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1、5-5-1 1第第5章章 机械的调速和平衡机械的调速和平衡51 机器速度波动调节机器速度波动调节52 机械的平衡机械的平衡5-5-2 25.1 机械速度波动的调节机械速度波动的调节一一调节机器运转速度波动的目的和方法调节机器运转速度波动的目的和方法二二研究内容及目的研究内容及目的1.研究在外力作用下机械的真实运动规律，研究在外力作用下机械的真实运动规律，目的是为运动分析作准备。目的是为运动分析作准备。前述运动分析曾假定是常数，但实际上是变化的2.研究机械运转速度的波动及其调节方法，研究机械运转速度的波动及其调节方法，目的是使机械的转速在允许范围内波动，目的是使机械的转速在允许范围内波动，而保证
2、正常工作。而保证正常工作。5-5-3 35.1 5.1 机械速度波动的调节机械速度波动的调节前面介绍主动构件等作回转运动时，为分析方便，我们总是前面介绍主动构件等作回转运动时，为分析方便，我们总是假定它们是匀速转动的假定它们是匀速转动的,这是有条件的这是有条件的.根据牛顿第一定律：根据牛顿第一定律：仅当作用于机械的外力和等于零时，机械才能保持匀速运转。仅当作用于机械的外力和等于零时，机械才能保持匀速运转。实际机械是在外力作用下运转的。由于各种原因，作用于机械的实际机械是在外力作用下运转的。由于各种原因，作用于机械的和外力不可能恒等于零，因此，机械运转速度的波动在所难免和外力不可能恒等于零，因此
3、，机械运转速度的波动在所难免。速度波动的危害速度波动的危害:使运动副中产生附加惯性力，降低机械的效率和工作可靠性；使运动副中产生附加惯性力，降低机械的效率和工作可靠性；引起机械振动，影响零件的强度和寿命；降低机械的精度和工艺引起机械振动，影响零件的强度和寿命；降低机械的精度和工艺性能，使产品质量下降。性能，使产品质量下降。1、提出一个问题、提出一个问题一一 调节调节机器运转速度波动的目的和方法机器运转速度波动的目的和方法5-5-4 42、作用在机械上的力、作用在机械上的力外力：外力：重力、摩擦力、驱动力、工作阻力重力、摩擦力、驱动力、工作阻力阻力：阻力：机械工作时需克服的生产阻力机械工作时需克
4、服的生产阻力驱动力：驱动力：驱动原动件运动的力驱动原动件运动的力机器动能方程式机器动能方程式：外力功外力功 =驱动功驱动功wd 阻力功阻力功wc=系统动能的系统动能的增减量增减量盈功：驱动力作的功大于阻力作的功盈功：驱动力作的功大于阻力作的功(速度波动速度波动)亏功：驱动力作的功小于阻力作的功亏功：驱动力作的功小于阻力作的功(速度波动速度波动)总之总之,只要只要 wd wc，则则 E 0 变化（变化（速度波动速度波动）5-5-5 53 3、速度波动的分类、速度波动的分类1 周期性速度波动周期性速度波动2 非周期性速度波动非周期性速度波动5-5-6 63 3 速度波动分类及调节方法速度波动分类及
5、调节方法3.13.1、周期性速度波动、周期性速度波动外力作周期性变化时，机械外力作周期性变化时，机械主轴角速度作周期性的变化主轴角速度作周期性的变化如图如图5-15-1黑线所示。机械的这黑线所示。机械的这种有规律的、周期性的速度种有规律的、周期性的速度变化称为周期性速度波动变化称为周期性速度波动。图图5-1周期性速度波动周期性速度波动运动周期运动周期:将主轴的位置、速度和加速度从某一数值变回初始值将主轴的位置、速度和加速度从某一数值变回初始值的变化过程称为运动循环，其所需时间称为运动周期如上图的变化过程称为运动循环，其所需时间称为运动周期如上图所示，就整个循环来说，驱动力所做的功等于阻力所做的
