機(jī)械原理動(dòng)力學(xué)

江蘇大學(xué)2023年5月10日機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)機(jī)械原理及設(shè)計(jì)（Ⅰ）第8章機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)方程式的建立及求解§8-4機(jī)械的速度波動(dòng)及調(diào)節(jié)方法§8-5飛輪設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，都假定原動(dòng)件作勻速運(yùn)動(dòng):ω＝const實(shí)際上是多個(gè)參數(shù)的函數(shù)：=(F、M、、m、J)研究?jī)?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(dòng)規(guī)律。2、研究機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度波動(dòng)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(dòng)，而保證正常工作?！?-1概述一、作用在機(jī)械上的力工作阻力驅(qū)動(dòng)力力(或力矩)與機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)（位移、速度或時(shí)間）之間的關(guān)系，稱為機(jī)械特性。忽略機(jī)械中各構(gòu)件的重力以及運(yùn)動(dòng)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(dòng)力矩Md

Md(s)速度的函數(shù)如電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩Md

Md()

Md

BNAC0

0

－同步角速度1、驅(qū)動(dòng)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(shí)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(gè)階段：穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)啟動(dòng)t停車根據(jù)能量守恒定律式中：Wd——驅(qū)動(dòng)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(shí)間間隔開始和結(jié)束時(shí)的動(dòng)能；

W——盈虧功。啟動(dòng)、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)、停車1、啟動(dòng)階段（開車）系統(tǒng)動(dòng)能增加△E＞0速度上升從0→mWd-Wc=E2-E1>0穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)啟動(dòng)t停車W>0——盈功穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)啟動(dòng)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(dòng)停車⑴勻速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)C⑵周期變速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)

(t)(tT)2、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段Wd-Wc=E2-E1=03、停車階段從m→0，△E＜0穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)啟動(dòng)t停車停車時(shí)間由Wc決定。加快停車，需加制動(dòng)。Wd-Wc=E2-E1<0W<

0——虧功啟動(dòng)階段和停車階段稱為過渡過程。三、速度不均勻系數(shù)ωφOTωminωmax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：ωm＝（ωmax＋ωmin）/2對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速：n=

60m

/2

rpmmax-min表示了機(jī)器主軸速度波動(dòng)范圍的大小，稱為絕對(duì)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(dòng)的程度。由m

＝(max+min)/2以及上式可得：∴2max-2min=22m可知，當(dāng)ωm一定時(shí)，δ愈小，則差值ωmax－ωmin也愈小，說明機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)愈平穩(wěn)。對(duì)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(jì)時(shí)要求：

≤[]造紙織布1/40～1/50紡紗機(jī)1/60～1/100發(fā)電機(jī)1/100～1/300機(jī)械名稱

[δ]機(jī)械名稱

[δ]機(jī)械名稱

[δ]碎石機(jī)1/5～1/20汽車拖拉機(jī)1/20～1/60沖床、剪床1/7～1/10切削機(jī)床1/30～1/40軋壓機(jī)1/10～1/20水泵、風(fēng)機(jī)1/30～1/50表

機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)δ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(dòng)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(dòng)力參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系式，即機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程。對(duì)于單自由度的機(jī)械系統(tǒng)，只要知道其中一個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其他構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)就可求得，這樣就把研究整個(gè)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)問題轉(zhuǎn)化為研究它的某一個(gè)構(gòu)件的問題。一、等效動(dòng)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(dòng)力學(xué)模型。等效構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)與受力等效到機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)與受力。1、等效條件(1)等效構(gòu)件的動(dòng)能等于原機(jī)械系統(tǒng)的總動(dòng)能；(2)等效構(gòu)件的瞬時(shí)功率等于原機(jī)械系統(tǒng)的總瞬時(shí)功率。等效力矩：Me

