第15章機械運轉(zhuǎn)速度波動的調(diào)節(jié)

1、第第15章章機械運轉(zhuǎn)速度波動的調(diào)節(jié)機械運轉(zhuǎn)速度波動的調(diào)節(jié)教學(xué)目標(biāo)：教學(xué)目標(biāo)：1 1、掌握機械產(chǎn)生周期性速度波動的原因及調(diào)節(jié)掌握機械產(chǎn)生周期性速度波動的原因及調(diào)節(jié) ；2 2、理解飛輪調(diào)速基本原理及理解飛輪調(diào)速基本原理及飛輪設(shè)計近似方法。飛輪設(shè)計近似方法。教學(xué)重點和難點：教學(xué)重點和難點：周期性速度波動的原因及調(diào)節(jié)周期性速度波動的原因及調(diào)節(jié) ；飛輪調(diào)速；飛輪調(diào)速的基本原理。的基本原理。講授方法：講授方法：多媒體課件教學(xué)多媒體課件教學(xué)1515-1 -1 機械運轉(zhuǎn)機械運轉(zhuǎn)速度波動調(diào)節(jié)的目的和方法速度波動調(diào)節(jié)的目的和方法機械運轉(zhuǎn)時所受的外力包括：機械運轉(zhuǎn)時所受的外力包括：驅(qū)動力驅(qū)動力和和阻力阻力輸入功輸入

2、功輸出功輸出功= =主軸保持勻速轉(zhuǎn)動主軸保持勻速轉(zhuǎn)動輸入功輸入功輸出功輸出功 盈功，動能增加盈功，動能增加輸入功輸入功輸出功輸出功 虧功，動能減小虧功，動能減小機械動能的增減形成機械運轉(zhuǎn)速度的波動。機械動能的增減形成機械運轉(zhuǎn)速度的波動。速度波動對機械的影響：速度波動對機械的影響：1 1、使運動副中產(chǎn)生附加的作用力，降低機械效率和、使運動副中產(chǎn)生附加的作用力，降低機械效率和工作可靠性；工作可靠性；2 2、引起機械的振動，影響零件的強度和壽命；、引起機械的振動，影響零件的強度和壽命；3 3、降低機械的精度和工藝性能，使產(chǎn)品質(zhì)量下降。、降低機械的精度和工藝性能，使產(chǎn)品質(zhì)量下降。機械運轉(zhuǎn)速機械運轉(zhuǎn)速度

3、波動分類度波動分類周期性速度波動周期性速度波動非周期性速度波動非周期性速度波動一、周期性速度波動一、周期性速度波動如圖，當(dāng)外力作周期性變化時，機械主軸的角如圖，當(dāng)外力作周期性變化時，機械主軸的角速度也作周期性的變化，機械這種速度也作周期性的變化，機械這種有規(guī)律的、周期有規(guī)律的、周期性的速度變化稱為性的速度變化稱為周期性速度波動周期性速度波動。周期性速度波動的重要特征：周期性速度波動的重要特征：在一個周期中，輸入功與輸出功是相等的，即在在一個周期中，輸入功與輸出功是相等的，即在一個周期中動能沒有增減。一個周期中動能沒有增減。注意：注意：在在周期中的某段時間周期中的某段時間內(nèi)，輸入功與輸出功不內(nèi)，

4、輸入功與輸出功不相等，即有動能增減，所以出現(xiàn)相等，即有動能增減，所以出現(xiàn)速度波動速度波動。調(diào)節(jié)周期性速度波動的常用方法：調(diào)節(jié)周期性速度波動的常用方法：在機械中加上一個轉(zhuǎn)動慣量很大的回轉(zhuǎn)件在機械中加上一個轉(zhuǎn)動慣量很大的回轉(zhuǎn)件飛輪飛輪。飛輪動能的變化飛輪動能的變化)(21202JE（1 1）動能變化數(shù)值相同時，飛輪的轉(zhuǎn)動慣量越動能變化數(shù)值相同時，飛輪的轉(zhuǎn)動慣量越大，角速度的波動越小。大，角速度的波動越小。圖中所示，安裝飛輪后圖中所示，安裝飛輪后的速度波動（實線）比的速度波動（實線）比沒有安裝飛輪時的速度沒有安裝飛輪時的速度波動（虛線）小。波動（虛線）小。（2 2）飛輪能利用儲蓄的動能克服短時過載，

