Bài giảng Nguyên lý máy - Chương 5: Cân bằng máy - Nguyễn Tân Tiến
CIMEC lab
10/11/2009
Theory of Machine
5.1
Balancing of Machinery
5. CÂN BẰNG MÁY
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
Theory of Machine
5.2
Balancing of Machinery
$1. Đại cương
I. Mục đích cân bằng máy
Khi cơ cấu và máy làm việc, luôn xuất hiện lực quán tính
Lực quán tính thay đổi tùy theo chu kỳ làm việc của máy và phụ thuộc vị trí
của cơ cấu áp lực trên các khớp phụ thuộc vào lực quán tính và thay đổi
có chu kỳ
Áp lực này được gọi là phản lực động phụ (phân biệt với áp lực không đổi do
tải trọng tĩnh gây nên)
Vì biến thiên có chu kỳ nên lực quán tính là nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện
tượng rung động trên máy và móng máy làm giảm độ chính xác của máy và
ảnh hưởng đến các máy xung quanh, nếu cộng hưởng có thể phá hủy máy
Phải khử lực quán tính, loại trừ nguồn gốc gây nên rung động
Đây là mục đích của việc cân bằng máy
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
1
CIMEC lab
10/11/2009
Theory of Machine
5.3
Balancing of Machinery
$1. Đại cương
II. Nội dung cân bằng máy
Cân bằng máy là một việc rất phức tạp, ở đây chỉ khảo sát hai vấn đề cơ bản
Cân bằng vật quay
phân phối lạkhối lượng vật quay để khử lực quán tính ly tâm và moment
quán tính của các vật quay
Cân bằng cơ cấu
phân phối lạkhối lượng các khâu trong cơ cấu để khi cơ cấu làm việc, tổng
các lực quán tính trên toàn bộ cơ cấu triệt tiêu và không tạo nên áp lực động
trên nền
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
Theory of Machine
5.4
Balancing of Machinery
$2. Cân bằng vật quay
I. Các trạng thái cân bằng của vật quay
Ba trạng thái mất cân bằng của vật quay
Mất cân bằng tĩnh
Mất cân bằng động thuần túy
Mất cân bằng động hỗn hợp (mất cân bằng động)
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
2
CIMEC lab
10/11/2009
Theory of Machine
5.5
Balancing of Machinery
$2. Cân bằng vật quay
I. Các trạng thái cân bằng của vật quay
1. Mất cân bằng tĩnh
Xét một dĩa tròn khối lượng có trục quay đi qua trọng tâm dĩa và vuông góc
với mặt dĩa. Khi cho dĩa quay quanh trục, các phần tử trên dĩa gây ra những
lực quán tính hoàn toàn cân bằng nhau, không có lực tác dụng lên trục ngoại
trừ bản thân trọng lượng dĩa Ta nói dĩa được cân bằng tĩnh
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
Theory of Machine
5.6
Balancing of Machinery
$2. Cân bằng vật quay
I. Các trạng thái cân bằng của vật quay
1. Mất cân bằng tĩnh
P
qt
m
r
Gắn vào dĩa một khối lượng m tại bán kính , trọng tâm của dĩa lệch một đoạn
m
R
r 0
M m
Khi vật quay với vận tốc góc , sinh ra c qn nh ly m
P mr2 (M m)R2 0
qt
Ta nói dĩa mất cân bằng tĩnh
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
3
CIMEC lab
10/11/2009
Theory of Machine
5.7
Balancing of Machinery
$2. Cân bằng vật quay
I. Các trạng thái cân bằng của vật quay
2. Mất cân bằng động thuần túy
Ở những vật quay có chiều dày lớn, ngay khi trọng tâm của vật nằm trên
trục quay vẫn có thể còn lực quán tính không cân bằng
Xét vật đã cân bằng tĩnh
G
a
rG 0
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
Theory of Machine
5.8
Balancing of Machinery
$2. Cân bằng vật quay
I. Các trạng thái cân bằng của vật quay
2. Mất cân bằng động thuần túy
Gắn 2 khối nặng có khối lượng mm2 nằm ở hai bên trục quay và có bán
1 1
qt
kính tương ứng là r, thỏa m r m2r2
P2
r2
1
m2
R
G
2
a
R
m1
r
1
q
P1
m1r1 m2r2
rG
0
Trọng tâm của dĩa không thay đổi
1
qt
2
m1 m2 M
