1、第十七章機械速度波動的調(diào)節(jié)171172173機械速度波動調(diào)節(jié)的目的和方法飛輪的近似設計方法飛輪主要尺寸的確定浙江大學專用171機械速度波動調(diào)節(jié)的目的和方法機械是在驅(qū)動力作用下克服阻力而運轉(zhuǎn)的。根據(jù)功能原理，若機械在工作過程的任意時間間隔內(nèi)，驅(qū)動力對機械所作的功與機械 克服阻力所作的功完全相等，則機械的動能不變，其主軸將保持 勻速運轉(zhuǎn)。機械在某段工作時間內(nèi)，若驅(qū)動力所作的功大于阻力所作的功，則出現(xiàn)盈功；若驅(qū)動力所作的功小于阻力所作的功，則出現(xiàn)虧 功。盈功和虧功將引起機械動能的增加和減少，從而引起機械 運轉(zhuǎn)速度的波動。機械速度波動會使運動副中產(chǎn)生附加的動壓力，降低機械 效率，產(chǎn)生振動，影響機械的質(zhì)

2、量和壽命。采取措施把速 度波動控制在許可范圍內(nèi)，以減小其產(chǎn)生的不良影響，稱為速度波動的調(diào)節(jié)。浙江大學專用171機械速度波動調(diào)節(jié)的目的和方法機械是在驅(qū)動力作用下克服阻力而運轉(zhuǎn)的。根據(jù)功能原理，若機械在工作過程的任意時間間隔內(nèi)，驅(qū)動力對機械所作的功與機械 克服阻力所作的功完全相等，則機械的動能不變，其主軸將保持 勻速運轉(zhuǎn)。機械在某段工作時間內(nèi)，若驅(qū)動力所作的功大于阻力所作的功，則出現(xiàn)盈功；若驅(qū)動力所作的功小于阻力所作的功，則出現(xiàn)虧 功。盈功和虧功將引起機械動能的增加和減少，從而引起機械 運轉(zhuǎn)速度的波動。機械速度波動會使運動副中產(chǎn)生:附加的動壓力，降低機械效率，產(chǎn)生振動，影響機械 的質(zhì)量和壽命。采取

3、措施把速度波動控制在許可范圍內(nèi)，以減小其產(chǎn)生的不良影響，稱為速度波動的調(diào)節(jié)。機械速度波動有周期性和非周性兩類。浙江大學專用一、周期性的速度波動當機械動能的增減作周期性變化時，其主軸的角速度也作周期性的變化，如圖17-1 實線所示。在這種情況下， 主軸角度在經(jīng)過一個變化周期T之后又回到初始狀態(tài)， 這說明就整個周期而言，動能沒有增減，驅(qū)動力所作的功與阻力所作的功是相等的；但是，在周期中的某段時間內(nèi)，驅(qū)動力所作的功與阻力所作的功動卻是不相等的，因而出現(xiàn)速度變化。這種有規(guī)律 的、周期性的變化稱為周期性速度波動。其變化周期T，通常對應于主軸回轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)(如蒸汽機、沖床、單缸二沖程內(nèi)燃機)或若干轉(zhuǎn)(如單缸四沖

4、程內(nèi)燃機為曲軸轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn))。周期性速度波的調(diào)節(jié)方法是在機械中加上一個轉(zhuǎn)動慣量J很大的回轉(zhuǎn)體飛輪。飛輪以角速度回轉(zhuǎn)時的動能為E，盈功時飛輪動能增加，虧功時飛輪動能減少，由于飛輪的轉(zhuǎn)動慣量J很大，顯然，在動能變化量E相同的條件下，其角速度波動值將減小。也就是說，當動能的變化規(guī)律一定時，安裝飛輪后可以使機械速度的波動變小。圖17-1中的實線和虛線分別表示未安裝飛輪時和安裝飛輪后主軸的速度波動。浙江大學專用產(chǎn)生周期性波動的原因作用在機械上的驅(qū)動力矩Md ()和阻力矩Mr ()往往是原動機轉(zhuǎn)角的周期性函數(shù)。分別繪出在一個運動循環(huán)內(nèi)的變化曲線。在一個運動循環(huán)內(nèi)，驅(qū)動力矩和阻力矩所作的功分別為：MdaMraMd

