CN103016613B - 一种消除机械设备振动力矩的对转平衡方法及其平衡结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除机械设备振动力矩的对转平衡方法。该方法包括以下步骤：将机械设备的运动部件设置成第一运动组件和第二运动组件，第一运动组件包括安装在机械设备的机体上的第一转动轴以及设置在第一转动轴上的若干部件，第二运动组件包括第二转动轴以及设置在第二转动轴上的若干部件，第二转动轴的旋转方向与第一转动轴的旋转方向相反；使第一运动组件作用在所述机体上的合力矩与第二运动组件作用在所述机体上的合力矩相互平衡。本发明还公开了一种对转平衡结构。本发明能从源头上平衡因转动部件角加速度导致机组振动的转动力矩。

Description

一种消除机械设备振动力矩的对转平衡方法及其平衡结构

技术领域

本发明涉及一种消除机械设备振动力矩的对转平衡方法及其结构。

背景技术

对于运转中有转速波动的机械设备，特别是如柴油机、汽油机、压缩机等往复机械，这类机器的作用或负荷每转中都会有数次周期的幅值变化，因而发生旋转部件转速的波动，转速波动造成了机组本身的振动。其它机械设备，如电机、风机等也有如此现象，只是通常较轻微。在现有技术中，通常采用增加缸数、加装惯性飞轮、扭振减振器等手段，来减小每转中的转速脉动，以达到到减小机组的振动的目的。

然而，现有技术很难有效地降低转速波动机组的振动。这是因为，现有技术忽略了旋转角加速度振动力矩不平衡的影响，以致造成一些转速波动较大的设备的振动偏大。振动力矩是一种以力矩方式激励机械设备产生振动的激励源。

图1示出了变转速旋转部件的力矩对机体振动的激励。如图所示，对旋转部件a上施加力矩Ma(t)，Ma(t) =Ja * Ea(t)，其中Ja为旋转部件a的转动惯量Ja，Ea(t)为旋转部件的角加速度。反作用力矩Mar(t)同时反作用于施加力矩的相对的对象上。通常对旋转部件施加力矩的其它对象是设备的机体，这个反作用施加的力矩Mar(t)就对设备的机体进行振动激励。

现有的运转的机械设备，由于输入或输出的波动，导致旋转部件的转速产生波动，因此或多或少存在着引起设备振动的不平衡力矩；特别是往复式发动机、压缩机等转速波动较大的设备，它的不平衡力矩对设备的振动激励更大。但是，由于不平衡力矩与其它振动激励源共生，并且未被人们重视，因此很少有对不平衡旋转力矩振动机理的研究。从机体的振动分析，现有的减振技术对不平衡旋转振动力矩控制基本无效或效果不理想，这是因为作用在机体上的旋转振动力矩没有得到有效的消除。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种消除机械设备振动力矩的对转平衡方法及其对转平衡结构，其能从源头上平衡因转动部件角加速度导致机组振动的转动力矩。

本发明公开了一种消除机械设备振动力矩的对转平衡方法，该机械设备包括固定的机体和对机体产生振动力矩的运动部件；该对转平衡方法包括：

将所述的运动部件设置成第一运动组件和第二运动组件，所述的第一运动组件包括安装在所述机体上的第一转动轴以及设置在所述第一转动轴上的若干部件，所述的第二运动组件包括第二转动轴以及设置在所述第二转动轴上的若干部件，所述第二转动轴的旋转方向与第一转动轴的旋转方向相反；

使第一运动组件作用在机体上的合力矩与第二运动组件作用在机体上的合力矩相互平衡。

上述的对转平衡方法，其中，使第一运动组件作用在机体上的合力矩与第二运动组件作用在机体上的合力矩相互平衡是通过调整第一运动组件和/或第二运动组件的转动惯量来实现。

上述的对转平衡方法，其中，设置在第一转动轴上的若干部件包括安装在第一转动轴上的第一齿轮，设置在第二转动轴上的若干部件包括安装在第二转动轴上的第二齿轮；第一齿轮与第二齿轮相互啮合。

