旋转机械中的离心力是什么？ • 便携式平衡仪、振动分析仪"Balanset"用于对破碎机、风机、粉碎机、联合收割机上的螺旋输送机、轴、离心机、涡轮机以及许多其他转子进行动态平衡。 旋转机械中的离心力是什么？ • 便携式平衡仪、振动分析仪"Balanset"用于对破碎机、风机、粉碎机、联合收割机上的螺旋输送机、轴、离心机、涡轮机以及许多其他转子进行动态平衡。

旋转机械中的离心力是什么？

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了解旋转机械中的离心力

定义：什么是离心力？

离心力 是物体沿圆周运动时所受到的向外的力。在旋转机械中，当一个物体做圆周运动时， 动盘 有 不平衡——这意味着它的质心偏离旋转轴——偏心质量会在轴旋转时产生旋转离心力。该力从旋转中心沿径向向外指向，并以与轴相同的速度旋转。.

不平衡产生的离心力是造成以下情况的主要原因： 振动 在旋转机械中，它是……的力。 平衡 各项程序旨在最大限度地减少振动。了解其大小和变化规律是转子动力学和振动分析的基础。.

数学表达式

基本公式

离心力的大小由下式给出：

  • F=m×r×ω²
  • 在哪里：
  • F 离心力（牛顿）
  • m = 不平衡质量（千克）
  • r = 质量偏心半径（米）
  • ω 角速度（弧度/秒）= 2π × 转速 / 60

使用RPM的替代配方

使用转速进行实际计算：

  • F (N) = U × (RPM/9549)²
  • 其中 U = 不平衡量（克-毫米）= m × r
  • 此表格直接使用平衡规范中常用的不平衡单位。

关键见解：速度平方关系

离心力的最重要特征是它与转速的平方成正比：

  • 速度加倍，力增大 4 倍 (2² = 4)
  • 速度提高三倍，力增大九倍（3² = 9）。
  • 这种二次关系解释了为什么低速行驶时可以接受的不平衡在高速行驶时会变得至关重要。

对振动的影响

力与振动的关系

不平衡产生的离心力通过以下机制引起振动：

  1. 施加于转子的旋转离心力
  2. 力通过轴传递到轴承和支架
  3. 弹性系统（转子-轴承-基础）通过偏转来响应
  4. 挠曲会在轴承处产生可测量的振动。
  5. 力与振动之间的关系取决于系统的刚度和阻尼。

共振

当以 临界速度:

  • 即使是残余不平衡产生的微小离心力也会引起剧烈振动。
  • 放大倍数可以是 10-50 倍，具体取决于 减震
  • 这种共振放大效应正是临界速度运行危险的原因。

低于共振频率（刚性转子运行）

  • 振动强度与力大致成正比。
  • 因此，振动强度与速度的平方成正比（因为力与速度的平方成正比）。
  • 速度加倍，振动幅度增加四倍

实际案例

示例 1：小型风扇叶轮

  • 不平衡： 半径为 100 毫米处 10 克 = 1000 克·毫米
  • 速度 1500 转/分
  • 计算： F = 1000 × (1500/9549)² ≈ 24.7 牛 (2.5 千克力)

例2：同一叶轮，转速更高

  • 不平衡： 相同 1000 克·毫米
  • 速度 3000 转/分（翻倍）
  • 计算： F = 1000 × (3000/9549)² ≈ 98.7 牛 (10.1 千克力)
  • 结果： 力增加4倍，速度增加2倍

例3：大型涡轮转子

  • 转子质量： 5000公斤
  • 允许的不平衡（G 2.5）： 400,000 克·毫米
  • 速度 3600转/分
  • 离心力： F = 400,000 × (3600/9549)² ≈ 56,800 N（5.8 吨力）
  • 含义： 即使是“平衡良好”的转子，在高速运转时也会产生巨大的力。

