转动时，转子分布在不同平面内的各个质量所产生的空间离心惯性内的各个质量所产生的空间离心惯性力系的合力和合力矩均为零。力系的合力和合力矩均为零。（3）动平衡同时满足静平衡的条件）动平衡同时满足静平衡的条件经过动平衡的转子一经过

16、动平衡的转子一定静平衡；经过静平衡的转子不一定动平衡。定静平衡；经过静平衡的转子不一定动平衡。FFi i = 0, M = 0, Mi i=0=0例题：例题：高速水泵的凸轮轴系由三个互相错开高速水泵的凸轮轴系由三个互相错开120的偏心轮组成，每一偏心轮的偏心轮组成，每一偏心轮的质量为的质量为m ，其偏心距为，其偏心距为r， 设在平衡平面设在平衡平面A和和B上各装一个平衡质量上各装一个平衡质量mA和和mB ，其回转半径为，其回转半径为2r，其他尺寸如图示。试求，其他尺寸如图示。试求mA和和mB的大小和方向。的大小和方向。解：解：不平衡质径积不平衡质径积mrrmrmrmEEDDCC 分别分解到平衡

17、平面分别分解到平衡平面A和和B 5/250/502/250/1255/4250/200mrmrrmmrmrrmmrmrrmAEEADDACC 5/4250/2002/250/1255/250/50mrmrrmmrmrrmmrmrrmBEEBDDBCC动平衡条件动平衡条件 0bb AEEADDACCArmrmrmrm 0bb BEEBDDBCCBrmrmrmrm 解得：解得： 2/2/bbbbmrrmmrrmBA mmmmBA25. 025. 0bb方向如图示。方向如图示。 6-3 刚性转子的平衡实验刚性转子的平衡实验一一. 静平衡实验静平衡实验试验原因及目的：转子经过设计理论上是完全平衡的，实

18、际中试验原因及目的：转子经过设计理论上是完全平衡的，实际中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。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。试验对象试验对象宽径比宽径比 b/D 0.2的刚性转子的刚性转子试验设备试验设备静平衡架静平衡架导轨式导轨式转子两端支承轴尺寸相同时采用转子两端支承轴尺寸相同时采用滚子式滚子式转子两端支承轴尺寸不同时采用转子两端支承轴尺寸不同时采用应将两导轨调整为水平且互相平行；应将两导轨调整为水平且互相平行；将转子放在导轨上，让其轻轻地自由滚动；将转子放在导轨上，让其轻轻地自由滚动；待转子停止滚动时，其质心待转子停止滚动时，其质心S必在轴心的正

19、下方，这时在轴心的正上方必在轴心的正下方，这时在轴心的正上方任意向径处加一平衡质量（一般用橡皮泥）；任意向径处加一平衡质量（一般用橡皮泥）；反复试验，加减平衡质量，直至转子能在任何位置保持静止为止；反复试验，加减平衡质量，直至转子能在任何位置保持静止为止；根据橡皮泥的质量和位置，得到其质径积；根据橡皮泥的质量和位置，得到其质径积；根据转子的结构，在合适的位置上增加或减少相应的平衡质量。根据转子的结构，在合适的位置上增加或减少相应的平衡质量。试验方法试验方法 二二. 动平衡实验动平衡实验转子的动平衡实验需要在专用的动平衡机转子的动平衡实验需要在专用的动平衡机上进行。通过动平衡机来确定需加于两个平

20、衡上进行。通过动平衡机来确定需加于两个平衡基面上的平衡质量的大小和方位。基面上的平衡质量的大小和方位。当前工业上使用较多的动平衡机是根据当前工业上使用较多的动平衡机是根据振动理论设计的，并利用测振传感器将转子转振动理论设计的，并利用测振传感器将转子转动所引起的振动信号变为电信号，通过电子仪动所引起的振动信号变为电信号，通过电子仪器解算出不平衡质径积的大小和方位。器解算出不平衡质径积的大小和方位。动平衡机种类很多，这里不一一介绍。动平衡机种类很多，这里不一一介绍。轮胎平衡机轮胎平衡机64 转子的许用不平衡量转子的许用不平衡量 许用不平衡量的表示方法：许用不平衡量的表示方法： 1) 质径积表示法：mr 2) 偏心距表示法：e 两者的关系：e =mr / m smmeA/1000wmr=mrb/(a+b) mr=mra/(a+b)65 平面机构的平衡平面机构的平衡所谓对机构的平衡，就是对所谓对机构的平衡，就是对总惯性力和总惯性力偶矩进总惯性力和总惯性力偶矩进行平衡行平衡, 即：即： 设机构的总质量为设机构的总质量为m，其质心的加速度为其质心的加速度为as，机机构总惯性力为：构总惯性力为：机构平衡的原理：机构平