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1、l l 11.1 11.1 概概 述述l l 11.2 11.2 机械系统等效动力学模型机械系统等效动力学模型l l 11.3 11.3 机械系统运动方程式机械系统运动方程式l l 11.4 11.4 机械系统运动方程的求解机械系统运动方程的求解l l 11.5 11.5 机器速度波动的调节方法机器速度波动的调节方法l l 11.6 11.6 飞飞 轮轮 设设 计计l l 思考与习题思考与习题第第1111章章 机械的运转及其速度波动的调节机械的运转及其速度波动的调节l l内容提要内容提要 ：本章主要内容介绍在外力作用下机械的运转 过程；建立机械系统的等效动力学模型和机械系统的运动 方程及其求解
2、；机械运转速度的波动与调节方法。本章重 点内容是等效力(力矩)、等效质量(等效转动惯量)的计算 ，稳定运转状态下机械的周期性速度波动的调节及飞轮设 计。第第1111章章 机械的运转及其速度波动的调节机械的运转及其速度波动的调节 11.1 11.1 概概 述述 11.1.1 11.1.1 研究机械运转及其速度波动调节的目的研究机械运转及其速度波动调节的目的l l前面章节对机构进行运动分析时，为了简化问题，曾假定原动件的运前面章节对机构进行运动分析时，为了简化问题，曾假定原动件的运 动是已知的，且一般是作等速运动。这对研究轻载、低速和运动精度不高的机动是已知的，且一般是作等速运动。这对研究轻载、低
3、速和运动精度不高的机 械来说是可以的。但是，由于机械日益向高速、重载和自动化的方向发展，因械来说是可以的。但是，由于机械日益向高速、重载和自动化的方向发展，因 此，对机械的运动精度、受力分析和强度计算都提出了越来越高的要求，原动此，对机械的运动精度、受力分析和强度计算都提出了越来越高的要求，原动 件作等速运动的假定就不符合实际情况了。事实上，原动件的真实运动规律是件作等速运动的假定就不符合实际情况了。事实上，原动件的真实运动规律是 作用在机械上的所有外力作用在机械上的所有外力( (驱动力和工作阻力驱动力和工作阻力) )、原动件的位置以及机械中各构、原动件的位置以及机械中各构 件的质量、转动惯量
4、等参数的函数。只有根据外力求得原动件的真实运动规律件的质量、转动惯量等参数的函数。只有根据外力求得原动件的真实运动规律 后，才能分析机械中构件的真实运动状况。因此，研究机械在外力作用下的真后，才能分析机械中构件的真实运动状况。因此，研究机械在外力作用下的真 实运转状况，对于分析现有机器和设计新机器都是必不可少的，这就是本章所实运转状况，对于分析现有机器和设计新机器都是必不可少的，这就是本章所 要研究的目的之一。要研究的目的之一。l l机械稳定运转过程中，如果主轴在外力的影响下出现过大的速度波动机械稳定运转过程中，如果主轴在外力的影响下出现过大的速度波动 ，一方面将在运动副中产生附加动压力，增加
5、机械的能量消耗和运动副元素的，一方面将在运动副中产生附加动压力，增加机械的能量消耗和运动副元素的 磨损，不仅使机械工作可靠性下降，而且降低机械的效率。另一方面，容易引磨损，不仅使机械工作可靠性下降，而且降低机械的效率。另一方面，容易引 起机械的振动，影响机械的强度，降低产品质量和工具的寿命。为此，必须采起机械的振动，影响机械的强度，降低产品质量和工具的寿命。为此，必须采 取措施将机械主轴的速度波动限制在许可范围内。因此，调节机械运转中的速取措施将机械主轴的速度波动限制在许可范围内。因此，调节机械运转中的速 度波动是本章要研究的另一内容和目的。度波动是本章要研究的另一内容和目的。机械在外力下运动