上述的对转平衡方法，其中，第一转动轴和第二转动轴的转速相等；设置在第一转动轴上的若干部件包括安装在第一转动轴上的第一飞轮，设置在第二转动轴上的若干部件包括安装在第二转动轴上的第二飞轮； 第一飞轮和第二飞轮均具有一偏心质量，且该第一飞轮和第二飞轮的偏心质量相等。

本发明还公开了一种消除机械设备振动力矩的对转平衡结构，包括一机械设备，该机械设备包括固定的机体和对机体产生振动力矩的运动部件，其特点是，

所述的运动部件包括第一运动组件和第二运动组件，第一运动组件包括安装在机体上的第一转动轴以及设置在第一转动轴上的若干部件，第二运动组件包括第二转动轴以及设置在第二转动轴上的若干部件，第二转动轴的旋转方向与第一转动轴的旋转方向相反；

第一运动组件作用在机体上的合力矩与第二运动组件作用在机体上的合力矩相互平衡。

上述的对转平衡结构，其中，设置在第一转动轴上的若干部件包括安装在第一转动轴上的第一齿轮，设置在第二转动轴上的若干部件包括安装在第二转动轴上的第二齿轮；第一齿轮与第二齿轮相互啮合。

上述的对转平衡结构，其中，第一转动轴和第二转动轴的转速相等；设置在第一转动轴上的若干部件包括安装在第一转动轴上的第一飞轮，设置在第二转动轴上的若干部件包括安装在第二转动轴上的第二飞轮； 第一飞轮和第二飞轮均具有一偏心质量，且该第一飞轮和第二飞轮的偏心质量相等。

上述的对转平衡结构，其中，第一转动轴为曲轴，设置在第一转动轴上的若干部件包括连杆和活塞。

本发明的有益效果是：

1.本发明通过使两个对转力矩平衡，从源头消除了作用在机体上的不平衡力矩造成的振动源，从而有效减小机械设备因转速变化、转速波动和不平稳造成的振动；

2. 在等速对转的情况下，通过对转轮上的矢量配重，可以平衡往复力，减小往复机组的往复力的振动源。

附图说明

图1的（a）和（b）分别是现有的一种机械设备的结构示意图和简化模型图。

图2的（a）和（b）分别是图1的机械设备采用本发明的对转平衡方法后的结构示意图和简化模型图。

图3的（a）和（b）分别是图2的机械设备增加偏心质量后的结构示意图和简化模型图。

图4是现有的一种单缸压缩机组的结构示意图。

图5是采用本发明的对转平衡方法的单缸压缩机的结构示意图。

图6是现有的一种惯性飞轮的结构示意图。

图7是根据本发明一实施例的对转轮的结构示意图。

图8是现有的另一种单缸压缩机组的结构示意图。

图9是采用本发明的对转平衡方法的另一种单缸压缩机组的结构示意图。

图10是对转平衡轮的结构示意图。

图11是图10的A-A剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出进一步说明。

本发明所指的旋转的“振动力矩”是不平衡力矩中的一部分内容，专指机械设备中：1）作用于运动部件、使旋转部件在运行中产生角加速度的、和转速相关的、周期性波动的振动力矩；2） 该振动力矩的反作用力矩作用在机械设备的固定的机体上，产生设备的机体振动。

根据本发明一实施例的消除机械设备振动力矩的对转平衡方法，包括以下步骤：

将机械设备的运动部件设置成第一运动组件和第二运动组件，第一运动组件包括安装在机体上的第一转动轴以及设置在第一转动轴上的若干部件，第二运动组件包括第二转动轴以及设置在第二转动轴上的若干部件，第二转动轴的旋转方向与第一转动轴的旋转方向相反；上述的若干部件可以是一个部件，也可以是多个部件；

使第一运动组件作用在机体上的合力矩与第二运动组件作用在机体上的合力矩相互平衡。

其中，每一运动组件对机体所产生的振动力矩是由转轴和设置在该转轴上的各个部件所产生的分力矩的矢量总和。通过控制，使第一运动组件对机体产生的振动力矩与第二运动组件对机体产生的振动力矩相互平衡，即消除了机体承受的运动部件因转速波动产生的振动力矩。

