第5章機(jī)械調(diào)速和平衡

1、第第5章機(jī)械調(diào)速和平衡章機(jī)械調(diào)速和平衡5.1 機(jī)械速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)機(jī)械速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動(dòng)的目的和方法調(diào)節(jié)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動(dòng)的目的和方法研究內(nèi)容及目的研究內(nèi)容及目的研究在外力作用下機(jī)械的真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，目的是為運(yùn)動(dòng)研究在外力作用下機(jī)械的真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，目的是為運(yùn)動(dòng)分析作準(zhǔn)備。分析作準(zhǔn)備。 前述運(yùn)動(dòng)分析曾假定是常數(shù)，但實(shí)際上是變化的研究機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度的波動(dòng)及其調(diào)節(jié)方法，目的是使機(jī)械研究機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度的波動(dòng)及其調(diào)節(jié)方法，目的是使機(jī)械的轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)波動(dòng)，而保證正常工作。的轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)波動(dòng)，而保證正常工作。5.1 5.1 機(jī)械速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)機(jī)械速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)前面介紹主動(dòng)構(gòu)件等作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，為

2、分析方便，我們總是前面介紹主動(dòng)構(gòu)件等作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，為分析方便，我們總是假定它們是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的假定它們是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的, ,這是有條件的這是有條件的. .根據(jù)牛頓第一定律：根據(jù)牛頓第一定律：僅當(dāng)作用于機(jī)械的外力和等于零時(shí)，機(jī)械才能保持勻速運(yùn)轉(zhuǎn)。僅當(dāng)作用于機(jī)械的外力和等于零時(shí)，機(jī)械才能保持勻速運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)際機(jī)械是在外力作用下運(yùn)轉(zhuǎn)的。由于各種原因，作用于機(jī)械的實(shí)際機(jī)械是在外力作用下運(yùn)轉(zhuǎn)的。由于各種原因，作用于機(jī)械的和外力不可能恒等于零，因此，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度的波動(dòng)在所難免和外力不可能恒等于零，因此，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度的波動(dòng)在所難免。速度波動(dòng)的危害速度波動(dòng)的危害: :使運(yùn)動(dòng)副中產(chǎn)生附加慣性力，降低機(jī)械的效率和工作可靠性；

3、使運(yùn)動(dòng)副中產(chǎn)生附加慣性力，降低機(jī)械的效率和工作可靠性；引起機(jī)械振動(dòng)，影響零件的強(qiáng)度和壽命；降低機(jī)械的精度和工藝引起機(jī)械振動(dòng)，影響零件的強(qiáng)度和壽命；降低機(jī)械的精度和工藝性能，使產(chǎn)品質(zhì)量下降。性能，使產(chǎn)品質(zhì)量下降。1、提出一個(gè)問題、提出一個(gè)問題一一 調(diào)節(jié)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動(dòng)的目的和方法調(diào)節(jié)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動(dòng)的目的和方法2、作用在機(jī)械上的力、作用在機(jī)械上的力外力：重力、摩擦力、驅(qū)動(dòng)力、工作阻力外力：重力、摩擦力、驅(qū)動(dòng)力、工作阻力阻力：機(jī)械工作時(shí)需克服的生產(chǎn)阻力阻力：機(jī)械工作時(shí)需克服的生產(chǎn)阻力驅(qū)動(dòng)力：驅(qū)動(dòng)原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的力驅(qū)動(dòng)力：驅(qū)動(dòng)原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的力機(jī)器動(dòng)能方程式：機(jī)器動(dòng)能方程式：外力功外力功 = = 驅(qū)動(dòng)功驅(qū)動(dòng)

