机械设计基础第六章.ppt

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1、第六章：调速与平衡第六章：调速与平衡n6.1 6.1 机械速度波动的原因和调节的目的机械速度波动的原因和调节的目的n6.2 6.2 机械系统的等效力学模型机械系统的等效力学模型n6.3 6.3 稳定运转状态下机械的周期性速度稳定运转状态下机械的周期性速度 波动和调节波动和调节n6.4 6.4 机械平衡的目的机械平衡的目的n6.5 6.5 刚性转子的平衡计算刚性转子的平衡计算n6.6 6.6 回转件的平衡试验回转件的平衡试验6.1 机械速度波动调节的目的和方法机械速度波动调节的目的和方法一、速度波动的产生：一、速度波动的产生：机械运转的三个阶段机械运转的三个阶段 图图6-1n1 1、起动阶段：外

2、力对系统做正功（、起动阶段：外力对系统做正功（Wd-WcWd-Wc00），系统的动能），系统的动能增加（增加（E=Wd-WcE=Wd-Wc) )，机械的运转速度上升，并达到工作运转速，机械的运转速度上升，并达到工作运转速度。度。n2 2、稳定运转阶段：由于外力的变化，机械的运转速度产生、稳定运转阶段：由于外力的变化，机械的运转速度产生波动，但其平均速度保持稳定。波动，但其平均速度保持稳定。 因此，系统的动能保持稳定。外力对系统做功在一个波动因此，系统的动能保持稳定。外力对系统做功在一个波动周期内为零周期内为零(Wd-Wc(Wd-Wc=0)=0)。n3 3、停车阶段：通常此时驱动力为零（、停车阶

3、段：通常此时驱动力为零（Wd=0Wd=0） ，机械系统由，机械系统由正常工作速度逐渐减速，直到停止。此阶段内功能关系为正常工作速度逐渐减速，直到停止。此阶段内功能关系为 E E = -Wc= -Wc 。 稳定运转阶段（工作阶段）的状况有：稳定运转阶段（工作阶段）的状况有：匀速稳定运转：匀速稳定运转：常数常数周期变速稳定运转：周期变速稳定运转：(t)=(t+Tp)非周期变速稳定运转非周期变速稳定运转 匀速稳定运转时，速度不需要调节。匀速稳定运转时，速度不需要调节。驱动力所做的功驱动力所做的功阻力所做的功阻力所做的功rdWW 驱动力所做的功驱动力所做的功=阻力所做的阻力所做的功功rdWW rdWW

4、 机械速度波动原因机械速度波动原因出现盈功，机械动能增加，出现盈功，机械动能增加， 转速增高转速增高。出现亏功，机械动能减少，出现亏功，机械动能减少，转速下降转速下降。机械匀速转动机械匀速转动u驱动力所作的功是机械的输入功，阻力所作的功是机驱动力所作的功是机械的输入功，阻力所作的功是机械的输出功。械的输出功。 输入功输入功-输出功输出功=机械动能的增减机械动能的增减采取措施把机械运转速度波动控制在容许范围之内，以减小其产采取措施把机械运转速度波动控制在容许范围之内，以减小其产生的不良影响，称为生的不良影响，称为机械速度波动的调节机械速度波动的调节。盈功转化为动能，促使机械动能增加。亏功需动能补

5、偿，导致机盈功转化为动能，促使机械动能增加。亏功需动能补偿，导致机械动能减小。械动能减小。速度波动产生的不良后果：速度波动产生的不良后果：在运动副中引起附加动压力，加剧磨损，使工作可靠性降低。在运动副中引起附加动压力，加剧磨损，使工作可靠性降低。引起弹性振动，消耗能量，使机械效率降低。引起弹性振动，消耗能量，使机械效率降低。影响机械的工艺过程，使产品质量下降。影响机械的工艺过程，使产品质量下降。载荷突然减小或增大时，发生飞车或停车事故。载荷突然减小或增大时，发生飞车或停车事故。为了减小这些不良影响，就必须对速度波动范围进行调节。为了减小这些不良影响，就必须对速度波动范围进行调节。二、作用在机械

