07 机械的运转及速度波动的调节.pptx

第1页：机械的运转及速度波动的调节目录与本章重点

机械运转过程7-2等效动力学模型7-3机械系统的等效运动方程式7-4周期性速度波动及其调节7-5非周期性速度波动及其调节基本要求:·了解机械功、能和原动件运动速度的特点·掌握等效动力学模型的建立及其求解方法·掌握飞轮调速原理及飞轮设计的基本方法·了解非周期性速度波动的基本概念和方法第7章机械的运转及速度波动的调节

第2页：7-1 机械运转过程

7-1 概述—机械的运转过程

• 机械工作时需克服的生产阻力
• 常见工作阻力的机械特性：–常数（如车床）–执行构件位置的函数（如曲柄压力机）–执行构件速度的函数(如鼓风机)–时间的函数（如揉面机）2驱动力
• 驱动原动件运动的力
• 常见驱动力的机械特性：–驱动力与运动参数之间的函数关系（位置的函数—内燃机，角速度的函数—电动机）机器动能方程式：ϖW = Wd–(Wr+Wf)=Wd-Wc=E2–E1=ΔEϖ外力功=驱动功--总耗功=系统动能的增量

1工作阻力

第3页：机械特性举例

机械特性举例ωMd同步角速度ωo额定角速度ωn额定转矩MnωMOABNC交流异步电机的机械特性/产品目录H0sp四冲程内燃机发动机示功图驱动力为转速的函数驱动力为活塞位置的函数吸气压缩膨胀排气驱动力为活塞位置的离散函数

第4页：机械运转过程：机械系统运转过程功

• 匀速稳定运转:ωm=C
• 变速稳定运转：周期性的速度波动,ωmC
• 非周期性波动:ωmC3停车阶段(ωm→0)特点：Wd<Wr→ω→ωm=0总之,只要wdwc，则ΔE0→ω变化（速度波动）TT起动稳定运转ωmωt制动停车二、机械系统运转过程（功、能转换）

1起动阶段(0→ωm)特点：Wd>Wr→ω→ω=ωm2稳定运转阶段(ωm)特点：Wd=Wr→ω=ωm

第5页：7-2 等效动力学模型

7-2 机械的等效动力学模型

• 机械运动方程：作用在机械上的力、构件的质量、转动惯量和运动参数之间的函数关系
• 单自由度系统: F=1
• 由动能定理：机械在某一瞬时总动能增量dE等于该瞬时作用于该机械上各外力所作的元功之和dW
• dE=dW
• 机械系统示例
• 系统在dt内的动能增量：
• 各外力在dt内所作的元功之和：般表达式

ω1ω2s2F

第6页：等效动力学模型：机械运动

n个活动构件组成的一般机械系统：动能功率各参数意义及“±”讨论？一、机械运动方程的一般表达式

第7页：等效动力学模型：等效动力学模型的建立

ϖ机械的运动方程式：外力与运动参数间的函数表达式ϖ对单自由度（F=1）的机械系统，只要知道一个构件的运动规律，其余构件的运动规律即可确定ϖ将复杂的机械系统简化成一个构件(称等效构件)，建立最简单的等效动力学模型求解不便!

!有无简单的处理方法？二、等效动力学模型的建立

第8页：例：曲柄滑块机构

例：曲柄滑块机构ϖ曲柄滑块机构，取１为原动件，ϕ1为独立的广义坐标，则xyvs2FM1O, s1s2m2, Js2J1AB231m3v3ω1ω2ϕ1ϕ2JeMeJe——等效转动惯量equivalentmoment of inertiaMe——等效力矩equivalentmoment

第9页：归纳与理解

归纳与理解：ϖ一个由n个活动构件组成的单自由度机械系统运动，可用一个假想的转动构件代替，该构件具有等效转动惯量Je,在其上作用有等效力矩Me。

这一假想构件称为等效构件（equivalentlink）。vs2FM1O, s1s2m2, Js2J1AB231m3v3ω1ω2选移动构件为等效构件时：该构件具有等效质量me(equivalent mass),在其上作用有等效力Fe(equivalentforce)。