4、功wd 阻力功阻力功wc = = 系統(tǒng)動(dòng)能系統(tǒng)動(dòng)能的增減量的增減量盈功：驅(qū)動(dòng)力作的功大于阻力作的功盈功：驅(qū)動(dòng)力作的功大于阻力作的功( (速度波動(dòng)速度波動(dòng)) )虧功：驅(qū)動(dòng)力作的功小于阻力作的功虧功：驅(qū)動(dòng)力作的功小于阻力作的功( (速度波動(dòng)速度波動(dòng)) )總之總之 , 只要只要 wd wc ，則則 E 0 變化（變化（速度波動(dòng)）速度波動(dòng)）3 3、速度波動(dòng)的分類、速度波動(dòng)的分類1 周期性速度波動(dòng)周期性速度波動(dòng)2 非周期性速度波動(dòng)非周期性速度波動(dòng)3 3 速度波動(dòng)分類及調(diào)節(jié)方法速度波動(dòng)分類及調(diào)節(jié)方法3.1、周期性速度波動(dòng)、周期性速度波動(dòng)外力作周期性變化時(shí)，機(jī)械外力作周期性變化時(shí)，機(jī)械主軸角速度作周期性的變

5、化主軸角速度作周期性的變化如圖如圖5-15-1黑線所示。機(jī)械的這黑線所示。機(jī)械的這種有規(guī)律的、周期性的速度種有規(guī)律的、周期性的速度變化稱為周期性速度波動(dòng)變化稱為周期性速度波動(dòng)。圖圖5-1周期性速度波動(dòng)周期性速度波動(dòng)運(yùn)動(dòng)周期運(yùn)動(dòng)周期:將主軸的位置、速度和加速度從某一數(shù)值變回初始值將主軸的位置、速度和加速度從某一數(shù)值變回初始值的變化過程稱為運(yùn)動(dòng)循環(huán)，其所需時(shí)間稱為運(yùn)動(dòng)周期如上圖的變化過程稱為運(yùn)動(dòng)循環(huán)，其所需時(shí)間稱為運(yùn)動(dòng)周期如上圖所示，就整個(gè)循環(huán)來說，驅(qū)動(dòng)力所做的功等于阻力所做的功，所示，就整個(gè)循環(huán)來說，驅(qū)動(dòng)力所做的功等于阻力所做的功，但在循環(huán)的每一瞬時(shí)卻是不等的但在循環(huán)的每一瞬時(shí)卻是不等的3 3

6、速度波動(dòng)分類及調(diào)節(jié)方法速度波動(dòng)分類及調(diào)節(jié)方法。 調(diào)節(jié)方法在機(jī)械中加上一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大的回轉(zhuǎn)件調(diào)節(jié)方法在機(jī)械中加上一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大的回轉(zhuǎn)件飛輪。飛輪。飛輪動(dòng)能變化為飛輪動(dòng)能變化為動(dòng)能增加動(dòng)能增加, ,飛輪存儲能量飛輪存儲能量. .動(dòng)能減少動(dòng)能減少, ,飛輪釋放能量飛輪釋放能量. .平均角速度：平均角速度：2minmax m機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的絕對不均勻度：機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的絕對不均勻度：minmax 速度不均勻系數(shù)速度不均勻系數(shù)(相對不均勻度）相對不均勻度）minmax m許用不均勻系數(shù)許用不均勻系數(shù) 見見p51p51表表5-15-1周期性速度波動(dòng)的衡量指標(biāo)周期性速度波動(dòng)的衡量指標(biāo)對于不同的機(jī)器，因工作性質(zhì)不同而

7、取不同的值對于不同的機(jī)器，因工作性質(zhì)不同而取不同的值。設(shè)計(jì)時(shí)要求：設(shè)計(jì)時(shí)要求：表表5-1 5-1 許用的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)許用的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)的取值范圍的取值范圍機(jī)械名稱機(jī)械名稱 機(jī)械名稱機(jī)械名稱 機(jī)械名稱機(jī)械名稱 驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的活塞式內(nèi)燃機(jī)，主軸速度波動(dòng)范圍太大，勢必影響輸出電壓的穩(wěn)定性，故這類機(jī)械的應(yīng)取小些；反之，如沖床、破碎機(jī)等機(jī)械，速度波動(dòng)大也不影響其工作性能，故可取大些碎石機(jī)碎石機(jī) 1/51/20汽車拖拉機(jī)汽車拖拉機(jī) 1/201/60造紙織布造紙織布 1/401/50沖床、剪床沖床、剪床 1/71/10切削機(jī)床切削機(jī)床 1/301/40紡紗機(jī)紡紗機(jī) 1/601/601/10

