機(jī)械原理動力學(xué)課件

1、江 蘇 大 學(xué)2022年8月10日機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)機(jī) 械 原 理 及 設(shè) 計（） 第8章 機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)8-1 概述8-2 機(jī)械的等效力學(xué)模型8-3 機(jī)械運(yùn)動方程式的建立及求解8-4 機(jī)械的速度波動及調(diào)節(jié)方法8-5 飛輪設(shè)計運(yùn)動分析時，都假定原動件作勻速運(yùn)動:const實(shí)際上是多個參數(shù)的函數(shù)： = (F、M、m、J )研究內(nèi)容及目的1、研究單自由度機(jī)械系統(tǒng)在外力作用下的真實(shí)運(yùn)動規(guī)律。2、研究機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動產(chǎn)生的原因及其調(diào)節(jié)方法，使機(jī)械的轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)波動，而保證正常工作。 8-1 概述一、作用在機(jī)械上的力工作阻力驅(qū)動力力(或力矩)與機(jī)械運(yùn)動參數(shù)（位移、速度或時間）之間的關(guān)系，稱為機(jī)械特性。

2、忽略機(jī)械中各構(gòu)件的重力以及運(yùn)動副中的摩擦力工作角速度nn額定角速度 常數(shù) 如重力 FdC位移的函數(shù) 如彈簧力 Fd Fd(s)、內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動力矩Md Md(s)速度的函數(shù) 如電動機(jī)驅(qū)動力矩Md Md()Md BNAC0 0 同步角速度1、驅(qū)動力2、工作阻力常數(shù) 如起重機(jī)、車床的生產(chǎn)阻力執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的函數(shù) 如曲柄壓力機(jī)、活塞式壓縮機(jī)的生產(chǎn)阻力執(zhí)行構(gòu)件速度的函數(shù) 如鼓風(fēng)機(jī)、離心泵的生產(chǎn)阻力時間的函數(shù) 如揉面機(jī)、球磨機(jī)的生產(chǎn)阻力二、機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)過程及特征機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的三個階段：穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)啟動t停車根據(jù)能量守恒定律式中：Wd驅(qū)動力所作之功；Wr、Wf克服工作阻力和有害阻力所需之功；E1、E2該時間間隔開始和結(jié)束

3、時的動能；W盈虧功。啟動、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)、停車1、啟動階段（開車）系統(tǒng)動能增加 E 0速度上升 從 0 mWd-Wc=E2-E10穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)啟動t停車W 0 盈功穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)啟動t停車穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段的不同狀況：m t穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)起動停車 勻速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)C 周期變速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn) (t)(t T)2、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段Wd-Wc=E2-E1=03、停車階段從 m 0， E0穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)啟動t停車停車時間由Wc決定。加快停車，需加制動。Wd-Wc=E2-E10W 0 虧功啟動階段和停車階段稱為過渡過程。三、速度不均勻系數(shù) OTminmax主軸角速度 = (t)則平均角速度：工程上常用其算術(shù)平均值表示：m（maxmin）/2對應(yīng)的轉(zhuǎn)速

4、： n = 60m /2 rpmmax- min 表示了機(jī)器主軸速度波動范圍的大小，稱為絕對不均勻度。通常用機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù) 表示機(jī)械速度波動的程度。由m (max +min)/2 以及上式可得： 2max - 2min = 2 2m 可知，當(dāng)m一定時，愈小，則差值maxmin也愈小，說明機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)愈平穩(wěn)。對于不同的機(jī)器，因工作性質(zhì)不同其許用的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù) 是不同的。設(shè)計時要求： 造紙織布 1/401/50紡紗機(jī) 1/601/100發(fā)電機(jī) 1/1001/300機(jī)械名稱 機(jī)械名稱 機(jī)械名稱 碎石機(jī) 1/51/20汽車拖拉機(jī) 1/201/60沖床、剪床 1/71/10切削機(jī)床 1/

5、301/40軋壓機(jī) 1/101/20水泵、風(fēng)機(jī) 1/301/50表 機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)的取值范圍8-2 機(jī)械的等效力學(xué)模型研究機(jī)械系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)動規(guī)律，必須分析系統(tǒng)的功能關(guān)系，建立作用于系統(tǒng)上的外力與系統(tǒng)動力參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)之間的關(guān)系式，即機(jī)械運(yùn)動方程。對于單自由度的機(jī)械系統(tǒng)，只要知道其中一個構(gòu)件的運(yùn)動規(guī)律，其他構(gòu)件的運(yùn)動就可求得，這樣就把研究整個機(jī)器的運(yùn)動問題轉(zhuǎn)化為研究它的某一個構(gòu)件的問題。一、等效動力學(xué)模型的建立單自由度機(jī)械系統(tǒng)常用某一構(gòu)件作為等效動力學(xué)模型。 等效構(gòu)件的運(yùn)動與受力等效到機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動與受力。1、等效條件 (1) 等效構(gòu)件的動能等于原機(jī)械系統(tǒng)的總動能； (2) 等效構(gòu)件的瞬

