浙大機械設計考研輔導課件第十七章機械調(diào)速

1、浙江大學專用 第十七章第十七章 機械速度波動的調(diào)節(jié)機械速度波動的調(diào)節(jié)1 171 機械速度波動調(diào)節(jié)的目的和方法機械速度波動調(diào)節(jié)的目的和方法1 172 飛輪設計的近似方法飛輪設計的近似方法浙江大學專用 1 171 機械速度波動調(diào)節(jié)的目的和方法機械速度波動調(diào)節(jié)的目的和方法機械是在驅(qū)動力作用下克服阻力而運轉(zhuǎn)的。根據(jù)功能原理，若機機械是在驅(qū)動力作用下克服阻力而運轉(zhuǎn)的。根據(jù)功能原理，若機械在工作過程的任意時間間隔內(nèi)，驅(qū)動力對機械所作的功與機械械在工作過程的任意時間間隔內(nèi)，驅(qū)動力對機械所作的功與機械克服阻力所作的功完全相等，則機械的動能不變，其主軸將保持克服阻力所作的功完全相等，則機械的動能不變，其主軸將保

2、持勻速運轉(zhuǎn)。勻速運轉(zhuǎn)。機械在某段工作時間內(nèi)，若驅(qū)動力所作的功大于阻力所作的功，機械在某段工作時間內(nèi)，若驅(qū)動力所作的功大于阻力所作的功，則出現(xiàn)則出現(xiàn)盈功盈功；若驅(qū)動力所作的功小于阻力所作的功，則出現(xiàn)；若驅(qū)動力所作的功小于阻力所作的功，則出現(xiàn)虧虧功功。盈功和虧功將引起機械動能的增加和減少，從而引起機械。盈功和虧功將引起機械動能的增加和減少，從而引起機械運轉(zhuǎn)速度的波動。運轉(zhuǎn)速度的波動。機械速度波動會使運動副中產(chǎn)生機械速度波動會使運動副中產(chǎn)生:附加的動壓力，附加的動壓力，降低機械效率，降低機械效率，產(chǎn)生振動，產(chǎn)生振動，影響機械影響機械的質(zhì)量和壽命。的質(zhì)量和壽命。采取措施把速度波動控制在許可范圍內(nèi)，以減

3、小其產(chǎn)生的不良采取措施把速度波動控制在許可范圍內(nèi)，以減小其產(chǎn)生的不良影響，稱為速度波動的調(diào)節(jié)。影響，稱為速度波動的調(diào)節(jié)。 機械速度波動有機械速度波動有周期性周期性和和非周性非周性兩類。兩類。浙江大學專用 一、一、周期性的速度波動周期性的速度波動當機械動能的增減作周期性當機械動能的增減作周期性變化時，其主軸的角速度也變化時，其主軸的角速度也作周期性的變化，如圖作周期性的變化，如圖17-1實線所示。在這種情況下，實線所示。在這種情況下，主軸角度主軸角度在經(jīng)過一個變化在經(jīng)過一個變化周期周期T之后又回到初始狀態(tài)，之后又回到初始狀態(tài)，這說明就整個周期而言，動這說明就整個周期而言，動能沒有增減，驅(qū)動力所作

4、的能沒有增減，驅(qū)動力所作的功與阻力所作的功是功與阻力所作的功是相等的；但是，在周期中的某段時間內(nèi)，驅(qū)動力所作的功與阻相等的；但是，在周期中的某段時間內(nèi)，驅(qū)動力所作的功與阻力所作的功動卻是不相等的，因而出現(xiàn)速度變化。這種有規(guī)律力所作的功動卻是不相等的，因而出現(xiàn)速度變化。這種有規(guī)律的、周期性的變化稱為周期性速度波動。的、周期性的變化稱為周期性速度波動。其變化周期其變化周期T，通常對應于主軸回轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，通常對應于主軸回轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)(如蒸汽機、沖床、單缸二沖程內(nèi)燃機如蒸汽機、沖床、單缸二沖程內(nèi)燃機)或若干轉(zhuǎn)或若干轉(zhuǎn)(如單缸四如單缸四沖程內(nèi)燃機為曲軸轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)沖程內(nèi)燃機為曲軸轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn))。周期性速度波的調(diào)節(jié)方法是在機械

