第七章機械速度波動的調(diào)節(jié)§7—1速度波動分類及調(diào)節(jié)方法

§7—2飛輪設計的近似方法教學重點§7—3飛輪主要尺寸的確定

教學重點

1、速度波動的分類及調(diào)節(jié)原理

2、飛輪設計的近似方法

§7-1速度波動的原因、類型、調(diào)節(jié)方法前述齒輪等作回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)時，為分析方便

假定——勻速轉(zhuǎn)動。實際——機械總在外力(驅(qū)動力和阻力)作用下運轉(zhuǎn)因種種原因，作用于機械的外力和不可能恒等于零→速度是波動的。一、作用在機械上的外力：

（重力、摩擦力忽略不計）產(chǎn)生驅(qū)動功A驅(qū)產(chǎn)生阻力功A阻

2、生產(chǎn)阻力（或阻力矩）：執(zhí)行任務承受的阻力。

［驅(qū)動力（或驅(qū)動力矩）、生產(chǎn)阻力（或阻力矩）在本章學習中為已知條件。具體求法見機械原理。］1、驅(qū)動力（或驅(qū)動力矩）：由原動機發(fā)出。二、速度波動的原因

一段時間內(nèi)：①若驅(qū)動力

=工作阻力：則A驅(qū)=A阻

——機械系統(tǒng)的動能不變——機械勻速運動。②若驅(qū)動力

＞工作阻力：則A驅(qū)＞

A阻

——出現(xiàn)盈功

——機械系統(tǒng)的動能增加——機械運轉(zhuǎn)速度升高。③若驅(qū)動力＜工作阻力：則A驅(qū)＜

A阻

——出現(xiàn)虧功

——機械系統(tǒng)的動能減少——機械運轉(zhuǎn)速度下降故：機械動能的增減形成機械運轉(zhuǎn)速度的波動三、速度波動的危害1、周期性速度波動

危害：

①引起動壓力，η↓和可靠性↓

。

②可能在機器中引起振動，影響壽命、強度。

③影響工藝，產(chǎn)品質(zhì)量↓

。

例如：①機床主軸速度波動—工件粗糙度↑、精度↓②電唱機轉(zhuǎn)盤速度波動——音質(zhì)下降③汽車發(fā)動機主軸速度波動—車廂振動乘客不適2、非周期性速度波動危害：機器因速度過高而毀壞，或被迫停車。

四：速度波動的類型及調(diào)節(jié)（一）周期性波動：當外力作周期性變化時，機械主軸的角速度也作周期性變化,(圖示)這種有規(guī)律的、周期性的速度變化稱為周期性速度波動。1.特征：①在一個周期T中:

其動能沒有增減A驅(qū)

=A阻②在周期中的某段時間內(nèi):

A驅(qū)

≠

A阻

③周期性的速度波動運動周期Ｔ：2.調(diào)節(jié)周期性速度波動的方法在機械的某回轉(zhuǎn)軸上加一轉(zhuǎn)動慣量很大的——飛輪3.調(diào)節(jié)的原理因飛輪的動能變化量為：ΔE=1/2J(ω22–ω12)=A驅(qū)-A阻

通常為機械主軸回轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)(如沖床)、兩轉(zhuǎn)(如單缸四沖程內(nèi)燃機)數(shù)轉(zhuǎn)(如軋鋼機)圖示：黑色線——為沒有安裝飛輪時主軸的速度波動，紅色線——為安裝飛輪后的速度波動。ΔE=1/2J(ω22–ω12)=A驅(qū)-A阻當ΔE一定時:J(ω22–ω12)ω波動即:飛輪在機械中的作用——相當于一個能量儲存器A驅(qū)＞A阻:飛輪以動能的方式儲存能量,限制速度

A驅(qū)＜A阻:飛輪以動能的方式釋放能量,限制速度例如：①慣性玩具小汽車：阻力↓——儲存能量阻力↑——釋放能量速度平穩(wěn)②沖壓：空回：阻力↓——儲存能量沖壓：阻力↑——釋放能量③汽車新型節(jié)能研究：制動時：阻力↓——儲存能量啟動時：阻力↑——釋放能量2、非周期性速度波動：隨機無規(guī)律的速度波動

長時間A驅(qū)＞A阻速度飛車超越極限長時間A驅(qū)＜A阻速度停車①特征例如：發(fā)電機發(fā)電：用電量隨用戶需要隨機變化

當用電量內(nèi)燃機所供能量＞發(fā)電機需要發(fā)電機轉(zhuǎn)子速度當用電量發(fā)電機轉(zhuǎn)子速度用戶電壓不穩(wěn)故：必須對速度進行調(diào)節(jié)②調(diào)節(jié)非周期性速度波動的方法：③調(diào)速器類型：例：機械式離心調(diào)速器采用特殊裝置調(diào)速器調(diào)節(jié)

原動機2的輸入功與供汽量的大小成正比。

當負荷突然減小:２和１的主軸轉(zhuǎn)速升高，由錐齒輪驅(qū)動的調(diào)速器主軸的轉(zhuǎn)速也隨著升高，重球因離心力增大而飛向上方，帶動圓筒Ｎ上升，并通過連桿將節(jié)流閥關(guān)小，使蒸汽輸入量減少；

若負荷突然增加:原動機及調(diào)速器主軸轉(zhuǎn)速下降，重球下落，節(jié)流閥開大，使供汽量增加。原動機工作機動畫機械式、液壓式、電子式§7-2飛輪設計的近似方法

一、機械運轉(zhuǎn)的平均速度和不均勻系數(shù)

理論——各機構(gòu)主動件等速回轉(zhuǎn)

