机械设计基础 第4版 课件 第11章 机器速度与机械平衡

第11章机器速度与机械平衡11.1机器速度的波动与调节11.2机械的平衡11.1机器速度的波动与调节11.1.1机器速度波动的原因机器是在外力(驱动力与阻力)联合作用下运转的，从启动到停止一般经历三个过程：1．启动阶段：这个阶段，机器是由静止状态逐步转化到稳定运转状态。在这个过程中，驱动力所消耗的功大于阻力所做的总功，驱动功的剩余部分用来增加机器的动能，所以在启动阶段机器做加速运动。2．稳定转动阶段：在此阶段，机器的驱动功等于阻力总的消耗功，其动能不再增加，理论上机器保持等速。但实际情况是机器的驱动功往往不等于阻力总的消耗功，所以机器会围绕某一速度做周期性波动。3．停转阶段：当撤去驱动力后，机器的驱动功变为零，机器凭借原有的储存动能继续运转。但由于机器需要克服阻力的功，其动能逐渐减少，转速下降，直至机器停止运转。从机器运转的三个阶段可知：机器在运转时遵守能量守恒定律，在任意时间间隔内驱动功与总消耗功之差等于该时间间隔内机器动能的变化，即：

大多数机器在稳定转运阶段的速度是不恒定的，主要原因是：机器在运转过程中驱动功与总消耗功是不相等的，所以机器的动能是变化的，从而机器的速度也发生波动。11.1.2周期性速度波动的调节调节周期性速度波动常用的方法是在机械中加一个转动惯量足够大的回转体，即飞轮。盈功使飞轮动能增加，亏功使飞轮动能减少。由动力学可知，飞轮的动能变化为：从上式可以看出，当动能变化数值相同时，飞轮的转动惯量J越大，其角速度的波动就越小。

11.1.3非周期性速度波动的调节非周期性速度波动产生的原因是：机器在工作时驱动力或工作阻力无规律地变化导致机器运转速度的波动没有一定的规律。如果在一段时间内驱动功总是大于总消耗功，则机器运转速度将持续上升，直到超过机器极限速度而导致机器损坏；反之，如果驱动功总是小于总消耗功，则机器的运转速度将不断下降直至停止运转。非周期性速度波动不能用飞轮进行调节，只能用特殊的装置使输入功与输出功趋于平衡，这种装置通常称为调速器。右图就是一种离心式调速器。离心式调速器的工作原理1-工作机；2-汽轮机11.2机械的平衡11.2.1回转体平衡的目的与分类

回转体由于制造、装配误差以及材质不均等原因造成质量分布不均，其质心有可能不在回转体轴线上，从而产生惯性力。惯性力使机械的构件和基础产生振动，将降低机器的工作精度、机械效牢及可靠性，甚至缩短机器的使用寿命。尤其当振动频率接近系统的固有频率时会引起共振，将造成重大损失。根据回转体的不平衡形式可分为以下两种：1．静不平衡如齿轮、飞轮、砂轮等构件，这些回转体轴向尺寸很小，可将偏心质量当成位于同一回转平面内，如果发生不平衡，是由于重心不在回转轴上的缘故。由此产生的不平衡状态在同转体静止时也可以显示出来，所以称为静不平衡。如右图所示。如多缸发动机曲轴、电动机转子等回转体，由于轴向尺寸较大，一般是转子的宽径比(B／D)大于0.2，就不能近似认为质量分布于同一平面内，而是分布在不同的几个回转平面内。如右图所示，在这种情况下，即使回转体的质心在回转轴线（见右图）

动不平衡回转体上，但是由于各偏心质量产生的离心惯性力不在同一回转平面内，存在的惯性力偶尔使回转体不平衡。这种不平衡状态只有在回转体运转的情况下才能显示出来，所以称为动不平衡。2．动不平衡动不平衡回转体由上面的分析可知，静不平衡的偏心质心是分布在同一回转体内。当回转体以角速度

旋转时，各质量产生的离心惯性力构成一个平面汇交力系。如果它们的合力

不等于零，则回转体不平衡。要使其平衡必须在同一回转平面内增加或在相反位置减去一质量．使其产生的离心力与原有质量产生的离心力矢量之和等于零，此回转体就达到平衡状态，即：11.2.2静平衡计算及静平衡试验上式可改写成：当总质量的质心与回转体轴线重合，即e=0时，构件对回转轴线的静力矩等于零，称为静平衡。所以机械系统处于静平衡的条件是所有质径积的矢量等于零。

经过计算后加上平衡质量的回转体，理论上应该是平衡的，但是由于制造或装配等误差存在，实际上还达不到预期的平衡要求，所以还需要进行回转体的静平衡试验。11.2.3动平衡计算及动平衡试验由于动平衡状态下，回转体质量分布不能近似认为位于同一个回转平面内，所以动平衡回转体回转时产生离心空间力系。要使回转体平衡，必须满足各质量产生的离心力的合力和合力矩都等于零。如上图所示，假设在平面内有偏心质量m1、m2、m3，其向

径分别为r1、r2、r3。当回转体绕O-O轴回转时，离心惯性力F1、F2、F3组成一个空间力系。现选定两个校正平面和，把m1、m2、m3向这两个平面分解，得到：这样可以认为回转体的偏心质量集中在和两个平面内。对于校正平面的平衡方程为：作出向量图，即可求出。从上述分析的动平衡原理可知，轴向尺寸较大的回转体。必须分别在任意两个校正平面内各加一个适当的质量，才能使回转体达到平衡。利用专门的动平衡试验机测试出回转体不平衡质量、向径确切的大小和位