5、中加上一個轉(zhuǎn)動慣量。周期性速度波的調(diào)節(jié)方法是在機械中加上一個轉(zhuǎn)動慣量J很大的回轉(zhuǎn)體很大的回轉(zhuǎn)體飛輪。飛輪以角速度飛輪。飛輪以角速度回轉(zhuǎn)時的動能為回轉(zhuǎn)時的動能為E，盈功時飛輪動能增加，虧功時飛輪動能減少，由于，盈功時飛輪動能增加，虧功時飛輪動能減少，由于飛輪的轉(zhuǎn)動慣量飛輪的轉(zhuǎn)動慣量J很大，顯然，在動能變化量很大，顯然，在動能變化量E相同的條件下，其角速度相同的條件下，其角速度波動值將減小。也就是波動值將減小。也就是說，當動能的變化規(guī)律一定時，安裝飛輪后可以使機械速度的波動變小。圖說，當動能的變化規(guī)律一定時，安裝飛輪后可以使機械速度的波動變小。圖17-1中的實線和虛線分中的實線和虛線分別表示未安裝

6、飛輪時和安裝飛輪后主軸的速度波動。別表示未安裝飛輪時和安裝飛輪后主軸的速度波動。 浙江大學專用 產(chǎn)生周期性波動的原因產(chǎn)生周期性波動的原因作用在機械上的驅(qū)動力矩作用在機械上的驅(qū)動力矩Md ()和阻力矩和阻力矩Mr ()往往是往往是原動機轉(zhuǎn)角的周期性函數(shù)。原動機轉(zhuǎn)角的周期性函數(shù)。分別繪出在一個運動循環(huán)內(nèi)的變化曲線。dMWadd)()(dMWarr)()()()(rdWWE動能增量：動能增量：MdMra bcde aadMMrd)()(在一個運動循環(huán)內(nèi)，驅(qū)動力矩在一個運動循環(huán)內(nèi)，驅(qū)動力矩和阻力矩所作的功分別為：和阻力矩所作的功分別為：分析以上積分所代表的的物理含義2221)()(21aaJJ根據(jù)能量

7、守恒，外力所作功等于動能增量。MdaMra浙江大學專用 MdMra bcde a力矩所作功及動能變化力矩所作功及動能變化: :MdMr盈功盈功“”b-cb-cMdMr盈功盈功“”d-ed-eM Md dMMr r虧功虧功“”e-ae-a在一個循環(huán)內(nèi)：在一個循環(huán)內(nèi)：這說明經(jīng)過一個運動循環(huán)之后，這說明經(jīng)過一個運動循環(huán)之后，機械又回復到初始狀態(tài)機械又回復到初始狀態(tài), ,其運轉(zhuǎn)其運轉(zhuǎn)速度呈現(xiàn)周期性波動。速度呈現(xiàn)周期性波動。A Ad d=A=Ar r即：即：= 0動能的變化曲線E()、和速度曲線()分別如圖所示：E)(aaarddMME222121aaaaJJE=0aa區(qū)區(qū) 間間外力矩所作功外力矩所作功

8、主軸的主軸的動能動能E浙江大學專用 對周期性速度波動，可在轉(zhuǎn)動軸上安裝一個質(zhì)量較大對周期性速度波動，可在轉(zhuǎn)動軸上安裝一個質(zhì)量較大的回轉(zhuǎn)體（俗稱的回轉(zhuǎn)體（俗稱飛輪飛輪）達到調(diào)速的目的。）達到調(diào)速的目的。對非周期性速度波動，需采用專門的對非周期性速度波動，需采用專門的調(diào)速器調(diào)速器才能調(diào)節(jié)。才能調(diào)節(jié)。二、非周期性速度波動二、非周期性速度波動如果驅(qū)動力或阻力突然發(fā)生變化，使驅(qū)動力所作的功總?cè)绻?qū)動力或阻力突然發(fā)生變化，使驅(qū)動力所作的功總是大于或總是小于阻力所作的功則機械的速度將持續(xù)上是大于或總是小于阻力所作的功則機械的速度將持續(xù)上升或持續(xù)下降，將導致機械因速度上升到過高而損壞或升或持續(xù)下降，將導致機械

9、因速度上升到過高而損壞或因速度持續(xù)下降甚至可能使運動停止。如汽輪發(fā)電機組因速度持續(xù)下降甚至可能使運動停止。如汽輪發(fā)電機組在供氣量不變而用電量突然減少或增加時就會出現(xiàn)上述在供氣量不變而用電量突然減少或增加時就會出現(xiàn)上述情況。這種速度變化是隨機的、無規(guī)則的，稱情況。這種速度變化是隨機的、無規(guī)則的，稱為非周期性速度波動。為非周期性速度波動。 浙江大學專用 發(fā)動機用油發(fā)動機用油油箱供油油箱供油油箱供油油箱供油發(fā)動機用油發(fā)動機用油離心式調(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油減少進油減少轉(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浙江大學專用 一、飛輪設計的基本原理一、飛輪設計的基

