第7章機(jī)械調(diào)速

1、東華大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 第第7章章 機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動(dòng)調(diào)節(jié)71 機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動(dòng)調(diào)節(jié)的目的和方法機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動(dòng)調(diào)節(jié)的目的和方法72 飛輪的近似設(shè)計(jì)方法飛輪的近似設(shè)計(jì)方法73 飛輪主要尺寸的確定飛輪主要尺寸的確定東華大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 一、研究?jī)?nèi)容及目的一、研究?jī)?nèi)容及目的1. 研究在外力作用下機(jī)械的真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，目的是研究在外力作用下機(jī)械的真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，目的是為運(yùn)動(dòng)分析作準(zhǔn)備。為運(yùn)動(dòng)分析作準(zhǔn)備。 前述運(yùn)動(dòng)分析曾假定是常數(shù)，但實(shí)際上是變化的設(shè)計(jì)新的機(jī)械，或者分析現(xiàn)有機(jī)械的工作性能時(shí)，往往想知道機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性、構(gòu)件的慣性力以及在運(yùn)動(dòng)副中產(chǎn)生的反力的大小、Vm

2、ax amax的大小，因此要對(duì)機(jī)械進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。而前面所介紹的運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，都假定運(yùn)動(dòng)件作勻速運(yùn)動(dòng)(const)。但在大多數(shù)情況下，const，而是力、力矩、機(jī)構(gòu)位置、構(gòu)件質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)的函數(shù)：F(P、M、m、J)。只有確定了的原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律之后，才能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和力分析，從而為設(shè)計(jì)新機(jī)械提供依據(jù)。這就是研究機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。2. 研究機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度的波動(dòng)及其調(diào)節(jié)方法，目的是使研究機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度的波動(dòng)及其調(diào)節(jié)方法，目的是使機(jī)械的轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)波動(dòng)，而保證正常工作。機(jī)械的轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)波動(dòng)，而保證正常工作。71 機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動(dòng)調(diào)節(jié)的目的和方法機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動(dòng)調(diào)節(jié)的目的和方法運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，

3、都假定原動(dòng)件作勻速運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，都假定原動(dòng)件作勻速運(yùn)動(dòng): :constconst實(shí)際上是多個(gè)參數(shù)的函數(shù)：實(shí)際上是多個(gè)參數(shù)的函數(shù)：F(PF(P、M M、m m、J)J)力、力矩、機(jī)構(gòu)位置、構(gòu)件質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量東華大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)過程機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)過程穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段的狀況有：穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段的狀況有：勻速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)：勻速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)：常數(shù)常數(shù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)周期周期變速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)：變速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)：(t)=(t+T(t)=(t+Tp p) )啟動(dòng)啟動(dòng)三個(gè)階段：?jiǎn)?dòng)、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)、停車。三個(gè)階段：?jiǎn)?dòng)、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)、停車。非非周期周期變速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)變速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn) t停止停止m m t穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)啟動(dòng)啟動(dòng)停

4、止停止啟動(dòng)啟動(dòng)m m t 穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn) 停止停止勻速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，速度勻速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，速度不需要調(diào)節(jié)。不需要調(diào)節(jié)。后兩種情況由于速度的波動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生以下不良后果：東華大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 速度波動(dòng)產(chǎn)生的不良后果速度波動(dòng)產(chǎn)生的不良后果：在運(yùn)動(dòng)副中引起附加動(dòng)壓力，加劇磨損，使工作可在運(yùn)動(dòng)副中引起附加動(dòng)壓力，加劇磨損，使工作可 靠性降低?？啃越档?。引起彈性振動(dòng)，消耗能量，使機(jī)械效率降低。引起彈性振動(dòng)，消耗能量，使機(jī)械效率降低。影響機(jī)械的工藝過程，使產(chǎn)品質(zhì)量下降。影響機(jī)械的工藝過程，使產(chǎn)品質(zhì)量下降。載荷突然減小或增大時(shí)，發(fā)生飛車或停車事故。載荷突然減小或增大時(shí)，發(fā)生飛車或停車事故。為了減小這些