Khi vật quay với vận tốc góc , sinh ra c qn nh ly m
P m1r1
2 2
P2 m r 2
Mqt P1 a P2a 0
qt
Hai lực này tạo nên một ngẫu
qt
qt
gây nên phản lực động phụ trên trụ vật chỉ cân bằng ở trạng thái tĩnh mà
không cân bằng ở trạng thái động vật mất cân bằng động thuần túy
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
4
CIMEC lab
10/11/2009
Theory of Machine
5.9
Balancing of Machinery
$2. Cân bằng vật quay
I. Các trạng thái cân bằng của vật quay
3. Mất cân bằng động hỗn hợp (mất cân bằng động)
Khi vật quay mất cân bằng tĩnh, tồn tại lực quán tính
qt
P 0, Mqt 0
Khi vật quay mất cân bằng động thuần tuý, tồn tại moment lực quán tính
qt
P 0, Mqt 0
Thực tế, vật quay tồn tại cả lực quán tính và moment lực quán tính
qt
P 0, Mqt 0
ta gọi chung là mất cân bằng động hỗn hợp hay mất cân bằng động
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
Theory of Machine
5.10
Balancing of Machinery
$2. Cân bằng vật quay
II. Cân bằng vật quay có chiều dày nhỏ
1. Nguyên tắc cân bằng
Định nghĩ: vật được gọi là có chiều dày nhỏ khi kích thước chiều trục tương
đối nhỏ so với kích thước hướng kính sao cho có thể giả thiết khối lượng của
vật quay được phân bố chỉ trên một mặt phẳng vuông góc với trục quay
D
h
h D
Các tiết máy như bánh răng, pulley, … được xem là thuộc loại này
Nguyên tắc cân bằn: vật có chiều dày nhỏ mất cân bằng là do trọng tâm
của chúng không trùng với trục quay. Khi làm việc, phát sinh lực quán tính ly
tâm tác dụng lên trục làm vật mất cân bằng tĩnh. Do đó thực chất của việc
cân bằng là phân bố lại khối lượng sao cho trọng tâm của vật về trùng với
tâm quay để khử lực quán tính sinh ra khi làm việc
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
5
CIMEC lab
10/11/2009
Theory of Machine
5.11
Balancing of Machinery
$2. Cân bằng vật quay
II. Cân bằng vật quay có chiều dày nhỏ
1. Nguyên tắc cân bằng
Chứng min: Xét vật quay gồm các khối lượng mi=,…) có trọng tâm
nằm ở nút các vector bán kín. Khi trục quay với vận tốc góc , các khối
i
P miri2
lượng này sẽ gây ra những lực quán tính ly tâm
i
P
i
2
m r
i
P
rG
0
Trọng tâm của vật quay
B
m
mi
2
1
P
r
mi
2
r
Để cân bằng cần thêm vào một khối lượng m tại
bán kính sao cho lực quán tính ly tâm do nó gây
i mn
m1
r
1
rn
r
ra,
2 , cân bằng với lực quán tính ly tâm do
P
P mr
m
A
n
các khối lượng mgây nên
P
i
i i
P P mr2 m r2 0
i
hay mr m r 0
i
Phương trình này được giải bằng đa giác lực như đã biế xác định được
vị trí và lượng cân bằng cần thêm vào mr
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
Theory of Machine
5.12
Balancing of Machinery
$2. Cân bằng vật quay
II. Cân bằng vật quay có chiều dày nhỏ
1. Nguyên tắc cân bằng
Khi phương trình trên thỏa, trọng tâm chung của các khối nặng mvà khối
nặng m thêm vào sẽ về trùng với tâm quay
i
mr m r
i
2
rG
0
P
i
m
m
i
P
B
m
2
Tổng gọi là lượng mất cân bằng của vật quay
P
r
mi
1
2
r
i mn
Khối lượng m thêm vào gọi là đối trọng
m1
r
1
rn
r
Có thể thay thế việc thêm vào đối trọng m ở A bằng
cách lấy đi một khối lượng m ở vị tr, xuyên tâm
đối của A
P
m
A
n
P
Có thể dùng nhiều đối trọng thay cho một đối trọng. Ví dụ có thể dùng nhiều
mr m r
đặt tại các mút vector bán kính sao cho
r
i
m
khối lượng
i
i
i
Trường hợp vật quay có chiều dày nhỏ (cân bằn tĩnh), ta chỉ cần ít nhất một
đối trọng và chỉ cần tiến hành trên một mặt phẳng duy nhất
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
6
CIMEC lab
10/11/2009
Theory of Machine
5.13
Balancing of Machinery
