内燃机旋转惯性力的平衡分析
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文章编号:i001—3482(2OO0)06—004003
内燃机旋转’陨性力的平衡分析
/
左其文,孟凡昌,张思敏———_?一————一
(1.华北石油管理局第一机械厂,河j:膏县062650{2.兰州石化职业技术学院,甘肃兰州730060)
摘要:内燃矶(尤其是柴油机)作为机械和贵电设备被广泛使用干石油钻井领域,由干内燃机使用的工况不同.对内燃机的稳定性
要求也不厚相同.尤其是耐由燃帆的振动要求,要求内燃机考
的二况范内运转时,应有良好的整体稳定性.而影响内燃机整
体稳定性的王要因素(隈于内燃矶自片)就是曲轴皓照转惯性卉,其一争瞄性力和=伊惯性力在内燃机的新机设计,制造过程中已
基术被平衡.平衡物体主要是曲轴丑l静垃和平衡抽等,但在内燃扭
曲太修过程中遣种平衡可能由于更接曲轴,平衡块,活塞,连歼
霉而被艘坏.现文针对由轴曲旋转惯性力作简要平衡劳析.供修理由
燃机枣考.
关键词竺塑王塑;坩.拆切
中图分类号:TE924021文献标识码:B.
Equilibriumanalysisoncrankshaft’srotationinertiaforce
ofinternalcombustionengines
wen,MENGFan—chang+ZHANGSi—min zuOQi—
(1.NolMachineryManufacturingPlant?HuabeiPrAdministration?Qingxian062650-Chinaf
2.LanzbxmparochemicalProfessionalTechnologyInstitute,Lanzhou730060-China)
Abstract:Internalcombustionennes(particularlydieselengine)arewidelyusedinthefieldofo.1drilling
asonekindofmachineryandelectricityequipment.Becauseofthedifferenceofinternalcombustion
engine’sworkingcondition,therequireisdifferentinstability.Particularly,th
evibrationrequireshould
befulfilled.Internalcombustionengineshouldhavegoodstabilityinwholewhenitisworkinginstandard
workingcondition.Mainfactorthataffectsinternalcombustionengine’sstab
ilityinwhole(onlyinternal
combustionengine)iscrankshaft’srotationinertiaforceThefirst—orderand
secondorderinertiaforce
havealreadybeenbalancedduringtheprocessofinternalcombustionengine’sdesigningandproducing
Thebalancethingsaremainlybalancingweightandbalancingshaftetc..Butduringtheoverhaulof
internalcombustionengine,thebalancemaybelostwhencrankshaft,balancingweight,piston,
connectingrodetc.arereplaced.Thetextsimplyanalyzesthebalanceofrotationinertiaforcethatcanbe
takenasthereferenceofinternaIcombustionengineoverhauI
Keywords:internalcombustionengine;crankshaft;rotary;inertiaforce}equilibrium
当内燃机在稳定工况运转时,如果支承所承受
作用力的大小和方向均不随时间(或曲柄转角)变
化,则称此内燃机是平衡的.但是往复式内燃机由于
工作过程的周期性和机件运动的周期性,运转中所
产生的旋转惯性力(或称离心力)和往复惯性力都是
周期性变化的这些力如果在机内不能互相抵消,传
给支承的力也会不断变化.再者,由于输出扭矩的波
动,也会造成支反力的变化,这就是往复式内燃机不
平衡的原因
1内燃机平衡的分析方法
分析内燃机的平衡问
,实际上就是对由各缸
往复惯性力F和各拐旋转惯性力F,构成的空间力
系进行简化.
a)解析法任取坐标系,求各力和力矩在坐
标轴上投影之和?F和?,若ZF一0,EM=0,则
收稿日期:20000710
作者简价:左其文(1963一),男.河北省沧州凡.工程师1986年毕业于
江汪石油学院机械系?现从事机械设计工作
左其支,等:内燃机旋转惯性力的平衡分析
内燃机是平衡的,若EF?0或??0,则不平衡.
b)图解法作力和力矩的多边形,如多边形
封闭,则平衡;如不封闭,则封闭矢量的大小和方向
就代表不平衡量的大小和方向.虽然往复惯性力F
大小随时变化,但因F,t和F.(以及阶数更高的四
阶,六阶等惯性力)都可用旋转矢量定轴投影来表
示,而旋转惯性力F就是大小不变的旋转矢量.