6、時功率等于原機(jī)械系統(tǒng)的總瞬時功率。 等效力矩：Me 等效轉(zhuǎn)動慣量：Je等效力：Fe 等效質(zhì)量：me2、等效構(gòu)件8-4 機(jī)械的速度波動及調(diào)節(jié)方法一、周期性速度波動及其調(diào)節(jié) 機(jī)械在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段，其原動件的角速度在其恒定的平均角速度m上下瞬時的變化（即出現(xiàn)波動），但在一個周期T的始末，其角速度是相等的，這時機(jī)械具有的動能是相等的。這種速度波動就稱為機(jī)械的周期性速度波動。1、周期性速度波動的原因驅(qū)動力矩Md ()和阻力矩Mr () 是原動機(jī)轉(zhuǎn)角的函數(shù)。MdMrabcdeaMdaMra在一個運(yùn)動循環(huán)內(nèi)，驅(qū)動力矩和阻力矩所作的功分別為：動能增量：MdMrabcdea力矩所作功及動能變化:MdMr盈功“”b

7、-cMdMr盈功“”d-eMdMr虧功“”e-a在一個循環(huán)內(nèi)：這說明經(jīng)過一個運(yùn)動循環(huán)之后，機(jī)械又回復(fù)到初始狀態(tài),其運(yùn)轉(zhuǎn)速度呈現(xiàn)周期性波動。Wd=Wr即：= 0EE=0aa區(qū) 間外力矩所作功主軸的動能E2、周期性速度波動的調(diào)節(jié)方法機(jī)械速度波動的調(diào)節(jié)是使 調(diào)節(jié)方法：在機(jī)械中安裝飛輪具有很大轉(zhuǎn)動慣量的回轉(zhuǎn)構(gòu)件。機(jī)械出現(xiàn)盈功時，飛輪以動能的形式存儲能量；機(jī)械出現(xiàn)虧功時，飛輪釋放其存儲的能量。飛輪調(diào)速的實(shí)質(zhì)：起能量儲存器的作用。二、非周期性速度波動及其調(diào)節(jié)如果機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，等效力矩的變化是非周期性的，則機(jī)械的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)將遭到破壞，此時出現(xiàn)的速度波動稱為非周期性速度波動。原因：機(jī)械工作阻力或者驅(qū)動力

8、在工作過程中發(fā)生突變，使能量失衡。調(diào)節(jié)方法（1）自調(diào)性系統(tǒng)（2）安裝專用調(diào)速器1原動機(jī) 2工作機(jī) 5調(diào)節(jié)器本體 6節(jié)流閥離心式調(diào)速器工作原理圖工作介質(zhì)8-5 飛輪設(shè)計飛輪設(shè)計的基本問題： 已知作用在主軸上的驅(qū)動力矩和阻力矩的變化規(guī)律，在的范圍內(nèi)，確定安裝在主軸上的飛輪的轉(zhuǎn)動慣量 JF 。一、飛輪轉(zhuǎn)動慣量計算驅(qū)動力矩Md ()和阻力矩Mr () 是原動機(jī)轉(zhuǎn)角的函數(shù)。MdMrabcdeaMdaMra在一個運(yùn)動循環(huán)內(nèi)，驅(qū)動力矩和阻力矩所作的功分別為：動能增量：MdMrabcdeaE在位置 b 處，動能和角速度為：Emin 、min而在位置 c 處為：Emax 、 max在b-c區(qū)間處盈虧功和動能增量

9、達(dá)到最大值： maxEmaxminEmin分析：1）當(dāng)W與 2m一定時 ，JF - 是一條等邊雙曲線。 JF當(dāng) 很小時， JF JF2）當(dāng)JF與m一定時 ， W - 成正比。即W越大，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度越不均勻。4）J與m的平方成反比，即平均轉(zhuǎn)速越高，所需飛輪 的轉(zhuǎn)動慣量越小。故飛輪一般安裝在高速軸上。過分追求機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，將使飛輪過于笨重。3）由于J，而W和m又為有限值，故 不可能 為“0”，即使安裝飛輪，機(jī)械總是有波動。最大盈虧功W 的確定1、求出各交點(diǎn)的W值，進(jìn)而找出Emin和Emax，從而求出W。 WMdMrabcdeaE+f2-f3+f4-f1-f5EminEmax2、作能量指示圖任意