5、故在飛輪能利用儲蓄的動能克服短時過載，故在確定原動機額定功率時只需要考慮它的平均功率，確定原動機額定功率時只需要考慮它的平均功率，而不必考慮高峰負(fù)荷所需的瞬時最大功率。而不必考慮高峰負(fù)荷所需的瞬時最大功率。安裝飛輪不僅可以避免機械運轉(zhuǎn)速度發(fā)安裝飛輪不僅可以避免機械運轉(zhuǎn)速度發(fā)生過大的波動，而且可以選擇功率較小生過大的波動，而且可以選擇功率較小的原動機。的原動機。二、非周期性速度波動二、非周期性速度波動隨機的、不規(guī)則的、沒有一定周期的速度波動隨機的、不規(guī)則的、沒有一定周期的速度波動稱為稱為非周期性速度波動非周期性速度波動。非周期性速度波動不能依靠飛輪進行調(diào)節(jié)，非周期性速度波動不能依靠飛輪進行調(diào)節(jié)，

6、只能采用特殊的裝置只能采用特殊的裝置調(diào)速器調(diào)速器使輸入功與輸出功使輸入功與輸出功趨于平衡。以避免因動能增加使機械運轉(zhuǎn)速度過趨于平衡。以避免因動能增加使機械運轉(zhuǎn)速度過高超越極限轉(zhuǎn)速而導(dǎo)致機械損壞，或者因動能減高超越極限轉(zhuǎn)速而導(dǎo)致機械損壞，或者因動能減小使機械運轉(zhuǎn)速度不斷下降直至停車。小使機械運轉(zhuǎn)速度不斷下降直至停車。機械式離心調(diào)速器機械式離心調(diào)速器工作機工作機原動機原動機原動機的輸入功原動機的輸入功與供油量的大小與供油量的大小成正比。成正比。7-2 7-2 飛輪設(shè)計的近似方法飛輪設(shè)計的近似方法一、機械運轉(zhuǎn)的平均速度和不均勻系數(shù)一、機械運轉(zhuǎn)的平均速度和不均勻系數(shù)設(shè)主軸角速度隨時間設(shè)主軸角速度隨時間

7、變化的規(guī)律為：變化的規(guī)律為：)(tf則一個周期內(nèi)的實際則一個周期內(nèi)的實際平均角速度為：平均角速度為：TmdtT01該實際平均值稱為機器的該實際平均值稱為機器的“額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速”在工程實際應(yīng)用中，的變化規(guī)律很復(fù)雜，為在工程實際應(yīng)用中，的變化規(guī)律很復(fù)雜，為了簡化工程計算，通常以算術(shù)平均值代替實際平均了簡化工程計算，通常以算術(shù)平均值代替實際平均值，即：值，即：2minmaxmmax最大角速度最大角速度min最小角速度最小角速度則速度波動的幅度為：則速度波動的幅度為：minmax用用速度不均勻系數(shù)速度不均勻系數(shù)來表示機械速度波動的程來表示機械速度波動的程度，其定義為：角速度波動的幅度（）與度，其定義

8、為：角速度波動的幅度（）與平均角速度之比，即：平均角速度之比，即：minmaxmmminmax已知和，可得已知和，可得m)21 ()21 (minmaxmm越小，主軸越接近勻速轉(zhuǎn)動越小，主軸越接近勻速轉(zhuǎn)動不同類型的機械不同類型的機械, ,對速度不均勻系數(shù)的要求是不對速度不均勻系數(shù)的要求是不同的，一般是根據(jù)它們的工作要求確定。幾種常見同的，一般是根據(jù)它們的工作要求確定。幾種常見機械的機械運轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)可按機械的機械運轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)可按表表15-115-1選取。選取。二、飛輪設(shè)計的基本原理二、飛輪設(shè)計的基本原理飛輪設(shè)計的基本問題是：飛輪設(shè)計的基本問題是：已知作用在主軸上的驅(qū)動已知作用在主軸上

