JDT型系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)調(diào)速實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、昆山巨林科教實(shí)業(yè)有限公司 JDT型機(jī)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)調(diào)速實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書（參考資料）昆山巨林科教實(shí)業(yè)有限公司 使 用 說 明 書概述： 通過學(xué)習(xí)機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)等相關(guān)課程之后，我們了解了機(jī)械是在外力（驅(qū)動(dòng)力和阻力）作用下運(yùn)轉(zhuǎn)的。外力對(duì)機(jī)械所作的功的增減，就是機(jī)械具有的動(dòng)能的增減。如果驅(qū)動(dòng)力所作的功在每段時(shí)間內(nèi)都等于阻力所作的功，則機(jī)械的主軸將保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。但是，有許多機(jī)械在工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)力所作的功在某段時(shí)間內(nèi)不等于阻力所作的功。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力所作的功大于阻力所作的功時(shí)，出現(xiàn)盈功，促使機(jī)械動(dòng)能增加；當(dāng)驅(qū)動(dòng)力所作的功小于阻力所作的功時(shí)，出現(xiàn)虧功，導(dǎo)致機(jī)械動(dòng)能減少。機(jī)械動(dòng)能的增減形成機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度的波動(dòng)。這種波

2、動(dòng)造成整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻性，那么研究在外力作用下機(jī)械系統(tǒng)速度波動(dòng)變化規(guī)律對(duì)于設(shè)計(jì)機(jī)械，尤其是高速重載、高精度和高自動(dòng)化機(jī)械將提供很好的參考。速度波動(dòng)又分為周期性速度波動(dòng)和非周期性速度波動(dòng)。機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)當(dāng)中產(chǎn)生有規(guī)律的、周期性的速度變化情況稱為周期性速度波動(dòng)，否則為非周期性速度波動(dòng)。調(diào)節(jié)周期性速度波動(dòng)的方法是在機(jī)械中加上一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大的回轉(zhuǎn)件飛輪。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)就是基于此原理為學(xué)生提供一種驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)裝置，讓學(xué)生從抽像的概念轉(zhuǎn)換到機(jī)械實(shí)測(cè)，從實(shí)踐當(dāng)中領(lǐng)會(huì)速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)方法，從而加深對(duì)機(jī)械原理的理解，為日后從事廣泛的設(shè)計(jì)工作提供一個(gè)知識(shí)平臺(tái)。一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容：l 了解動(dòng)載荷對(duì)機(jī)械系統(tǒng)速度波動(dòng)的影響和原因

3、；l 機(jī)械速度波動(dòng)測(cè)試、仿真實(shí)驗(yàn)：調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速觀察機(jī)械速度波動(dòng)的現(xiàn)象，求解系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的不均勻系數(shù)，繪制實(shí)測(cè)與仿真運(yùn)動(dòng)曲線；l 機(jī)械速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)：改變飛輪大小，觀察機(jī)械速度波動(dòng)的變化情況，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，進(jìn)而掌握周期性速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)方法和設(shè)計(jì)指標(biāo)，掌握飛輪的設(shè)計(jì)方法及計(jì)算飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；l 曲柄滑塊運(yùn)動(dòng)學(xué)分析實(shí)驗(yàn)；二、 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)： 圖一1安裝平板 2墊塊一 3墊塊二 4導(dǎo)軌支架 5齒輪、齒條支架 6滑塊 7輸出傳感器 8連桿 9曲軸 10飛輪11連桿銷軸 12導(dǎo)軌 13彈簧 14直流減速電機(jī) 15帶傳動(dòng) 16齒條 17小齒輪 18輸入傳感器19軸承座本實(shí)驗(yàn)臺(tái)由曲軸（9）、連桿（

4、8）、滑塊（6）、阻尼（13）組成一個(gè)曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)，曲軸在系統(tǒng)中為整個(gè)機(jī)構(gòu)提供一種動(dòng)態(tài)的外載荷，通過滑塊的往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)彈簧產(chǎn)生一個(gè)交變的外力。曲軸靠采用兩個(gè)軸承座（19）支撐，一端連接速度波動(dòng)調(diào)節(jié)飛輪（10），一端安裝有光柵角位移傳感器（7），在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)中曲軸產(chǎn)生一個(gè)大的慣性力對(duì)主軸的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生周期性波動(dòng)，傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件輸出可得到速度波動(dòng)曲線?；瑝K的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過齒輪齒條（16）（17）的轉(zhuǎn)換將滑塊的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過數(shù)據(jù)采集可獲得滑塊在不同轉(zhuǎn)速下和調(diào)節(jié)曲柄長度下對(duì)速度和加速度的波動(dòng)影響。三、 實(shí)驗(yàn)技術(shù)參數(shù)：l 大飛輪1個(gè) 22018l 小飛輪1個(gè) 18018l

