ch11机器的运转及其速度波动的调节.ppt

第第11章章 机器的运转及其速度波动的调节机器的运转及其速度波动的调节11-1 概述概述11-2 机器运转的三个阶段及其作用力机器运转的三个阶段及其作用力11-3 机器的等效动力学模型机器的等效动力学模型11-4 机器的运动方程及其求解方法机器的运动方程及其求解方法11-5 机器速度波动的调节机器速度波动的调节11-6 飞轮设计飞轮设计基本要求基本要求l理解机械速度波动的原因及速度波动的调节方法；理解机械速度波动的原因及速度波动的调节方法；l了解机械运转了解机械运转3阶段中，机械系统的功、能量和原动件角速度阶段中，机械系统的功、能量和原动件角速度的特点；的特点；l掌握飞轮调速原理和特点，能够计算飞轮转动惯量。掌握飞轮调速原理和特点，能够计算飞轮转动惯量。l了解建立单自由度机器系统等效动力学模型及其运动方程式了解建立单自由度机器系统等效动力学模型及其运动方程式的方法，对等效力（力矩）、等效质量（转动惯量）、等效构的方法，对等效力（力矩）、等效质量（转动惯量）、等效构件和等效动力学模型等基本概念和方法的运用能充分地了解。件和等效动力学模型等基本概念和方法的运用能充分地了解。l对机器运动方程式的两种表达形式（动能形式和力或力矩形对机器运动方程式的两种表达形式（动能形式和力或力矩形式）的建立和适用情况能有所了解。式）的建立和适用情况能有所了解。l懂得在建立机器运动方程式后，如何根据已知条件求解在已懂得在建立机器运动方程式后，如何根据已知条件求解在已知力作用下机器的真实运动，重点是能理解力为机构位置函数知力作用下机器的真实运动，重点是能理解力为机构位置函数时其等效构件的真实运动。时其等效构件的真实运动。11-1 概述概述 原动件的运动规律与作用在机械的外力、原动件的位置原动件的运动规律与作用在机械的外力、原动件的位置和所有构件的质量、转动惯量等因素有关，因此，原动件的和所有构件的质量、转动惯量等因素有关，因此，原动件的速度和加速度是随时间而变化的。假设原动件等速运动所得速度和加速度是随时间而变化的。假设原动件等速运动所得分析结果必然存在误差。分析结果必然存在误差。如何确定机器的真实运动规律？如何确定机器的真实运动规律？机械在运转过程中经常会出现速度波动，这种速度波机械在运转过程中经常会出现速度波动，这种速度波动会导致在运动副中产生附加的动压力，并引起机械的振动会导致在运动副中产生附加的动压力，并引起机械的振动，从而降低机械的寿命、效率和工作质量。动，从而降低机械的寿命、效率和工作质量。如何分析机械运转速度波动的程度？有哪些调节方如何分析机械运转速度波动的程度？有哪些调节方法可将机械运动速度波动的程度限制在许可的范围之内法可将机械运动速度波动的程度限制在许可的范围之内？一、一、机器运转的三个阶段机器运转的三个阶段 稳定运转稳定运转启动启动三个阶段：起动、稳定运转、停车。三个阶段：起动、稳定运转、停车。t停止停止 11-2 机器运转的三个阶段及其作用力机器运转的三个阶段及其作用力1.起动阶段起动阶段机械的角速度机械的角速度由零渐增至由零渐增至m（正常工作速度正常工作速度），其功能关系为：），其功能关系为：Wd-(WrWf)=E1-E0 起动时可以不加负载，等达到稳定运转后再加，能缩短起动时间。起动时可以不加负载，等达到稳定运转后再加，能缩短起动时间。