5、不良影響，就必須對(duì)速度波動(dòng)范圍進(jìn)行為了減小這些不良影響，就必須對(duì)速度波動(dòng)范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)。東華大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 二、產(chǎn)生周期性波動(dòng)的原因二、產(chǎn)生周期性波動(dòng)的原因作用在機(jī)械上的驅(qū)動(dòng)力矩作用在機(jī)械上的驅(qū)動(dòng)力矩Md ()和阻力矩和阻力矩Mr ()往往是往往是原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角的周期性函數(shù)。原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角的周期性函數(shù)。分別繪出在一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)內(nèi)的變化曲線。dMWadd)()(dMWarr)()()()(rdWWE動(dòng)能增量：動(dòng)能增量：MdMra bcde aadMMrd)()(在一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)內(nèi)，驅(qū)動(dòng)力矩在一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)內(nèi)，驅(qū)動(dòng)力矩和阻力矩所作的功分別為：和阻力矩所作的功分別為：分析以上積分所代表的的物理含

6、義2221)()(21aaJJ根據(jù)能量守恒，外力所作功等于動(dòng)能增量。MdaMra東華大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 MdMra bcde a力矩所作功及動(dòng)能變化力矩所作功及動(dòng)能變化: :MdMr盈功盈功“”b-cb-cMdMr盈功盈功“”d-ed-eM Md dM m m 則：則： J J J JE = JE = J2 2m m/2 = J/2 = J2 2m m/2/2飛輪調(diào)速的實(shí)質(zhì)：飛輪調(diào)速的實(shí)質(zhì)：起能量?jī)?chǔ)存器的作用。轉(zhuǎn)速增高時(shí)，起能量?jī)?chǔ)存器的作用。轉(zhuǎn)速增高時(shí)，將多于能量轉(zhuǎn)化為飛輪的動(dòng)能儲(chǔ)存起來，限制增速的幅將多于能量轉(zhuǎn)化為飛輪的動(dòng)能儲(chǔ)存起來，限制增速的幅度；轉(zhuǎn)速降低時(shí)，將能量釋放出來，阻止

7、速度降低。度；轉(zhuǎn)速降低時(shí)，將能量釋放出來，阻止速度降低。鍛壓機(jī)械在一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)內(nèi)，工作時(shí)間短，但載荷峰鍛壓機(jī)械在一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)內(nèi)，工作時(shí)間短，但載荷峰值大，利用飛輪在非工作時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存的能量來克服尖值大，利用飛輪在非工作時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存的能量來克服尖峰載荷，選用小功率原動(dòng)機(jī)以降低成本。峰載荷，選用小功率原動(dòng)機(jī)以降低成本。應(yīng)用：應(yīng)用：玩具小車玩具小車幫助機(jī)械越過死點(diǎn)，如縫紉機(jī)。幫助機(jī)械越過死點(diǎn)，如縫紉機(jī)。 東華大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 MdMrEa bcde a三、三、A Amax的確定方法的確定方法在交點(diǎn)位置的動(dòng)能增量在交點(diǎn)位置的動(dòng)能增量E E正好是正好是從起始點(diǎn)從起始點(diǎn)a到該交點(diǎn)區(qū)間內(nèi)各代表到該交

8、點(diǎn)區(qū)間內(nèi)各代表盈虧功的陰影面積代數(shù)和。盈虧功的陰影面積代數(shù)和。A AmaxE EmaxE Emin E EmaxE Emaxmax、E Eminmin出現(xiàn)的位置：出現(xiàn)的位置：在曲線在曲線M Md d與與 M Mr r的交點(diǎn)處。的交點(diǎn)處。E(E() )曲線上從一個(gè)極值點(diǎn)躍變到曲線上從一個(gè)極值點(diǎn)躍變到另一個(gè)極值點(diǎn)的高度，正好等于另一個(gè)極值點(diǎn)的高度，正好等于兩點(diǎn)之間的陰影面積兩點(diǎn)之間的陰影面積(盈虧功)。作圖法求作圖法求A Amax：任意繪制一水平線，并分割成對(duì)應(yīng)的區(qū)間，從任意繪制一水平線，并分割成對(duì)應(yīng)的區(qū)間，從左至右依次向下畫箭頭表示虧功，向上畫箭頭表示盈功，箭頭左至右依次向下畫箭頭表示虧功，向上