内燃机的旋转质量系统(主要由各拐的旋转质
量%组成)不但要求静平衡而且要求动平衡.所谓
蛭一脏
j-j-
a静不平衡系统
静平衡就是说质量系统旋转时离心合力等于零,即
系统的质心位于旋转轴线上(圈lb).因为质心是否
偏离轴线可以静态检查,所以叫静平衡.但当旋转质
量不在同一平面时,静平衡不足保证运转平稳,如
图1b静平衡系统旋转时会给支承造成F一
%一的附加动负荷.只有当系统旋转时不但旋
转惯性力合力F一0,而且台力矩一0.才完全平
衡,该平衡叫动平衡(图lc).图1中F,,F,F
为惯性力
h静平衡系缆c动平衡系统
圈1十衡与动平衡系统
2旋转惯性力平衡性的分析方法离心力合力n一r+..+
.———————————————————————————————
2.1复数解析法fI{l
以三拐曲轴为例来说明这一方法.三拐曲轴如I厂L-]flJ
图2,曲拐夹角为120..对四冲程发火顺序为1—3一.=_圭J{Ir三1}
2,对二冲程发火顺序为1—2—3.IJ,
第1拐旋转惯性力为F-=F,第2拐旋转惯
性力为F,--Fe”j,第3拐旋转惯性力为F一
,”i,矢量和
F一Fe+F,{+F.专一0,
所以曲轴是静平衡的.同理可分析其合力矩.按照
右螺旋法则,力矩矢量与对应的力矢量相位差9O.,
故若简化中心取在第3拐的中心0点,则有
—
F一’一号2.+F(+{一号&一?了F…扣,
由此可见,不平衡的离心力矩矢量大小为?3aF,
它与第1曲拐的夹角:%(如图2)对任意多拐
曲轴(如图3),若曲拐间夹角为8’.用上角()表
示发火顺序号,则各拐旋转惯性力分别为
F(1)一F…一F
,
Fc”=F,一F,ei(一,
F,(n=F一F’一,
图2三拐曲轴
3多缸拉动机旋转惯性力平衡性解廿r倍币蘑
若F一0,则静平衡,否则旋转惯性力不平衡.
通常在各拐夹角相同的情况下,总有F一0.同理,
可求得合力矩
“=F一号d”,
)=F一;一,
一
一Fe(一}..….
合力矩M—Frei()t2(+Frei(一j一dcz,+…
“
2
OILFIELDEQUIPMENT2000Vo】.29?6
+Fm—j一..若A—O.则曲轴动平衡,若
?0,则可按述公式求出不乎衡力矩矢量的大小和
方向.
2.2图解解析法
用图解解析法分析旋转质量的平衡时.先作出
一一
各离心力F,和各离一L-力矩的矢量多边形,然后
用几何方法计算封闭矢量的大小和方向,作图可在
曲轴轴向投影图(称为曲轴删视图)L进行.以四曲
拐布氍在2个平面内的空间曲轴为倒(如图41.
将各拐以离心力F向某选定的坐标愿点O
平行移动,画出离心力的曲柄侧视图干仃力多边形(如
4
4b),从力多边形求得F=EF一0,故旋转质系
是静平衡的.
各旋转惯性力F对.点之
化点选择无关.否则就有关.所以当F.一0时,,与
O点位黄无关,但当F?0时,研究就没有意义.
当一0时,一股可取最后一拐中点作为力矩简化
点,这样可使作图和计算简化.
『.【日扣{叫曲轴’F-衡丹析
3结论
以上简要分析了惯性力的平衡原理,但在曲轴
的实际修理中经常会出现曲轴弯曲变形;曲轴连杆
轴颈由于磨损而使轴心偏移,磨削后拐角变化;个别
平衡块质量偏差较大这些都会破坏曲袖旋转惯性
力的平衡精度,修理中应特别注意,否01IJ,如果个
别平衡块去重较多,会严重影响单拐的平衡性.这
种现象在柴油机运转的中,后期,由于曲轴会产生
程度不同的弯曲变形,会加大曲轴的不平衡重,从
而使柴油机产生振动
参考文献:
[1]荆诺夫内燃机理[M].北京:机械工业出版社.
1968
[2:杨连生.内燃机|殳计[M:.北京:中国农业机械出版杜.
19R1