《軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)》課件

軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)課程目標(biāo)理解軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)現(xiàn)象了解軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生的原因、影響因素和危害。掌握扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的分析方法學(xué)習(xí)運(yùn)用理論模型和計(jì)算軟件分析軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性。了解扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的控制措施掌握常用的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)控制方法和技巧，例如改變軸系的結(jié)構(gòu)、增加阻尼器等。軸系概述旋轉(zhuǎn)部件軸系是機(jī)器中用于傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)部件，通常由軸、軸承、聯(lián)軸器等組成。動(dòng)力傳遞軸系將動(dòng)力從動(dòng)力源傳遞到工作機(jī)，例如發(fā)動(dòng)機(jī)到泵、電機(jī)到壓縮機(jī)等。運(yùn)動(dòng)傳遞軸系可用于傳遞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，例如齒輪箱、傳動(dòng)系統(tǒng)等。軸系的基本構(gòu)成軸是軸系的中心部件，承受扭矩和彎矩，將動(dòng)力傳遞給工作部件。軸承支撐軸，減小摩擦，確保軸的旋轉(zhuǎn)精度和穩(wěn)定性。齒輪用于改變轉(zhuǎn)速、扭矩，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換。聯(lián)軸器連接軸系，補(bǔ)償軸系的誤差，保證動(dòng)力傳遞的平穩(wěn)性。軸的受力分析載荷類型受力特點(diǎn)彎曲載荷由齒輪、皮帶輪等部件產(chǎn)生的徑向力引起。扭轉(zhuǎn)載荷由動(dòng)力傳遞產(chǎn)生的扭矩引起。軸向載荷由軸承、齒輪等部件產(chǎn)生的軸向力引起。組合載荷實(shí)際工作中，軸往往同時(shí)受到多種載荷的作用。軸的彎曲變形1彎曲應(yīng)力由于外力作用產(chǎn)生的內(nèi)力2彎曲變形軸線發(fā)生彎曲3彎曲強(qiáng)度軸抵抗彎曲變形的能力軸的扭轉(zhuǎn)變形1扭矩作用當(dāng)軸受到外力矩作用時(shí)，會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。2截面變化軸的截面會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，形成螺旋形。3應(yīng)力產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形會(huì)產(chǎn)生切應(yīng)力，在軸的表面最大。軸的應(yīng)力分布NormalStressShearStress軸的應(yīng)力分布取決于軸的形狀、尺寸、材料和載荷條件，通常由材料力學(xué)理論來(lái)分析計(jì)算。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的產(chǎn)生原因1不平衡力旋轉(zhuǎn)部件的質(zhì)量分布不均勻，會(huì)導(dǎo)致不平衡力，從而引發(fā)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。2周期性沖擊力例如，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生周期性沖擊力，傳遞到曲軸，導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。3齒輪嚙合齒輪嚙合時(shí)，由于齒形誤差和間隙的存在，會(huì)導(dǎo)致沖擊和振動(dòng)，進(jìn)而引起軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。4共振當(dāng)軸系系統(tǒng)的固有頻率與激勵(lì)力的頻率相一致時(shí)，會(huì)發(fā)生共振，導(dǎo)致振幅劇烈增大。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的基本原理周期性變化扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是一種機(jī)械振動(dòng)，它表現(xiàn)為軸系在扭轉(zhuǎn)方向上周期性地變化。能量傳遞扭轉(zhuǎn)振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致能量在軸系中傳遞，這可能會(huì)導(dǎo)致軸系失效或損壞。頻率影響扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的頻率與軸系的固有頻率有關(guān)，當(dāng)激振頻率接近固有頻率時(shí)，會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。單自由度扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)定義一個(gè)質(zhì)量體通過(guò)一個(gè)彈性元件連接到一個(gè)固定點(diǎn)，并能夠繞該固定點(diǎn)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。