第5章 机械的调速和平衡,5-1 机械速度波动的调节 5-2 机械的平衡,基本要求: 了解机械功、能和原动件运动速度的特点 掌握飞轮调速原理及飞轮设计的基本方法 了解非周期性速度波动的基本概念和方法 了解机械平衡的目的及分类 掌握刚性转子静、动平衡的原理和方法,机械设计基础机械的调速和平衡,5-1 机械速度波动的调节,一、作用在机械上的力 二、机械运转过程 三、速度波动的分类 四、周期性速度波动的衡量指标 五、飞轮的设计,机械设计基础机械的调速和平衡,一、作用在机械上的力,外力：重力、摩擦力、驱动力、工作阻力 工作阻力：机械工作时需克服的生产阻力 驱动力：驱动原动件运动的力 机器动能方程式： W = Wd (Wr+Wf)=Wd-Wc = E2 E1= E 外力功 = 驱动功 阻力功 = 系统动能的增量 盈功：驱动力作的功大于阻力作的功 亏功：驱动力作的功小于阻力作的功,机械设计基础机械的调速和平衡,二、机械系统运转过程（功、能转换）,1 起动阶段(0 m) 特点：WdWr =m 2 稳定运转阶段(m) 特点：Wd=Wr =m 匀速稳定运转: m =C 变速稳定运转：周期性的速度波动, mC 非周期性波动: mC 3 停车阶段(m 0) 特点： WdWr m=0,机械设计基础机械的调速和平衡,总之 , 只要 wdwc ，则 E 0 变化（速度波动）,三、速度波动的分类,稳定运转阶段的速度变化： 匀速的、周期性波动、非周期性波动 影响： 速度波动动压力振动，噪音, 工作质量降低 分类： 1 周期性速度波动及其调节 2 非周期性速度波动及其调节,机械设计基础机械的调速和平衡,1 周期性速度波动及其调节,特点: (1) 在一个周期T内: Wd-Wc=E=0 (2) 机器的位置、速度、加速度和受力等呈周期性的变化,机械设计基础机械的调速和平衡,调节方法： 飞轮转动惯量很大的回转构件(能量储存器) 飞轮作用：调速 飞轮调速原理： WdWr 盈功 动能 飞轮储存能量，使 ； WdWr 亏功 动能 飞轮释放能量，使 ； J越大，调速作用越好 瞬时过载时，利用飞轮释放的能量克服，减小原动机功率,2 非周期性速度波动及其调节,特点: 工作阻力或驱动力发生突变发生“停车”或“飞车” WdWr 盈功 动能 “飞车“ WdWr 亏功 动能 “闷车“,机械设计基础机械的调速和平衡,调节方法： 自调节原动机的驱动力矩是速度的函数，且具有下降的趋势时 调速器调节驱动力,调速器工作原理图,机械设计基础机械的调速和平衡,四、周期性速度波动的衡量指标,1. 绝对不均匀度,许用不均匀系数 见p51表5-1,得,3. 速度不均匀系数(相对不均匀度）,2. 平均角速度,机械设计基础机械的调速和平衡,m,min,五、飞轮的设计,1 飞轮设计的基本原理 2 最大盈亏功Amax的确定 3 飞轮主要尺寸的确定,机械设计基础机械的调速和平衡,关键：根据wm、 确定飞轮的JF. 最大盈亏功Amax与动能的增量的关系：,分析：(1) Amax、m=const.JF -成反比 -不宜选取过小的 -不能完全消除系统周期性速度波动 (2) JF 、m=const. Amax -成正比 - Amax 愈大机器速度波动愈严重 (3) Amax 、=const. JF -2m成反比 -为减少JF,飞轮宜安装在转速较高的轴上,机械设计基础机械的调速和平衡,1 飞轮设计的基本原理,d,设 在T内，Md与Mr变化规律如图示，Je为常数 当 Md Mr 时外力对系统作正功，(盈功)动能，速度 MdMr 时外力对系统作负功，(亏功) 动能 ，速度 Md=Mr时=0，出现min 和 max(如图示) min min(b) max max(e) 在b到e区间外力对系统作的功称为最大盈亏功 Amax,能量指示图,b,c,e,a,机械设计基础机械的调速和平衡,2 最大盈亏功Amax的确定,3 