10、本原理TmdT01平均角速度：平均角速度：T T額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速已知主軸角速度：已知主軸角速度：=(t)=(t)不容易求得，工程上常采用算術平均值：不容易求得，工程上常采用算術平均值：m(max + +min)/2 )/2 對應的轉(zhuǎn)速：對應的轉(zhuǎn)速： n n 6060m /2 rpm /2 rpmmaxmin 表示了機器主軸速度波動范圍的大小，稱表示了機器主軸速度波動范圍的大小，稱為絕對不均勻度。但在差值相同的情況下，對平均速度為絕對不均勻度。但在差值相同的情況下，對平均速度的影響是不一樣的。的影響是不一樣的。對于周期性速度波動的機械，加裝飛輪可以對速度波動的范圍進行調(diào)節(jié)。下面介紹有關原理。1

11、172 飛輪設計飛輪設計的近似的近似方法方法maxmaxminmin浙江大學專用 如如: :maxmin， m11010，m2100100則：則：1 1(maxmin)/ )/ m1 =0.1 =0.12 2(maxmin)/ )/ m2 =0.01 =0.01定義：定義：(maxmin)/ )/ m 為機器運轉(zhuǎn)速度不為機器運轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)，它表示了機器速度波動的程度。均勻系數(shù)，它表示了機器速度波動的程度。maxm(1+/2)(1+/2)可知，當可知，當m一定時，一定時，愈小，則差值愈小，則差值maxmin也愈小，說明機器的運轉(zhuǎn)愈平穩(wěn)。也愈小，說明機器的運轉(zhuǎn)愈平穩(wěn)。minm(1-/2)(1-

12、/2)2 2max2 2min 222 2m 由由m(max + +min)/2)/2 以及上式可得：以及上式可得： 浙江大學專用 對于不同的機器，因工作性質(zhì)不同而取不同的值對于不同的機器，因工作性質(zhì)不同而取不同的值。設計時要求：設計時要求：造紙織布造紙織布 1/401/401/501/50紡紗機紡紗機 1/601/601/1001/100發(fā)電機發(fā)電機 1/1001/1001/3001/300機械名稱機械名稱 機械名稱機械名稱 機械名稱機械名稱 碎石機碎石機 1/51/51/201/20 汽車拖拉機汽車拖拉機 1/201/201/601/60沖床、剪床沖床、剪床 1/71/71/101/10切

13、削機床切削機床 1/301/301/401/40軋壓機軋壓機 1/101/101/201/20水泵、風機水泵、風機 1/301/301/501/50表表17-1 17-1 機械運轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)機械運轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)的取值范圍的取值范圍驅(qū)動發(fā)電機的活塞式內(nèi)燃機，主軸速度波動范圍太大，勢必影響輸出電壓的穩(wěn)定性，故這類機械的應取小些；反之，如沖床、破碎機等機械，速度波動大也不影響其工作性能，故可取大些二、飛輪設計的基本原理二、飛輪設計的基本原理飛輪設計的基本問題：飛輪設計的基本問題：已知作用在主軸上的驅(qū)動力矩和已知作用在主軸上的驅(qū)動力矩和阻力矩的變化規(guī)律，在阻力矩的變化規(guī)律，在的范圍內(nèi)，確定安裝在

14、主軸的范圍內(nèi)，確定安裝在主軸上的飛輪的轉(zhuǎn)動慣量上的飛輪的轉(zhuǎn)動慣量 J JF F 。浙江大學專用 飛輪調(diào)速原理飛輪調(diào)速原理在位置在位置b b處，動能和角速度為：處，動能和角速度為： E Eminmin 、minminMdMra bcde aEminmin E Eminmin加裝飛輪的目的就是為了增加機器的轉(zhuǎn)動慣量進而起到調(diào)節(jié)速度波動的目的。為什么加裝飛輪之后就能減小速度的波動呢？機器總的動能近似為：機器總的動能近似為：E=JE=J2 2/2/2而在位置而在位置c c處為：處為： E Emaxmax 、 maxmax在在b-cb-c區(qū)間處盈虧功和動能增量區(qū)間處盈虧功和動能增量達到最大值：達到最大值

15、： A Amax max E E E Emaxmax - E - EminminJ(J(2 2maxmax - - 2 2minmin )/2 )/2 JJ2 2m m 得：得： J = AJ = Amaxmax / /2 2m m maxmax E Emaxmax稱稱A Amaxmax為最大盈虧功為最大盈虧功 浙江大學專用 J = AJ = Amaxmax / /2 2m m 分析：分析：1 1）當）當A Amaxmax與與2 2m m一定時一定時 ，J-J-是一是一 條等邊雙曲線。條等邊雙曲線。 J J當當很小時，很小時， J J J J2 2）當）當J J與與m m一定時一定時 ， A