5、飛輪配重2個(gè) 16040l 直流調(diào)速電機(jī) P=150W U=220V n=0-600r/minl 光柵角位移傳感器 2個(gè) 5v/1000pGGD-A型機(jī)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)調(diào)速實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí) 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書 (僅供參考)一 實(shí)驗(yàn)原理概述:1、研究機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)及速度波動(dòng)調(diào)節(jié)的目的:機(jī)械的真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律是由作用于機(jī)械上的外力、尺寸，各構(gòu)件的質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素決定的，而研究機(jī)械在外力作用下的真實(shí)運(yùn)動(dòng)則是機(jī)械動(dòng)力學(xué)的基本問題,本實(shí)驗(yàn)主要研究機(jī)械系統(tǒng)速度波動(dòng)產(chǎn)生的原因和調(diào)節(jié)方法。2、機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程的三個(gè)階段: 機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程一般經(jīng)歷三個(gè)階段：起動(dòng)、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)和停車階段。圖 1 1）起動(dòng)階段：外力對(duì)系統(tǒng)做正功，即驅(qū)動(dòng)功Wd大于阻

6、力功Wr(Wd-Wr0)，系統(tǒng)的動(dòng)能增加(E=Wd- Wr)，機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)速度上升，并達(dá)到工作運(yùn)轉(zhuǎn)速度。2）穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段：由于外力的變化，機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)速度產(chǎn)生波動(dòng)，但其平均速度保持穩(wěn)定。因此，系統(tǒng)的動(dòng)能保持穩(wěn)定，外力對(duì)系統(tǒng)做功在一個(gè)波動(dòng)周期內(nèi)為零(Wd-Wr=0)。3）停車階段：通常此時(shí)驅(qū)動(dòng)力為零(Wd=0)，機(jī)械系統(tǒng)由正常工作速度逐漸減速，直到停止。在此階段內(nèi)功能關(guān)系為 Wr=E。 3、作用在機(jī)械上的驅(qū)動(dòng)力和生產(chǎn)阻力:驅(qū)動(dòng)力由原動(dòng)機(jī)產(chǎn)生，它通常是機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)（位移、速度或時(shí)間）的函數(shù)，稱為原動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，如三相異步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力便是其轉(zhuǎn)動(dòng)速度的函數(shù)。如圖2給出了交流異步電機(jī)扭矩與其角速度間的關(guān)

7、系，稱為機(jī)械特性曲線，不同的原動(dòng)機(jī)具有不同的機(jī)械特性。圖 2圖2所示的特征曲線可以用一條通過N點(diǎn)和C點(diǎn)的直線近似代替曲線。直線方程為：Md = Mn (0-)/ (0-n)式中：Mn為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，n和0分別為電機(jī)的額定角速度和同步角速度。生產(chǎn)阻力與運(yùn)動(dòng)參數(shù)的關(guān)系決定于機(jī)械的不同工藝過程，如車床的生產(chǎn)阻力為常數(shù)，鼓風(fēng)機(jī)、離心機(jī)的生產(chǎn)阻力為速度的函數(shù)，曲柄壓力機(jī)的生產(chǎn)阻力是位移的函數(shù)等等。二、周期性速度波動(dòng)的原因:機(jī)械穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，等效驅(qū)動(dòng)力矩和等效阻力矩的周期性變化，將引起機(jī)械速度的周期性波動(dòng)，圖3給出了等效驅(qū)動(dòng)力矩Md和等效阻力矩Mr變化情況，同時(shí)還給出了機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)能變化情況，在一個(gè)周期T內(nèi)