飞轮主要尺寸的确定,根据飞轮的转动惯量确定飞轮的具体结构尺寸,机械设计基础机械的调速和平衡,5-2 机械的平衡,机械设计基础机械的调速和平衡,一、机械平衡的目的及内容 二、回转构件的平衡计算 三、回转构件的平衡实验,一、机械平衡的目的及内容,1 惯性力及其影响 2 机械平衡的目的 3 机械平衡的分类 4 机械平衡的方法,机械设计基础机械的调速和平衡,1 惯性力及其影响,运动的构件按运动形态可分为三类： 定轴转动、往复直线运动、复杂平面运动 除：1）等速直线运动的构件 2）质量分布对其转动轴线完全对称的等速转动构件 其它构件在运动过程中都将产生惯性力或惯性力偶矩 举例说明 不平衡后果：电风扇、砂轮磨削、轴的塑性变形 产生附加动压力 摩擦、磨损、效率、振动噪音. 影响机械的工作精度、可靠性、寿命. 造成破坏性事故,机械设计基础机械的调速和平衡,2 机械平衡的目的,减少或消除惯性力,机械设计基础机械的调速和平衡,3 机械平衡的分类,回转构件的静平衡 对长径比1/5的构件，作单面平衡，（即厚度与直径的比值，又称盘型部件） 回转构件的动平衡 对长径比1/5的构件，作双面平衡,机械设计基础机械的调速和平衡,4 机械平衡的方法,(1) 平衡设计 设计阶段从结构上采取措施，进行平衡设计 (2) 平衡试验 通过试验的方法加以平衡,机械设计基础机械的调速和平衡,二、回转构件的平衡计算,条件：b /D 1/5, 所有惯性力可认为在同一个平面上 惯性力为平面汇交力系：,其合力,平衡方法：在合力F的反向加mb, 使,平衡：去重或配重,则,机械设计基础机械的调速和平衡,静平衡结论:,产生静不平衡的原因是惯性合力不为零 静平衡的条件：分布于转子上的各个偏心质量的离心惯性力的合力为零，或质径积的向量和为零 对于静不平衡的刚性转子，无论它有多少个偏心质量，只要适当增加（或减小）一个平衡质量，就能使其获得平衡。即对静不平衡的转子，需加平衡质量的最少数目为1，故动平衡又称单面平衡,机械设计基础机械的调速和平衡,三、回转构件的的动平衡计算,条件：b /D 1/5，不能认为质量分布在同一平面 实例：电动机的转子、汽轮机的转子、多缸内燃机曲轴,不能认为质量分布在同一平面,静平衡而动不平衡,机械设计基础机械的调速和平衡,动平衡设计,动平衡条件,将所有质量向另外两个平面投影(等效替换), 最后在两个平面内加上平衡质量使之静平衡,平面1,平面2,机械设计基础机械的调速和平衡,动平衡结论,产生动不平衡的原因是合惯性力、合惯性力偶矩均不为零（特殊情况下，合惯性力为零，而合惯性力偶矩不为零） 动平衡的条件：转子上各个质量所产生的空间惯性力系的合力及合力偶均为零 对于动不平衡的刚性转子，只要分别在选定的两个平面内各加适当的平衡质量，就能达到完全平衡。即要使转子达到动平衡，所需加的平衡质量的最少数量为2。故动平衡又称双面平衡 由于动平衡同时满足静平衡的条件，故经过动平衡的转子一定静平衡；反之，经过静平衡的转子不一定是动平衡的,机械设计基础机械的调速和平衡,三、刚性转子的平衡实验,一、静平衡实验 常用静平衡架来平衡回转构件 二、动平衡实验 对平衡要求较高的高速回转构件，需在动平衡机上作动平衡实验,机械设计基础机械的调速和平衡,随遇平衡,1 静平衡实验,刀 口 式 静 平 衡 架,动画演示,机械设计基础机械的调速和平衡,2 动平衡实验,1. 电机 2. 带传动 3. 万向联轴节 4. 试件 5-6. 传感器 7. 解算电路 8. 选频放大器 9. 仪表 10. 整形放大器 11. 鉴相器 12. 光电头 13. 整形放大器 14. 相位标记 15. 相位表,机械设计基础机械的调速和平衡,例：,设偏心质量m=10kg，偏心距e =1mm，=314 rad/s 则： 惯性力：F = me2=101x10-33142=986 N 重量： G = mg=10 9.8=98 N 可见 ：FG, F 惯性力的方向随构件的转动而作周期性变化,机械设计基础机械的调速和平衡,