10、繪制一水平線，按一定比例從左至右依次畫箭頭（虧功：向下畫箭頭，盈功：向上畫箭頭），箭頭長度與各包圍面積相等。最大動能增量及最大盈虧功等于指示圖中最低點(diǎn)（最小速度）到最高點(diǎn)（最大速度）之間的高度值。abcdea二、飛輪主要尺寸的確定1、輪形飛輪輪轂輪幅輪緣構(gòu)成：由輪轂、輪輻和輪緣三部分組成。主要尺寸：寬度B、輪緣厚度H、平均值徑DHBDm = V =DHB 按照機(jī)器的結(jié)構(gòu)和空間位置選定D之后，可得飛輪質(zhì)量。選定飛輪的材料和比值H/B 之后，可得飛輪截面尺寸。由于輪轂和輪輻的轉(zhuǎn)動慣量較小，可忽略不計。其轉(zhuǎn)動慣量為： 材料密度mD2 飛輪矩2、盤形飛輪：BD選定圓盤直徑D，可得飛輪的質(zhì)量。m = V

11、D2B=4選定飛輪的材料之后，可得飛輪的寬度B。為保證安全，飛輪的外圓線速度不能超過許用值：鑄鐵飛輪： vmax 36 m/s鑄鋼飛輪： vmax 50 m/s例：已知驅(qū)動力矩Md為常數(shù)，阻力矩Mr如圖所示，主軸的平均角速度為：m= 25 rad/s,不均勻系數(shù)= 0.05，求主軸飛輪的轉(zhuǎn)動慣量JF。解：1)求Md 由于在一個循環(huán)內(nèi)Md和Mr所作的功相等，故可得：作Md的曲線，如圖。10Mr2kNm3/20Md2)求W 各陰影面積分別為：0/4/43/43/49/89/811/811/813/813/815/815/8210/16-20/1615/16-10/1610/16-10/165/16

12、區(qū)間面積作能量指示圖10Mr2kN-m3/20Md由能量指示圖，可得：W 10/83.93 KNmW3.9310/(2520.05) 126 kgm23)求飛輪的轉(zhuǎn)動慣量JF若為輪形飛輪，則飛輪矩 mD2 =4JF=4126=504 kgm2例2 在由電機(jī)驅(qū)動的剪床機(jī)械系統(tǒng)中。已知電機(jī)轉(zhuǎn)速 折算到電機(jī)軸上的等效阻力矩 如圖中曲線所示，驅(qū)動力矩的常數(shù)。機(jī)械系統(tǒng)中各機(jī)構(gòu)的等效轉(zhuǎn)動慣量不計，要求系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的不均勻系數(shù) 求安裝在電機(jī)軸上的飛輪轉(zhuǎn)動慣量 。解：由題意知：電機(jī)軸為該系統(tǒng)的等效構(gòu)件1）求等效驅(qū)動力矩Md2）求盈虧功W對應(yīng)于圖中a、b、c、d各點(diǎn)的W為：3）求Jf本 章 小 結(jié)本章結(jié)束結(jié)束消除隱

13、患，確保安全，保障穩(wěn)定，促進(jìn)發(fā)展。8月-228月-22Wednesday, August 10, 2022人民消防人民辦，辦好消防為人民。00:56:0300:56:0300:568/10/2022 12:56:03 AM做好安全工作，樹立企業(yè)形象。8月-2200:56:0300:56Aug-2210-Aug-22絆人的樁不在高，違章的事不在小。00:56:0300:56:0300:56Wednesday, August 10, 2022人人保安全，家家笑開顏。8月-228月-2200:56:0300:56:03August 10, 2022每項(xiàng)振作求質(zhì)量，產(chǎn)品質(zhì)量有保障。2022年8月10日12:56 上午8月-228月-22人人有專職，工人有程序，檢查有標(biāo)準(zhǔn)，做好留證據(jù)。10 八月 202212:56:03 上午00:56:038月-22由前至后一條拉，從上到下一條心。八月 2212:56 上午8月-2200:56August 10, 2022創(chuàng)名牌、奪優(yōu)質(zhì)，全廠員工齊努力。2022/8/10 0:56:0300:56:0310 August 2022質(zhì)