特點(diǎn)僅考慮一個(gè)振動(dòng)自由度，即扭轉(zhuǎn)角，并忽略其他方向的運(yùn)動(dòng)。應(yīng)用用于研究和分析簡(jiǎn)單機(jī)械系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性，如軸承、齒輪等。二自由度扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)1系統(tǒng)描述兩個(gè)質(zhì)量體，通過(guò)彈簧或剛性連接，構(gòu)成二自由度扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)。2振動(dòng)模式兩種不同的振動(dòng)模式，取決于兩個(gè)質(zhì)量體是否同步振動(dòng)。3系統(tǒng)分析分析二自由度系統(tǒng)特性，包括固有頻率和振型。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的控制措施扭振阻尼器通過(guò)增加系統(tǒng)阻尼，降低振動(dòng)幅度。齒輪參數(shù)優(yōu)化合理選擇齒輪尺寸和材料，避免共振。結(jié)構(gòu)剛度調(diào)整提高軸系的剛度，降低其靈敏度。重要參數(shù)的選取轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速是影響軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的重要因素之一。轉(zhuǎn)速越高，振動(dòng)幅度越大。因此，在軸系設(shè)計(jì)時(shí)，要選擇合適的轉(zhuǎn)速，避免共振現(xiàn)象。剛度軸系的剛度是指軸系抵抗變形的能力。剛度越高，振動(dòng)幅度越小。因此，在軸系設(shè)計(jì)時(shí)，要選擇合適的材料和結(jié)構(gòu)，提高軸系的剛度。阻尼軸系的阻尼是指軸系振動(dòng)能量衰減的速度。阻尼越大，振動(dòng)幅度越小。因此，在軸系設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用一些措施來(lái)提高阻尼，例如使用阻尼材料或增加摩擦。軸系設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)強(qiáng)度校核軸系設(shè)計(jì)需要進(jìn)行強(qiáng)度校核，以確保軸能夠承受工作載荷。剛度校核軸系設(shè)計(jì)需要進(jìn)行剛度校核，以確保軸能夠承受工作載荷，并保持一定的精度。振動(dòng)分析軸系設(shè)計(jì)需要進(jìn)行振動(dòng)分析，以確保軸能夠在工作狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行。軸承承載能力的計(jì)算1額定載荷軸承制造商提供的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷，代表軸承在特定條件下的承載能力。2實(shí)際載荷軸承在實(shí)際運(yùn)行中所承受的載荷，需要根據(jù)軸系的工作條件進(jìn)行計(jì)算。3安全系數(shù)考慮各種不確定因素，如材料性能、加工精度等，用于提高軸承的可靠性。4壽命計(jì)算根據(jù)實(shí)際載荷、安全系數(shù)和額定載荷，計(jì)算軸承的預(yù)期使用壽命。軸的疲勞強(qiáng)度校核1應(yīng)力集中分析軸上的應(yīng)力集中程度，如鍵槽、圓角等。2循環(huán)載荷確定軸所受的循環(huán)載荷類型和大小。3疲勞極限根據(jù)材料性質(zhì)和工作環(huán)境確定軸的疲勞極限。4安全系數(shù)選擇合適的安全系數(shù)，確保軸在疲勞失效前能夠安全工作。軸系可靠性分析1失效模式分析識(shí)別可能導(dǎo)致軸系失效的因素，例如材料疲勞、過(guò)度振動(dòng)、潤(rùn)滑不足等。2可靠性指標(biāo)評(píng)估軸系的可靠性指標(biāo)，例如平均故障間隔時(shí)間(MTBF)、可靠度和可用度等。3可靠性設(shè)計(jì)通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)、材料選擇、制造工藝等措施提高軸系的可靠性，降低失效風(fēng)險(xiǎn)。振動(dòng)檢測(cè)與故障診斷振動(dòng)傳感器用于采集軸系的振動(dòng)信號(hào)，包括加速度傳感器、速度傳感器和位移傳感器。收集到的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)處理和分析，可以識(shí)別軸系的運(yùn)行狀態(tài)，判斷是否存在故障。故障診斷根據(jù)振動(dòng)信號(hào)的特征，確定軸系的故障類型，并提出相應(yīng)的解決方案。振動(dòng)監(jiān)測(cè)與預(yù)防維護(hù)1定期監(jiān)測(cè)使用傳感器定期監(jiān)測(cè)軸系的振動(dòng)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常。2數(shù)據(jù)分析分析振動(dòng)數(shù)據(jù)，識(shí)別潛在的故障征兆，制定相應(yīng)的維護(hù)策略。3預(yù)防性維修根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行預(yù)防性維修，避免故障發(fā)生。軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)實(shí)例分析軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是機(jī)械設(shè)備中常見的故障，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的破壞和安全隱患。