$2. Cân bằng vật quay
II. Cân bằng vật quay có chiều dày nhỏ
2. Thí nghiệm cân bằng tĩnh
a. Phương pháp dò trực tiếp
1
2
Ưu điểm: thiết bị đơn giản, rẻ tiền, dễ thực hiện
Khuyết điểm: dò mất thời gian
thiếu chính xác do tồn tại ma sát giữa trục và dao cân bằng
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
Theory of Machine
5.14
Balancing of Machinery
$2. Cân bằng vật quay
II. Cân bằng vật quay có chiều dày nhỏ
2. Thí nghiệm cân bằng tĩnh
b. Phương pháp hiệu số moment
3
mmax
2
4
mi
mmin
r
5
1
rG
2
3
4
5
6 7 8 1
1
8
6
M
7
Chia vật quay làm nhiều phần bằng nhau và đánh số điểm chia
Đặt vật lên dao cân bằng và quay tiết máy theo một chiều nào đó, sao cho
tất cả các vị trí đánh số đều được đưa về vị trí nằm ngang
Ứng với vị tr, ta đặt một đối trọng mtại mút vector bán kính r sao cho vật
bắt đầu lăn trên dao. Khối lượng mđược ghi lại và lập thành đồ thị
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
7
CIMEC lab
10/11/2009
Theory of Machine
5.15
Balancing of Machinery
$2. Cân bằng vật quay
II. Cân bằng vật quay có chiều dày nhỏ
2. Thí nghiệm cân bằng tĩnh
b. Phương pháp hiệu số moment
Từ đồ thị ta xác định được giá
trị và vị trí các khối lượng mmax
và mmin
3
mmax
2
4
6
mi
mmin
r
5
1
Từ hình vẽ
rG
Mms MgrG mmax gr 0
MgrG mmin gr Mms 0
2
3
4
5
6 7
8
1
1
8
M
7
4
8
1
5
Suy ra lượng mất cân bằng
3
7
Mms
Mms
r
M
M
MrG (mmax mmin
)
6
mmax
2
mmin
rG
rG
r
2
6
2
r
M: khối lượng vật quay
r: bán kính trọng tâm
3
7
5
1
4
8
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
Theory of Machine
5.16
Balancing of Machinery
$2. Cân bằng vật quay
III. Cân bằng vật quay có chiều dày lớn
1. Nguyên tắc cân bằng
Định nghĩ: vật được gọi là có chiều dày lớn khi kích thước chiều trục tương
đối lớn so với kích thước hướng kính mà khối lượng không thể phân bố trên
một mặt phẳng vuông góc với trục quay
(II)
O
(i)
(I)
O
Nguyên tắc cân bằnvật quay hoàn toàn được cân bằng khi phân phối lại
khối lượng trên hai mặt phẳng tùy ý vuông góc với trục quay
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
8
CIMEC lab
10/11/2009
Theory of Machine
5.17
Balancing of Machinery
$2. Cân bằng vật quay
III. Cân bằng vật quay có chiều dày lớn
1t
Chứng min: (phương pháp chia lực)
+ Giả sử vật quay gồm nhiều mặt phẳng )i=…, có các trọng tâm mi
nằm vuông góc với trục quay và được đặt ở mút các vector bán kính ri
(II)
i
P
O
(i)
mi
i
P(II)
(I)
i
i
i
i
P P(I ) P(II )
r
P(I )
i
(I ) (I )
P ai P(II )ai(II )
O
i
i
ai(II )
ai(I )
i
P miri2
+ Khi trục quay với vận tố sẽ sinh ra các lực quán tính
+ Chọn hai mặt phẳng ) và I) làm hai mặt phẳng xử lý (cân bằng)
i
+ Chia lực
thành hai thành phần đặt trên hai mặt phẳng ) và I)
P
Bài toán xử lý lượng mất cân bằng trên từng mặt phẳng ) và I)
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
Theory of Machine
5.18
Balancing of Machinery
$2. Cân bằng vật quay
III. Cân bằng vật quay có chiều dày lớn
2. Sơ lược về máy cân bằng động
(I)
(II)
3
4
2
5
O
7
8
1
6
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
9
CIMEC lab
10/11/2009
Theory of Machine
5.19
Balancing of Machinery
$2. Cân bằng vật quay
IV. Tự cân bằng
ta gặp những loại máy có khối lượng vật quay thay đổi liên tục
như máy giặt, máy ly tâm, … làm cho giá trị và vị trí mất cân bằng của vật quay
thay đổi liên tục
A
NA
P
TA
mr
O
S
TB
P
B
NB
Để cân bằng vật quay trong trường hợp này, người ta gắn vào trục của vật
quay một bộ phận trong đó có những con lăn làm nhiệm vụ đối trọng cân bằng.