机器的输入功恒大于输出功和损耗功之和机器的输入功恒大于输出功和损耗功之和 匀速稳定运转：匀速稳定运转：常数常数周期变速稳定运转：周期变速稳定运转：(t)=(t+Tp)非周期变速稳定运转非周期变速稳定运转 稳定运转稳定运转启动启动t停止停止 m m t稳定运转稳定运转启动启动停止停止启动启动m m t 稳定运转稳定运转 停止停止2.稳定运转阶段稳定运转阶段 m常数，常数，Wd-(WrWf)=E1-E0=0 m常数，而常数，而（瞬时角速度瞬时角速度）作周期）作周期性变化；性变化；在一个运动循环周期内，在一个运动循环周期内，Wd-(WrWf)=E1-E0=03.停车阶段停车阶段 由由m渐减为零；渐减为零；-(WrWf)=E1-E0=EMer或或MerMed，可能会导致，可能会导致“飞车飞车”破坏或破坏或导致停车现象。为了避免这两种情况的发生，必须对这种非周期导致停车现象。为了避免这两种情况的发生，必须对这种非周期性的波动进行调节。性的波动进行调节。机械的非周期性速度波动调节的本质是要机械重新恢复建立机械的非周期性速度波动调节的本质是要机械重新恢复建立稳定运转状态。为此，就需要设法使等效驱动力矩与等效工作阻稳定运转状态。为此，就需要设法使等效驱动力矩与等效工作阻力矩恢复平衡关系。力矩恢复平衡关系。机械的非周期性速度波动的调节有两种情况：机械的非周期性速度波动的调节有两种情况：其本身具有自调性。其本身具有自调性。（2）对于以内燃机等为原动机的机械，）对于以内燃机等为原动机的机械，需安装调速器来调节。需安装调速器来调节。调速器的种类很多安执行机构分类，主要有机械式的、气动调速器的种类很多安执行机构分类，主要有机械式的、气动式的、机械气动式的、液压式的、电液式的和电子式的。式的、机械气动式的、液压式的、电液式的和电子式的。（1）对于以电动机为原动机的机械，）对于以电动机为原动机的机械，发动机用油发动机用油油箱供油油箱供油油箱供油油箱供油发动机用油发动机用油离心式调速器的工作原理离心式调速器的工作原理油箱供油油箱供油进油减少进油减少转速降低转速降低开口增大开口增大回油增加回油增加1、机械运转的平均速度和不均匀系数、机械运转的平均速度和不均匀系数平均角速度：平均角速度：T T额定转速额定转速已知主轴角速度：已知主轴角速度：=(t)不容易求得，工程上常采用算术平均值：不容易求得，工程上常采用算术平均值：m(max+min)/2 对应的转速：对应的转速：n 60m/2 rpm对于周期性速度波动的机械，加装飞轮可以对速度波动的范围进行调节。下面介绍有关原理。maxmaxminmin11-4 飞轮的设计飞轮的设计定义：定义：(maxmin)/m 为机器运转为机器运转速度不均匀系速度不均匀系数数，它表示了机器速度波动的程度。，它表示了机器速度波动的程度。maxm(1+/2)可知，当可知，当m一定时，一定时，愈小，则差值愈小，则差值maxmin也愈也愈小，说明机器的运转愈平稳。小，说明机器的运转愈平稳。minm(1-/2)2max2min 22m 由由m(max+min)/2 以及上式可得：以及上式可得：maxmin 表示了机器主轴速度波动范围的大小，称为表示了机器主轴速度波动范围的大小，称为绝对不均绝对不均匀度匀度。但在差值相同的情况下，对平均速度的影响是不一样的。但在差值相同的情况下，对平均速度的影响是不一样的。对于不同的机器，因工作性质不同而取不同的值对于不同的机器，因工作性质不同而取不同的值。