机械原理ch12机械的运转及其速度波动的调节剖析

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1、第十二章 机械的运转及其速度 波动的调节,12-1 概述,12-2 机械的运动方程式,12-3 机械运动方程式的求解,12-4 稳定运转状态下机械的周期性速度 波动及其调节,12-5* 机械的非周期性速度波动及其调节,返回,12-1 概 述,1本章研究的内容及目的,（1）研究在外力作用下机械真实运动规律的求解,机械的运动规律通常用其原动件的运动规律（即位移、速度 及加速度）描述。,而其真实运动规律是由其各构件的质量、转动 惯量和作用于其上的驱动力与阻抗力等因素而决定的，,上述参数 往往是随时间而变化的。,要对机构进行精确的运动分析和力分析，就需要确定原动件 的真实运动规律。,这对于设计新机器或

2、分析现有机器的工作性能，确定其运动稳定性、受力的真实情况等都是十分必要的。这就是研究机械运转的目的。,（2）研究机械运转速度的波动及其调节,生产中的大部分机器都是有周期性运动循环的机器，在运转过程中，主轴在其主要工作阶段（稳定运动时期）作变速稳定运动，因此其运转速度会出现周期性速度波动。 这种速度波动会导致： 在运动副中产生附加的动压力，降低机械效率和工作的可靠性 可能在机器中引起弹性振动，影响机器的强度、寿命，并消耗部分动力； 影响机器进行的工艺过程，使产品质量下降。,因此，为了降低机械速度波动的影响，就需要研究其波动和调节方法，以便设法将机械运转速度波动的程度限制在许可的范围之内。这是机械

3、速度波动调节的目的之一。,（1）起始阶段,机械的角速度由零渐增至m，其功能关系为,WdWcE,2机械运转的三个阶段,在机器的稳定运动时期内，如果驱动力或生产阻力或有害阻力突然发生巨大的变化，机器主轴的速度也会跟着突然增大或减小，并且连续向一个方向发展，从而将引起机器速度过高而毁坏，或者迫使机器停车。 由于机器运转速度的这种波动没有一定的周期，并且其作用不是连续的，所以称为非周期性速度波动。 机械速度波动调节的另一个目的，是防止非周期性速度波动所引起的机器毁坏或者停车。,（2）稳定运转阶段,周期变速稳定运转,m常数，而作周期性变化；,在一个运动循环周期内，WdWc。,等速稳定运转,m常数， Wd

4、Wc,（3）停车阶段,由m渐减为零；E-Wc,3 驱动力和生产阻力,（1）驱动力,所谓机械特性通常是指力（或力矩）和运动参数（位移、 速度、时间等）之间的关系。,分类,作用在机械上的力常按其机械特性来分类。,如电动机MdMd(),常数 位移的函数 速度的函数,如重锤驱动件FdC,如弹簧FdFd(s)，,内燃机MdMd(),故驱动力可分为：,（2）工作阻力,机械的执行构件所承受的生产阻力的变化规律，常取决于机 械工艺过程的特点。,按机械特性来分，生产阻力可分为：,如起重机、车床等。,如曲柄压力机、活塞式压缩机等。,如鼓风机、离心泵等。,如揉面机、球磨机等。,常数 执行机构位置的函数 执行构件速度

5、的函数 时间的函数,设 第i个构件的作用力为Fi、力矩为Mi，,12-2 机械的运动方程式,1机械运动方程的一般表达式,研究机构的运转问题时，需建立包含作用在机械上的力、构 件的质量、转动惯量和其运动参数的机械运动方程。,对于具有n个活动构件的机械，,式中Mi与i同相时，取“”号，反相时，取“”号。,力Fi的作用点的速度为vi、构件的角速 度为i，,Fi与vi间的夹角为i。,则可得机械运动方程式的一般表达式,mi,JSi,例 曲柄滑块机构的运动方程的建立,2机械系统的等效动力学模型,对于单自由度的机械，描述它的运动规律只需一个独立广义 坐标。因此在研究机械在外力作用下的运动规律时，只需确定出