6、，根据能量守恒定律，运动中的任一时间间隔内，外机械在外力下运动，根据能量守恒定律，运动中的任一时间间隔内，外 力所做的功的总和力所做的功的总和 与机械的动能增量与机械的动能增量 的关系可以示为的关系可以示为 (11.1)(11.1)其中其中 为为 。式中，式中， 为该时间间隔内驱动力所做的功；为该时间间隔内驱动力所做的功； 为同一时间内工作阻力所做的为同一时间内工作阻力所做的 功。功。机械从开始运动到停止运动的全过程，都要经历启动、稳定运转和停车机械从开始运动到停止运动的全过程，都要经历启动、稳定运转和停车 三个阶段。三个阶段。1. 1. 机械的启动阶段机械的启动阶段机械的启动阶段指机械主轴由
7、零转速逐渐上升到正常工作转速的过程。该机械的启动阶段指机械主轴由零转速逐渐上升到正常工作转速的过程。该 阶段中，机械驱动力所做的功阶段中，机械驱动力所做的功 大于阻抗力大于阻抗力 所做的功，系统的动能在不断的增所做的功，系统的动能在不断的增 加，即加，即0 0因而原动件作加速运动。如图因而原动件作加速运动。如图11.111.1启动阶段所示，其速度从零开始不断增启动阶段所示，其速度从零开始不断增 加，直到某一正常工作速度。最好能空载启动，即加，直到某一正常工作速度。最好能空载启动，即 ，不但可缩短启动，不但可缩短启动 时间，而且还可选择较小功率的电机，以降低整机的成本。时间，而且还可选择较小功率
8、的电机，以降低整机的成本。 11.1.2 11.1.2 机械运转的三个阶段机械运转的三个阶段2. 2. 机械的稳定运转阶段机械的稳定运转阶段当机械的驱动力所做的功与阻抗力的功达到平衡时，其动能不再增加当机械的驱动力所做的功与阻抗力的功达到平衡时，其动能不再增加 ，机械由启动阶段进入了稳定运转阶段。在这一阶段中，能量输入和输出，机械由启动阶段进入了稳定运转阶段。在这一阶段中，能量输入和输出 达到了时时相等，即达到了时时相等，即原动件速度将恒定不变，称为等速稳定运转。鼓风机、提升机的工作原动件速度将恒定不变，称为等速稳定运转。鼓风机、提升机的工作 状态就属于这种情况。如果不能满足驱动力的功与阻抗力
9、的功时时相等，状态就属于这种情况。如果不能满足驱动力的功与阻抗力的功时时相等， 但是在机械运动一个周期内能保持相等，这时原动件速度将围绕一恒定的但是在机械运动一个周期内能保持相等，这时原动件速度将围绕一恒定的 平均速度作周期性波动，称为周期性变速稳定运转，如图平均速度作周期性波动，称为周期性变速稳定运转，如图11.111.1稳定运转阶稳定运转阶 段所示。电动机带动的曲柄压力机、活塞式发动机等就属于这种情况。段所示。电动机带动的曲柄压力机、活塞式发动机等就属于这种情况。图11.1 机械的运转过程3. 3. 机械的停车阶段机械的停车阶段 停车阶段是指机械从稳定运转到完全停止运动的过程，如图停车阶段
10、是指机械从稳定运转到完全停止运动的过程，如图11.111.1停车阶段停车阶段 所示。所示。这时一般先撤去驱动力，故驱动力的功为零，系统依靠停车前储存的动这时一般先撤去驱动力，故驱动力的功为零，系统依靠停车前储存的动 能继续克服阻力做功，速度不断下降，直到动能全部耗尽，机械才能完全能继续克服阻力做功，速度不断下降，直到动能全部耗尽，机械才能完全 停住。这时的功能关系为停住。这时的功能关系为0 0 为了缩短停车时间和安全起见，可在机械上安装制动装置，加速消耗机械为了缩短停车时间和安全起见，可在机械上安装制动装置，加速消耗机械 的动能，减少停车时间。的动能，减少停车时间。 以上介绍的是常见机械系统的
11、一般运动过程，大多数机械是工作在稳定运以上介绍的是常见机械系统的一般运动过程，大多数机械是工作在稳定运 转阶段，在该阶段完成其工作任务的，但是有些机械例如：挖土机、起重转阶段，在该阶段完成其工作任务的，但是有些机械例如：挖土机、起重 机、可逆式轧钢机等的很大一部分工作是在启动和制动阶段完成的。机、可逆式轧钢机等的很大一部分工作是在启动和制动阶段完成的。图11.1 机械的运转过程 11.1.3 11.1.3 作用在机械上的驱动力和工作阻力作用在机械上的驱动力和工作阻力 l l当忽略机械中各构件的重力以及运动副中的摩擦力时，作用在机械上的力可分为当忽略机械中各构件的重力以及运动副中的摩擦力时，作用