设计时要求设计时要求：表表8-1 机械运转速度不均匀系数机械运转速度不均匀系数 的取值范围的取值范围驱动发电机的活塞式内燃机，主轴速度波动范围太大，势必影响输出电压的稳定性，故这类机械的应取小些；反之，如冲床、破碎机等机械，速度波动大也不影响其工作性能，故可取大些机械名称机械名称 机械名称机械名称 破碎机破碎机 0.10.2 压缩机和水泵压缩机和水泵 0.03 0.05 交流发电机交流发电机 0.0020.003 冲床和剪床冲床和剪床 0.050.15 减速器减速器 0.015 0.020 2、飞轮设计的基本原理、飞轮设计的基本原理飞轮设计的基本问题：飞轮设计的基本问题：已知作用在主轴上的驱动力矩和已知作用在主轴上的驱动力矩和阻力矩的变化规律，在阻力矩的变化规律，在的范围内，确定安装在主轴上的范围内，确定安装在主轴上的飞轮的转动惯量的飞轮的转动惯量 JF。飞轮的调速是利用它的储能作用，在机械系统出现盈功时，吸飞轮的调速是利用它的储能作用，在机械系统出现盈功时，吸收储存多余能量，而在出现亏功时释放其能量，以弥补能量的收储存多余能量，而在出现亏功时释放其能量，以弥补能量的不足，从而使机械的角速度变化幅度得以缓减，即达到调节作不足，从而使机械的角速度变化幅度得以缓减，即达到调节作用。用。飞轮调速的基本原理飞轮调速的基本原理 3、飞轮转动惯量的近似计算、飞轮转动惯量的近似计算忽略变传比的等效转动惯量忽略变传比的等效转动惯量最大赢亏功：最大赢亏功：JF=Wmax/(m2）Jc由上式可得：由上式可得：则则 JF900Wmax/(n22）JcJF如果用平均转速如果用平均转速n(r/min)计算，计算，一般情况，一般情况，分析：分析：1）当当Amax与与2m一定时一定时，J-是一是一 条等边双曲线。当条等边双曲线。当很小时很小时，JJ JJ J2）当当J与与m一定时一定时，Amax-成正比成正比。即即Amax越大越大，机械运转速度越不均匀机械运转速度越不均匀。4）J与与m的平方成反比的平方成反比，即平均转速越高，所需飞轮即平均转速越高，所需飞轮 的转动惯量越小的转动惯量越小。过分追求机械运转速度的平稳性，将使飞轮过于笨重。过分追求机械运转速度的平稳性，将使飞轮过于笨重。3)由于由于J，而而Amax和和m又为有限值又为有限值，故故不可能不可能 为为“0”，即使安装飞轮，机械总是有波动即使安装飞轮，机械总是有波动。利用它的储能作用，在选用较小功率原动机的情况下，利用它的储能作用，在选用较小功率原动机的情况下，能帮助克服很大的尖峰工作载荷。能帮助克服很大的尖峰工作载荷。飞轮的主要应用的进一步说明飞轮的主要应用的进一步说明利用它的储能作用实现调速。利用它的储能作用实现调速。用作能量存储器来提供动力。用作能量存储器来提供动力。如惯性玩具小汽车。如惯性玩具小汽车。如锻压机械。如锻压机械。利用它的储能作用实现节能。利用它的储能作用实现节能。如汽车上的一种飞轮制如汽车上的一种飞轮制动器。动器。用作太阳能及发电装置的能量平衡器。用作太阳能及发电装置的能量平衡器。MdMrEa bcde a4、Amax的确定方法的确定方法在交点位置的动能增量在交点位置的动能增量E正好是从起正好是从起始点始点a到该交点区间内各代表盈亏功的到该交点区间内各代表盈亏功的阴影面积代数和。阴影面积代数和。AmaxEmaxEmin EmaxEmax、Emin出现的位置：出现的位置：在曲线在曲线Md与与 Mr的交点处。的交点处。E()曲线上从一个极值点跃变到另一个曲线上从一个极值点跃变到另一个极值点的高度，正好等于两点之间的阴极值点的高度，正好等于两点之间的阴影面积影面积(盈亏功)。