8、01/100 軋壓機(jī)軋壓機(jī) 1/101/101/201/20水泵、風(fēng)機(jī)水泵、風(fēng)機(jī) 1/301/301/501/50 發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī) 1/1001/1001/3001/300)21(min m)21(max m22min2max2m由上式得：由上式得：周期性速度波動(dòng)的衡量指標(biāo)周期性速度波動(dòng)的衡量指標(biāo)3.2 非周期速度波動(dòng)非周期速度波動(dòng)輸入功在很長一段時(shí)間內(nèi)總是大輸入功在很長一段時(shí)間內(nèi)總是大于輸出功，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度不斷升于輸出功，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度不斷升高；高；或者輸入功在很長一段時(shí)間內(nèi)總或者輸入功在很長一段時(shí)間內(nèi)總是小于輸出功，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度不是小于輸出功，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度不斷下降直至停車。斷下降直至停車。調(diào)節(jié)

9、原理調(diào)節(jié)原理: :采用調(diào)速器使輸入功與輸出功趨于平衡，以采用調(diào)速器使輸入功與輸出功趨于平衡，以達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。機(jī)械調(diào)速器體積龐大，靈敏度低，近代機(jī)器機(jī)械調(diào)速器體積龐大，靈敏度低，近代機(jī)器多采用電子調(diào)速裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。因此，本章多采用電子調(diào)速裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。因此，本章主要討論飛輪設(shè)計(jì)的有關(guān)問題。主要討論飛輪設(shè)計(jì)的有關(guān)問題。離心調(diào)速器發(fā)動(dòng)機(jī)用油發(fā)動(dòng)機(jī)用油油箱供油油箱供油油箱供油油箱供油發(fā)動(dòng)機(jī)用油發(fā)動(dòng)機(jī)用油離心式調(diào)速器的工作原理離心式調(diào)速器的工作原理油箱供油油箱供油進(jìn)油減少進(jìn)油減少轉(zhuǎn)速降低轉(zhuǎn)速降低開口增大開口增大回油增加回油增加p無自調(diào)性或自調(diào)性較差的機(jī)械系統(tǒng)安裝調(diào)速器機(jī)械式

10、離心調(diào)速器，機(jī)械式離心調(diào)速器，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但體積大，靈敏度低。但體積大，靈敏度低。近代機(jī)械多采用電子近代機(jī)械多采用電子調(diào)速裝置。調(diào)速裝置。MdMra bcde aE飛輪調(diào)速原理飛輪調(diào)速原理JJF在位置在位置b b處，動(dòng)能和角速度為：處，動(dòng)能和角速度為： Emin 、min在主軸上加裝飛輪之后，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可近似認(rèn)為：在主軸上加裝飛輪之后，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可近似認(rèn)為：加裝飛輪的目的就是為了增加機(jī)器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)而起到調(diào)節(jié)速度波動(dòng)的目的。為什么加裝飛輪之后就能減小速度的波動(dòng)呢？機(jī)器總的動(dòng)能近似為：機(jī)器總的動(dòng)能近似為： E=J2/2而在位置而在位置c c處為：處為： Emax 、

11、max在在b-cb-c區(qū)間處盈虧功和動(dòng)能增量區(qū)間處盈虧功和動(dòng)能增量達(dá)到最大值：達(dá)到最大值： Amax E Emax - EminJ(2max - 2min )/2 J2m 得：得： J = Amax /2m 稱稱Amax為最大盈虧功為最大盈虧功 maxmax E Emaxmaxminmin E EminminMdMrEa bcde a三、三、A Amax的確定方法的確定方法在交點(diǎn)位置的動(dòng)能增量在交點(diǎn)位置的動(dòng)能增量E E正好是正好是從起始點(diǎn)從起始點(diǎn)a到該交點(diǎn)區(qū)間內(nèi)各代表到該交點(diǎn)區(qū)間內(nèi)各代表盈虧功的陰影面積代數(shù)和。盈虧功的陰影面積代數(shù)和。A AmaxE EmaxE Emin E EmaxEmax、