9、的驅(qū)動力矩和阻力矩的變化規(guī)律，要求在機械運轉(zhuǎn)速度不力矩和阻力矩的變化規(guī)律，要求在機械運轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)的容許范圍內(nèi)，確定安裝在主軸上的飛均勻系數(shù)的容許范圍內(nèi)，確定安裝在主軸上的飛輪的轉(zhuǎn)動慣量。輪的轉(zhuǎn)動慣量。現(xiàn)設(shè)現(xiàn)設(shè)機械的等效轉(zhuǎn)動慣量機械的等效轉(zhuǎn)動慣量為，飛輪的轉(zhuǎn)動慣為，飛輪的轉(zhuǎn)動慣量為，在一個周期內(nèi)動能的最大變化量量為，在一個周期內(nèi)動能的最大變化量是由最大盈虧功轉(zhuǎn)化而來的，即是由最大盈虧功轉(zhuǎn)化而來的，即eJJminmaxEEmaxA)(212min2maxminmaxmaxJJEEAe在一般機械中，其他構(gòu)件所具有的在一般機械中，其他構(gòu)件所具有的動能遠(yuǎn)比飛輪的動能小，因此近似計算中可以認(rèn)為動能遠(yuǎn)

10、比飛輪的動能小，因此近似計算中可以認(rèn)為飛輪的動能就是整個機械的動能，即有飛輪的動能就是整個機械的動能，即有JJe22min2maxminmaxmax)(21mJJEEA于是得到安裝在主軸上的飛輪轉(zhuǎn)動慣量為于是得到安裝在主軸上的飛輪轉(zhuǎn)動慣量為2maxmAJ 從上式可知：從上式可知：（1 1）當(dāng)與一定時，）當(dāng)與一定時，與的關(guān)系為一等邊雙曲線。與的關(guān)系為一等邊雙曲線。maxAmJ易知，運轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)過小，易知，運轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)過小，飛輪的轉(zhuǎn)動慣量就過大，則飛輪也飛輪的轉(zhuǎn)動慣量就過大，則飛輪也就過大。就過大。J（2 2）當(dāng)和一定，飛輪轉(zhuǎn)動慣量與其平均當(dāng)和一定，飛輪轉(zhuǎn)動慣量與其平均轉(zhuǎn)速呈平方反比。

11、為了減小飛輪尺寸，所以飛轉(zhuǎn)速呈平方反比。為了減小飛輪尺寸，所以飛輪應(yīng)該裝在高速軸上。輪應(yīng)該裝在高速軸上。（3 3）當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)動慣量與平均轉(zhuǎn)速一定時，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)動慣量與平均轉(zhuǎn)速一定時，和成正比，即最大盈虧功越大，機械系統(tǒng)運轉(zhuǎn)越和成正比，即最大盈虧功越大，機械系統(tǒng)運轉(zhuǎn)越不均勻。不均勻。maxAJmmmaxA三、最大盈虧功的確定三、最大盈虧功的確定maxA計算飛輪轉(zhuǎn)動慣量必須首先確定最大盈虧功。計算飛輪轉(zhuǎn)動慣量必須首先確定最大盈虧功。曲線與橫坐標(biāo)軸所包圍曲線與橫坐標(biāo)軸所包圍的面積分別表示驅(qū)動力的面積分別表示驅(qū)動力矩和阻力矩所做的功。矩和阻力矩所做的功。驅(qū)動力矩驅(qū)動力矩dMM阻力矩阻力矩rMM則在則在ab

12、ab區(qū)間，輸入?yún)^(qū)間，輸入與輸出功之差為：與輸出功之差為：bardabdMMA)(依次可以算出其他幾個區(qū)間的輸入與輸出功差。依次可以算出其他幾個區(qū)間的輸入與輸出功差。分別得到虧功，機器動能減小，標(biāo)注負(fù)號；或得到盈分別得到虧功，機器動能減小，標(biāo)注負(fù)號；或得到盈功，機器動能增加，標(biāo)注正號。功，機器動能增加，標(biāo)注正號。盈虧功等于機器動能的增減量，設(shè)為主軸角位盈虧功等于機器動能的增減量，設(shè)為主軸角位置時機器的動能，則機器在其他幾個角位置時的置時機器的動能，則機器在其他幾個角位置時的動能可表示為：動能可表示為：aEaeaeaabcbcababAEEEAEEAEE以上動能的變化可用能量指示圖表示：以上動能的