6、功，所示，就整个循环来说，驱动力所做的功等于阻力所做的功，但在循环的每一瞬时却是不等的但在循环的每一瞬时却是不等的5-5-7 73 3 速度波动分类及调节方法速度波动分类及调节方法特征特征特征特征在一个周期中，驱动力所作的功与阻力所作的功相等在一个周期中，驱动力所作的功与阻力所作的功相等在一个周期中，驱动力所作的功与阻力所作的功相等在一个周期中，驱动力所作的功与阻力所作的功相等。调节方法调节方法在机械中加上一个转动惯量很大的回转件在机械中加上一个转动惯量很大的回转件飞轮。飞轮。飞轮动能变化为飞轮动能变化为动能增加动能增加,飞轮存储能量飞轮存储能量.动能减少动能减少,飞轮释放能量飞轮释放能量.5
7、-5-8 8平均角速度：平均角速度：机器运转的绝对不均匀度：机器运转的绝对不均匀度：速度不均匀系数速度不均匀系数(相对不均匀度）相对不均匀度）许用不均匀系数许用不均匀系数 见见p51p51表表5-15-1周期性速度波动的衡量指标周期性速度波动的衡量指标5-5-9 9对于不同的机器，因工作性质不对于不同的机器，因工作性质不同而取不同的值同而取不同的值。设计时要求：设计时要求：表表5-1 5-1 许用的机械运转速度不均匀系数许用的机械运转速度不均匀系数的取值范围的取值范围机械名称机械名称 机械名称机械名称 机械名称机械名称 驱动发电机的活塞式内燃机，主轴速度波动范围太大，势必影响输出电压的稳定性，
8、故这类机械的应取小些；反之，如冲床、破碎机等机械，速度波动大也不影响其工作性能，故可取大些碎石机碎石机 1/51/20汽车拖拉机汽车拖拉机 1/201/60造纸织布造纸织布 1/401/50冲床、剪床冲床、剪床 1/71/10切削机床切削机床 1/301/40纺纱机纺纱机 1/601/601/1001/100 轧压机轧压机 1/101/101/201/20水泵、风机水泵、风机 1/301/301/501/50 发电机发电机 1/1001/1001/3001/3005-5-1010由上式得：由上式得：周期性速度波动的衡量指标周期性速度波动的衡量指标5-5-11113.23.2非周期速度波动非周期
9、速度波动输入功在很长一段时间内总是大输入功在很长一段时间内总是大于输出功，机械运转速度不断升于输出功，机械运转速度不断升高；高；或者输入功在很长一段时间内总或者输入功在很长一段时间内总是小于输出功，机械运转速度不是小于输出功，机械运转速度不断下降直至停车。断下降直至停车。调节原理调节原理:采用调速器使输入功与输出功趋于平衡，以采用调速器使输入功与输出功趋于平衡，以达到新的稳定运转。达到新的稳定运转。机械调速器体积庞大，灵敏度低，近代机器机械调速器体积庞大，灵敏度低，近代机器多采用电子调速装置实现自动控制。因此，本章多采用电子调速装置实现自动控制。因此，本章主要讨论飞轮设计的有关问题。主要讨论飞
10、轮设计的有关问题。离心调速器5-5-1212发动机用油发动机用油油箱供油油箱供油油箱供油油箱供油发动机用油发动机用油离心式调速器的工作原理离心式调速器的工作原理油箱供油油箱供油进油减少进油减少转速降低转速降低开口增大开口增大回油增加回油增加5-5-1313p无自调性或自调性较差的机械系统安装调速器机械式离心调速器，机械式离心调速器，结构简单，成本低，结构简单，成本低，但体积大，灵敏度低。但体积大，灵敏度低。近代机械多采用电子近代机械多采用电子调速装置。调速装置。5-5-1414MdMra bcde aE飞轮调速原理飞轮调速原理JJF在位置在位置b b处，动能和角速度为：处，动能和角速度为：Em