12、Emin出現(xiàn)的位置：出現(xiàn)的位置：在曲線在曲線Md與與 Mr的交點(diǎn)處。的交點(diǎn)處。E(E() )曲線上從一個(gè)極值點(diǎn)躍變到曲線上從一個(gè)極值點(diǎn)躍變到另一個(gè)極值點(diǎn)的高度，正好等于另一個(gè)極值點(diǎn)的高度，正好等于兩點(diǎn)之間的陰影面積兩點(diǎn)之間的陰影面積(盈虧功)。作圖法求作圖法求A Amax：任意繪制一水平線，并分割成對應(yīng)的區(qū)間，從：任意繪制一水平線，并分割成對應(yīng)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(dòng)能相等，故能量指示長度與陰影面積相等，由于循環(huán)始末的動(dòng)能相等，故能量指示圖為一個(gè)封閉的臺階形折線。則

13、最大動(dòng)能增量及最大盈虧功等圖為一個(gè)封閉的臺階形折線。則最大動(dòng)能增量及最大盈虧功等于指示圖中最低點(diǎn)到最高點(diǎn)之間的高度值。于指示圖中最低點(diǎn)到最高點(diǎn)之間的高度值。 強(qiáng)調(diào)不一定是相鄰點(diǎn) A Amax E Emaxmax E Eminmin可用折線代替曲線求得E分析前式的三個(gè)結(jié)論）當(dāng)）當(dāng)maxmax與與m m一定時(shí)，且速度不均勻系數(shù)一定時(shí)，且速度不均勻系數(shù)已經(jīng)很小時(shí)，略微減小已經(jīng)很小時(shí)，略微減小的數(shù)值就會使飛輪轉(zhuǎn)的數(shù)值就會使飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量激增動(dòng)慣量激增( (圖圖7-3)7-3)。因此，過分追求運(yùn)轉(zhuǎn)速度。因此，過分追求運(yùn)轉(zhuǎn)速度均勻?qū)癸w輪笨重，增加成本。均勻?qū)癸w輪笨重，增加成本。）當(dāng)與當(dāng)與m m 一定

14、時(shí)，一定時(shí)，maxmax與與與與成正比，即最成正比，即最大盈虧功越大，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度越不均勻。大盈虧功越大，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度越不均勻。 ）J J與與m m 的平方成反比，即主軸的平均轉(zhuǎn)速越高，的平方成反比，即主軸的平均轉(zhuǎn)速越高，所需安裝在主軸上的飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小所需安裝在主軸上的飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小. .為了縮小飛為了縮小飛輪的尺寸輪的尺寸, ,應(yīng)將飛輪安裝在機(jī)器中速度較高的軸上應(yīng)將飛輪安裝在機(jī)器中速度較高的軸上. .分析前式的三個(gè)結(jié)論一、機(jī)械平衡的目的及方法一、機(jī)械平衡的目的及方法1 慣性力及其影響2 機(jī)械平衡的目的3 機(jī)械平衡的分類4 機(jī)械平衡的方法5-2 機(jī)械平衡機(jī)械平衡1 1 慣性力及其影響慣性

15、力及其影響運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件按運(yùn)動(dòng)形態(tài)可分為三類：運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件按運(yùn)動(dòng)形態(tài)可分為三類：定軸轉(zhuǎn)動(dòng)、往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)、復(fù)雜平面運(yùn)動(dòng)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)、往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)、復(fù)雜平面運(yùn)動(dòng)除：除：1）等速直線運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件）等速直線運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件 2）質(zhì)量分布對其轉(zhuǎn)動(dòng)軸線完全對稱的等速轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件）質(zhì)量分布對其轉(zhuǎn)動(dòng)軸線完全對稱的等速轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件其它構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)過程中都將產(chǎn)生慣性力或慣性力偶矩其它構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)過程中都將產(chǎn)生慣性力或慣性力偶矩產(chǎn)生附加動(dòng)壓力產(chǎn)生附加動(dòng)壓力 摩擦摩擦 、磨損、磨損 、效率、效率 、振動(dòng)噪音、振動(dòng)噪音 . .影響機(jī)械的工作精度、可靠性、壽命影響機(jī)械的工作精度、可靠性、壽命. .造成破壞性事故造成破壞性事故不平衡后果：不平衡后果：電

