第十五章机械的调速与平衡

第十五章机械的调速和平衡

第一节机械运转速度波动的调节

第二节回转件的平衡第一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机械在驱动力(矩)Pd(Wd)和各种阻力(矩)Pr(Wr)作用下运转时，若每一瞬时都保证驱动力(矩)所做驱动功Wd与各种阻力(矩)所做的阻抗功Wr相等，机械就能保持匀速运转。多数机械在工作时，并不能保证任一瞬时驱动功Wd与阻抗功Wr总是相等。当Wd>Wr时，驱动力(矩)做功有盈余，出现盈功，机械增速运转;当Wd<Wr时，驱动力(矩)做功不足，出现亏功，机械减速运转。盈功和亏功统称盈亏功。盈亏功引起机械运转速度的波动。机械运转速度的波动使运动副中产生附加动压力，引起振动，产生噪声，影响零件的强度、寿命，降低机械的效率和可靠性，降低机械工作精度和产品质量，所以必须对机械运转速度波动进行调节。下一页返回第一节机械运转速度波动的调节1.周期性速度波动周期性速度波动是由于机械动能增减呈周期性变化，造成主轴角速度。随之做周期性的波动(如图15-1)2.非周期性速度波动非周期性速度波动是由于机械驱动力(矩)或阻力(矩)不规则的变化而造成随机的速度波动。下一页上一页返回第一节机械运转速度波动的调节二、周期性速度波动的调节—飞轮设计1.机械运转的平均速度和不均匀系数机械运转发生周期性速度波动时，由于速度的变化规律不易获得，工程上常用角速度的算术平均值近似代替实际的平均角速度(即机器铭牌上标出的名义转速或角速度)。为了正确描述机械运转的不均匀程度，引入机械运转不均匀系数δ下一页上一页返回第一节机械运转速度波动的调节2.飞轮设计的近似方法为了使机械运转的不均匀系数δ≤[δ]，需在机械中安装一个转动惯量较大的盘状零件—飞轮，来调节周期性速度的波动。故此，飞轮设计的基本问题是，根据机械主轴所需的平均角速度wm和所许用不均匀系数[δ]来确定飞轮的转动惯量jF。一般机械的动能与飞轮的动能相比，可略去不计，因此飞轮的动能就可近似地认为是整个机械的动能。当飞轮处于wmax时，具有动能的最大值Emax;当飞轮处于wmin时，具有动能的最小值Emin上一页返回第二节回转件的平衡一、机械平衡的目的和分类机械在运转时，作变速运动的构件将产生惯性力，即使是绕固定轴线作等速转动的构件，如果结构形状不对称、质量分布不均匀，使其重心与回转中心不重合，也将产生惯性力。惯性力将使运动副产生附加动压力，增大运动副的摩擦力，加快磨损，影响构件的强度，降低机器效率和使用寿命，并且惯性力随机械的运动而做周期性的变化，将引起机械的振动和噪声。当振动频率接近机械系统固有频率时，还会产生共振，使机械破坏，甚至危及工作人员和厂房安全。合理分配机构中各构件的质量，使惯性力得到平衡，这就是机械的平衡目的。下一页返回第二节回转件的平衡机械的平衡可分为两类:回转件的平衡和机械的平衡。1.回转件的平衡绕固定轴线回转的构件称为回转件(也称为转子)。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件，本身变形不可忽略的称为挠性回转件。回转件的平衡，就是将其质量的大小分布，重新调整，使惯性力形成一平衡力系。2.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，这类平衡称为机构在机架上的平衡。下一页上一页返回第二节回转件的平衡二、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.静平衡设计对于宽径比l/D≤1/5的回转件，如叶轮、飞轮、砂轮、盘形凸轮等，其质量的分布可近似地认为在同一回转面内。对于这类的回转件，若回转件的质心不在回转轴上，当其回转时，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，这种不平衡现象称为静不平衡。为了消除惯性力的不利影响，设计时需要首先根据回转件结构定出偏心质量的大小和方位，然后计算出为平衡偏心质量需增、减的平衡质量的大小和方位，最后在回转件设计图上加上或相反方向减去该平衡质量，以便使设计出来的回转件在理论上达到静平衡。这一过程称为回转件的静平衡设计。下一页上一页返回第二节回转件的平衡2.动平衡设计对于宽径比l/D>1/5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。这时，即使回转件的质心在回转轴上，但由于各偏心质量所产生的离心惯性力不在同一回转平面内，所形成的惯性力偶仍使回转件处于不平衡状态。由于这种不平衡只有回转件运动的情况下才能显示出来，故称为动不平衡。为了消除动不平衡现象，在设计时需要首先根据回转件结构确定出各个不同回转平面内偏心质量的大小和位置，然后计算出为使回转件得到动平衡所需加减的平衡质量的数目、大小和方位，并在回转件设计图上加上或相反方向减去这些平衡质量，以便使设计出来的回转件在理论上达到动平衡，这一过程称为回转件的动平衡设计。下一页上一页返回第二节回转件的平衡三、回转件的平衡试验经过上述平衡设计的刚性回转件在理论上是完全平衡的，但是由于制造和装配误差及材质不均匀等原因，实际生产出来的回转件在运转时还会出现不平衡现象，由于这种不平衡现象在设计阶段是无法确定和消除的，因此需要用试验的方法对其做进一步平衡解决。刚性回转件的平衡试验可分为静平衡试验和动平衡试验。

