以重力势能与动能转换驱动的摆—球“永动器”.doc

以重力势能与动能转换驱动的摆球“永动器”综述：在十九世纪中叶以前，人们一直对永动机抱有幻想并积极实验，希望能够发明出一种本身不消耗能量却能源源不断对外做功的机器，早在公元1200年前后永动机的想法就已产生于印度，包括后来的达芬奇和斯特尔等也都设计过永动机的方案，但却一直没有成功。直到十九世纪中叶，人们认识了能量守恒定律，才彻底否定了永动机的想法。现以单摆重力势能转换为动能驱动小球沿轨道运动，小球沿轨道最高点回落再将单摆打到最高点，摆与球不断转换能量，理论上应该永动，但由于各种阻力，摆与球的运动次数是有限的。基于这一基本原理（能量守恒定律），按照给定要求，设计出符合相关要求的“永动机”。一、方案分析二、设计说明：为更好地提高能量转换效率，减少能量损失，在原给定模型图的基础上进行必要的改进，增添适当部件，进行力学分析并建立适当的数学模型，尽可能接近“永动”的效果，现将各部件的设计图及使用要求列于下表。1示意图如下图1图2 图3图4图1是“永动器”三维整体爆破图的示意图图2是“永动器”三维整体斜视图的示意图图3是“永动器”三维碰撞瞬间的示意图图4是“永动器”透视图的示意图2. 各部件使用要求表部件名称材料设计尺寸（mm）运动学要求动力学要求阻力分析材料特性底座铸铁HT200平稳性高无特殊要求无特殊要求价格便宜、资源丰富，具有优良的铸造和切削性能抗压强度大球形轨道铸铁HT300（镀银）无特殊要求有一定刚度粗糙度极小，镜面光滑价格便宜、资源丰富，具有优良的铸造和切削性能抗压强度大球体高碳低铬钢GCr9标准球体，能进行规则滚动高而均匀的硬度，高的弹性极限、足够的韧性粗糙度小，表面光滑具有高而均匀的硬度、高的弹性极限和解除疲劳强度、足够的韧性和淬透性、一定的耐腐蚀能力摆锤高碳低铬钢GCr9沿摆轨迹往复运动有一定强度、刚度，锤头处最好有少许弹性粗糙度小，表面光滑具有高而均匀的硬度、高的弹性极限和解除疲劳强度、足够的韧性和淬透性、一定的耐腐蚀能力圆柱形摆硬铝Al-Cu-Mg能够做规则的圆周运动有一定硬度，无伸缩性无特殊要求力学性能好、材料轻便轴承不锈钢3Cr13与轴紧固有一定硬度且耐磨粗糙度小较高的硬度、耐磨性和抗腐蚀性高轴低淬透渗碳钢20Cr与轴承无相对运动有一定强度与支架结合处粗糙度小表面硬、耐磨性能高，零件心部具有较高的韧性和强度支架铸铁HT200稳固无特殊要求无特殊要求价格便宜、资源丰富，具有优良的铸造和切削性能抗压强度大螺栓低淬透性调质40Cr紧固有一定强度无特殊要求综合力学性能好，多用于受力较复杂的场合挡片天然通用橡胶NR固定不动塑性大粗糙度大微有弹性，进行硫化处理后具有较高的强度、硬度3相关说明：（1）为使摆在初始状态拥有更多的动力势能，将底座设计成不对称式，球形轨道的高度达到设计极限尺寸，根据计算球形轨道采用渐变式轨迹，增加小球运动的周期，如图。（2）摆杆很细且质量很小，使其质量远小于摆头，即摆的质量几乎集中于摆头，且摆头质量等于小球的质量，摆头与小球做弹性对心碰撞，根据动量定理，mv0=mv1,则摆头与小球速度交换，在能量损失很小的情况下，小球获得最大速度，即获得做大能量。（3）摆头做成流线型，以便减少风力摩擦损失，在与小球接触处涂有塑性涂层（如图），可以节省材料又可以起到缓冲作用，减少碰撞能量损失，摆头端面为面积极小的平面，可以满足小球对心碰撞；因为三角形最稳定，所以在支架与底座间连成三角架，减小系统的震荡；摆头后面开一小孔，以便填充其他材料来调整摆头的质量，使之与小球配合，攻丝，以螺钉封闭填充物。（4）在支架适当位置安装一挡片，起到延缓惯性和支撑支架的作用，使摆头和小球每次在最低点碰撞，不因为向前的惯性而使碰撞位置发生改变，导致能量转化效率降低。（5）采用摩擦系数很小的滚动轴承，保证润滑性，轴承和轴及外壳孔均采用过盈配合，消除可能由于轴和轴承间微小相对运动造成的系统震荡。三、加工工艺方案：（1）底座，按照既定尺寸粗铣再精铣；（2）球形槽：高精度磨削；（3）小球：冷镦，球磨机打磨，相关热处理，达到高精度；（4）摆头：铣削；（5）摆杆：轴及支架：车削；（6）轴承：标准件；（7）螺栓：车削；（8）各个孔：钻；（9）摆和摆头的联接：电弧焊；（10）摆和外壳孔的联接：电弧焊。四、成本分析：视实际加工情况而定五、工程管理方案：（1）方案组织过程：在老师的指导下，认真分析各组件的力学及运动学要求，拟定几套方案，从加工工艺、机械性能及成本方面充分讨论方案的可行性，通过比较得出最符合实际的方案，实施加工；（2）人力资源配置：由组长组织分工，各组员分工合作，分别进行proe画图、力学分析及数学模型建立、组件工艺加工，提高工作效率；（3）质量管理：严格按照规定尺寸设计加工，采用优质材料，在工艺加工时，严格控制加工误差及表面粗糙度；（4）现场管理：遵守机床操作规章，注意安全，加工完毕整理机