等效轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)及調(diào)節(jié)方法一、周期性速度波動(dòng)及其調(diào)節(jié)機(jī)械在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段，其原動(dòng)件的角速度ω在其恒定的平均角速度ωm上下瞬時(shí)的變化（即出現(xiàn)波動(dòng)），但在一個(gè)周期T的始末，其角速度是相等的，這時(shí)機(jī)械具有的動(dòng)能是相等的。這種速度波動(dòng)就稱為機(jī)械的周期性速度波動(dòng)。1、周期性速度波動(dòng)的原因驅(qū)動(dòng)力矩Md(φ)和阻力矩Mr(φ)是原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角的函數(shù)。MdMrabcdea'φMdφaMrφa在一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)內(nèi)，驅(qū)動(dòng)力矩和阻力矩所作的功分別為：動(dòng)能增量：MdMrabcdea'φ力矩所作功及動(dòng)能變化:↓↓Md<Mr虧功“－”a-b↑↑Md>Mr盈功“＋”b-c↓↓Md<Mr虧功“－”c-d↑↑Md>Mr盈功“＋”d-e↓↓Md<Mr虧功“－”e-a’在一個(gè)循環(huán)內(nèi)：這說明經(jīng)過一個(gè)運(yùn)動(dòng)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(dòng)。Wd=Wr即：=0φEφ△E=0aa區(qū)間外力矩所作功主軸的ω動(dòng)能E2、周期性悉速度波動(dòng)延的調(diào)節(jié)方乒法機(jī)械速度怖波動(dòng)的調(diào)腔節(jié)是使δ≤[δ]調(diào)節(jié)方積法：在吊機(jī)械中社安裝飛輪——具有很涼大轉(zhuǎn)動(dòng)松慣量的跟回轉(zhuǎn)構(gòu)貫件。機(jī)械出樹現(xiàn)盈功債時(shí)，飛唉輪以動(dòng)乖能的形蜓式存儲(chǔ)能竹量；機(jī)械出現(xiàn)黑虧功時(shí)，骨飛輪釋放其陪存儲(chǔ)的逢能量。飛輪調(diào)速件的實(shí)質(zhì)：勢(shì)起能量?jī)?chǔ)敢存器的作殿用。二、非爽周期性澡速度波返動(dòng)及其倡調(diào)節(jié)如果機(jī)械右在運(yùn)轉(zhuǎn)過近程中，等婆效力矩的樸變化是非疲周期性的德，則機(jī)械釋的穩(wěn)定運(yùn)坑轉(zhuǎn)狀態(tài)將遺遭到破壞穗，此時(shí)出社現(xiàn)的速度魄波動(dòng)稱為非周期性杠速度波動(dòng)。原因：機(jī)械工掌作阻力憤或者驅(qū)磚動(dòng)力在量工作過戲程中發(fā)趙生突變騙，使能雄量失衡秋。調(diào)節(jié)方法（1）自調(diào)綿性系統(tǒng)（2）安裝苦專用調(diào)滅速器1—原動(dòng)機(jī)2—工作機(jī)5—調(diào)節(jié)器雹本體6—節(jié)流閥離心式調(diào)躁速器工作矮原理圖工作介質(zhì)§8-5飛輪設(shè)攪計(jì)飛輪設(shè)孤計(jì)的基所本問題：已知作用隨在主軸上本的驅(qū)動(dòng)力慢矩和阻力擾矩的變化劑規(guī)律，在[]的范圍內(nèi)存，確定安汽裝在主軸訂上的飛輪材的轉(zhuǎn)動(dòng)慣蠶量JF。一、飛輪找轉(zhuǎn)動(dòng)慣量輝計(jì)算驅(qū)動(dòng)力矩Md(φ)和阻力皺矩Mr(φ)是原動(dòng)頂機(jī)轉(zhuǎn)角疑的函數(shù)詢。MdMrabcdea'φMdφaMrφa在一個(gè)深運(yùn)動(dòng)循仙環(huán)內(nèi)，浩驅(qū)動(dòng)力扶矩和阻小力矩所香作的功活分別為香：動(dòng)能增量差：MdMrabcdea'φφEφ在位置b處，動(dòng)爭(zhēng)能和角還速度為舒：Emin、min而在位掉置c處為：Emax、max在b-c區(qū)間處喂盈虧功傭和動(dòng)能魂增量達(dá)絲式到最大騾值：

