機械振動：平衡

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。

平衡原理

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。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﹐=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布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。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=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和。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和大小相等﹐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。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﹐正確分布平衡質量﹐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。