贵州大学机械原理教案第六章程.doc

个人收集整理 勿做商业用途
贵州大学教案
课程名称：机械原理
授课教师
＊＊*
所在单位
机械基础教研室
课程类别
课堂理论教学
授课时间
06~07学年1学期11周
周一第2大节，2学时
授课内容
刚性转子的平衡实验
授课对象
机械学院XXXX班、选课156人
教学内容提要

引言：    设计出已平衡的转子,由于制造和装配的不精确,材质的不均匀等原因，仍会产生新的不平衡.这时已无法用计算来进行平衡,而只能借助于平衡实验。 平衡实验就是用实验的方法来确定出其不平衡量的大小和方位,然后利用增加或除去平衡质量的方法予以平衡.
授课内容： 第三节 刚性转子的平衡实验
1.静平衡实验
（1)实验的方法： 先把转子支承在两水平放置的摩擦很小的导轨式静平衡仪或滚轮式静平衡仪上,当存在偏心质量时，转子就会在支承上转动直至质心处于最低位置时才能停止,这时可在质心相反的方向上加上校正平衡质量,再重新使转子转动,反复增减平衡质量,直至转子在支承上呈随遇平衡状态，即转子已达到静平衡.

导轨式静平衡仪 滚轮式静平衡仪
(2）实验的特点 这种静平衡实验结构简单，操作方便,但工作效率较低.因此,对于批量转子的平衡，可采用一种单面平衡机进行平衡.

教学内容提要

2。动平衡实验
转子的动平衡实验一般需在专用的动平衡机上进行。动平衡机有各种不同的型式，各种动平衡机的构造及工作原理也不尽相,又有通用平衡机和专用平衡机之分、但其作用都是用来测定需加于两个平衡基面中的平衡质量的大小及方位。
　　(1)实验机的组成 动平衡实验机 主要由驱动系统、支承系统、测量指示系统等部分组成。
　　（2）实验机的工作原理 当前工业上使用较多的动平衡机是根据振动原理设计的,测振传感器将因转子转动所引起的振动转换成电信号,通过电子线路加以处理和放大,最后用电子仪器显示出被试转子的不平衡质径积的大小和方位。
图示为一种带微机系统的动平衡机的工作原理示意图
该动平衡机由机械部分、振动信号预处理电路和微机三部分组成.它利用平衡机主轴箱端部的小发电机信号作为转速信号和相位基准信号,由发电机拾取的信号经处理后成为方波或脉冲信号,利用方波的上升沿或正脉冲通过计算机的PIO口触发中断,使计算机开始和终止计数,以此达到测量转子旋转周期的目的.由传感器拾取的振动信号，
在输入A/D转换器之前需要进行一些预处理.这一工作是由信号预处理电路来完成的,其主要工作是滤波和放大，并把振动信号调整到A/D卡所要求的输入量的范围内；振动信号经过预处理电路处理后，即可输入计算机,进行数据采集和解算，最后由计算机给出两个平衡平面上需加平衡质量的大小和相位，而这些工作是由软件来完成的
　3。现场平衡
对于一些尺寸很大的转子，如几十吨重的大型发电机转子等，要在实验机上进行平衡是很困难的。另外,有些高速转子，虽然在制造期间已经过平衡实验达到良好的平衡状态,但由于装运蠕变和工作温度过高或电磁场的影响等原因，仍会发生微小变形而造成不平衡。在这些情况下,一般可进行现场平衡。
所谓现场平衡，就是通过直接测量机器中转子支架的振动,来反映转子的不平衡量的大小及方位,进而确定应加平衡质量的大小及方位,并加重或去重进行平衡.