maxEmaxminEmin分析：1）當(dāng)[W]與2m一定時(shí)仁，JF-是一條等第邊雙曲線運(yùn)。JF當(dāng)很小時(shí)，↓→JF↑↑JF2）當(dāng)JF與m一定時(shí)垃，[W]-成正比。疤即[W]越大，機(jī)圍械運(yùn)轉(zhuǎn)速遼度越不均膝勻。4）J與m的平方粘成反比桌，即平傻均轉(zhuǎn)速礦越高，嘗所需飛益輪憶的轉(zhuǎn)腦動(dòng)慣量銀越小。卵故飛輪逮一般安池裝在高速軸上。過分追擊求機(jī)械研運(yùn)轉(zhuǎn)的饅平穩(wěn)性采，將使散飛輪過左于笨重刺。3）由于J≠∞，而[W]和m又為有太限值，朱故不可能禁為“0”，即使安本裝飛輪，魚機(jī)械總是鉆有波動(dòng)。最大盈虧碼功[W]的確定1、求出涂各交點(diǎn)碧的W值，進(jìn)漂而找出Emin和Emax，從而夢(mèng)求出[W]。[W]MdMrabcdea'φφE+f2-f3+f4-f1-f5EminEmax2、作能堡量指示畫圖任意繪制賓一水平線摩，按一定敢比例從左床至右依次破畫箭頭（虧功：刻向下畫掌箭頭，捆盈功：稼向上畫鏡箭頭），箭頭長(zhǎng)度偶與各包圍斗面積相等。最大動(dòng)能姻增量及最爽大盈虧功減等于指晉示圖中最饞低點(diǎn)（最小速度）到最惱高點(diǎn)（最大速度）之間的撓高度值。abcdea'二、飛襯輪主要意尺寸的全確定1、輪形笑飛輪輪轂輪幅輪緣構(gòu)成：由輪轂、輪輻和輪緣三部分筑組成。主要尺寸辟：寬度B、輪緣宏厚度H、平均矩值徑DHBDm=犧V=πDHB按照機(jī)器與的結(jié)構(gòu)和躬空間位置毯選定D之后，弦可得飛笑輪質(zhì)量星。選定飛月輪的材慌料和比坡值H/B之后，可懇得飛輪截澤面尺寸。由于輪賤轂和輪搖輻的轉(zhuǎn)攏動(dòng)慣量桶較小，俗可忽略萌不計(jì)。抵其轉(zhuǎn)動(dòng)武慣量為齒：——材料密度mD2——飛輪矩2、盤形考飛輪：BD選定圓愈盤直徑D，可得亮飛輪的癢質(zhì)量。m=尼VπD2B=4選定飛璃輪的材御料之后鳴，可得掛飛輪的迷寬度B。為保證安路全，飛輪簽的外圓線城速度不能橋超過許用蜘值：鑄鐵飛腫輪：vmax≤36革m/s鑄鋼飛嚼輪：vmax≤50經(jīng)m/您s例：已擴(kuò)知驅(qū)動(dòng)匪力矩Md為常數(shù)犧，阻力奏矩Mr如圖所示蹈，主軸的納平均角速?zèng)]度為：m=2萌5r辨ad/風(fēng)s,不均勻決系數(shù)=0.0襖5，求主軸旋飛輪的轉(zhuǎn)暢動(dòng)慣量JF。解：1)求Md由于在一歪個(gè)循環(huán)內(nèi)Md和Mr所作的功蹦相等，故暗可得：作Md的曲線，裙如圖。10Mr2πφkNmπ3π/20Md2)求[W]各陰影趕面積分呈別為：0～π/4π/4～3π/飯43π/4～9π/89π/8～11π義/811π渾/8～13π/揮813π/錫8～15π/刊815π/撲8～2π10π歡/16-20π武/1615π欺/16-10狗π/1靈610π落/16-10蹄π/1春65π/1旺6區(qū)間面積作能量掌指示圖10Mr2πφkN-mπ3π/20Md由能量劍指示圖塑，可得防：[W]＝10π陪/8＝3.93KNm[W]＝3.9較3×1稼0/(斬252×0.0咐5)＝126kgm23)求飛輪的重轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JF若為輪販形飛輪忘，則飛輪矩mD2=4J