第十二章机械的运转及其速度波动的调节-2006.ppt

1、第十一章机械操作与速度波动调节，主讲人：2006年10月，上海交通大学机械与动力工程学院，张青副教授，第十二章机械操作与速度波动调节，摘要：基本要求、基本概念、重点和难点。本章总结了机械系统的等效动力学模型、机械系统的运动方程以及周期性速度波动的调整方法。例题分析和习题思维题的典型例题分析习题、目录、内容摘要、建立单自由度机械系统等效动力学模型和运动方程的方法。可以解运动方程。了解飞轮调速原理，掌握飞轮转动惯量的简单计算方法。了解机械非周期速度波动调节的基本概念和方法。当考虑部件的弹性时，理解机械动力学。基本要求，执行摘要，机械运行过程中的驱动力特性，工作阻力特性，等效惯性矩和等效力矩，等效质

2、量和等效力，等效部件的运动方程，求解周期速度波动调整，机械运行不均匀系数的非周期速度波动调整，基本概念，执行摘要，本章重点介绍：(1)运行过程；(2)等价概念、等价成分和等价量的计算原则；(3)单自由度机械系统等效动力学模型的建立；(4)机械运行引起周期性和非周期性速度波动的根本原因及其调整方法(主要是飞轮计算)的基本原理。本章的难点：求解机械运动方程。本章教学计划，机械力作用于机械的操作过程，11-1概述，机械力的操作过程与作用于机械的外力、部件质量和转动惯量有关。只有确定了机器中原始运动部件的真实运动规律，才能对机器进行精确的运动分析和受力分析。因此，有必要研究机械运行过程中的真实运动规律

3、，特别是对于高速、重载、高精度的机械。1.该力作用在机器1上。作用在机器上的工作阻力是机器正常工作时必须克服的外部载荷。不同的机器具有不同的工作阻力特性，因此只简单解释了共同的工作阻力特性。1)工作电阻恒定，即FrC。起重机和轧机等机器的工作阻力是恒定的。2)工作阻力随位移而变化，即Fr f(s)。例如，空气压缩机和弹簧的工作阻力随着位移而变化。3)工作阻力随速度变化，即Fr f()。例如，鼓风机和离心泵的工作阻力随着叶片的转速而变化。4)工作阻力随时间变化，即Fr f(t)。例如，球磨机和捏合机等机器的工作阻力随着时间的增加而变化。工作阻力的特性应根据具体的机械来确定。作用在机器上的力，驱动

4、力是由原动机发出的。不同的原动机具有不同的驱动力特征。内燃机、发动机、蒸汽涡轮机、蒸汽涡轮机、水轮机和风力涡轮机通常被用作工程中的原动力。在一些控制系统中，诸如电磁铁、弹簧和记忆合金等特殊装置经常被用来提供驱动力。在工程中，由原动机提供的驱动力与其运动参数(位移、速度和其他参数)之间的关系通常用于表示原动机的机械特性。1)驱动力是恒定的，即FdC。如果重锤的质量用作驱动力，则其值是恒定的。机械特性曲线如图a所示.2)驱动力是位移的函数，即Fr f(s)。如果弹簧被用作驱动力，它的值是位移的函数。机械特性曲线如图二所示.3)驱动力是速度的函数，即Md f()。例如，内燃机和发动机的驱动力与它们的

5、转速有关。图c是内燃机的机械特性曲线，图d是m对应于点c的角速度是电机的同步角速度0，即旋转磁场的角速度。直线CN上任意一点的驱动力矩Md与其角速度的关系如下：公式中的Md、n和0可以从电机铭牌上找到。用解析法研究机械系统的运行时，异步电动机的驱动转矩特性可以用上述方程表示。三相交流异步电动机的机械特性曲线、概述、2。机械运行过程一般经历启动、稳定运行和停机三个阶段，其中稳定运行阶段是机械工作阶段。在这一阶段，过大的速度波动会导致轴承内的动压，引起机械振动等不良现象，从而降低机械的工作性能。1.机械启动阶段机械启动阶段是指机械主轴从零速度逐渐上升到正常工作速度的过程。在此阶段，机械驱动力产生的