16、風(fēng)扇電風(fēng)扇、砂輪磨削、砂輪磨削、軸的塑性變形軸的塑性變形2 2 機(jī)械平衡的目的機(jī)械平衡的目的減少或消除慣性力減少或消除慣性力3 3 機(jī)械平衡的分類機(jī)械平衡的分類回轉(zhuǎn)構(gòu)件的靜平衡回轉(zhuǎn)構(gòu)件的靜平衡對長徑比對長徑比1/5的構(gòu)件，作單的構(gòu)件，作單面平衡面平衡回轉(zhuǎn)構(gòu)件的動(dòng)平衡回轉(zhuǎn)構(gòu)件的動(dòng)平衡對長徑比對長徑比1/5的構(gòu)件，作雙的構(gòu)件，作雙面平衡面平衡mFIm3m1m2FI1FI2FI34 機(jī)械平衡的方法回轉(zhuǎn)構(gòu)件的靜平衡回轉(zhuǎn)構(gòu)件的靜平衡回轉(zhuǎn)構(gòu)件的動(dòng)平衡回轉(zhuǎn)構(gòu)件的動(dòng)平衡靜平衡試驗(yàn) 理論上，可以根據(jù)質(zhì)量的分布情況進(jìn)行平衡計(jì)算，加上或減理論上，可以根據(jù)質(zhì)量的分布情況進(jìn)行平衡計(jì)算，加上或減去平衡質(zhì)量之后能做到回轉(zhuǎn)構(gòu)

17、件完全平衡，但由于制造和裝配的誤去平衡質(zhì)量之后能做到回轉(zhuǎn)構(gòu)件完全平衡，但由于制造和裝配的誤差，以及材料內(nèi)部的不均勻等原因，使得質(zhì)量和質(zhì)心位置的計(jì)算有差，以及材料內(nèi)部的不均勻等原因，使得質(zhì)量和質(zhì)心位置的計(jì)算有誤差，從而導(dǎo)致回轉(zhuǎn)件達(dá)不到完全平衡，因此，有時(shí)還應(yīng)當(dāng)用靜平誤差，從而導(dǎo)致回轉(zhuǎn)件達(dá)不到完全平衡，因此，有時(shí)還應(yīng)當(dāng)用靜平衡試驗(yàn)方法加以平衡。衡試驗(yàn)方法加以平衡。1。確定質(zhì)心位置：試驗(yàn)時(shí)，將回轉(zhuǎn)件軸架在刀口上，。確定質(zhì)心位置：試驗(yàn)時(shí)，將回轉(zhuǎn)件軸架在刀口上，任其自由滾動(dòng)，如回轉(zhuǎn)件質(zhì)心任其自由滾動(dòng)，如回轉(zhuǎn)件質(zhì)心 C不在回轉(zhuǎn)軸的軸不在回轉(zhuǎn)軸的軸 線線上，則由于重量對回轉(zhuǎn)軸線有一力矩作用，回轉(zhuǎn)件上，則由于重量對回轉(zhuǎn)軸線有一力矩作用，回轉(zhuǎn)件將在導(dǎo)軌上左右來回?cái)[動(dòng)，良到其質(zhì)心處于最低位將在導(dǎo)軌上左右來回?cái)[動(dòng)，良到其質(zhì)心處于最低位置置。2。測定質(zhì)徑積：然后在質(zhì)心的相反方向加一平衡質(zhì)量測定質(zhì)徑積：然后在質(zhì)心的相反方向加一平衡質(zhì)量（如橡皮泥之類的物體）再作試驗(yàn)，直至該回轉(zhuǎn)件達(dá)（如橡皮泥之類的物體）再作試驗(yàn)，直至該回轉(zhuǎn)件達(dá)到隨遇平衡為止。這時(shí)所加的平衡質(zhì)量與其至回轉(zhuǎn)軸到隨遇平衡為止。這時(shí)所加的平衡質(zhì)量與其至回轉(zhuǎn)軸線距離之乘積，即為該回轉(zhuǎn)件達(dá)到靜平衡所需加的質(zhì)線距離之乘積，即為該回轉(zhuǎn)件達(dá)到靜平衡所需加的質(zhì)徑積的人小。徑積的人小。3。修正質(zhì)量分布：按試驗(yàn)所得的質(zhì)徑積，在結(jié)構(gòu)允許。修正質(zhì)量分布：按試驗(yàn)所得的