9、畫箭頭表示盈功，箭頭長(zhǎng)度與陰影面積相等，由于循環(huán)始末的動(dòng)能相等，故能量指示長(zhǎng)度與陰影面積相等，由于循環(huán)始末的動(dòng)能相等，故能量指示圖為一個(gè)封閉的臺(tái)階形折線。則最大動(dòng)能增量及最大盈虧功等圖為一個(gè)封閉的臺(tái)階形折線。則最大動(dòng)能增量及最大盈虧功等于指示圖中于指示圖中最低點(diǎn)最低點(diǎn)到到最高點(diǎn)最高點(diǎn)之間的高度值。之間的高度值。 強(qiáng)調(diào)不一定是相鄰點(diǎn) A Amax E Emaxmax E Eminmin可用折線代替曲線求得E東華大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 舉例：舉例：已知驅(qū)動(dòng)力矩為常數(shù)，阻力矩如圖所示，主軸已知驅(qū)動(dòng)力矩為常數(shù)，阻力矩如圖所示，主軸的平均角速度為：的平均角速度為：m m=25 1/s,=25 1/

10、s,不均勻系數(shù)不均勻系數(shù)0.050.05，求主軸飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量求主軸飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J J。解：解：1)1)求求M Md d , , 在一個(gè)循環(huán)內(nèi)，在一個(gè)循環(huán)內(nèi)，M Md d和和M Mr r所作的功相等，于是：所作的功相等，于是：2021dMMrd5)10221(2102121作代表作代表 M Md d的直線如圖。的直線如圖。2)2)求求A Amaxmax各陰影三角形的面積分別為：各陰影三角形的面積分別為：三個(gè)三角形面積之和0 0/4/4/4/43/43/43/43/49/89/89/89/811/811/811/811/813/813/813/813/815/815/815/815/82210

11、/1610/16 -20/16-20/16 15/1615/16 -10/16-10/16 10/1610/16-10/16-10/165/165/16區(qū)間區(qū)間面積面積1010Mr作能量指示圖22kN-m3/23/20 0書上例題自學(xué)Md東華大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 由能量指示圖，得：由能量指示圖，得：A Amaxmax10/810/83.93 KN-m3.93 KN-mJ J A Amaxmax / /2 2m m3.933.9310/(0.0510/(0.0525252 2) )A Amaxmax 126 kgm126 kgm2 2東華大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 輪形飛輪：由輪形飛輪

12、：由輪轂、輪輻輪轂、輪輻和和輪緣輪緣三部分組成。三部分組成。輪轂輪轂輪幅輪幅輪緣輪緣JA73 飛輪主要尺寸的確定飛輪主要尺寸的確定其輪轂和輪緣的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，可忽略不計(jì)。其轉(zhuǎn)其輪轂和輪緣的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，可忽略不計(jì)。其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：動(dòng)慣量為： 主要尺寸：主要尺寸：寬度寬度B B、輪緣厚度、輪緣厚度H H、平均值徑、平均值徑D Dm mHBDm22mDmJ42mmD東華大學(xué)專用 作者： 潘存云教授 mV =DmHB 為材料密度按照機(jī)器的結(jié)構(gòu)和空間位置選定按照機(jī)器的結(jié)構(gòu)和空間位置選定Dm之后，可得飛輪質(zhì)量：之后，可得飛輪質(zhì)量：選定飛輪的材料和比值選定飛輪的材料和比值H/B之后，可得飛輪截面尺寸。之后，可得飛輪截面尺寸。盤形飛輪：盤形飛輪：BD2221DmJ82mD選定圓盤直徑選定圓盤直徑D，可得飛輪的質(zhì)量：，可得飛輪的質(zhì)量：mVD2B =4選定飛輪的材料之后，可得飛輪的寬度選定飛輪的材料之后，可得飛輪的寬度B。為保證安全，飛輪的外圓線速度不能超過許用值：為保證安全，飛輪的外圓線速度不能超過許用值：鑄鐵飛輪