11、in、min在主轴上加装飞轮之后，总的转动惯量可近似认为：在主轴上加装飞轮之后，总的转动惯量可近似认为：加装飞轮的目的就是为了增加机器的转动惯量进而起到调节速度波动的目的。为什么加装飞轮之后就能减小速度的波动呢？机器总的动能近似为：机器总的动能近似为：E=J2/2而在位置而在位置c c处为：处为：Emax、max在在b-cb-c区间处盈亏功和动能增量区间处盈亏功和动能增量达到最大值：达到最大值：Amax E Emax-EminJ(2max-2min)/2 J2m 得：得：J=Amax/2m 称称Amax为为最大盈亏功最大盈亏功 maxmax E Emaxmaxminmin E Eminmin5
12、-5-1515MdMrEa bcde a三、三、A Amax的确定方法的确定方法在交点位置的动能增量在交点位置的动能增量E E正好是正好是从起始点从起始点a到该交点区间内各代表到该交点区间内各代表盈亏功的阴影面积代数和。盈亏功的阴影面积代数和。A AmaxE EmaxE Emin E EmaxEmax、Emin出现的位置：出现的位置：在曲线在曲线Md与与 Mr的交点处。的交点处。E(E()曲线上从一个极值点跃变到曲线上从一个极值点跃变到另一个极值点的高度，正好等于另一个极值点的高度，正好等于两点之间的阴影面积两点之间的阴影面积(盈亏功)。作图法求作图法求A Amax：任意绘制一水平线，并分割成
13、对应的区间，从任意绘制一水平线，并分割成对应的区间，从左至右依次向下画箭头表示亏功，向上画箭头表示盈功，箭头左至右依次向下画箭头表示亏功，向上画箭头表示盈功，箭头长度与阴影面积相等，由于循环始末的动能相等，故能量指示长度与阴影面积相等，由于循环始末的动能相等，故能量指示图为一个封闭的台阶形折线。则最大动能增量及最大盈亏功等图为一个封闭的台阶形折线。则最大动能增量及最大盈亏功等于指示图中于指示图中最低点最低点到到最高点最高点之间的高度值。之间的高度值。强调不一定是相邻点 A Amax E Emaxmax E Eminmin可用折线代替曲线求得E5-5-1616分析前式的三个结论）当）当maxma
14、x与与m m一定时，且速度不均匀系数一定时，且速度不均匀系数已经很小时，略微减小已经很小时，略微减小的数值就会使飞轮转的数值就会使飞轮转动惯量激增动惯量激增(图图7-3)7-3)。因此，过分追求运转速度。因此，过分追求运转速度均匀将会使飞轮笨重，增加成本。均匀将会使飞轮笨重，增加成本。5-5-1717）当与当与m m 一定时，一定时，maxmax与与与与成正比，即最成正比，即最大盈亏功越大，机械运转速度越不均匀。大盈亏功越大，机械运转速度越不均匀。）J J与与m m 的平方成反比，即主轴的平均转速越高，的平方成反比，即主轴的平均转速越高，所需安装在主轴上的飞轮转动惯量越小所需安装在主轴上的飞轮
15、转动惯量越小.为了缩小飞为了缩小飞轮的尺寸轮的尺寸,应将飞轮安装在机器中速度较高的轴上应将飞轮安装在机器中速度较高的轴上.分析前式的三个结论5-5-1818一、机械平衡的目的及方法一、机械平衡的目的及方法1 惯性力及其影响2 机械平衡的目的3 机械平衡的分类4 机械平衡的方法5-2 机械平衡机械平衡5-5-19191 1 惯性力及其影响惯性力及其影响运动的构件按运动形态可分为三类：运动的构件按运动形态可分为三类：定轴转动定轴转动、往复直线运动往复直线运动、复杂平面运动复杂平面运动除：除：1）等速直线运动的构件）等速直线运动的构件 2）质量分布对其转动轴线完全对称的等速转动构件）质量分布对其转动
16、轴线完全对称的等速转动构件其它构件在运动过程中都将产生惯性力或惯性力偶矩其它构件在运动过程中都将产生惯性力或惯性力偶矩产生附加动压力产生附加动压力 摩擦摩擦、磨损、磨损、效率、效率、振动噪音、振动噪音.影响机械的工作精度、可靠性、寿命影响机械的工作精度、可靠性、寿命.造成破坏性事故造成破坏性事故不平衡后果：不平衡后果：电风扇电风扇、砂轮磨削、砂轮磨削、轴的塑性变形轴的塑性变形5-5-20202 2 机械平衡的目的机械平衡的目的减少或消除惯性力减少或消除惯性力5-5-21213 3 机械平衡的分类机械平衡的分类回转构件的静平衡回转构件的静平衡对长径比对长径比1/5的构件，作单的构件，作单面平衡面