6、该坐标随时间变化的规律即可。,为了求得得简单易解的机械运动方程式，对于单自由度机械 系统可以先将其简化为一等效动力学模型，然后再据此列出其运 动方程式。,例 曲柄滑块机构的等效动力学模型,以曲柄为等效构件时的等效动力学模型,以滑块为等效构件时的等效动力学模型,（1）等效动力学模型概念：,结论：,对于一个单自由度机械系统的动力学问题研究，可简化为对其一个等效转动构件或等效移动构件的运动的研究。,等效转动惯量（或等效质量）是等效构件具有的假想转动惯 量（或假想质量），等效构件的动能应等于原机械系统中所有运 动构件的动能之和。,注意：等效质量或等效转动惯量是假想的，它并不是机器所有运动构件的质量或转

7、动惯量的合成总和。所以在力的分析中不能用等效质量或等效转动惯量来确定总惯性力或总惯性力偶矩。,等效力矩（或等效力）是作用在等效构件上的一个假想力矩 （或假想力），其瞬时功率应等于作用在原机械系统上的所有外 力在同一瞬时的功率之和。,我们把具有等效转动惯量（或等效质量），其上作用有等效 力矩（或等效力）的等效构件就称为原机械系统的等效动力学模型。,注意：等效力或等效力矩是一个假想的力或力矩，它不是被代替的已知给定力和力矩的合力或合力矩。所以，求机构各力的合力时就不能应用等效力和等效力矩的原理。,（2）等效动力学模型的建立,首先，可选取机械中待求速度的转动或移动构件为等效构件， 并以其位置参数为广

8、义坐标。,其次，确定系统广义构件的等效转动惯量Je或等效质量me， 和等效力矩Me或等效力Fe。,其中Je或me的大小是根据等效构件与 原机械系统动能相等的条件来确定；,而Me或Fe的大小是根据等效 构件与原机械系统的瞬时功率相等的条件来确定。,Jemi(vSi /)2JSi(i /)2,MeFicosi(vi /)Mi(i /),memi(vSi /v)2JSi(i /v)2,FeFicosi(vi /v)Mi(i /v),等效转动惯量（等效质量）和等效力矩（等效力）的一般 计算公式表达如下：,当取转动构件为等效构件时，则,当取移动构件为等效构件时，,例 齿轮推动连杆机构的等效转动惯量和等效

9、力矩的计算,12-3 机械运动方程式的求解,由前可知，单自由度机械系统的运动方程式可用其等效构 件的运动方程式来表示，,现以等效回转构件为例，几种常见机械运动方程式求解问 题及方法如下：,因此，求解运动方程式的方法也不尽相同，一般 有解析法、数值计算法和图解法等。,其等效力矩（或等效力）可能是位置、 速度或时间的函数，而其等效转动惯量（或等效质量）可能是 常数或位置的函数，而且它们又可以用函数、数值表格或曲线 等形式给出。,1等效转动惯量和等效力矩均为位置的函数,如用内燃机驱动活塞式压缩机的机械系统，其系统等效转 动惯量和等效力矩均为位置的函数，,Med(） Mer(）,若已知边界条件：当tt

10、0时，0， 0，JeJe0。,则系统的运动方程式为,（2）运动方程式的求解，由上式可得,（1）机械系统实例及其运动方程式,即可解出()。,1）求 (t),(） d/dt,变换并积分得,2）求,当等效力矩和等效转动惯量均为常数时，即Me常数，Je常数。,边界条件：当tt0时， 0， 0，,则其运动方程式为,Jed/dtMe,积分得,0t,（1）机械系统实例及其运动方程式,如用电动机驱动的搅拌系统，则 Je常数， Me()Med()Mer(),其运动方程式为,Me(） Jed/dt,（2）运动方程式的求解，,由上式分离变量得,dtJed/Me(),即可求得 ， (t)，而d/dt。,再由ddt积分