平衡中的离心力

不平衡力矢量

由不平衡产生的离心力是一个矢量：

  • 震级： 由不平衡量和速度决定（F = m × r × ω²）
  • 方向： 指向重物所在位置，呈放射状向外。
  • 旋转： 矢量以轴转速（1×频率）旋转
  • 阶段: 力在任意时刻的角位置

平衡原则

平衡 其工作原理是通过产生相反的离心力：

  • 校正重量 位于重点180°处
  • 产生大小相等、方向相反的离心力
  • 原始力和修正力的矢量和趋近于零
  • 净离心力最小化，振动减小

多平面平衡

为了 双平面平衡:

  • 每个平面上的离心力都会产生力和力矩。
  • 校正配重必须同时抵消力不平衡和力偶不平衡。
  • 向量加法 来自两个平面的力之和决定了合力

轴承载荷的影响

静态载荷与动态载荷

  • 静载荷： 来自转子重量（重力）的恒定轴承载荷
  • 动态负载： 离心力（不平衡）引起的旋转负载
  • 总负载： 随着转子旋转，矢量和沿圆周变化。
  • 最大负载： 发生在静态载荷和动态载荷一致的情况下。

轴承寿命影响

  • 轴承寿命与载荷的立方成反比 (L10 ∝ 1/P³)
  • 动态载荷的微小增加都会显著缩短轴承寿命。
  • 不平衡产生的离心力会增加轴承载荷。
  • 良好的平衡质量是延长轴承寿命的关键。

不同类型机器中的离心力

低速设备（（低于 1000 转/分）

  • 离心力相对较低
  • 重力产生的静载荷通常占主导地位。
  • 可接受的平衡公差范围较广。
  • 可以容忍较大的绝对失衡

中速设备（1000-5000 转/分）

  • 离心力作用显著，必须加以控制。
  • 该系列的大多数工业机械
  • 平衡质量等级通常为 G 2.5 至 G 16。
  • 平衡对于轴承寿命和振动控制至关重要

高速设备（> 5000 转/分）

  • 离心力远大于静载荷
  • 需要非常严格的平衡公差（G 0.4 至 G 2.5）
  • 微小的不平衡会造成巨大的力量。
  • 精密平衡至关重要

离心力和临界速度

共振时的力放大

在 临界速度:

  • 相同的离心力输入
  • 系统响应通过 Q 值（通常为 10-50）放大
  • 振动幅度远超临界运行范围
  • 阐明为何必须避免临界速度。

柔性转子行为

为了 柔性转子 高于临界速度：

  • 轴在离心力作用下弯曲
  • 偏转会产生额外的偏心率
  • 自定心效应在临界转速以上可降低轴承载荷
  • 与直觉相反：振动可能在临界速度以上降低

与平衡标准的关系

允许的失衡和力量

平衡质量等级 ISO 21940-11 中的标准基于限制离心力：

  • 较低的G值允许较小的失衡
  • 限制任何速度下的比例力
  • 确保离心力保持在安全设计范围内
  • 不同类型的设备具有不同的受力耐受范围。

测量与计算

从振动到力

虽然在场平衡中无法直接测量力，但可以对其进行估算：

  • 测量运行速度下的振动幅度
  • 根据以下数据估算系统刚度 影响系数
  • 计算力：F ≈ k × 挠度
  • 可用于评估不平衡对轴承载荷的影响

从失衡到力量

如果已知不平衡情况，则直接计算：

  • 使用公式 F = m × r × ω²
  • 或者 F = U × (RPM/9549)²，其中 U 的单位为 g·mm。
  • 针对任何不平衡量和速度提供预期作用力
  • 用于设计计算和公差验证

离心力是旋转机械中不平衡引起振动的基本机制。它与转速的二次方关系解释了为什么随着转速的增加，平衡质量变得越来越重要，以及为什么即使是微小的不平衡也会在高速设备中产生巨大的力和破坏性振动。.

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