17、平衡回转构件的动平衡回转构件的动平衡对长径比对长径比1/5的构件，作双的构件，作双面平衡面平衡mFIm3m1m2FI1FI2FI34 机械平衡的方法回转构件的静平衡回转构件的静平衡回转构件的动平衡回转构件的动平衡5-5-2222二二 回转构件的回转构件的静平衡静平衡静平衡的对象：沿轴向宽度很小的回转构件，其质量的分布可近静平衡的对象：沿轴向宽度很小的回转构件，其质量的分布可近似地认为在同一回转平面内。（单平面平衡）似地认为在同一回转平面内。（单平面平衡）对象确定：通常指其直径对象确定：通常指其直径D D与轴向宽度与轴向宽度b b的比值，的比值，D Db b5 5的构件）的构件），如齿轮、飞轮、
18、带轮等。，如齿轮、飞轮、带轮等。平衡的原理：平衡的原理：例：单缸发动机曲轴，当已知其不平例：单缸发动机曲轴，当已知其不平衡质量衡质量m的大小和质心的大小和质心C的位置时，可的位置时，可在其质心对方离回转中心在其质心对方离回转中心e处加一平衡处加一平衡质量质量m，使其产生的离心力使其产生的离心力F与不平与不平衡质量产生的离心力衡质量产生的离心力F平衡，即平衡，即质径积5-5-2323静平衡试验 理论上，可以根据质量的分布情况进行平衡计算，加上或减理论上，可以根据质量的分布情况进行平衡计算，加上或减去平衡质量之后能做到回转构件完全平衡，但由于制造和装配的误去平衡质量之后能做到回转构件完全平衡，但由
19、于制造和装配的误差，以及材料内部的不均匀等原因，使得质量和质心位置的计算有差，以及材料内部的不均匀等原因，使得质量和质心位置的计算有误差，从而导致回转件达不到完全平衡，因此，有时还应当用静平误差，从而导致回转件达不到完全平衡，因此，有时还应当用静平衡试验方法加以平衡。衡试验方法加以平衡。1。确定质心位置：试验时，将回转件轴架在刀口上，。确定质心位置：试验时，将回转件轴架在刀口上，任其自由滚动，如回转件质心任其自由滚动，如回转件质心 C不在回转轴的轴不在回转轴的轴 线线上，则由于重量对回转轴线有一力矩作用，回转件将上，则由于重量对回转轴线有一力矩作用，回转件将在导轨上左右来回摆动，良到其质心处于
20、最低位置在导轨上左右来回摆动，良到其质心处于最低位置。2。测定质径积：然后在质心的相反方向加一平衡质量测定质径积：然后在质心的相反方向加一平衡质量（如橡皮泥之类的物体）再作试验，直至该回转件达（如橡皮泥之类的物体）再作试验，直至该回转件达到到随遇平衡随遇平衡为止。这时所加的平衡质量与其至回转轴为止。这时所加的平衡质量与其至回转轴线距离之乘积，即为该回转件达到静平衡所需加的质线距离之乘积，即为该回转件达到静平衡所需加的质径积的人小。径积的人小。3。修正质量分布：按试验所得的质径积，在结构允许。修正质量分布：按试验所得的质径积，在结构允许的回转件径向位置上焊上、铆上一块金属，或者在其的回转件径向位置上焊上、铆上一块金属，或者在其相反方向去掉一块材料，以使该回达到完全平衡相反方向去掉一块材料，以使该回达到完全平衡试验步骤：静平衡实验静平衡实验实验过程5-5-2424二、回转构件的动平衡动平衡动平衡的对象：的对象：轴向宽度很大的回转件，其质量分布不能再近似地认为是在同一回转面内，而应该看作分布于沿轴向的许多互相平行的回转面内（又称多平面平衡）。如多缸发动机的曲轴、电机转子以及一些机床主轴等。满足条件满足条件：1.离心力之和应等于零；2.其惯性力偶矩之和也必须等于零。三三 回转构件的回转构件的动平衡