Biện pháp như vậy gọi là tự cân bằng
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
Theory of Machine
5.20
Balancing of Machinery
$2. Cân bằng vật quay
IV. Tự cân bằng
Na phương pháp này dựa trên cơ sở
Khi vật quay đạt tốc độ rất lớn ), trọng tâm của vật trùng với tâm quay
+ Gọi : khối lượng vật quay
O'
y : độ võng của trục quay
S
e
e : khoảng lệch tâm giữa trục quay và khối tâm
k : độ cứng chống uốn của trục quay
y
: tần số riêng của vật quay= k / m
m
P
+ Khi vật quay với vận tốc góc sẽ gây nên lực ly tâm
P m2 (e y)
O
+ Lực hồi phục
R k y
P R 0 hay m2 (y e)k y 0
+ Theo định luật Newton
m2e
e
e
y
k m2
r2
k
1
1
m2
2
r
+ Khi
tâm quay trùng với trọng tâm
0, y e hay y e 0
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
10
CIMEC lab
10/11/2009
Theory of Machine
5.21
Balancing of Machinery
$2. Cân bằng vật quay
IV. Tự cân bằng
r2
2
Trên thực tế, kh , ta có thể xem
0
Dựa vào nguyên tắc trên thực hiện tự cân bằng theo sơ đồ nguyên lý sau
A
NA
P
TA
mr
O
S
TB
P
B
NB
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
Theory of Machine
5.22
Balancing of Machinery
$3. Cân bằng cơ cấu (cân bằng máy trên móng)
I. Phương pháp khối tâm
1. Nguyên tắc cân bằng
Chỉ xét cơ cấu phẳng
Cơ cấu là một hệ chất điểm có khối tâm luôn di động trong quá trình chuyển
động của cơ cấu. Nếu thu gọn các lực quán tính của toàn bộ cơ cấu về khối
tâm của nó, ta được một vector chính P và một moment chính M
Cơ cấu hoàn toàn cân bằng khP = 0 và M = 0
Cân bằng M rất phức tạp chỉ xét cân bằng lực quán tính chính P
m : khối lượng cơ cấu
a: gia tốc khối tâm của cơ cấu
P maS
P 0 aS 0
Cân bằng cơ cấu bằng cách bố trí khối lượng các khâu sao cho khối tâm
luôn luôn cố định
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
11
CIMEC lab
10/11/2009
Theory of Machine
5.23
Balancing of Machinery
$3. Cân bằng cơ cấu (cân bằng máy trên móng)
I. Phương pháp khối tâm
2. Ví dụ
a. Cân bằng cơ cấu tay quay con trượt
Khối lượng các khâu mmm3
B
2
s2
2
r ,r ,r
Trọng tâm SSSđặt tại
l
l1
1
3
s1
r s
1
1
S1
S2
r2
r2 l1 s
2
s
S3
A
r l1 l2 s3
s3
C
3
r
3
Khối tâm cơ cấu
1
m1r1 m2r2 m3r3 m1s1 (m2 m3)l
m1 m2 m3
m2s2 m3l2
m3s3
rS
m1 m2 m3
m1 m2 m3 m1 m2 m3
1
m s (m m )l 0
1
2
3
1
Để khối tâm cố định, rS const
m2s2 m3l2 0
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
Theory of Machine
5.24
Balancing of Machinery
$3. Cân bằng cơ cấu (cân bằng máy trên móng)
I. Phương pháp khối tâm
2. Ví dụ
a. Cân bằng cơ cấu tay quay con trượt
s2
B
2
s2
B
l
mB
s1
l1
S1
S2
r2
mC
S3
C
s
S3
A
A
s3
C
r
s1
3
m2 m
3 l1
1
s1
m s (m m )l 0
m1
1
1
2
3
m
m2s2 m3l2 0
s2 3 l2
m2
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
12
CIMEC lab
10/11/2009
Theory of Machine
5.25
Balancing of Machinery
$3. Cân bằng cơ cấu (cân bằng máy trên móng)
I. Phương pháp khối tâm
2. Ví dụ
b. Cân bằng cơ cấu bốn khâu bản lề
l2
s2
Khối lượng các khâu mmm3
C
B
r ,r ,r
