1、電子工業出版社電子工業出版社普通高等教育普通高等教育“十二五十二五”機電類規劃教材機電類規劃教材第第1616章章 機械的平衡與調速機械的平衡與調速機械設計基礎（第機械設計基礎（第2 2版）版）薛銅龍薛銅龍 主編主編河南理工大學河南理工大學機械與動力工程學院機械與動力工程學院2014 年年 6 月月2 2 第1節 機械平衡的目的、分類及方法 第2節 剛性回轉體的平衡計算 第3節 剛性回轉體的平衡試驗 第4節 機械速度波動產生的原因及調節方法 第5節 飛輪的設計原理第第1616章章 機械的平衡與調速機械的平衡與調速3 3重點學習內容重點學習內容掌握機械產生周期性速度波動的原因及調節；理解飛輪調速的

2、基本原理；掌握回轉構件的動平衡和靜平衡原理。第第1616章章 機械的平衡與調速機械的平衡與調速4 4第第1 1節節 機械平衡的目的、分類及方法機械平衡的目的、分類及方法 機械平衡的目的就是為了完全或部分消除慣性力給機械帶來的不良影響，以改善機械工作性能和延長其使用壽命。 研究機械中慣性力的分布及其變化規律，以消除或減少慣性力和慣性力矩的問題，即為機械平衡問題。1 1 機械平衡的分類機械平衡的分類機械的平衡可分為回轉件回轉件平衡和機構機構平衡兩大類。 1) 1) 回轉件的平衡回轉件的平衡 回轉件是指繞固定軸線轉動的構件，其慣性力和慣性力矩的平衡問題稱為回轉件的平衡。根據回轉件的工作轉速的不同，回

3、轉件的平衡又分為以下兩類。 5 51) 1) 回轉件的平衡回轉件的平衡 a 剛性回轉件的平衡工作轉速低于一階臨界轉速低于一階臨界轉速、其旋轉軸線撓曲變形可以忽略不計的回轉件稱為剛性回轉件的平衡。 b 撓性回轉件的平衡工作轉速高于一階臨界轉速高于一階臨界轉速、其旋轉軸線撓曲變形不可忽略的回轉件稱為撓性回轉件的平衡。 2) 2) 機構的平衡機構的平衡 對于存在有往復運動或平面復合運動構件往復運動或平面復合運動構件的機構，其慣性力和慣性力矩不可能在構件內部消除，但所有構件上的慣性力和慣性力矩可合成為一個通過機構質心并作用于機架上的總慣性力和慣性力矩。 這類平衡問題必須就整個機構加以研究，應設法使其總

4、慣性力和總慣性力矩在機架上得到完全或部分平衡，所以這類平衡又稱為機構在機架上的平衡。 第第1 1節節 機械平衡的目的、分類及方法機械平衡的目的、分類及方法6 62 2 機械平衡的方法機械平衡的方法1)1)平衡設計平衡設計 在機械的設計階段，除了要保證其滿足工作要求及制造工藝要求外，還要在結構上采取措施消除或減少產生有害振動的不平衡慣性力，即進行平衡設計。2)2)平衡試驗平衡試驗 經過平衡設計的機械，雖然從理論上已經達到平衡，但由于制造不精確、材料不均勻及安裝不準確等非設計方面的原因，還會有不平衡現象。這種不平衡在設計階段是無法確定和消除的，需要通過試驗的方法加以平衡。 第第1 1節節 機械平衡

5、的目的、分類及方法機械平衡的目的、分類及方法7 7第第2 2節節 剛性回轉體的平衡計算剛性回轉體的平衡計算 1 1 剛性回轉體慣性力系的剛性回轉體慣性力系的平衡條件平衡條件慣性力系的主矢和主矩均等于零: FI = 0 , MI = 0 1) 1) 靜平衡靜平衡 不平衡狀態可以通過靜態試驗靜態試驗顯示出來，所以稱為靜不平衡。 2) 2) 動平衡動平衡 將通過質心的中心慣性主軸作為回轉軸。 這種不平衡只有在回轉體轉動起來時才能顯示出來，因而稱為動不平衡。 8 82 2 靜平衡計算靜平衡計算 C C0i immm err質量分布在同一回轉平面內的剛性回轉體的平衡條件是：回轉體中各質量的質徑積的質徑積

6、的矢量和等于零矢量和等于零。這類轉子的平衡稱為靜平衡靜平衡。質徑積質徑積 b/d0.2 矢量圖解法矢量圖解法第第2 2節節 剛性回轉體的平衡計算剛性回轉體的平衡計算 9 9B/D 0.2BDm3m1m2m3m1m2 近似認為各偏心質量均位于同一回轉平面內。第第2 2節節 剛性回轉體的平衡計算剛性回轉體的平衡計算 1010靜平衡靜平衡第第2 2節節 剛性回轉體的平衡計算剛性回轉體的平衡計算 1111F F F F F F 需在兩個需在兩個平衡基平衡基面面上施加上施加( (或減去或減去) )。a a、幾何條件、幾何條件 B/D 0.2 即不能忽略力矩的影響。即不能忽略力矩的影響。b b、力平衡條件