實際——其ω、a隨時間t變化而變化

1、機械實際角速度圖示：已知機械主軸角速度隨時間變化規(guī)律ω=f（t）一個周期實際角速度的平均值：ω=f（t）

由于ω的變化規(guī)律復雜，故在工程計算中都以算術(shù)平均值作為實際平均值打印在機械銘牌上。

名義轉(zhuǎn)速或?qū)嶋H轉(zhuǎn)速即：ω=f（t）ωm換算為n(r/min)2、機械運轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)δ角速度波動的幅度（ωmax-ωmin）與實際角速度ωm之比—機械運轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)機器運轉(zhuǎn)的不均勻程度☆ωm一定，δ↓，ωmax-ωmin↓機器運轉(zhuǎn)愈平穩(wěn)☆各種機器，δ因工作性質(zhì)不同而不同（見表7-1）。

☆ωm.δ是設計飛輪的重要指標。二.飛輪設計的基本原理飛輪設計的基本問題：根據(jù)ωm和許可δ確定

J飛

在一個運動周期內(nèi)：ωminωmax最大盈功Amaxωmaxωmin最大虧功Amax最大盈虧功由于：（平方差公式展開，7-2、7-3式代入并化簡得）故：飛輪的轉(zhuǎn)動慣量結(jié)論：

1.Amax、ωm一定:當δ↓↓，略微δ↓→J↑↑

故:過分追求運轉(zhuǎn)速度均勻?qū)⑹癸w輪笨重，成本↑

2.J、ωm一定：

Amax↑→δ↑

故:最大盈虧功越大，機械運轉(zhuǎn)速度越不均勻。

3.Amax、δ一定：ωm2↑→J↓

①主軸上（因機器主軸剛性↑）

②或高于主軸轉(zhuǎn)速的軸上。但須滿足：即：或

a.安裝飛輪的軸與主軸保持定角速度比；

b.該軸安裝的飛輪與主軸安裝的飛輪具有相等的動能故:為減小飛輪尺寸，飛輪應裝在:

已知:驅(qū)動力矩曲線M′—φ三.最大盈虧功的確定μM

—力矩比例尺

μφ—轉(zhuǎn)角比例尺則：M′—φ曲線與橫坐標軸所圍的面積阻力矩曲線M″—φ驅(qū)動力矩所做的輸入功M″—φ曲線與橫坐標軸所包圍的面積阻力矩所做的輸出功

故：oa區(qū)間阻力矩＞驅(qū)動力矩，虧功，機器動能↓，標注“-”ab區(qū)間驅(qū)動力矩＞阻力矩，盈功，機器動能↑，標注“+”

同理bc、do區(qū)間為“-”，而cd區(qū)間“+”前述：盈虧功=機器動能的增減量

設：E0—主軸角位置φ0時機器的動能則：主軸角位置為φa時，機器的動能應為：Ea=Eo+Aoa=Eo+μMμφS1同理有：以上動能變化可用能量指示圖表示：從o點出發(fā)，順次作向量oa表示盈虧功Aoaab表示盈虧功Aab

bc表示盈虧功Abc

cd表示盈虧功Acd

do表示盈虧功Ado盈功為正，箭頭朝上虧功為負，箭頭朝下規(guī)定：由于機器經(jīng)歷一個周期回到初始狀態(tài)，其動能增減為零，所以該向量圖的首尾應當封閉。由圖可知：b點具有最大動能，對應于ωmax；

c點具有最小動能，對應于ωmin；

b、c二位置動能之差即是最大盈虧功。例7-1主軸上的阻力矩變化曲線(M"-φ)如圖所示。已知主軸上的驅(qū)動力矩M′為常數(shù)，主軸平均角速度ω=25rad/s，機械運轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)δ=0.02。求①驅(qū)動力矩Ｍ′-φ

②最大盈虧功

③安裝在主軸上飛輪的轉(zhuǎn)動慣量J

④若將飛輪安裝在轉(zhuǎn)速為主軸轉(zhuǎn)速

3倍的輔助軸上求飛輪轉(zhuǎn)動慣量J′解:①求M'_φ

在一個運動循環(huán)中:驅(qū)動力矩所作的功=阻力矩所作的功即：解得:M'=200Nm由此可作出(M′-φ)水平直線如圖。2π0M″φ

500Nm100NmMM′②求Amax

將M'與M"交點標注a、b、c、doa:盈功標注“+”ab:虧功，標注“-”bc:盈功標注“+”cd:虧功，標注“-”do:盈功標注“+”然后:據(jù)各區(qū)間盈虧值大小按比例作能量指示圖自o向上作oa：oa區(qū)間的盈功Aoa=100×π/2

向a向下作ab：ab區(qū)間的虧功Aab=300×π/4依次類推直到最后一個封閉向量do

則:M′與M″所圍面積分為各區(qū)間則:ad區(qū)間出現(xiàn)最大盈功，其絕對值為:(3)求安裝在主軸上的飛輪轉(zhuǎn)動慣量

(4)求安裝在輔助軸上的飛輪轉(zhuǎn)動慣量因ωm′=3ωm故:

§7-3飛輪主要尺寸的確定

-、常用飛輪結(jié)構(gòu)（輪輻式如圖）:∵J=mρ2輪轂輪幅質(zhì)量m↓、ρ↓→∴J忽略則：近似認為m集中于輪緣Dm——平均直徑1、輪輻輪轂輪緣其中：Dm由飛輪結(jié)構(gòu)空間位置確定m輪輻輪轂輪緣設:輪緣為矩形斷面、

體積V、厚度H、寬度B、材料密度ρ

3、選定飛輪的H/B比值注意：飛輪轉(zhuǎn)速↑→輪緣材質(zhì)產(chǎn)生的離心力↑故：為了安