教学内容提要

第四节 转子的许用不平衡量
　经过平衡实验的转子,不可避免地还会有一些残存的不平衡。欲减小这种残存的不平衡量，就需要使用更精密的平衡实验装置,更先进的测试设备和更高的平衡技术,这就意味着要提高成本。因此,根据工作要求，对转子规定适当的许用不平衡量是很必要的。
　　(1)转子的许用不平衡量的表示方法：
　　1）质径积表示法，转子的许用不平衡质径积以［mr]表示。质径积是与转子质量有关的一个相对量，常用于具体的转子.
　　2）偏心距表示法，转子的质心至回转轴线的许用偏心距以为[e］表示。偏心距是一个与转子质量无关的绝对量，常用在衡量转子平衡的优劣或衡量平衡的检测精度的情况.
　　(2)转子的许用不平衡量两种表示法的关系:
[e］ ＝ [m r]／m
目前我国尚未定出标准，但国际标准化组织制定有各种典型转子的平衡等级和许用不平衡量(表6—1），可供选参考使用。使用时应注意下列两种情况:
　　1）对于静不平衡的转子,许用不平衡量取由表中计算出值。
　　2)对于动不平衡的转子,由表中计算出的值,再应将其分配到两个平衡基面上.

第五节 挠性转子动平衡简述
　 关于挠性转子的平衡问题，是近几十年来才发展起来的新课题.根据目前提出的理论,对于挠性转子，应在若干个轴面内按一定规律配置平衡配重,才能得到满意的平衡效果。由于各种大型和高速回转机械的迅速发展,其转子的工作转速又多超过了其本身的临界转速，尤其是对于大型汽轮发电机组、涡轮机、高速离心机等等,挠性转子的平衡已成为这些产品设计制造和运行中的技术关键之一。有关挠性转子的平衡理论和具体的平衡方法可参考有关的专题文献,这里就不详细介绍了.

教学内容提要
　第六节 平面机构的平衡
对于机构中作往复运动或平面复合运动的构件,其在运动中产生的惯性力则不可能在构件本身上予以平衡，所以必须就整个机构设法加以平衡。
　　当机构运动时,其各运动构件所产生的惯性力可以合成为一个通过机构质心的总惯性力和一个总惯性力偶矩，这个总惯性力和总惯性力偶矩全部由基座承受。因此，为了消除机构在基座上引起的动压力，就必须设法平衡这个总惯性力和总惯性力偶矩。故机构平衡的条件，是作用于机构质心的总惯性力 FI 和总惯性力偶矩MI分别为零，
即

因在实际的平衡计算中,总惯性力偶矩对基座的影响应当与驱动力矩和阻抗力矩(它们与机械的工作性质有关,单独平衡往往无意义)一并来研究，故这里只研究总惯性力的平衡问题.由于机构的总惯性力为 FI＝—maS ,且质量 m 不可能为零，所以欲使总惯性力为零，必须使aS ＝0，即应使机构的质心静止不动？ 因此,在对机构进行平衡时,就是运用增加平衡质量等方法,使机构的质心静止不动。
1。完全平衡　
完全平衡是机构的总惯性力恒为零.而为了达到完全平衡的目的,可采取下述方法。
(1）利用对称机构平衡
采用图示的对称布置方式
使惯性力得到完全平衡,由于机构各构件的尺寸和质量完全对称，故在运动过程中其总质心将保持不动.利用对称机构可得到很好的平衡效果,但机器的体积将会增大。

教学内容提要

(2)利用平衡质量平衡
如图铰链四杆机构，设构件1、2、3的质量分别为m1、m2、 m3，其质心分别位于s´1、s´2、s´3,设构件2的质量m2分别位于B、C两点，
m2B= m2l CS´2/lBC
m2C= m2l BS´2/lBC
在构件1的延长线上加一平衡质量m´平衡构件1的质量m1和m2B，使构件1的质心移动到固定轴A，
m´=（ m2B *lAB+ m1 ＊lAS1‘）/r ´
同理：m´´=（ m2C *lDC + m3＊ lDS3‘）/r ´´
则机构的总质心S´位于AD线上一固定点，即as´=0，机构的惯性力已得到平衡。
由此可知,采用机构的完全平衡，将会大大增加机构的质量。因此，实际上往往不采用这种方法，而宁肯采用下述的部分平衡的方法.
2.部分平衡
所谓部分平衡,是指平衡机构总惯性力中的一部分。
1) 利用平衡机构平衡
图6—13利用机构两滑块加速度方向相反,惯性力相反,故可抵消部分，但因它们的运动规律并不完全相同，所以部分抵消。
图6-14利用机构两摇杆加速度方向相反，惯性力相反，惯性力得以部分抵消.
2)利用平衡质量平衡
图6—15曲柄滑块机构，运用质量代换将连杆2的质量m2用集中于B、C两点的质量m2B,m2C来代换，将曲柄1的质量m1用集中于B,A两点的质量m1B，m1A来代换,系统惯性力集中B，C两点:
质量mB= m2B＋m1B 产生得离心惯性力FΙB
质量mC= m2C＋m3 产生得往复惯性力FΙ