6、上的驱动力和生产阻力二、作用在机械上的驱动力和生产阻力驱动力由原动机产生，它通常是机械运动驱动力由原动机产生，它通常是机械运动参数（位移、速度或时间）的函数，称为参数（位移、速度或时间）的函数，称为原动机的机械特性。如三相异步电动机的原动机的机械特性。如三相异步电动机的驱动力便是其转动速度的函数。如图驱动力便是其转动速度的函数。如图6-26-2所示，不同的原动机具有不同的机械特性。所示，不同的原动机具有不同的机械特性。图6-26.2 6.2 机械系统的等效动力学模型机械系统的等效动力学模型一、基本概念一、基本概念1 1、等效构件：具有与原机械系统等效质、等效构件：具有与原机械系统等效质量或等效

7、转动惯量、其上作用有等效力或量或等效转动惯量、其上作用有等效力或等效力矩，而且其运动与原机械系统相应等效力矩，而且其运动与原机械系统相应构件的运动保持相同的构件。构件的运动保持相同的构件。1、机械运动方程式、机械运动方程式当机械运转时，能量守恒定律，在任意间隔时间内当机械运转时，能量守恒定律，在任意间隔时间内，各外力对机械所做功等于机械所具有机械能的增，各外力对机械所做功等于机械所具有机械能的增量。动能表达方程：量。动能表达方程：0drfdrfWW WE EWWW输入功，驱动力所做功；输出功，有效阻力所做功；损失功，主要是摩擦力做功单自由度机械系统，建立机械系统的等效动力学模单自由度机械系统，

8、建立机械系统的等效动力学模型。选系统内某一构件为等效构件，该构件具有等型。选系统内某一构件为等效构件，该构件具有等效转动惯量（质量），作用有等效驱动力矩和阻力效转动惯量（质量），作用有等效驱动力矩和阻力矩（等效驱动力和等效阻力）矩（等效驱动力和等效阻力）6.2 6.2 机械系统的等效动力学模型机械系统的等效动力学模型2 2、等效条件、等效条件：(1) (1) 等效构件所具有的动能等于原机等效构件所具有的动能等于原机械系统的总动能；械系统的总动能；(2) (2) 等效构件的瞬时功率等于原机械等效构件的瞬时功率等于原机械系统的总瞬时功率。系统的总瞬时功率。3 3、等效参数、等效参数：(1) (1)

9、 等效质量等效质量m me e，等效转动惯量，等效转动惯量J Je e；(2) (2) 等效力等效力F Fe e，等效力矩，等效力矩M Me e。二、等效参数的确定：二、等效参数的确定：1、取转动构件为等效构件、取转动构件为等效构件其等效转动惯量其等效转动惯量Je：根据等效条件：根据等效条件(1)确定，即确定，即niisisiieJvmJ122eJw等效力矩等效力矩M Me e：根据等效条件：根据等效条件(2)(2)确定确定, ,即即niiiiiieMvFM1cos其等效质量其等效质量me：根据等效条件：根据等效条件(1)确定，即确定，即2 取移动件为等效构件：取移动件为等效构件：niisis

10、iievJvvmm122Fe其等效力根据等效条件其等效力根据等效条件(2)确定，即确定，即 niiiiiievMvvFF1cos例：例：所示曲柄滑块机构，已知构件所示曲柄滑块机构，已知构件1 1转动惯量转动惯量J J1 1，构，构件件2 2质量质量 m m2 2，质心，质心c c2 2，转动惯量，转动惯量JcJc2 2，构件，构件3 3质质量量m m3 3，构件，构件1 1上有驱动力矩上有驱动力矩M M1 1，构件，构件3 3有阻力有阻力F F3 3，求等效构件的等效参数。求等效构件的等效参数。(1) (1) 以构件以构件1 1为等效构件时，等效动力为等效构件时，等效动力学模型如图。等效构件的

11、角速度与构学模型如图。等效构件的角速度与构件件1 1的角速度同为的角速度同为1 1。等效转动惯量等效转动惯量JeJe可由等效条件可由等效条件(1)(1)求得求得等效力矩等效力矩MeMe可由等效条件可由等效条件(2)(2)求得：求得：2133212221221vmvmJJJcce13331cosvFMMe(2) (2) 以滑块以滑块3 3为等效构件时，等效动力为等效构件时，等效动力学模型如图学模型如图 b ,b ,等效构件的速度与构件等效构件的速度与构件3 3的速度相同为的速度相同为v3v3。等效质量等效质量m me e可由等效条件可由等效条件(1)(1)求得：求得：等效力等效力FeFe可由等效