同理：φMeOJeωFemev

第10页：将复杂的机械系统简化

总结：ϖ将复杂的机械系统简化成一个假想构件(称等效构件)，建立最简单的等效动力学模型ϖ等效动力学模型:具有等效转动惯量，作用有等效力矩的等效构件ϖ转化原则：使系统转化前后的动力学效果保持不变ϖ即：满足等动能原则、等功原则或等功率原则ϖ等效构件参数：转动惯量Je(或质量me)，等效力矩Me(或等效力Fe)φMeOJeωFemev

第11页：等效动力学模型：等效量的计算

• 1.等效力矩和等效力等功率条件：等效力Fe或等效力矩Me通过等效构件对整个机械系统所作的功或功率(等效功或功率)等于机械中所有外力Fi、外力矩Mi所作的功或功率的总和。若等效构件为定轴转动的构件：若等效构件为移动的构件：若Me, Fe为正，表示Me和ω、Fe和v的方向一致，否则相反等效构件上作用的等效力矩所产生的功率应等于整个机械系统中所有外力、外力矩所产生的功率之和二、等效量的计算

第12页：等效转动惯量和等效质

• 2.等效转动惯量和等效质量等动能条件：等效构件所具有的动能等于机械系统中所有构件所具有的动能之总和。注意几点：(1) Me和Je应取相同构件作为等效构件。(2) Me和Je均为抽象的，但等效构件是真实的，它们的运动规律是系统的真实的运动若等效构件为定轴转动的构件：若等效构件为移动的构件：

第13页：例题1：已知: z1=z2=20,z3=

习题MH2.求等效转动惯量JelHO2例题1：已知: z1=z2=20,z3=60,各构件质心均在其相对回转轴线上，J1=J2=0.01kg.m2, JH=0.16kg.m2, m2=2kg, m=10mm,作用在H上的力矩MH=40N.m。

求：构件1为等效构件时的Me, Je解:1.求等效力矩Me

第14页：习题据速度多边形知

习题据速度多边形知：P3C3A12B3ω1Mrϕ1pbcvc3vB等动能条件等功率条件例题2：已知:l1, J1, m2,m3,取曲柄为等效构件求：机构的等效转动惯量Je又如P3=AVc3(A为一常数, Ns/m),求阻力P3的等效阻力矩解:求等效转动惯量Je

第15页：7-3 机械系统的等效运动方程式

7-3 机械运动方程的建立及求解

• 1.能量形式方程式2.力矩形式方程式若等效构件为转动构件：若等效构件为移动构件：若等效构件为转动构件：若等效构件为移动构件：Me d等效驱动力矩Mer等效阻力矩式的建立

第16页：机械运动方程式的求解

• 1.当等效力矩和等效转动惯量均是机构位置的函数如已知Md=Md(ϕ),Mr=Mr(ϕ), J=J(ϕ)2.等效转动惯量是常数,等效力矩是速度的函数3.等效转动惯量是位置的函数,等效力矩是位置和速度的函数二、机械运动方程式的求解

第17页：7-4 周期性速度波动及其调节

7-4 周期性波动及其调节

等效力矩以等效驱动力矩和等效阻力矩分别计算时Md(ϕ)=Med(ϕ)-Mrd(ϕ)abcdea’MedMer盈功increment work亏功decrement workϕMe驱动功与阻抗功：机械动能增量：均为原动件转角的函数，呈周期性变化生原因