对于现有的机械设备而言，可以将机械设备原有的转动部件作为第一运动组件，将增加的第二转动轴和对转平衡轮作为第二转动组件，或者，可以将该机械设备运动部件中一个或若干个零部件当作对转平衡轮。将两个相反转向对转的所有部件分别计算出对机体的两个转向的振动力矩，通过调整第一运动组件和/或第二运动组件的转动惯量，使作用在机体上的振动力矩的合力矩平衡，实现消除作用在机体上的不平衡力矩造成的振动源。

图2中显示的机械设备在图1显示的机械设备中增加了第二运动组件，该第二运动部件包括对转轮b；由第二运动组件产生的平衡力矩Mbr(t)，与原先存在的旋转部件a对机体激振的振动力矩Mar(t)平衡后，消除了作用在机体100上、使机体100振动的振动力矩激励。平衡的数学表达式如下：

Ma（t）=Ja*Ea(t)

Mar(t)=-Ma(t)      Mb（t）=Jb*Eb(t)

Mbr(t)=-Mb(t)

Mar(t)=- Mbr(t)

式中，Ja、Jb分别为旋转部件a和对转轮b的转动惯量，Ma(t)和Mb(t)为分别作用在旋转部件a和对转轮b上的力矩，使旋转部件a和对转轮b各自产生角加速度Ea(t)和Eb(t)。作用力矩Ma(t)与作用在机体上的反作用力矩Mar(t)大小相等、方向相反；作用力矩Mb(t)与作用在机体上的反作用力矩Mbr(t)大小相等、方向相反。在该机械设备中，作用在机体上的反作用力矩Mar(t)与Mbr(t)大小相等、方向相反，达到消除作用在机体上的振动力矩的目的。

由上述的数学式可知，旋转部件的转速可以相同或不同。相同的转动惯量转速高的，产生的力矩也大。因此，实现对转平衡可采用两种计算方法：1）不同转速的对转平衡计算，需要计算参考机体的力矩平衡；2）同转速的对转平衡计算，只需要控制第一运动组件与第二运动组件的转动惯量平衡就可以了。

根据角加速度振动频率和幅值，可选取固定转速比的传动形式。传动形式一般选用齿轮等硬特性的传动；低频振动力矩的消除还可以采用链、带等软特性的传动形式。

对于不同转速的对转平衡，通过增加转速可以降低第二运动组件的转动惯量，减轻质量。另外，对于同转速的对转平衡轮结构，在同转速的对转零部件中可以通过增加偏心质量，消除往复振动力。参考图3，对转轮b的对转转速与原振动力矩当量旋转部件a的转速相等，产生的对转平衡力矩消除原设备的振动力矩，同时，可以在旋转部件a和对转轮b上配置偏心质量Za和Zb，来平衡如活塞这些非旋转运动部件产生的往复力。

本发明的对转平衡方法在应用于传动链基本不变的简单机械设备（如汽油机、柴油机发电机组、压缩机、泵、风机）时，可将机械设备原来就设置的将部分飞轮划分到第二运动组件，可以在基本不改变原结构的基础上，达到降低转速脉动造成的振动和噪声的目的。本发明的对转平衡方法在应用于受力复杂、传动速比、转向等在运行中有改变的复杂传动系统（比如车辆、船舶动力传动系统）时，应考虑各种传动状态下的振动力矩的平衡，以进一步降低车船动力系统的振动和噪声。比如，在发动机和离合器间平衡振动力矩，可以改善空转时车船的振动噪声。

原理上，实现第一转动组件与第二转动组件之间反向旋转的机构可以任意布置。实施中，可将对转齿轮副布置在传动链的中间，这样可以有效利用机械设备的原有部件，避免过多的增加重量，另外，由于对转齿轮副处在传递动力的中间，可以避免齿轮啮合间的脱啮现象。

以下以单缸压缩机组为例，来更详细地阐述本发明的对转平衡轮方法的应用。

图4示出了现有的一种单缸压缩机组的结构。该单缸压缩机组包括机体11、曲轴12、连杆13、活塞14、惯性飞轮15和电机17。利用惯性飞轮15的转动惯性可稳定曲轴12的转速，但是其对不希望振动过大的机体的减振效果不佳。图6是惯性飞轮15的结构示意图。