16、Amaxmax-成正比。即成正比。即A Amaxmax越大，越大， 機械運轉(zhuǎn)速度越不均勻。機械運轉(zhuǎn)速度越不均勻。4 4）J J與與m m的平方成反比，即平均轉(zhuǎn)速越高，所需飛輪的平方成反比，即平均轉(zhuǎn)速越高，所需飛輪 的轉(zhuǎn)動慣量越小。的轉(zhuǎn)動慣量越小。過分追求機械運轉(zhuǎn)速度的平穩(wěn)性，將使飛輪過于笨重。過分追求機械運轉(zhuǎn)速度的平穩(wěn)性，將使飛輪過于笨重。3) 3) 由于由于JJ，而，而A Amaxmax和和m m又為有限值，故又為有限值，故不可能不可能 為為“0”0”，即使安裝飛輪，機械總是有波動。，即使安裝飛輪，機械總是有波動。浙江大學專用 飛輪調(diào)速的實質(zhì)：飛輪調(diào)速的實質(zhì)：起能量儲存器的作用。轉(zhuǎn)速增高時，

17、起能量儲存器的作用。轉(zhuǎn)速增高時，將多于能量轉(zhuǎn)化為飛輪的動能儲存起來，限制增速的幅將多于能量轉(zhuǎn)化為飛輪的動能儲存起來，限制增速的幅度；轉(zhuǎn)速降低時，將能量釋放出來，阻止速度降低。度；轉(zhuǎn)速降低時，將能量釋放出來，阻止速度降低。鍛壓機械在一個運動循環(huán)內(nèi)，工作時間短，但載荷峰鍛壓機械在一個運動循環(huán)內(nèi)，工作時間短，但載荷峰值大，利用飛輪在非工作時間內(nèi)儲存的能量來克服尖值大，利用飛輪在非工作時間內(nèi)儲存的能量來克服尖峰載荷，選用小功率原動機以降低成本。峰載荷，選用小功率原動機以降低成本。幫助機械越過死點，如縫紉機。幫助機械越過死點，如縫紉機。 浙江大學專用 MdMrEa bcde a二、二、A Amax的確定

18、方法的確定方法在交點位置的動能增量在交點位置的動能增量E E正好是正好是從起始點從起始點a到該交點區(qū)間內(nèi)各代表到該交點區(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 EmaxE Emaxmax、E Eminmin出現(xiàn)的位置：出現(xiàn)的位置：在曲線在曲線M Md d與與 M Mr r的交點處。的交點處。E(E() )曲線上從一個極值點躍變到曲線上從一個極值點躍變到另一個極值點的高度，正好等于另一個極值點的高度，正好等于兩點之間的陰影面積兩點之間的陰影面積(盈虧功)。作圖法求作圖法求A Amax：任意繪制一水平線，并分割成對應的區(qū)間，從任意繪制一水

19、平線，并分割成對應的區(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)始末的動能相等，故能量指示圖為一個封閉的臺階形折線。則最大動能增量及最大盈虧功等圖為一個封閉的臺階形折線。則最大動能增量及最大盈虧功等于指示圖中于指示圖中最低點最低點到到最高點最高點之間的高度值。之間的高度值。 強調(diào)不一定是相鄰點 A Amax E Emaxmax E Eminmin可用折線代替曲線求得E浙江大學專用 舉例：舉例：已知驅(qū)動力矩為常數(shù)，阻力矩如圖所示，主軸已知驅(qū)動力

20、矩為常數(shù)，阻力矩如圖所示，主軸的平均角速度為：的平均角速度為：m m=25 1/s,=25 1/s,不均勻系數(shù)不均勻系數(shù)0.050.05，求主軸飛輪的轉(zhuǎn)動慣量求主軸飛輪的轉(zhuǎn)動慣量J J。解：解：1)1)求求M Md d , , 在一個循環(huán)內(nèi)，在一個循環(huán)內(nèi)，M Md d和和M Mr r所作的功相等，于是：所作的功相等，于是：2021dMMrd5)10221(2102121作代表作代表 M Md d的直線如圖。的直線如圖。2)2)求求A Amaxmax各陰影三角形的面積分別為：各陰影三角形的面積分別為：三個三角形面積之和0 0/4/4/4/43/43/43/43/49/89/89/89/811/811/811/811/813/813/813/813/815/815/815/815/82210/1610/16-10/8-10/8 15/1615/16-5/8-5/810/1610/16-5/8-5/85/165/16區(qū)間區(qū)間面積面積 1010M Mr rM Md d作能量指示圖22kN-m3/23/20 0書上例題自學浙江大學專用 由能量指示圖，得：由能量指示圖，得：A Amaxmax10/810/83.93 KN-m3.93 KN-mJ J A Amaxmax / /2 2m m3.933.9310/(0.0510/(0.052