《机械行业管理分析运转及其速度波动的调节》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械行业管理分析运转及其速度波动的调节（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、12-1 研究机器运转及其速度波动调节的目的 12-2 机器等效力学模型 12-3 机器运动方程式的建立及解法 12-4 机器周期性速度波动的调节方法和设计指标 12-5 飞轮的设计 12-6 机器非周期性速度波动的调节方法,第十二章 机器的运转及其速度波动的调节,12-1 研究机器运转及其速度波动调节的目的,1.本章研究的内容及目的 机械系统的运动规律，是由各构件的质量、转动惯量和作用于各构件上的力等多方面因素决定的。 研究内容 在外力作用下机械的真实运动规律及机械速度波动的调节。 研究目的 使机械的转速在允许范围内波动，保证机械正常工作。 机械主轴速度产生波动的原因 机械的输入功与有用功和
2、有害功之和不能时时保证相等。 机械速度波动类型 周期性速度波动 非周期性速度波动,一般机械的原动件运转的速度并非绝对均匀，会产生忽快、忽慢的速度波动，这种速度波动会引起机械振动，从而降低机械的寿命、效率和工作质量。 主要影响因素：机械上的外力、各构件的质量、尺寸及转动惯量 2. 机械运转的三个阶段 设：Wd 驱动功、 Wr 有用功、 Wf 有用功 E (=E2-E1) 动能增量 由动能定理，有 Wd - (Wr + Wf ) = E2-E1,(2) 稳定运转 Wd = Wr + Wf ， E = 0,(1) 起动阶段 Wd Wr + Wf ，E = E2-E1 0,(3) 停车阶段 Wd Wr
3、 + Wf ，E = E2-E1 0，且一般 Wd =0。,3. 作用在机械上的驱动力和生产阻力,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工作阻力和驱动力两大类：,原动机的机械特性：指原动机发出的驱动力（或力矩）与运动参数（位移、速度）之间的关系。,工作阻力 工作阻力是指机械工作时需要克服的工作负荷，它决定于机械的工艺特性。,在机械的生产过程中，有些生产阻力为常数，有些是位置的函数，还有一些是速度的函数。 常数 如起重机、车床的生产阻力 执行构件位置的函数 如曲柄压力机、活塞式压缩机的生产阻力 执行构件速度的函数 如鼓风机、离心泵的生产阻力 时间的函数 如揉面机、
4、球磨机的生产阻力,驱动力 常数 如重力 FdC 位移的函数 如弹簧力 Fd Fd(s) 内燃机驱动力矩 Md Md(s) 速度的函数 如电动机驱动力矩 Md Md(),12-2 机器等效力学模型 机械运动方程的一般表达式 机械运动方程:建立作用在机械上的力、构件的质量、转动惯量和其运动参数之间的函数关系。 理论依据 机械系统在时间t内的的动能增量E应等于作用于该系统所有各外力的元功W。 微分形式 dEdW 研究对象的简化 对于单自由度机械系统，只要知道其中一个构件的运动规律，其余所有构件的运动规律就可随之求得。因此，可以把复杂的机械系统简化成一个构件，即等效构件，建立最简单的等效动力学模型。,
5、一、等效力和等效力矩 用一个假想力或力矩来代替作用在该机器上所有已知外力和力矩。 代替的原则：使系统转化前后的动力学效果保持不变。 等效构件的动能，应等于整个系统的总动能。 等效构件上所做的功，应等于整个系统所做功之和。 等效力 等效力矩 等效构件 等效点 如图12-2,说明： 1）F和 M是机构位置的函数。 2）不必知道各个速度的真实数值。 3）当已知F和M两者之一时，则另一个便可求出。 4）如果作用在机构上的力和力矩是时间或角速度的函数，则F和 M是它们的函数。,目的：通过建立外力与运动参数间的函数表达式，研究机械系统的真实运动。,原则：使系统转化前后的动力学效果保持不变。,等效构件的动能
6、，应等于整个系统的总动能。 等效构件上所做的功，应等于整个系统所做功之和。,2.机械系统的等效动力学模型,在图中设：曲柄质心在回转副O处，转动惯量为J1，角速度为w1 ；连杆质心在处S2，质量为m2，相对质心转动惯量为J2；滑块质量为m3，其质心在B点，速度为v3。 作用于机构上的外力有驱动力矩M1和工作阻力F3，忽略构件重力几运动副中摩擦力的影响。,该机构在dt 瞬时的动能增量为 dE= d( ),驱动力矩M1与工作阻力F3在dt 瞬间其所做得功为 dW = (M11 F3v3) dt = Pdt 根据动能定理可知： d(J121 /2 +m2v2S2 /2 + JS222 /2 + m3v
7、23 /2)= (M11 F3v3)dt,J121 /2,+ m2v2S2 /2,+JS222 /2,+ m3v23 /2,同理，如果机械系统由n各活动构件组成，设作用在构件i上的作用力为Fi，力矩为Mi，力Fi的作用点的速度为vi，构件的角速度为i，则可得出机械运动方程式的一般表达式为,式中ai为作用在构件i上的外力Fi与该力作用点的速度vi间的夹角，而“”号的选取决定于作用在构件i上的力矩Mi与该构件的角速度为i的方向是否相同，相同时取“+”号，反之取“-”号。,d(J121 /2 +m2v2S2 /2 + JS222 /2 + m3v23 /2)= (M11 F3v3)dt,Je和Me作