图5示出了图4的单缸压缩机组在采用本发明的对转平衡方法后的结构示意图。该单缸压缩机组的运动部件被分为了第一运动组件和第二运动组件，其中，第一运动组件包括曲轴12和设置在曲轴12上的连杆13、活塞14、自由端惯性飞轮15a以及第一齿轮16a，第二运动组件包括电机17、设置在电机的输出轴上的对转轮15b和第二齿轮16b。曲轴12和电机17的输出轴分别相当于前述的第一转动轴和第二转动轴。第一齿轮16a与第二齿轮16b相互啮合，起改变旋转方向的对转作用。并且，第一齿轮16a与第二齿轮16b的齿数相等。

在齿轮啮合处分成旋转方向相反的对转的两部分，由于转速相同，因此，只需第一转动组件和第二组件的转动惯量相对，即可实现对转力矩的平衡。需要说明的是，与曲轴12同向旋转合成转动惯量的部件包括从齿轮啮合处分成的所有运动部件，包括：曲轴12、连杆13、活塞14、自由端惯性飞轮15a、装在曲轴12上的第一齿轮16a；与对转轮15b一起合成对转力矩平衡的部件，包括对转轮15b、电机17和安装在电机17的输出轴上的第二齿轮16b。即：J曲轴+ J连杆 + J活塞 +J自由端惯性飞轮 + J第一齿轮= J第二齿轮 + J对转轮 + J电机。这两部分运动组件合成的一对对转力矩幅值相等、方向相反，即作用在机体11上的合力矩为零，从而消除了不希望有振动的机体上的振动激振源，从源头上消除了因振动力矩产生的机体振动。

图5中，对转的自由端惯性飞轮15a和对转轮15b带有偏心质量，且二者的偏心质量相等，用于平衡由活塞、曲轴连杆部件产生的往复激振力，消除往复激振力对机体11往复振动的激励。图7示出了该对转轮15b的结构示意图。

另外，最好是，图5中的自由端惯性飞轮15a和对转轮15b的转动惯量之和，与图6中的惯性飞轮15的转动惯量基本相等。即原惯性飞轮15的转动惯性，被分配到自由端惯性飞轮15a和对转轮15b。

带减速齿轮传动的单缸压缩机组是不等速对转平衡应用的典型例子之一。图8显示了现有的这种结构的单缸压缩机组。该单缸压缩机组包括机体21、曲轴22、连杆23、活塞24、惯性飞轮25、行星齿轮组26和电机27。其中，电机27的转速为3000转/分钟，通过1：3的行星齿轮组26传动降速，驱动1000转/分钟的压缩机工作。由于转速波动较大，在转动惯量与角加速度乘积的振动力矩驱动下，机体21的振动较大。

图9示出了图8的单缸压缩机组在采用本发明的对转平衡方法后的结构示意图。其中，将行星齿轮减速的传动结构改为了一对齿轮的传动方式。该单缸压缩机组的运动部件被分为了第一运动组件和第二运动组件，其中，第一运动组件包括曲轴22和设置在曲轴22上的连杆23、活塞24、惯性飞轮25a、第一配重28a，第二运动组件包括电机27、设置在电机的输出轴上的第二齿轮26b和第二配重28b。其中，如图10和图11所示，该惯性飞轮25a包括飞轮部251和齿圈部252、飞轮部251包括本体部251a以及由该本体部251a的一侧面向外延伸的凸环251b，齿圈252套设在该凸环251b上，并与飞轮部251固定连接。在图中所示的实施例中，齿圈252通过多个螺钉253与本体部251a固定连接。齿圈252与第二齿轮26b啮合，通过采用对转的齿轮传动，将一部分的转动惯量改变旋转方向、形成对转，使压缩机的曲轴22和电机27的输出轴由同向旋转变成对转的转向，并使第一运动组件和第二运动组件作用在机体21上的合力矩为零，从而消除了因振动力矩造成的机体振动。

由于电机27的输出轴的转速是曲轴22的转速的三倍，与电机27同轴旋转的第二齿轮26b、第二配重28b和电机27合成的转动惯量，作用在机体21上的力矩M等于以曲轴转速的相同转动惯量产生力矩的三倍，这是因为通过传动速比，转速和角加速度同样增加到三倍。