作图法求作图法求Amax：任意绘制一水平线，并分割成对应的区间，从任意绘制一水平线，并分割成对应的区间，从左至右依次向下画箭头表示亏功，向上画箭头表示盈功，箭头左至右依次向下画箭头表示亏功，向上画箭头表示盈功，箭头长度与阴影面积相等，由于循环始末的动能相等，故能量指示长度与阴影面积相等，由于循环始末的动能相等，故能量指示图为一个封闭的台阶形折线。则最大动能增量及最大盈亏功等图为一个封闭的台阶形折线。则最大动能增量及最大盈亏功等于指示图中于指示图中最低点最低点到到最高点最高点之间的高度值。之间的高度值。强调不一定是相邻点 A Amax E Emaxmax E Eminmin可用折线代替曲线求得E举例：举例：已知驱动力矩为常数，阻力矩如图所示，主轴的平均角已知驱动力矩为常数，阻力矩如图所示，主轴的平均角速度为：速度为：m=25 rad/s,不均匀系数不均匀系数0.05，求主轴飞轮的转动求主轴飞轮的转动惯量惯量J解：解：1)求求Md,在一个循环内，在一个循环内，Md和和Mr所作的功相等，于是：所作的功相等，于是：作代表作代表 Md的直线如图。的直线如图。2)求求Amax各阴影三角形的面积分别为：各阴影三角形的面积分别为：三个三角形面积之和0 0/4/4/4/43/43/43/43/49/89/89/89/811/811/811/811/813/813/813/813/815/815/815/815/82210/1610/16-10/8-10/815/1615/16-5/8-5/810/1610/16-5/8-5/85/165/16区间区间面积面积 10MrMd作能量指示图22kN-m3/23/20 0书上例题自学由能量指示图，得：由能量指示图，得：Amax10/83.93 KN-mJ Amax/2m3.9310/(0.05252)A Amaxmax 126 kgm2轮形飞轮：由轮形飞轮：由轮毂、轮辐轮毂、轮辐和和轮缘轮缘三部分组成。三部分组成。轮毂轮毂轮幅轮幅轮缘轮缘JA4、飞轮主要尺寸的确定飞轮主要尺寸的确定其轮毂和轮幅的转其轮毂和轮幅的转动惯量较小，可忽动惯量较小，可忽略不计。其转动惯略不计。其转动惯量为：量为：主要尺寸：主要尺寸：宽度宽度B、轮缘厚度、轮缘厚度H、平均值径、平均值径DmHBDmmV=DmHB 为材料密度按照机器的结构和空间位置选定按照机器的结构和空间位置选定Dm之后可得飞轮质量：之后，可得飞轮质量：选定飞轮的材料和比值选定飞轮的材料和比值H/B之后，可得飞轮截面尺寸。之后，可得飞轮截面尺寸。盘形飞轮：盘形飞轮：BD选定圆盘直径选定圆盘直径D，可得飞轮的质量：，可得飞轮的质量：mVD2B=4选定飞轮的材料之后，可得飞轮的宽度选定飞轮的材料之后，可得飞轮的宽度B。对于外径为对于外径为D的实心圆盘式飞轮，由理论力学知的实心圆盘式飞轮，由理论力学知为保证安全，飞轮的外圆线速度不能超过许用值：为保证安全，飞轮的外圆线速度不能超过许用值：铸铁飞轮：铸铁飞轮：vmax 36 m/s铸钢飞轮：铸钢飞轮：vmax 50 m/s本章介绍的飞轮设计方法，没有考虑除飞轮之外其它构件的本章介绍的飞轮设计方法，没有考虑除飞轮之外其它构件的动能变化，因而动能变化，因而是近似设计是近似设计。由于机械运转速度不均匀系数。由于机械运转速度不均匀系数容许有一个变化范围，所以这种近似设计可以满足一般的使容许有一个变化范围，所以这种近似设计可以满足一般的使用要求。用要求。说明：说明：飞轮不一定是外加的专门附件。实际机械中，往往用增大带轮飞轮不一定是外加的专门附件。实际机械中，往往用增大带轮或齿轮的尺寸和质量的方法，使它们兼起飞轮的作用，或齿轮的尺寸和质量的方法，使它们兼起飞轮的作用，