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平衡是通過合理分配各運動件中的質量,以消除或減少機械運轉時由於慣性力所引起的振動的措施。

1 平衡 -平衡

 

2 平衡 -正文

  通過合理分配各運動件中的質量,以消除或減少機械運轉時由於慣性力所引起的振動的措施。平衡問題是隨著快速旋轉機械的出現而出現的,並且隨著汽輪機、發電機、電動機、離心泵、壓縮機和陀螺儀的出現變得越來越突出,因而它是機械動力學所研究的一個重要問題。
  在繞定軸轉動的轉子上,各質點的離心慣性力組成一個空間力系,根據力學原理將它們向任何一點簡化,均可得到一個離心慣性力F和一個慣性力偶Μ。這個離心慣性力和慣性力偶將引起轉子的振動,這種轉子稱為不平衡轉子。不平衡轉子在轉動時,可能會發生轉子斷裂的重大事故。為了使轉子得到平衡,必須滿足F=0,Μ=0的條件,這就是轉子平衡的力學原理。
  設計轉子時,可以通過合理分配質量,使轉子在理論上達到平衡。但是,由於轉子材料的缺陷和製造的誤差等因素,轉子仍會產生不平衡,而這種不平衡又有很大的隨機性。因此,轉子在裝配前必須進行平衡試驗,再調整轉子質量的分佈以達到所需的平衡精度,從而保證轉子的正常運行。此外,連桿機構也有平衡的問題。
  轉子的平衡  分為剛性轉子的平衡和撓性轉子的平衡。工作轉速小於0.75倍第一階臨界轉速的轉子稱為剛性轉子;工作轉速大於 1.4倍第一階臨界轉速的轉子稱為撓性轉子。①剛性轉子的平衡:分為靜平衡和動平衡。一般在轉子的長度L與轉子外徑D之比L/D≤1/5時,可進行靜平衡;當L/D≥1時則必須進行動平衡。對於皮帶輪、齒輪、飛輪和鐘錶擺輪等軸向尺寸小、徑向尺寸大的轉動件,由慣性力偶引起的支承動反力較小,可忽略不計。這類轉子可看成為同一平面內的迴轉質量,它們的平衡條件是慣性力F=0。只要設法將其質心移至軸線上,則轉子就處於平衡狀態。這種移動質心至軸線上的平衡方法稱為轉子靜平衡,可在專門的靜平衡架上進行。軸向長度較大的轉子,如多級汽輪機、發電機和電動機的轉子等,都應看作是不在同一平面的迴轉質量。它們的平衡條件應該同時滿足不平衡慣性力F=0和不平衡慣性力偶Μ=0的條件。這一類的平衡問題稱為轉子動平衡。進行轉子動平衡計算時,可根據靜力學定律將所有不平衡質量產生的離心慣性力,分配到兩個任意選擇的校正面Ⅰ和Ⅱ上,並簡化為兩個等效不平衡慣性力平衡平衡。這樣便可以在校正面Ⅰ、Ⅱ上分別加上兩個校正質量,使其產生的離心慣性力分別與等效不平衡慣性力平衡平衡大小相等,方向相反,轉子即可得到平衡。但是,轉子由於材料不均勻和製造誤差等原因造成的質量不平衡具有很大的隨機性,事先無法用計算確定,所以這類轉子在製造出來以後一般都需要在動平衡試驗機上測定其在兩個預定的校正面上應加的校正質量,以便校正。②撓性轉子的平衡:撓性轉子必須進行動平衡,其方法是:先將轉子在剛性範圍內,即工作轉速小於0.75倍第一階臨界轉速時進行動平衡,再在撓性範圍內,即工作轉速大於 1.4倍第一階臨界轉速時測出其彎曲變形,作為新的不平衡,然後用兩個大小相同而方向相反的校正力矩來防止彎曲變形。這種平衡的關鍵是:合理選擇校正面,正確分佈平衡質量,使轉子內的彎矩儘可能小。多年來人們一直在研究撓性轉子的平衡試驗。由於各種轉子的特性和採用的平衡設備不同,平衡方法也不同。利用電子計算機收集和處理數據,可大大提高平衡效率。
  機構的平衡  在連桿機構中有的構件作往複運動,有的構件作平面複合運動。因此,這些構件產生的慣性力和慣性力偶就不能完全由構件各自平衡。其平衡問題必須就整個機構來加以研究。若機構運動構件的總質量為m,總質心的加速度為a,則總慣性力為F=-ma。由於機構總質量m不為零,要使機構在任何位置時F=0,則機構質心應作直線勻速運動或靜止不動。對於一般的連桿機構,在設計時作到慣性力的平衡或者作到一次往複慣性力平衡已能滿足工程要求。如果要達到完全平衡,即F=0、Μ=0,則是一個複雜的問題。對於運轉平衡性要求很高的機構,除了慣性力平衡外,可再取一次往複慣性力偶的平衡,作到近似地滿足動平衡。
  現場平衡  當轉子的尺寸或重量很大,不便放在平衡機上進行平衡,或者轉子平衡後置於工作條件下其振動狀態還不令人滿意時,可在其本身的軸承和支架上進行現場平衡。由於是在機器本身的軸承上進行平衡,難免存在阻尼和諧振,因此測量不平衡相角和量值等有關問題都比在平衡機上複雜得多。機構的平衡常採用現場平衡。現場平衡的方法尚有待進一步實踐和發展。
  參考書目
 H.施奈德著,廖日岳譯:《平衡技術理論與實踐》,機械工業出版社,北京, 1981。(Hatto Schneider,Auswuchttechnik, VDI-Verlag GmbH Verlag des Vereins,Düsseldorf,1977.)

 

3 平衡 -配圖

 

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