12、在机械上的力可分为 工作阻力和驱动力两大类。力工作阻力和驱动力两大类。力( (或力矩或力矩) )与运动参数与运动参数( (位移、速度、时间等位移、速度、时间等) )之间的关之间的关 系通常称为机械特性。系通常称为机械特性。l l1. 1. 驱动力驱动力驱动力是驱使机械产生运动的力。其特征是力与其作用点的速度方驱动力是驱使机械产生运动的力。其特征是力与其作用点的速度方 向相同或者夹角是锐角，因而做正功。由原动机提供的作用力为驱动力，其变化向相同或者夹角是锐角，因而做正功。由原动机提供的作用力为驱动力，其变化 规律取决于原动机的机械特性。规律取决于原动机的机械特性。l l2. 2. 工作阻力工作阻
13、力凡是阻止机械运动的力称为阻力。其特征为力与其作用点的速度凡是阻止机械运动的力称为阻力。其特征为力与其作用点的速度 方向相反或者成钝角，因而做负功。方向相反或者成钝角，因而做负功。l l通常情况下，驱动力和工作阻力可以根据其机械特性分为如下四种。通常情况下，驱动力和工作阻力可以根据其机械特性分为如下四种。l l1) 1) 力是常量力是常量 如起重机、轧钢机、拉丝机，车床和刨床等机械的工作阻力可近如起重机、轧钢机、拉丝机，车床和刨床等机械的工作阻力可近 似地认为是常数；当以重力为驱动力时，或者当角速度变化很小时电动机的驱动似地认为是常数；当以重力为驱动力时，或者当角速度变化很小时电动机的驱动 力
14、也可认为是常量。力也可认为是常量。l l2) 2) 力是位置的函数力是位置的函数如往复式压缩机、水平锻机、压砖机、冲床等机械的阻力如往复式压缩机、水平锻机、压砖机、冲床等机械的阻力 ，内燃机、蒸汽机和弹簧产生的驱动力可以认为是机构位置的函数。，内燃机、蒸汽机和弹簧产生的驱动力可以认为是机构位置的函数。l l3) 3) 力是速度的函数力是速度的函数如作用在鼓风机、电风扇、发电机、离心泵上的阻力和各如作用在鼓风机、电风扇、发电机、离心泵上的阻力和各 种电动机产生的驱动力矩可认为是执行构件或电机主轴速度的函数。种电动机产生的驱动力矩可认为是执行构件或电机主轴速度的函数。l l4) 4) 力是时间的函
15、数力是时间的函数如球磨机、揉面机、碎石机以及某些粮食加工机械的工作如球磨机、揉面机、碎石机以及某些粮食加工机械的工作 阻力。阻力。11.2.1 11.2.1 机械系统等效动力学模型的建立机械系统等效动力学模型的建立 研究机械在外力作用下的运动规律，首先需要建立机械系统各运动参数随外研究机械在外力作用下的运动规律，首先需要建立机械系统各运动参数随外 力变化的关系式，这种关系式称为机械系统的运动方程。这里可应用理论力力变化的关系式，这种关系式称为机械系统的运动方程。这里可应用理论力 学的动能定理，机械系统在某一瞬时总动能增量等于该瞬时作用于该机械系学的动能定理，机械系统在某一瞬时总动能增量等于该瞬时作用于该机械系 统上各外力所做的元功之和，由该定理可写出机械系统的运动方程式为统上各外力所做的元功之和，由该定理可写出机械系统的运动方程式为(11.2)(11.2) 以曲柄滑块机构为例，如图以曲柄滑块机构为例，如图11.211.2所示，说明式所示，说明式(11.2)(11.2)。 11.2 11.2 机械系统等效动力学模型机械系统等效动力学模型图11.2 曲柄滑块机构等效动力学模型系统在dt内的动能增量：各外力在dt内所做的元功之和： 如果机械有个活动构件组成，则上式可写成：式中， 、 分别为构件i的质量以及构件对其质心的转动惯量； 、 和