通過(guò)深入分析典型案例，可以更好地理解扭轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生的原因、危害及控制措施。案例一:機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是常見的故障。振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致齒輪磨損、軸承損壞，降低傳動(dòng)效率。振動(dòng)還會(huì)產(chǎn)生噪音，影響工作環(huán)境。案例二:渦輪機(jī)組汽輪機(jī)組汽輪機(jī)組的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)主要由汽輪機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)的周期性載荷引起，尤其是當(dāng)葉片頻率接近軸系的固有頻率時(shí)，振幅會(huì)急劇增大。燃?xì)廨啓C(jī)組燃?xì)廨啓C(jī)組的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)則主要由燃燒室產(chǎn)生的周期性壓力波動(dòng)引起，這些壓力波動(dòng)會(huì)傳遞到轉(zhuǎn)子，導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。水輪機(jī)組水輪機(jī)組的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)則主要由水流的沖擊力和壓力變化引起的，尤其是當(dāng)水流頻率接近軸系的固有頻率時(shí)，振幅會(huì)急劇增大。案例三:柴油機(jī)曲軸系曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)柴油機(jī)曲軸系承受著巨大的扭矩波動(dòng)，易發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。振動(dòng)危害過(guò)大的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致曲軸斷裂、連桿斷裂等嚴(yán)重故障。預(yù)防措施可以通過(guò)優(yōu)化曲軸設(shè)計(jì)、安裝阻尼器等措施來(lái)降低扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。案例四:離心泵軸系旋轉(zhuǎn)軸承離心泵的軸承通常為滾珠軸承或滾柱軸承，用于支撐旋轉(zhuǎn)的軸。徑向載荷離心泵的軸承主要承受徑向載荷，即由泵葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向外推力。軸向載荷泵葉輪和軸之間可能存在一定的軸向載荷，需要軸承設(shè)計(jì)和選型進(jìn)行考慮。案例五:電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子不平衡轉(zhuǎn)子不平衡會(huì)導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)和噪音，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成軸承損壞。磁場(chǎng)不均勻磁場(chǎng)不均勻會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，產(chǎn)生振動(dòng)和噪音。轉(zhuǎn)子軸承磨損轉(zhuǎn)子軸承磨損會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的振動(dòng)，影響電機(jī)運(yùn)行效率。案例六:齒輪箱齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)齒輪箱是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，用于改變轉(zhuǎn)速、扭矩和運(yùn)動(dòng)方向。齒輪箱應(yīng)用齒輪箱廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械、汽車、航空航天等領(lǐng)域，為機(jī)器提供可靠的動(dòng)力傳動(dòng)。振動(dòng)監(jiān)測(cè)齒輪箱的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)會(huì)影響其使用壽命，需要通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。典型故障案例及原因分析軸承失效軸承磨損、疲勞裂紋、潤(rùn)滑不足、安裝不當(dāng)?shù)三X輪失效齒面磨損、齒根疲勞斷裂、潤(rùn)滑不良、安裝精度不足等軸體失效軸體彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞、應(yīng)力集中、材料缺陷等軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)控制措施減振器減振器可以吸收振動(dòng)能量，降低軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的幅度。平衡通過(guò)平衡轉(zhuǎn)動(dòng)部件，減少不平衡力引起的振動(dòng)。剛度設(shè)計(jì)合理設(shè)計(jì)軸系的剛度，避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。