5、Mr動能增量：根據(jù)能量守恒，外力所作功等于動能增量。aacdbeDE = W(j ) - W (j )分析以上積分所代表的的物理含義dr浙江大學專用j= jMd (j) - Mr (j)dja= 1 J (j )w 2 (j ) - 1 Jw 222aajWd (j ) = jMd (j )djaW(j ) =jM(j )djrjra：Md動能的變化曲線E()、和速度曲線()分別如圖所示：ME=0Ad=Ar在一個循環(huán)內(nèi)：rja j)djDE =(M- M即aaEcdbedraa= 1 Jw- 1 Jw22= 0aaaa22這說明經(jīng)過一個運動循環(huán)之后，機械又回復到初始狀態(tài),其運轉(zhuǎn)速度呈現(xiàn)周期性波

6、動。力矩所作功及動能變化:aa浙江大學專用區(qū)間a-bb-cc-dd-ee-a外力矩所作功 虧功MdMr“”虧功MdMr盈功“”MdMr虧功“”主軸的動能E對周期性速度波動，可在轉(zhuǎn)動軸上安裝一個質(zhì)量較大的回轉(zhuǎn)體（俗稱飛輪）達到調(diào)速的目的。二、非周期性速度波動如果驅(qū)動力或阻力突然發(fā)生變化，使驅(qū)動力所作的功總是大于或總是小于阻力所作的功則機械的速度將持續(xù)上 升或持續(xù)下降，將導致機械因速度上升到過高而損壞或 因速度持續(xù)下降甚至可能使運動停止。如汽輪發(fā)電機組 在供氣量不變而用電量突然減少或增加時就會出現(xiàn)上述 情況。這種速度變化是隨機的、無規(guī)則的，稱為非周期性速度波動。對非周期性速度波動，需采用專門的調(diào)速

7、器才能調(diào)節(jié)。浙江大學專用油箱供油發(fā)動機用油油箱供油發(fā)動機用離心式調(diào)速器的工作原理開口增大回油增加進油減少轉(zhuǎn)速降油低油箱供油浙江大學專用172飛輪的近似設計方法對于周期性速度波動的機械，加裝飛輪可以對速度波動的范圍進行調(diào)節(jié)。下面介紹有關原理。一、機械運轉(zhuǎn)的平均速度和不均勻系數(shù)已知主軸角速度：=(t)minmax平均角速度：額定轉(zhuǎn)速不容易求得，工程上常采用算術平均值：Tm(max+min)/2 對應的轉(zhuǎn)速：n 60m/2 rpmmaxmin表示了機器主軸速度波動范圍的大小，稱為絕對不均勻度。但在差值相同的情況下，對平均速度的影響是不一樣的。浙江大學專用w=1T wdjmT0如:maxmin，m11

8、0，m2100則：1(maxmin)/ m12(maxmin)/ m2定義：(maxmin)/ m=0.1=0.01為機器運轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)，它表示了機器速度波動的程度。由m(max+min)/2以及上式可得：maxm(1+/2)minm(1-/2)2max2min 22m可知，當m一定時，愈小，則差值maxmin 也愈小，說明機器的運轉(zhuǎn)愈平穩(wěn)。浙江大學專用對于不同的機器，因工作性質(zhì)不同而取不同的值。設計時要求：表17-1 機械運轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)的取值范圍機械名稱機械名稱機械名稱造紙織布1/401/50碎石機1/51/20汽車拖拉機1/201/60沖床、剪床1/71/10 切削機床紡紗機1/6

9、01/1001/301/40發(fā)電機1/1001/3001/101/20 水泵、風機1/301/50軋壓機驅(qū)動發(fā)電機的活塞式內(nèi)燃機，主軸速度波動范圍太大，勢必影響輸出電壓的穩(wěn)定性，故這類機械的應取小些；反之，如沖床、破碎機等機械，速度波動大也不影響其工作性能，故可取大些二、飛輪設計的基本原理飛輪設計的基本問題：已知作用在主軸上的驅(qū)動力矩和 阻力矩的變化規(guī)律，在的范圍內(nèi)，確定安裝在主軸上的飛輪的轉(zhuǎn)動慣量浙江大學專用JF 。飛輪調(diào)速原理加裝飛輪的目的就是為了增加機器的轉(zhuǎn)動慣量進而起到調(diào)節(jié)速度波動的目的。為什么加裝飛輪之后就能減小速度的波動呢？機器總的動能近似為：E=J2/2MdMr在位置b處，動能和