8、，系統(tǒng)的動(dòng)能增量為0。圖31、平均角速度和速度不均勻系數(shù):平均角速度m是指一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，角速度的平均值，即（1-2）（1-1）在工程上，常用下式計(jì)算：機(jī)械速度波動(dòng)的程度可用速度不均勻系數(shù)來表示，不同類型的機(jī)械允許速度波動(dòng)的程度可以不同，常用機(jī)械的速度不均勻系數(shù)許用值可參考有關(guān)教材。（1-3）2、飛輪調(diào)節(jié)周期性速度波動(dòng)的基本原理:機(jī)械穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，作用于機(jī)械上的外力（驅(qū)動(dòng)力、生產(chǎn)阻力）總是變化的，從而引起機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度的波動(dòng)。如果外力的變化是隨機(jī)的和非周期性的，那么引起的速度波動(dòng)也是非周期性的。非周期性的速度波動(dòng)需要專門的調(diào)速器來調(diào)速。如果外力的變化是周期性的，那么由它引起的速度波動(dòng)也是周期性的，

9、如圖3所示。由于外力的周期性變化，外力對(duì)系統(tǒng)所做的功也是周期性變化的，由動(dòng)能定理可知，系統(tǒng)的動(dòng)能也隨之周期性變化。在一個(gè)周期內(nèi)，系統(tǒng)動(dòng)能的最大變化量應(yīng)等于同一周期內(nèi)外力對(duì)系統(tǒng)所作的最大盈虧功，即：（1-5）（1-4）（1-4）將上式和式(1-2)、(1-3)聯(lián)立可得速度不均勻系數(shù)：若在機(jī)械中安裝一個(gè)具有等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JF的飛輪，其速度不均勻系數(shù)可寫成：（1-6）顯然，裝上飛輪后，速度不均勻系數(shù)將變小。理論上，總能有足夠大的飛輪JF來使機(jī)械的速度波動(dòng)降到允許范圍內(nèi)。飛輪在機(jī)械中的作用，實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于一個(gè)儲(chǔ)能器。當(dāng)外力對(duì)系統(tǒng)作盈功時(shí)，它以動(dòng)能形式把多余的能量儲(chǔ)存起來，使機(jī)械速度上升的幅度減?。划?dāng)外力對(duì)

10、系統(tǒng)作虧功時(shí)，它又釋放儲(chǔ)存的能量，使機(jī)械速度下降的幅度減小。3、飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算:當(dāng)原來機(jī)械系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J較小，不予考慮時(shí)，飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可用下式計(jì)算： （1-7）4、等效動(dòng)力學(xué)模型：單自由度機(jī)械系統(tǒng)常用一個(gè)等效構(gòu)件作為等效動(dòng)力學(xué)模型。當(dāng)?shù)刃?gòu)件為一個(gè)繞機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件時(shí)，模型為圖 a。當(dāng)?shù)刃?gòu)件為一個(gè)移動(dòng)滑塊時(shí)，模型為圖b。 圖a 圖 b4.1）等效構(gòu)件：具有與原機(jī)械系統(tǒng)等效質(zhì)量或等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、其上作用有等效力或等效力矩，而且其運(yùn)動(dòng)與原機(jī)械系統(tǒng)相應(yīng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)保持相一致的構(gòu)件，稱為等效構(gòu)件，或稱為原機(jī)械系統(tǒng)的等效動(dòng)力學(xué)模型。4.2）等效條件：(1) 等效構(gòu)件所具有的動(dòng)能等于原機(jī)械系統(tǒng)的總

11、動(dòng)能；(2) 等效構(gòu)件的瞬時(shí)功率等于原機(jī)械系統(tǒng)的總瞬時(shí)功率。4.3）等效參數(shù)(Equivalent Parameter)：(1) 等效質(zhì)量me，等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je；(2) 等效力Fe，等效力矩Me。5、等效參數(shù)的確定（1-9）等效質(zhì)量me：根據(jù)等效條件(1)確定，即 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je：根據(jù)等效條件(1)確定，即等效力Fe：根據(jù)等效條件(2)確定，即 （1-10）等效力矩Me：根據(jù)等效條件(2)確定，即（1-11）三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容: 3.1 系統(tǒng)速度波動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)： 以上實(shí)驗(yàn)由驅(qū)動(dòng)力（電機(jī)）帶傳動(dòng)曲軸工作阻力（彈簧力）組成一個(gè)機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)。曲軸在驅(qū)動(dòng)力作用下對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)較大的慣性力，連桿將曲軸產(chǎn)生的慣