第18页：周期性速度波动及其调节

• 一、周期性速度波动的产生原因

ϕabcdea’MedMer盈功亏功ϕMeφT在Me与Je的公共周期内即，下一周期，动能又恢复到原来的值，动能变化呈周期限性，等效构件的角速度呈周期性变化。

周期性变化的等效力矩（力）引起周期性速度波动。速度波动↑动压力↑振动，噪音,工作质量降低。

第19页：周期性速度波动运动

• 特点: (1)在一个周期T内:Wd-Wc=ΔE=0(2)等效构件的位置、速度、加速度和受力等呈周期性的变化根据等效运动方程力矩形式：2调节方法飞轮——转动惯量很大的回转构件(能量储存器)飞轮作用：调速飞轮调速原理：Wd＞Wr↑盈功↑动能↑ω↑飞轮储存能量，使Δω↓；Wd＜Wr↑亏功↑动能↓↑ω↓↑飞轮释放能量，使Δω↓；
• J越大，调速作用越好
• 瞬时过载时，利用飞轮释放的能量克服，减小原动机功率ϕωϕT)ϕT)二、周期性速度波动运动特点及调节方法

1周期性速度变动的特点

第20页：周期性速度波动及其调节（续）

• 1.绝对不均匀度许用不均匀系数[δ]见表7-2得3.速度不均匀系数(相对不均匀度）2.平均角速度ϕωωmϕT)ϕT)ωminωmax三、周期性速度波动的衡量指标

第21页：周期性速度波动及其调节：飞轮设计

关键：根据ωm、[δ]确定飞轮的JF.最大盈亏功ΔWmax与动能的增量的关系：JF[δ]ϖ分析：(1)ΔWmax、ωm=const.→JF-δ成反比-----不宜选取过小的[δ]-----不能完全消除系统周期性速度波动(2) JF、ωm=const. →ΔWmax-δ成正比-----ΔWmax愈大机器速度波动愈严重(3)ΔWmax、δ=const. → JF-ω2m成反比-----为减少JF,飞轮宜安装在转速较高的轴上1飞轮设计的基本原理四、飞轮设计

第22页：变化规律如图所示

d设在T内，Md与Mr变化规律如图示，Je为常数当Md> Mr时→外力对系统作正功，(盈功)→动能，速度Md<Mr时→外力对系统作负功，(亏功)→动能，速度Md=Mr时→α=0，出现ωmin和ωmax(如图示)ωmin→ϕωmin(ϕb)ωmax→ϕωmax(ϕe)在ϕb到ϕe区间外力对系统作的功称为最大盈亏功ΔWmaxωminωmaxMdMr+–––+MωϕϕabcdeaϕT能量指示图abcea2最大盈亏功ΔWmax的确定

第23页：周期性速度波动及其调节动画演示页

ωminωmaxMvdMvr+–––+MωϕϕabcdeaϕTW1W2W3W4W5假设：W1=-100，W2=350，W3=-80，W4=330，W5=-500或例题：1700-10025000

第24页：飞轮主要尺寸的确定

• 参见教材102页

3飞轮主要尺寸的确定

第25页：7-5 非周期性速度波动及其调节

7-5 非周期性波动及其调节

• 1.产生原因
• 非周期性变化的等效力矩
• Md(ϕ)=Med(ϕ)-Mrd(ϕ)2.影响
• Med>Mer↑Wd＞Wr↑盈功↑动能↑ω↑↑↑“飞车“
• Med<Mer↑Wd＜Wr↑亏功↑动能↓↑ω↓↑↑↑“闷车“ϕω产生的原因

第26页：非周期性速度波动及其调节

• 1.调节方法–自调节——原动机的驱动力矩是速度的函数，且具有下降的趋势时–调速器——见书图7-12调速器2.调节原理
• Med>Mer↑Wd＞Wr↑盈功↑动能↑ω↑
• Med<Mer↑Wd＜Wr↑亏功↑动能↓↑ω↓↑↑Med↓↑Med=Mer↑Med↑Med=Mer二、非周期性速度波动的调节

第27页：调速器工作原理

调速器工作原理图油箱供油发动机燃烧室ω

第28页：作业：习题

作业:习题：7-11 7-12Homework