10、角速度為：Emin、mina而在位置c處為：E、maxmax在b-c區(qū)間處盈虧功和動能增量達到最大值：Amax E J(2maxEmax-Emin2min-)/2 J2m 得：浙江大學專用J = Amax/2m 稱Amax為最大盈虧功aEbcEmaxdeEminmaxminJJ = Amax/2m 分析：J1）當Amax與2m一定時條等邊雙曲線。，J-是一當很小時，J過分追求機械運轉(zhuǎn)速度的平穩(wěn)性，將使飛輪過于笨重。2）當J與m一定時，Amax-成正比。即Amax越大，機械運轉(zhuǎn)速度越不均勻。3) 由于J，而Amax和m又為有限值，故不可能為“0”，即使安裝飛輪，機械總是有波動。4）J與m的平方成

11、反比，即平均轉(zhuǎn)速越高，所需飛輪 的轉(zhuǎn)動慣量越小。浙江大學專用飛輪調(diào)速的實質(zhì)：起能量儲存器的作用。轉(zhuǎn)速增高時，將多于能量轉(zhuǎn)化為飛輪的動能儲存起來，限制增速的幅 度；轉(zhuǎn)速降低時，將能量釋放出來，阻止速度降低。鍛壓機械在一個運動循環(huán)內(nèi)，工作時間短，但載荷峰值大，利用飛輪在非工作時間內(nèi)儲存的能量來克服尖 峰載荷，選用小功率原動機以降低成本。幫助機械越過死點，如縫紉機。浙江大學專用Md三、Amax的確定方法AmaxEmaxEmin EmaxEmax、Emin出現(xiàn)的位置：Mra在曲線M 與 M 的交點處。drE()曲線上從一個極值點躍變到另一個極值點的高度，正好等于兩點之間的陰影面積(盈虧功)。在交點位置

12、的動能增量E正好是從起始點a到該交點區(qū)間內(nèi)各代表Amax盈虧功的陰影面積代數(shù)和。可用折線代替曲線求得E作圖法求Amax：任意繪制一水平線，并分割成對應的區(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，箭頭長度與陰影面積相等，由于循環(huán)始末的動能相等，故能量指示圖為一個封閉的臺階形折線。則最大動能增量及最大盈虧功等于指示圖中最低點到最高點之間的高度值。浙江大學專用強調(diào)不一定是相鄰點aEbcEmaxdeEmin舉例：已知驅(qū)動力矩為常數(shù)，阻力矩如圖所示，主軸的平均角速度為：m=25 1/s,不均勻系數(shù)0.05， 求主軸飛輪的轉(zhuǎn)動慣量J。, 在一個循環(huán)內(nèi)， kN-m解：1)求M書上例題自學Md

13、 rMd和Mr所作的功相等，于是：10Md12p2pM djM=三個三角形面積之和dr0 1 p 10 + 2( 1 p 10) = 51=03/222p222作代表Md的直線如圖。2)求Amax各陰影三角形的面積分別為：作能量指示圖浙區(qū)間0/4/4 3/43/49/89/811/811/813/813/815/815/8 2面積江大學專用10/16-10/815/16-5/810/16-5/85/16由能量指示圖，得：Amax10/83.93 KN-mJ Amax/2m3.9310/(0.05252)126 kgm2Amax浙江大學專用173飛輪主要尺寸的確定輪形飛輪：由輪轂、輪輻和輪緣三部分組成。主要尺寸：寬度B、輪緣厚度H、平均值徑DmJA輪緣輪幅輪轂DmHB其輪轂和輪輻的轉(zhuǎn)動慣量較小，可忽略不計。其轉(zhuǎn)動慣量為：浙江大學專用 D2mD2J = mm = m 24按照機器的結(jié)構和空間位置選定Dm之后，可得飛輪質(zhì)量：mV =DmHB 為材料密度選定飛輪的材料和比值H/B之后，可得飛輪截面尺寸。盤形飛輪：選定圓盤直徑D，可得飛輪的質(zhì)量：D2B =mV4選定飛輪的材料之后，可得飛輪的寬度B。為保證