6、功Wd大于阻力产生的功Wr，两者之差为机械启动阶段的动能增量e。WdWr E的动能增量越大，起动时间越短。为了减少机械启动的时间，一般是空载启动，即Wr=0 Wd E。此时，机械驱动力所做的功全部转化为动能，加速启动，缩短了启动时间。第二，机械的运行过程，在启动阶段之后，机械进入稳定运行阶段，这也是机械的工作阶段。在这个阶段，在一个运动周期中，由机械驱动力产生的功Wd和由阻力产生的功Wr是平衡的，并且动能增量E为零。这时，机器的主轴速度是稳定的。在稳定运行阶段，机械主轴的转速可分为两种情况：1)机械主轴的转速周期性地上下变化其平均值，这称为变速稳定运动。如图所示，由电机驱动的曲柄压力机。当机械

7、主轴的位置、速度和加速度从某一原始值变化回原始值时，这一变化过程称为机械运动周期，所需时间称为运动周期Tp。2、机械的稳定运行阶段，2)机械主轴的转速是恒定的，这称为恒速稳定运动。例如由马达驱动的水泵。匀速稳定运动时，驱动功等于任意时间间隔的阻抗功。虽然周期性变速和稳定运行过程中的平均角速度是恒定的，但过大的速度波动会影响机械的工作性能。因此，有必要调整机械速度的波动程度，并将其限制在允许的范围内，以减少其影响。(2)机械运行过程(2)停车阶段是指机械在稳定运行时工作速度降至零速度的过程。为了停止机器的运转，我们必须首先取消机器的驱动力Wd，即Wd 0。此时，阻力所做的功被用来克服在机器稳定运

8、行期间积累的动能E，即Wr E，因为阻力应该在停车阶段被消除，仅通过摩擦力所做的功来克服惯性动能将延长停车时间。为了缩短停车时间，一般需要在机械上安装制动器，以加速机械动能的消耗，减少停车时间。3，机械停机阶段，本章教案，11-2机械系统等效动力学模型，等效动力学模型的建立，等效惯性矩、等效质量、等效力矩和等效元件等效力的求解实例及分析，1，机械系统动力学模型。建立等效动力学模型，对于单自由度机械系统，在给定一个部件的运动后，也确定其他部件的运动。因此，对整个机械系统运动的研究可以转化为对部件运动的研究。也就是说，可以用机器中一个部件的运动来代替整个机械系统的运动。我们称这种部件可以代替整个机

9、械系统等效的两个条件，机械系统的动力学模型和等效部件。为了简化问题，在机械系统中作简单运动的部件常被视为等效部件，即绕固定轴旋转的部件或作往复运动的部件被视为等效部件。我们分别用Je、me、me和Fe表示等效惯性矩、等效质量、等效力矩和等效力。当选择在固定轴上旋转的部件作为等效部件时，通常使用等效惯性矩和等效力矩。当选择往复部件作为等效部件时，通常使用等效质量和等效力。等效元件的原理图见下图。对于多自由度机械系统，建立与机构自由度相等的等效部件的方法不能用于求解机械运动。可以选择与机构自由度相等的广义坐标代替等效部件，然后利用拉格朗日方程建立系统的微分方程。机械系统的动力学模型；3.等效惯性矩

10、、等效质量、等效力矩、等力、等动能等功率原理的求解；3.等效部件的惯性矩或等效部件的质量与其动能有关。因此，可以根据等效部件的动能等于机械系统的动能的条件来求解。例如，等效构件的动能是：机械系统的每个构件或者在固定轴上旋转，或者在复杂的直线上移动，或者在平面上移动。不同运动形式的各种构件的动能是：定轴旋转、往复直线运动、平面运动、整个机械系统的动能、机械系统的动力学模型、等动能原理。如果等效部件在固定轴上旋转，其瞬时功率是，等功率原理，作用在机械系统上的已知力和力矩产生的瞬时功率是力矩、力、力和力矩，以及机械系统的动态模型。从上面的计算可以看出，等效惯性矩、等效质量、等效力矩和等效力的值都与部

11、件的速比有关，而部件的速度与机构的位置有关，所以等效惯性矩。在求解驱动力的等效驱动力时，驱动力的瞬时功率等于等效驱动力的瞬时功率。当求解等效驱动扭矩时，驱动扭矩的瞬时功率等于等效驱动扭矩的瞬时功率。在求解阻抗力的等效阻抗力时，阻抗力的瞬时功率等于等效阻抗力的瞬时功率。在求解阻抗矩的等效阻抗矩时，阻抗矩的瞬时功率等于等效阻抗矩的瞬时功率。机械系统动力学模型四。机械系统的动力学模型。从这个例子可以看出，具有恒定传动比的机械系统的等效转动惯量也是恒定的。这个例子表明，当机械系统包含连杆机构时，等效转动惯量由常数和变量组成。由于工程中的连杆机构往往安装在低速阶段，所以等效转动惯量的可变部分有时可以忽略