下一页上一页返回第二节回转件的平衡1.静平衡试验对于宽径比l/D≤1/5的回转件，一般只需进行静平衡，可不必进行动平衡试验校正)静平衡试验在静平衡架上进行，图15-7(a)所示为常用的导轨式静平衡架，其主要部分为两根互相平行的钢制刀口形导轨(也有棱柱形和圆柱形)安装在同一水平面内。试验时将回转件的轴放置在导轨上，如回转件质心S不在通过回转轴线的铅直面内，则由于重力对回转轴线的力矩作用，回转件将在导道上发生滚动。直到停止运动，质心即在最低位置(由于接触处有滚动摩擦影响，故稍有偏差，可用反向滚动后再确定质心位置的方法来校正)，由此便可确定质心的偏移方向。然后再用橡皮泥或其他方法在质心的相反方向加一适当的平衡质量，并逐渐调整其大小或径向位置。当该回转件在任意位置都能保持静止不动时，所加平衡质量与其回转半径的乘积即为该回转件达到静平衡所需加的质径积(它能够表达回转件上各质量在同一转速下离心力的大小和方向)的大小。根据情况也可在径向相反位置按同等大小的质径积去掉质量使回转件达到静平衡。下一页上一页返回第二节回转件的平衡导轨式静平衡架简单可靠，精度也能满足一般生产需要。其缺点是导轨需要互相平行，且在同一水平面内，故安装、调试要求较高。另外，它不能平衡两端轴径不等的回转件。2.动平衡试验对于宽径比l/D>1/5的回转件，以及有特殊要求的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。下一页上一页返回第二节回转件的平衡

图15一8所示为电测式动平衡机的原理示意图，它是软支撑动平衡机，由驱动系统、转子支撑系统(摆架)和振动测量系统三部分组成。驱动系统由电动机经带传动和万向节，带动转子以选定的转速转动。转子的支撑架由弹簧片悬吊，构成一个双摆架势弹性振动系统。转子上的偏心质量所产生的离心惯性力，驱使支撑架沿水平方向振动，再通过传感器将此振动量变换为电信号。下一页上一页返回第二节回转件的平衡测振系统的任务是根据传感器送来的振动信号，测出转子不平衡质量的大小和方向。传感器拾得的振动信号首先进入面的分离电路，以消除左、右两面间的相互影响，然后将信号放大和选频，使其频率与转子转动的频率相