7、、力平衡條件 Fi = 0 Mi = 0c c、特點、特點 平衡基面：施加平衡基面：施加( (或減去或減去) )平衡質平衡質量點所在的回轉面。量點所在的回轉面。3 3 動平衡計算動平衡計算 其質量不是分布于其質量不是分布于同一回轉平面內同一回轉平面內 第第2 2節節 剛性回轉體的平衡計算剛性回轉體的平衡計算 12123 3 動平衡計算動平衡計算 一般應在回轉件上適當位置加入若干平衡質量，以使整個回轉件的離心慣性力系的主主矢和主矩矢和主矩均等于零， 第第2 2節節 剛性回轉體的平衡計算剛性回轉體的平衡計算 13133 3 動平衡計算動平衡計算 如果回轉件上的離心慣性力F1可以由分別作用在平面I和

8、內的兩個平行分力F1和F1來代替。F1和F1的大小根據靜力學平衡方程式為 111111FFFFLLLL 1111111111rrrrmLLmmLLm 111111mLLmmLLmr1= r1= r1 平面平面I I內的平衡質徑積內的平衡質徑積 0CC332211rrrrmmmm 平面平面內的平衡質徑積內的平衡質徑積可由下式 0CC332211 rrrrmmmm第第2 2節節 剛性回轉體的平衡計算剛性回轉體的平衡計算 1414步驟：步驟：(1) 分別將各回轉平面上集中質量點mi所產生的慣性力Fi (或質徑積、重徑積)向兩個平衡基面上分解，得到Fi和Fi 。(2) 分別在兩個平衡基面上用靜平衡的方

9、法求解平衡質量點的質徑積mi ri(或重徑積)。第第2 2節節 剛性回轉體的平衡計算剛性回轉體的平衡計算 1515第第3 3節節 剛性回轉體的平衡試驗剛性回轉體的平衡試驗 1 1 靜平衡試驗靜平衡試驗結構比較簡單，操作也很方便，工作效率較低。 16162 2 動平衡試驗動平衡試驗轉子的動平衡試驗一般需在專用的動平衡機動平衡機上進行。動平衡機有各種不同的型式，各種動平衡機的構造及工作原理也不盡相同，有通用平衡機，專用平衡機(如陀螺平衡機、曲軸平衡機、渦輪機轉子平衡機、傳動軸平衡機等)，但其作用都是用來測定需加于兩個平衡基面兩個平衡基面中的平衡質量的大小及方位。動平衡試驗機主要由驅動系統、支承系統

10、、測量指示系統等部分組成。當前工業上使用較多的動平衡機是根據振動原理設計的，測振傳感器將因轉子轉動所引起的振動轉換成電信號，通過電子線路加以處理和放大，最后用電子儀器顯示出被試轉子的不平衡質徑積的大小和方位。第第3 3節節 剛性回轉體的平衡試驗剛性回轉體的平衡試驗 1717 機械系統速度波動可以分為周期性速度波動周期性速度波動和非周期性非周期性速度波動速度波動。 周期性波動周期性波動是由于機械系統動能增減呈周期性變化，造成主動軸角速度隨之作周期性的波動。 非周期性波動非周期性波動是由于機械系統驅動力或阻力不規則的變化造成隨機的速度波動。 如果驅動功在長時間內總是小于阻抗功式，則機械系統運轉的速

11、度會不斷下降，直到停車。 如果驅動功在較長時間內總是大于阻抗功，機械系統運轉的速度將不斷升高，當超過機械系統所允許的最高轉速時，機械系統將不能正常工作。第第4 4節節 機械速度波動產生的原因及調節方法機械速度波動產生的原因及調節方法 1818 第第4 4節節 機械速度波動產生的原因及調節方法機械速度波動產生的原因及調節方法 1919第第5 5節節 飛輪的設計原理飛輪的設計原理 2020 機械系統運轉發生速度波動時，由于速度的變化規律不易獲得，工程上常用算術平均角速度近似代替實際平均角速實際平均角速度（名義轉速或角速度）。度（名義轉速或角速度）。maxmin2m 為了正確描述機械系統運轉的不均勻

12、程度，引入機械系統運轉不均勻系數不均勻系數。maxminm 如果過大，將影響機械系統正常工作，工程上對各種機械系統的運轉不均勻系數規定了許用值許用值 。第第5 5節節 飛輪的設計原理飛輪的設計原理 2121機械名稱交流發電機0.0020.003直流發電機0.0050.01內燃機0.0070.0125船用發動機0.0070.05紡紗機0.010.017減速機0.0150.02機械名稱農業機械0.020.20軋鋼機0.040.10破碎機0.100.20沖、剪、鍛床0.050.15金屬切削機床0.020.05壓縮機和水泵0.030.05第第5 5節節 飛輪的設計原理飛輪的設計原理 2222 飛輪實際上是一個半徑很大，且絕大部分質量集中在輪輪緣部分的輪輻式結構的輪子緣部分的輪輻式結構的輪子。飛輪設計的關鍵是確定飛輪轉飛輪轉動慣量動慣量，使機械系統的運動不均勻系數控制在許用范圍內。由于機械系統中其他運動構件的動能比飛輪動能小很多，一般近似地任務飛輪的動能就等于整個機械系統所需的動能。 飛輪的最大變化量Emax應等于機械系統最大盈虧功Wmax。22maxmaxmaxminmaxmin12WEEEJ maxminmaxmin2J2mJ 第第5 5節節 飛輪的設計原理飛輪的設計原理 2323設飛輪的轉速為n (r/min)，/30mnmax22900WJn由上式可知：當Wm