12、条件可由等效条件(2)(2)求得：求得：3232223222311mvvmvJvJmcce33311cosFvMFe6.3 6.3 机械速度波动的调节机械速度波动的调节一、周期性速度波动的原因一、周期性速度波动的原因机械稳定运转时，等效驱动力矩机械稳定运转时，等效驱动力矩M Meded和和等效阻力矩等效阻力矩M Merer的周期性变化，将引起的周期性变化，将引起机械速度的周期性波动机械速度的周期性波动盈功：盈功：机械的驱动功大于阻抗功，其多余机械的驱动功大于阻抗功，其多余出来的功。出来的功。亏功：亏功：机械的驱动功小于阻抗功，不足部机械的驱动功小于阻抗功，不足部分的功分的功二、周期性速度速度波

13、动的调节：二、周期性速度速度波动的调节：n1.平均角速度和速度不均匀系数平均角速度和速度不均匀系数 平均角速度平均角速度m是指一个运动周期内，是指一个运动周期内，角速度的平均值，即角速度的平均值，即TmdtT01 该实际平均值称为机器的额定转速该实际平均值称为机器的额定转速n工程中以算术平均值近似代替实际平均值，工程中以算术平均值近似代替实际平均值，即：即：2minmax m机械速度波动的程度可用速度不均匀系数机械速度波动的程度可用速度不均匀系数来表示：来表示：m minmaxn分析：分析： m可以由机械的可以由机械的名牌上查额定名牌上查额定转速转速n进行换算进行换算得到。得到。从式子看从式子

14、看 越小，越小，主轴越接近匀主轴越接近匀速转动。速转动。不同类型的机械，不同类型的机械，对速度不均匀对速度不均匀系数系数 的要求是的要求是不同的。不同的。21max m21min m调节周期性速度波动的方法是在调节周期性速度波动的方法是在机械中加一个转动惯量很大的回机械中加一个转动惯量很大的回转件转件-飞轮飞轮盈功使飞轮的动能增加，亏功使盈功使飞轮的动能增加，亏功使飞轮的动能的减少。飞轮的动能的减少。n飞轮在机械中的作用，实质上相当于一个能量飞轮在机械中的作用，实质上相当于一个能量储存器。由于其转动惯量很大，当机械出现盈储存器。由于其转动惯量很大，当机械出现盈功时，飞轮可以以动能的形式将多余的

15、能量储功时，飞轮可以以动能的形式将多余的能量储存起来，而使主轴角速度上升的幅度减小；反存起来，而使主轴角速度上升的幅度减小；反之，当机械出现亏功时，飞轮又可释放出其储之，当机械出现亏功时，飞轮又可释放出其储存的能量，以弥补能量的不足，从而使主轴的存的能量，以弥补能量的不足，从而使主轴的角速度下降的幅度减小。角速度下降的幅度减小。n2、飞轮设计的基本原理：、飞轮设计的基本原理： 近似设计中忽略其他构件所具备的动能，即：飞近似设计中忽略其他构件所具备的动能，即：飞轮的动能就是整个机械的动能。轮的动能就是整个机械的动能。 当主轴处于最大角速度当主轴处于最大角速度 max时，飞轮具有最大动时，飞轮具有

16、最大动能能Emax，反之，角速度为，反之，角速度为 min时，飞轮具有最小时，飞轮具有最小动能动能Emin。因此，最大盈亏功为：。因此，最大盈亏功为： 2mFe2min2maxFeminmaxmax)JJ()JJ(21EEWn因为系统的等效转动惯量因为系统的等效转动惯量Je远远小于飞轮的转远远小于飞轮的转动惯量动惯量JF，则有，则有n安装在主轴上的飞轮的转动惯量近似为：安装在主轴上的飞轮的转动惯量近似为：WJmmaxF2分析：分析： 1）当）当 Wmax与与 m一定时，一定时，JF与与 之间的关系为之间的关系为一等边双曲线，当一等边双曲线，当 很小时，使其稍微减小，则很小时，使其稍微减小，则JF会激增。使飞轮笨重。会激增。使飞轮笨重。n2）当）当JF与与 m一定时，一定时，Wmax与与 成正比，即成正比，即最大盈亏功越大，机械运转速度越不均匀。最大盈亏功越大，机械运转速度越不均匀。n3）JF与与 m2成反比，即主轴的平均转速越高，成反比，即主轴的平均转速越高，所需安装在主轴上的飞轮的转动惯量越小。所需安装在主轴上的飞轮的转动惯量越小。n若飞轮安装在其它轴上，但须有：若飞轮安装在其它轴上