8、均为曲柄转角的函数，因而上式可表示为,转动惯量量纲,力矩量纲,dJe(1)21/2=Me(1,1,t) 1dt,J1,=1 dt,M1,dJe(1)21/2=Me(1,1,t) 1dt,上述的推导可以理解为：对于一个单自由度机械系统的运动的研究，可以简化为对其一个具有等效转动惯量Je()，在其上作用有等效力矩Me(, , t )的假想构件的运动研究，这一假想的构件称为等效构件。,Me,Je,定义 等效转动惯量等效构件具有的转动惯量，其动能等于原机械系统所有构件动能之和。 等效力矩作用在等效构件上的力矩，其瞬时功率等于作用在原机械系统上所有外力在同一瞬时的功率之和。 具有等效转动惯量，其上作用有
9、等效力矩的等效构件称为等效动力学模型。,如选取滑块3为等效构件，其广义坐标为滑块的位移s3,me和Fe作为曲柄转角的函数，因而上式可表示为 dme(s3)v23/2=Fe(s3, v3,t) v3dt 式中：me称为等效质量， Fe称为等效力。,质量量纲,力量纲,定义 等效质量等效构件具有的质量，其动能等于原机械系统所有构件动能之和。 等效力作用在等效构件上的力，其瞬时功率等于作用在原机械系统上所有外力在同一瞬时的功率之和。 具有等效质量，其上作用有等效力的等效构件也称为等效动力学模型。,等效动力学模型,等效力矩：Me 等效转动惯量：Je,等效力：Fe 等效质量：me,等效力矩的一般计算式为：
10、,等效力的一般计算式为:,等效质量的一般计算式为：,等效转动惯量的一般计算式为：,综上所述有：,取转动构件为等效构件,取移动构件为等效构件,例1:如图为一齿轮驱动的正弦机构，已知：z1=20, 转动惯量为J1；z2=60，转动惯量为J2， 曲柄长为l，滑块3和4的 质量分别为m3和m4 ,其质心 分别在C和D点，轮1上 作用有驱动力矩M1,在滑 块4上作用有阻抗力F4， 取曲柄为等效构件。,解：,求：图示位置时的等效转动惯量Je及等效力矩Me。,1）求J e,1）Je的前三项为常数，第四项为等效构件的位置参数2的函数，为变量。 2）工程上，为了简化计算，常将等效转动惯量中的变量部分用其平均值近
11、似代替，或忽略不计。,说明,2）求M e,瞬时功率不变,3.运动方程式的推演,(1) 以回转构件为等效构件时,(2) 以移动构件为等效构件时,1）力矩形式的机械运动方程式,2）动能形式的机械运动方程式：,12-3 机械运动方程的建立及解法, = （）,1.等效转动惯量和等效力矩均为位置的函数,（ Md=Md( )，Mr=Mr( )， Me=Me( )，Je=Je( ) ）,等效构件的角加速度,以电动机驱动的鼓风机，搅拌机之类机械属于这种情况。 用力矩形式的运动方程式求解比较方便。,2.等效转动惯量是常数，等效力矩是速度的函数,12-4 机器周期性速度波动的调节方法和设计指标,产生周期性速度波动
12、的原因,当等效构件回转过角时，,作用在机械上的等效驱动力和等效阻抗力矩即使在稳定运转状态下往往也是等效构件转角的周期性函数。,机械动能的增量为：,盈功：E 0 ，用“+”号表示。 亏功：E 0 ，用“-”号表示。 在盈功区，等效构件的 在亏功区，等效构件的,在Me和Je的公共周期内，Wd=Wr，,经过Me和Je的一个公共周期，机械的动能恢复到原来的值 等效构件的角速度恢复到原来的数值。,等效构件的角速度在稳定运转过程中呈现周期性波动。,二、设计指标,（1）平均角速度m和速度不均匀系数,机械运转的速度波动对机械的工作是不利的，它不仅将影响机械的工作质量，也会影响到机械的效率和寿命，必须加以控制和
13、调节，将其限制在许可的范围之内。,速度不均匀系数：角速度变化量和其平均角速度的比值。工程上用它来表示机械运转的速度波动程度。,m 一定时， 越小， max 与 min 的差值越小，机器的运转越平稳。,设计机械时，应满足：,常用机械运转不均匀系数的许用值d,一、周期性速度波动的调节方法：,安装飞轮： 机械出现盈功时，飞轮以动能的形式存储能量； 机械出现亏功时，飞轮释放其存储的能量。,12-5 飞轮设计,W max = E max,调节方法：在W max一定的情况下，为了使系统速度不均匀系数 d d ，可通过给系统增加一个转动惯量较大的回转体飞轮(其转动惯量计为JF )。,1）飞轮调速的基本原理,
14、2）飞轮转动惯量的计算 飞轮转动惯量为JF ，于是有 W max = (Je + JF ) w2md 一般情况， Je JF 。 讨论：因为要求d d ，而Jf JF + Je ；按上式安装飞轮后，实际d 一定能满足设计要求。 结论：可忽略Je的影响。,最好将飞轮安装在高速轴上。,3）飞轮尺寸的确定,平均直径D的选择，应适当选大一些，但不宜过大，以免轮缘因离心力过大而破裂。,12-6 机械的非周期性速度波动及其调节,非周期性速度波动：机械运转过程中，等效力矩（Me= Med-Mer）非周期性变化时，机械出现的速度波动。,工作阻力或驱动力在机械运转过程中发生突变，从而使输入能量和输出能量在较长一段时间内失衡造成的。 若长时间内MedMer ,系统的转速将持续上升，严重时会出现飞车现象； 如果长时间MerMed ，会造成系统转速持续下降直至最后停止运转 。,1.当机械的原动机所发出的驱动力矩是速度的函数时，机械具有自动调节非周期性波动的能力。 采用电动机作为原动机的机械属于此类。 2.对于没有自调性的机械系统，需安装一种专门的调节装置-调速器来调节机械出现的非周期性速度波动。 如采用蒸汽机、内燃机或汽轮机为原动机的机械系统,分为两种情况：,调速器,离心式调速器,