12、不计。由于阻抗力的瞬时功率等于等效阻抗力的瞬时功率，所以有：本章教学计划，11-3机械系统的运动学方程及其解，机械系统的动力学方程及其解，1。等效组分的动力学方程。根据动能定理，在dt时间内，等效分量上的动能增量dE应等于瞬时等效力或等效力矩所做的单位功dW。等效部件在固定轴上旋转并往复运动，以微分方程、机械系统运动方程及其解的形式，等效部件在固定轴上旋转并往复运动，以积分方程的形式。具体应用取决于哪个等式更简单。机械系统的运动方程及其求解：2.m方程的解在这种情况下，大多数运行中的机器都在恒速下稳定运行，所以用转矩方程来解决这类问题更为方便。1。求解运动方程，其中等效惯性矩和等效力矩都是常数

13、。在工程中，在固定轴上旋转的部件通常被选为等效部件。因此，我们讨论：机械系统的运动方程及其解，机械系统的运动方程及其解。这是由内燃机驱动的具有联动装置的机械系统的情况。当等效惯性矩和等效力矩不能写成函数时，可用数值方法求解。2、等效惯性矩和等效力矩是等效部件位置函数的运动方程的解，是机械系统的运动方程及其解，而由电动机驱动的鼓风机和混合器等机器属于这种情况。等效惯性矩是常数，等效力矩是等效部件速度的函数。机械系统运动方程及其解，以及机械系统运动方程及其解，由电机驱动的具有连杆机构的机械系统，如刨床、冲床等机械系统，都是在这种类型下工作的，电机的驱动力矩是速度的函数，工作阻力是机构位置的函数。因

14、此，等效力矩是机构位置和速度的函数。等效惯性矩随机构的位置而变化，很难用解析方法表示。这类问题只能用数值方法来解决。用数值方法求解时，首先设置i=0，然后根据旋转步长计算一系列I _ 1。在找到运动周期的尾值n后，它应该等于初始值0。如果它们不相等，将初始值重置为0，并重复上述操作，直到初始值和最终值相等，从而可以获得关系曲线。等效转动惯量是一个变量，而等效转动惯量是等效部件的位置和速度的函数。本章教学计划，11-4周期性速度波动的调整，周期性变速和稳定运行过程中的函数关系，机械运行的不均匀系数，周期性变速和稳定运行过程中飞轮大小的调整，周期性速度波动的调整，1。在周期变速和稳定运行过程中，在

15、一个运行周期内，存在函数关系，但是在运行周期的任何时候，等效驱动转矩所做的功都不等于等效阻抗转矩所做的功，这就导致了机械运行过程中的速度波动。周期性速度波动的原因、周期性速度波动的调整、等效驱动转矩和等效阻抗转矩都是机构位置的函数。在运行周期中，等效驱动扭矩产生的功Wdp等于等效阻抗扭矩产生的功Wrp。周期性的速度波动调节，让动能Ea=E0处于机械系统稳定运行循环的起始位置，那么每个位置的动能为33，360，因为当机械动能处于最大值Emax时，其角速度也在等效惯性矩不变的情况下达到最大值max。当机械动能处于最小值Emin时，其角速度也下降到最小值min。因此，可以通过控制机器的最大动能和最小

16、动能来限制角速度的波动。机械系统在任何位置的动能也可以解析地表示出来：在计算出一系列的动能之后，就可以选择动能的最大值和最小值。周期性速度波动的调整、机械运转的不均匀系数和角速度的最大值之差可以反映机械运转过程中速度波动的绝对量，但不能反映机械运转的不均匀程度。在工程中，速度波动的绝对量与平均角速度之比用来表示机械操作的不均匀程度。用表示，并称为机械运转的不均匀系数。当m不变时，机器运转的不均匀系数越小，最大值和最小值之间的差值越小，并且越稳定这种速度波动可以通过在机器中安装一个大惯性矩的飞轮来调节。当速度增加时，飞轮的惯性阻止速度增加，并且飞轮存储能量，这限制了最大值的增加。当转速下降时，飞轮的惯性阻止其转速下降，飞轮释放能量，限制