由于对转转速不同，在本实施例中，无法像同转速的对转轮对上配置偏心质量来平衡往复激振力。

本发明还公开了一种消除机械设备振动力矩的对转平衡结构，包括一机械设备，机械设备包括固定的机体和运动部件。 该运动部件包括第一运动组件和第二运动组件，第一运动组件包括安装在机体上的第一转动轴以及设置在第一转动轴上的若干部件，第二运动组件包括第二转动轴以及设置在第二转动轴上的若干部件，第二转动轴的旋转方向与第一转动轴的旋转方向相反；第一运动组件作用在机体上的合力矩与第二运动组件作用在机体上的合力矩相互平衡。

Claims (10)

1.一种消除机械设备振动力矩的对转平衡方法，所述的机械设备包括固定的机体和对所述机体产生振动力矩的运动部件；其特征在于，该对转平衡方法包括：

将所述的运动部件设置成第一运动组件和第二运动组件，所述的第一运动组件包括安装在所述机体上的第一转动轴以及设置在所述第一转动轴上的若干部件，所述的第二运动组件包括第二转动轴以及设置在所述第二转动轴上的若干部件，所述第二转动轴的旋转方向与第一转动轴的旋转方向相反；各所述部件的振动力矩等于该部件的转动惯量与该部件的角加速度的乘积；

使第一运动组件作用在所述机体上的振动力矩的合力矩与第二运动组件作用在所述机体上的振动力矩的合力矩相互平衡。

2.如权利要求1所述的对转平衡方法，其特征在于，上述的使第一运动组件作用在所述机体上的合力矩与第二运动组件作用在所述机体上的合力矩相互平衡是通过调整第一运动组件和/或第二运动组件的转动惯量来实现。

3.如权利要求1所述的对转平衡方法，其特征在于，设置在所述第一转动轴上的若干部件包括安装在第一转动轴上的第一齿轮，设置在所述第二转动轴上的若干部件包括安装在第二转动轴上的第二齿轮；所述的第一齿轮与第二齿轮相互啮合。

4.如权利要求1所述的对转平衡方法，其特征在于，所述的第一转动轴和第二转动轴的转速相等；设置在所述第一转动轴上的若干部件包括安装在第一转动轴上的第一飞轮，设置在所述第二转动轴上的若干部件包括安装在第二转动轴上的第二飞轮；

所述的第一飞轮和第二飞轮均具有一偏心质量，且该第一飞轮和第二飞轮的偏心质量相等。

5.如权利要求1所述的对转平衡方法，其特征在于，所述的机械设备为汽油机、柴油机、压缩机、泵或风机。

6.一种消除机械设备振动力矩的对转平衡结构，包括一机械设备，所述的机械设备包括固定的机体和对所述机体产生振动力矩的运动部件，其特征在于，

所述的运动部件包括第一运动组件和第二运动组件，所述的第一运动组件包括安装在所述机体上的第一转动轴以及设置在所述第一转动轴上的若干部件，所述的第二运动组件包括第二转动轴以及设置在所述第二转动轴上的若干部件，所述第二转动轴的旋转方向与第一转动轴的旋转方向相反；各所述部件的振动力矩等于该部件的转动惯量与该部件的角加速度的乘积；

该第一运动组件作用在所述机体上的振动力矩的合力矩与第二运动组件作用在所述机体上的振动力矩的合力矩相互平衡。

7.如权利要求6所述的对转平衡结构，其特征在于，设置在所述第一转动轴上的若干部件包括安装在第一转动轴上的第一齿轮，设置在所述第二转动轴上的若干部件包括安装在第二转动轴上的第二齿轮；所述的第一齿轮与第二齿轮相互啮合。

8.如权利要求6所述的对转平衡结构，其特征在于，所述的第一转动轴和第二转动轴的转速相等；设置在所述第一转动轴上的若干部件包括安装在第一转动轴上的第一飞轮，设置在所述第二转动轴上的若干部件包括安装在第二转动轴上的第二飞轮；

所述的第一飞轮和第二飞轮均具有一偏心质量，且该第一飞轮和第二飞轮的偏心质量相等。

9.如权利要求6所述的对转平衡结构，其特征在于，所述的机械设备为汽油机、柴油机、压缩机、泵或风机。

10.如权利要求6所述的对转平衡结构，其特征在于，所述的第一转动轴为曲轴，所述的设置在第一转动轴上的若干部件包括连杆和活塞。