12、性力作用在滑塊上帶動(dòng)滑塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)，滑塊采用兩個(gè)直線軸承組成移動(dòng)副，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)中滑塊與導(dǎo)軌的摩擦阻力因?yàn)闈L動(dòng)摩擦可以忽略不計(jì)，工作阻力由彈簧受外載荷產(chǎn)生一交變周期性力，這樣主軸在一個(gè)周期性力作用下將產(chǎn)生速度波動(dòng)，通過與主軸連接的光柵編碼器可以測(cè)得主軸在曲軸旋轉(zhuǎn)一周（滑塊往返運(yùn)動(dòng)）內(nèi)速度的變化情況，在不同速度下可以獲得變化的速度不均勻系數(shù)。通過增加飛輪和改變飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來調(diào)節(jié)速度不均勻系數(shù)。提示：因系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大容易造成很大振動(dòng)，實(shí)驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)速度應(yīng)控制在200r/min以下！具體實(shí)驗(yàn)步驟：1） 打開計(jì)算機(jī)測(cè)試界面，并接好實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電源；2） 打開操作面板上的電源開關(guān)，并調(diào)節(jié)調(diào)速旋鈕，將速度調(diào)至120r

13、/min左右；3） 在計(jì)算機(jī)測(cè)試界面上點(diǎn)“采集”，觀察速度波動(dòng)情況；4） 記錄最大盈虧功和速度不均勻系數(shù)；5） 調(diào)節(jié)調(diào)速旋鈕將速度調(diào)至零，增加飛輪。6） 重復(fù)第2、3、4步；7） 改變飛輪大小或增加飛輪配重觀測(cè)速度波動(dòng)情況；8） 實(shí)驗(yàn)完畢關(guān)閉電源，保存測(cè)試數(shù)據(jù)，并打印結(jié)果。3.2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)：1、 以機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)為主線，以機(jī)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生掌握機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)試的原理和方法。掌握利用運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)測(cè)試結(jié)果，重新調(diào)整、設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的原理和方法，從而培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)、創(chuàng)新、能力。2、 通過本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生深入了解機(jī)構(gòu)參數(shù)及幾何參數(shù)對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能的影響，從而對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)(機(jī)

14、構(gòu)理想運(yùn)動(dòng)規(guī)律、機(jī)構(gòu)真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律）有一個(gè)完整的認(rèn)識(shí)。由上圖可知：曲柄連桿畫塊組成一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，本系統(tǒng)可以拼裝成對(duì)心滑塊和偏置滑塊機(jī)構(gòu)，并可改變曲柄參數(shù)和連桿有效長度觀察滑塊的運(yùn)動(dòng)情況。也可增加飛輪觀測(cè)對(duì)滑塊的速度影響情況（提供參考）,更換中心高墊塊可得到偏置的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。部件有關(guān)尺寸連桿長度：曲軸（曲柄）：（曲柄長度有兩級(jí)L1=35 L2=70） 松開曲軸上的鎖緊螺母，可以調(diào)節(jié)銷軸位置。飛輪尺寸、質(zhì)量： 飛輪一（m=3.351Kg） 飛輪二（m=1.753Kg） 飛輪配重塊（m=0.73Kg）具體實(shí)驗(yàn)步驟：1） 將齒條部件裝好，并將齒條上的孔跟滑塊伸出軸連接；2） 手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)飛輪調(diào)節(jié)滑塊有效行程，以齒輪始終不與齒條脫開為佳；3） 安裝完畢后打開電源開關(guān)，旋轉(zhuǎn)調(diào)速旋鈕（調(diào)速前旋鈕必須在最低位置），將速度調(diào)至120r/min；4） 打開計(jì)算機(jī)軟件測(cè)試界面，觀察機(jī)構(gòu)實(shí)測(cè)運(yùn)動(dòng)曲線情況；可以打開仿真軟件和實(shí)測(cè)對(duì)比；5） 改變機(jī)構(gòu)參數(shù)或改變系統(tǒng)轉(zhuǎn)速觀察機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況；6） 配合測(cè)試軟件分析機(jī)構(gòu)在改變運(yùn)動(dòng)參數(shù)條件下的運(yùn)動(dòng)情況，分析結(jié)果7） 實(shí)驗(yàn)完畢關(guān)閉電源，打印結(jié)果及填寫實(shí)驗(yàn)