教学内容提要
曲柄延长线加平衡质量：
m´=mBl AB/r
平衡FΙC，
随曲柄摆角的不同而变化，
滑块C的加速度方程为:
aC≈ω²lABCOSφ
图示的曲柄滑块机构，用质量静替代可得到两个可动的替代质量mB和mC.质量mB所产生的惯性力，只需在曲柄1的延长线E点处加一平衡质量me2即可完全被平衡.质量mC作往复移动，会产生往复惯性力。可在曲柄延长线上E处再加一平衡质量me2来平衡此力。但质量me2产生的惯性力只部分平衡往复惯性力。显然，这只是一种近似平衡法。
由此可知,对机构进行部分平衡，即可减小机构惯性力的不良的影响,又可减小机构所增加的配重,故一般对机械的工作较为有利。
集中质量mC所产生得往复惯性力
F ΙC≈mCω²lABCOSφ
为了平衡惯性力F ΙC，可在曲柄的延长线上距A为r的地方再加上一平衡质量m"
M” =mcl AB/r
其产生的离心惯性力F”Ι分解为：
（水平） F"Ιh＝m"ω²rCOS（180°＋φ)
＝－mCω²lABCOSφ
＝－FΙC 达到平衡
（垂直） F”Ιv＝m"ω²rsin(180°＋φ）
＝－mCω²lABsinφ 不利机加工
F”Ιh ＝（1/3～1/2）FΙC
即m”=（1/3~1/2）mcl AB/r
通过这样的平衡，既减小往复惯性力，也使垂直方向产生的新的不平衡惯性力不至过大.
对四缸,六缸和捌缸发动机，各缸适当排列，使往复质量之间自动达到力与力矩的完全平衡，消除发动机振动,应使各缸活塞质量，连杆质量，质心位置一致。

教学内容提要
时间分配及备注

3)利用弹簧平衡
　　例6－9 利用弹簧进行铰链四杆机构的部分平衡
　　由此可知，对机构进行部分平衡,即可减小机构惯性力的不良的影响,又可减小机构所增加的配重,故一般对机械的工作较为有利。
本次课总结：
1）经过平衡设计后生产出来的转子通常需要进行平衡试验。
当D/b≥5时，可在平衡架上进行静平衡试验。
当D/b<5时，则需要在动平衡机上进行动平衡试验。
绝对平衡的转子是不存在的，所以应根据实际工作的要求适当地选定转子的平衡品质，并由此得出许用偏心距或许用质径积。
    实际运转中的转子在通过平衡设计及平衡试验后，它的偏心距或质径积应小于其许用偏心距或许用质径积。这时,即可保证转子安全运转。
2）在进行机构型式设计时，一定要分析机构的受力状况，根据不同的机构类型选取适当的平衡方式。在尽可能消除或减少机构的总惯性力和惯性力矩的同时，还应使机构的结构简单，尺寸较小，从而使整个机械具有良好的动力学特性。

第 页

教学目的
及要求
1、。熟练掌握刚性转子的平衡设计方法，了解平衡试验的原理及方法。
2、掌握平面机构惯性力平衡的方法，学会用质量静替代法计算平衡质量。
教学重点
与难点
重点： 刚性转子的平衡设计方法
教学手段
CAI（动画）、板书（即兴讲解）、结合
参考资料
参看其它有关教材及论文
课后小结
课后根据课堂教学效果总结
作业
习题

76