3
Trọng tâm SSSđặt tại
1
2
S2
h2
l1
h
1
r s
S3
1
1
l3
s1
s3
r
3
S1
r2 l1 s
2
h3
rS
r l1 l2 s3
A
D
3
S
l0
Khối tâm cơ cấu
1
1
m1s1 (m2 m3)l
m2s2 m3l2
m3s3
rS
rS h h2 h3
m m2 m3
m m2 m3 m m2 m3
1
1
1
h2
h3
h1
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
Theory of Machine
5.26
Balancing of Machine
$3. Cân bằng cơ cấu (cân bằng máy trên móng)
I. Phương pháp khối tâm
2. Ví dụ
b. Cân bằng cơ cấu bốn khâu bản lề
l2
s2
C
B
S2
h2
l1
h
1
S3
l3
s1
Bài toán có vô số lời giải
s3
r
h3
3
S1
rS
A
D
S
l0
r const
Để khối tâm không chuyển động,
. Điều này có thể thực hiện
S
1
được nếu đa giác véctơ tạo bởi các véctơ
và rS có phương
h ,h2,h3
song song các khâu và suất tỉ lệ theo
l2
rS
h
h2 h3
m2 (l2 s2 )
m3(l3 s3)
1
k m1s1
l1, m2s2
l0 l1 l2 l3
l2
l3
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
13
CIMEC lab
10/11/2009
Theory of Machine
5.27
Balancing of Machinery
$3. Cân bằng cơ cấu (cân bằng máy trên móng)
II. Phương pháp cân bằng từng phần
Xét cân bằng cơ cấu tay quay – con trượt
Phân phối khối lượng khâu 2 tập trung
tại hai điểm B và . Gọi các khối lượng
đó là mvà mC
B
l1
l2
s1
l2 s2
s2
mB m2
S2
S1
m m m
l2
B
C
2
S3
mBs2 mC (l2 s2 )
s2
l2
A
mC m2
C
m: khối lượng quay
mC : khối lượng tịnh tiến
Tùy yêu cầu, có thể cân bằng thành phần quay hay cân bằng thành phần tịnh tiến
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
Theory of Machine
5.28
Balancing of Machinery
$3. Cân bằng cơ cấu (cân bằng máy trên móng)
II. Phương pháp cân bằng từng phần
1. Cân bằng thành phần quay
B
B
l1
l2
l1
mB
s1
s1
s2
m1
S2
S1
mC
S3
S3
A
A
C
C
sn
mn
Bài toán trở về bài toán cân bằng vật quay đã xét
l2 s
s l
2 1
mnsn m1s1 mBl1 m1s1 m2
2 l1
mnsn m1s1 m2 l1
l2
l2
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
14
CIMEC lab
10/11/2009
Theory of Machine
5.29
Balancing of Machinery
$3. Cân bằng cơ cấu (cân bằng máy trên móng)
II. Phương pháp cân bằng từng phần
2. Cân bằng thành phần tịnh tiến
P
1
Lực quán tính sinh ra
1
mI
P (mC m3 )aC mtaC
qt
1
21
21
mII
l1
2
aC l11 cos1 cos 21
l2
P
qt
P
2
1
1
P
2
1
mII
Lực quán tính gồm
P P1 P2
21
21
qt
qt
qt
1
P1 mt12l1 cos1
mI
qt
1
l12
P
P2 mt12 cos 21
qt
l2
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
Theory of Machine
5.30
Balancing of Machinery
$3. Cân bằng cơ cấu (cân bằng máy trên móng)
II. Phương pháp cân bằng từng phần
2. Cân bằng thành phần tịnh tiến
P
1
Đối trọng cân bằng thoả
1
mI
2mI12r cos1 mt12l1 cos1
1
1
21
21
mII
l12
2mII (21)2 r2 cos 21 mt12 cos 21
l2
P
qt
P
2
1
1
P
2
1
mII
mtl1
2
mtl12
8l2
l1
mI r
(mB mC )
I
21
2
21
1
l12
mI
mII r
(mB mC )
II
1
8l2
P
HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department
Nguyen Tan Tien
15
Bạn đang xem tài liệu "Bài giảng Nguyên lý máy - Chương 5: Cân bằng máy - Nguyễn Tân Tiến", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_nguyen_ly_may_chuong_5_can_bang_may_nguyen_tan_tie.pdf