11、得,2等效转动惯量是常数，等效力矩是速度的函数,（1）机械系统实例：用电动机驱动的刨床、冲床等机械系统。,其运动方程式为 dJe()2/2Je()dMe(，)d,（2）运动方程式的求解,因为方程为非线性微分方程，故需数值法求解。,3等效转动惯量是位置的函数，等效力矩是位置和速度的 函数,12-4 机械的周期性速度波动及其调节,1机械的周期性速度波动,机械在稳定运转阶段，其原动件的角速度在其恒定的平均 角速度m上下瞬时的变化（即出现波动），,但在一个周期T的始 末，其角速度是相等的，这时机械具有的动能是相等的。,这种速 度波动就称为机械的周期性速度波动。,机器在稳定运转阶段下，其等效力矩一般是机

12、械位置的周期 性函数，即Me(T）Me(）。,等效力矩作周期性变化，使其时而出现盈功，时而出现亏功；,且当在等效力矩和等效转动惯量变化的公共周期内，机器的总驱动功等于总阻抗功（即WdWr）时，,则机器等效构件的角速度将发生相同周期的周期性速度波动。,（1）产生周期性速度波动的原因,（2）周期性速度波动程度的描述,机械速度的高低， 工程上通常用机械的 平均角速度m的算术 平均值来表示。,即 m（maxmin）/2,对于不同的机械，的要求不同，,机械速度波动的程度，则通常用机械运转速度不均匀系数 来表示，,其定义为角速度波动的幅度与平均值之比，,故规定有许用值(表p443)。,2周期性速度波动的调

13、节,（1）周期性速度波动调节的方法,机械运转的速度波动对机械的工作是不利的，它不仅影响机 械的工作质量，而且会影响到机械的效率和寿命，所以必须加以 控制和调节，将其限制在许可的范围内。,机械速度波动的调节就是要设法减少机械的运转速度不均匀 系数，使其不超过允许值，,即 ,机械的周期性波动调节的方法就是在机械中安装飞轮具 有很大转动惯量的回转构件。,在机械系统出现盈功时， 吸收储存多余能量，而在出现亏功时释放其能量，以弥补能量的 不足，,飞轮的调速是利用它的储能作用，,从而使机械的角速度变化幅度得以缓减，即达到调节作用。,（2）飞轮调速的基本原理,当机械系统的等效构件上装加一个转动惯量为JF的飞

14、轮之后， 需飞轮储存的最大盈亏功为WmaxEmaxEmin，,其等效构件的速度 不均匀系数则为 Wmax/（JeJF）m2,由此可知，只要JF足够大，就可使减少，则满足，即 达到了调速的目的。,（3）飞轮转动惯量的近似计算,为了使机械系统满足的要求，需装加早期等效构件上的飞轮 转动惯量为JF的计算公式为：,JFWmax/(m2）,则JF900Wmax/(n22）,JFWmax/(m2）Je,如果JeJF，,如果用平均转速n(r/min)计算，,由此可知,飞轮转动惯量的计算关键是最大盈亏功Wmax的确定。,1）关于飞轮调速的几个重要结论,分析JFWmax/(m2）可知：,当Wmax与m一定时，如

15、取值很小，则JF就需很大。,因JF不可能为无穷大，而Wmax与m又都为有限值，所以 不可能为零。,当Wmax与一定时，JF与m的平方值成反比。,说明 过分追求机械运转速度的均匀性，就会使飞轮过于笨重。,说明 安装飞轮不可能将机械运转速度波动消除，而只是波动幅度的减小而已。,说明 在获得同样的调节效果的情况下，最好将飞轮安装在 机械的高速轴上。这样有利于减少飞轮的转动惯量。在设计时， 还应考虑安装轴的刚性和结构上的可能性等。,利用它的储能作用，在选用较小功率原动机的情况下， 能帮助克服很大的尖峰工作载荷。,2）飞轮的主要应用的进一步说明,利用它的储能作用实现调速。,用作能量存储器来提供动力。,如惯性玩具小汽车。,如锻压机械。,利用它的储能作用实现节能。,如汽车上的一种飞轮制 动器。,用作太阳能及发电装置的能量平衡器。,（4）飞轮结构尺寸的确定,12-5 机械的非周期性速度波动及其调节,1机械的非周期性速度波动,若机械在运转过程中，其等效力矩MeMedMer的变化为非周 期性的，则机械运转的速度将出现非周期性的波动，从而破