13、變化可用能量指示圖表示： （如（如b） 每一個向量分別表示對應(yīng)區(qū)間的盈虧功，盈功為每一個向量分別表示對應(yīng)區(qū)間的盈虧功，盈功為正，箭頭朝上，虧功為負(fù)，箭頭朝下。在一個運動循正，箭頭朝上，虧功為負(fù)，箭頭朝下。在一個運動循環(huán)（周期）內(nèi)，機器回到初始狀態(tài)，其動能的增減為環(huán)（周期）內(nèi)，機器回到初始狀態(tài)，其動能的增減為零，則向量圖的首尾應(yīng)當(dāng)封閉。零，則向量圖的首尾應(yīng)當(dāng)封閉。例題講解：例題講解：可見可見d d點具有最大動能，對應(yīng)于，點具有最大動能，對應(yīng)于，a a點具有最小動能，對應(yīng)于，因此點具有最小動能，對應(yīng)于，因此a a、d d二位置動能之差即是最大盈虧功。二位置動能之差即是最大盈虧功。maxminmax

14、A例：已知例：已知機組主軸阻力矩變化曲線，主軸機組主軸阻力矩變化曲線，主軸上的驅(qū)動力矩為常數(shù)，機上的驅(qū)動力矩為常數(shù)，機械運轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)械運轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù) 。MMsradm/252 . 0問題：問題：（1 1）求驅(qū)動力矩；）求驅(qū)動力矩；（2 2）求最大盈虧功；）求最大盈虧功；（3 3）求安裝在主軸上飛輪的轉(zhuǎn)動慣量；）求安裝在主軸上飛輪的轉(zhuǎn)動慣量；（4 4）若飛輪安裝在倍于主軸轉(zhuǎn)速的軸上時。）若飛輪安裝在倍于主軸轉(zhuǎn)速的軸上時。MmaxAJ J解：解：（1 1）M為常數(shù)為常數(shù) M為一水平直線為一水平直線一運動循環(huán)內(nèi)驅(qū)動力所做的功為，應(yīng)等于一運動循環(huán)內(nèi)驅(qū)動力所做的功為，應(yīng)等于一個運動循環(huán)內(nèi)阻力矩

15、所做的功，則一個運動循環(huán)內(nèi)阻力矩所做的功，則2 M2440021002MNM200（2 2）求最大盈虧功求最大盈虧功maxA由能量指示圖可知，由能量指示圖可知，adad區(qū)間出現(xiàn)最大盈虧功，區(qū)間出現(xiàn)最大盈虧功，其絕對值為：其絕對值為：mNAAAAcdbcab16.314max（3 3）求主軸上飛輪的轉(zhuǎn)動慣量求主軸上飛輪的轉(zhuǎn)動慣量J2222max13.2502. 02516.314mkgmkgAJm7-3 7-3 飛輪主要尺寸的確定飛輪主要尺寸的確定飛輪的主要尺寸包括直徑、寬度、輪緣厚度飛輪的主要尺寸包括直徑、寬度、輪緣厚度等有關(guān)尺寸。等有關(guān)尺寸。下面分兩種情況來說明在求出飛輪轉(zhuǎn)動慣量下面分兩種情

16、況來說明在求出飛輪轉(zhuǎn)動慣量后，飛輪主要尺寸的確定。后，飛輪主要尺寸的確定。1 1、如、如P100P100圖圖7-67-6帶有輪輻的飛輪帶有輪輻的飛輪該種飛輪的質(zhì)量該種飛輪的質(zhì)量m m可以認(rèn)為集中于輪緣，并可以認(rèn)為集中于輪緣，并設(shè)輪緣的平均直徑為設(shè)輪緣的平均直徑為DmDm。DmDm主要是按照機器的結(jié)構(gòu)和空間位置選定。主要是按照機器的結(jié)構(gòu)和空間位置選定。4222mmmDDmJHBDVmm選定飛輪的材料與比值選定飛輪的材料與比值H/BH/B之后，輪緣的截面之后，輪緣的截面尺寸便可以求出。尺寸便可以求出。在選擇平均直徑和外緣直徑時，應(yīng)考慮飛在選擇平均直徑和外緣直徑時，應(yīng)考慮飛輪外緣圓周速度不大于安全值。輪外緣圓周速度不大于安全值。smvsmv/50/36maxmax對鑄鋼飛輪：對鑄鐵飛輪：應(yīng)當(dāng)指