机械速度的调节和回转件平衡.ppt

机械速度调节和回转件平衡 机械运转速度波动调节的目的和方法 机械是在外力作用下运转的 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 输入功和输出功之差形成机械的功能的增减 如果输入功在每段时间都等于输出功 则机械的主轴保持匀速转动 但是许多机械在某段工作时间内 输入功不等于输出功 当输入功大于输出功时 出现盈功 盈功转化为动能 促进机械动能的增加 当输入功小于输出功时 出现亏功 机械运转速度波动调节的目的和方法 亏功需要动能补偿 导致机械动能减小 机械动能的增加形成机械运转的速度的波动 这种波动会使运动副中产生附加的作用力 降低机械效率和工作可靠性 会引起机械振动 影响零件的使用寿命 还会降低机械的精度和工艺性能 使产品质量下降 因此 对机械运转速度的波动必须进行调节 使上述不良影响限制在容许范围之内 周期性速度波动 当外力作周期性变化时 机械主轴的角速度也作周期性变化 如图所示 机械的这种有规律的 周期性的速度变化称为周期性速度波动 由图可见 主轴的角速度 在经过了一个运动周期t之后又变回初始状态 其动能没有增减 也就是说 在一个周期中 驱动力所作的输入功和阻力所作的输出功是相等的 这是周期性速度波动的重要特征 由图可见 主轴的角速度 在经过了一个运动周期t之后又变回初始状态 其动能没有增减 也就是说 在一个周期中 驱动力所作的输入功和阻力所作的输出功是相等的 这是周期性速度波动的重要特征 周期性速度波动 但是在周期中的某段时间内 输入功和输出功不相等 因而出现了速度波动 调节周期性速度波动的常用方法是在机械中加上一个转动惯量很大的回转件 飞轮 盈功使飞轮的动能增加 亏功使飞轮的动能减小 飞轮的动能变化为 周期性速度波动 显然 动能变化数值相同时 飞轮的转动惯量j越大 减速度 的波动越小 例如图中虚线所示为没有安装飞轮时主轴的速度波动 实线表示为安装飞轮后的速度波动 此外 由于飞轮能利用储蓄的动能克服短时过载 故在确定原动机额定功率时只需考虑它的平均功率 而不必考虑高峰负荷所需的瞬时最大功率 周期性速度波动 总结 动能变化数值相同时 飞轮的转动惯量j越大 角速度 的波动越小 由于飞轮能利用储蓄的动能克服短时过载 故在确定原动机额定功率时只需考虑它的平均功率 而不必考虑高峰负荷所需的瞬时最大功率 因此 安装飞轮不仅可避免机械运转速度发生过大的波动 而且可以选择功率较小的原功机 非周期性速度波动 如果输入功在很长的一段时间内总是大于输出功 则机械运转速度将不断升高 直至超越机械强度所容许的极限转速而导致机械损坏 反之 如果输入功总是小于输出功 则机械运转速度将不断下降 直至停车 这种速度波动是随机的 不规则的 没有一定的周期 因此称为非周期性速度波动 这种速度波动不能依靠飞轮来调节 只能采用特殊的装置使输入功与输出功趋于平衡 以达到新的稳定运转 这种特殊装置称为调速器 图所示为机械式离心调运器的工作原理图 原动机2的输入功与供汽量的大小成正比 当负荷突然减小时 原动机2和工作机1的主轴转速升高 由锥齿轮驱动的调速器主铀的转速也随着升高 重球因离心力增大而飞向上方 带动圆筒n上升 并通过套环和连扦将节流阀关小 使蒸汽输入量减少 反之 若负荷突然增加 原动机及调运器主轴转速下降 飞球下落 节流阀开大 促使供汽量增加 用这种方法使输入劝和负荷所消耗的功 包括摩擦损失 自动趋于平衡 从而保持速度稳定 飞轮设计的近似方法 若已知机械主轴速度随时间变化的规律 一个周期角速度的实际平均值 m可由下式表示 这个实际平均值称为机器的 额定转速 在工程计算中常近似地以其算术平均值来代替 即 机械运转速度波动的程度用机械运转速度不均匀系数 来表示 其定义为角速度波动的幅值 max min 与平均角速度 m之比 即 若巳知 m和 则由式 7 2 和 7 3 可得 由上式可知 越小 主轴越接近匀速转动 机械运转就愈平稳 各种不同机械许用的机械运转速度不均匀系数 是根据它们的工作要求确定的 表7 1列出了一些常用机械运转不均匀系数的许用值 二 飞轮设计的基本原理飞轮设计的基本问题是 已知作用在主轴上的驱动力矩和阻力矩的变化规律 要求在机械运转速度不均匀系数 的容许范围内 确定安装在主轴上的飞轮的转动惯量 在一般机械中 其他构件所具有的动能与飞轮相比 其值甚小 因此在近似设计中 可以用飞轮的动能代替整个机械的动能 与飞轮的最大角速度 max 最小角速度 min对应的机械的动能分别为最大动能emax 最小动能emin emax与emin之差表示一个周期内动能的最大变化量 它是由最大盈功或最大亏功转化而来的 机械在一个周期内动能的最大变化量称为最大盈亏功amax 即 由此得到安装在主轴上的飞轮转动惯量 当amax与 m一定时 j与 成反比 如图7 3所示 当 取得很小时 飞轮的转动惯量就会很大 所以 过分追求机械运转的速度均匀性 将使飞轮过于笨重 增加成本 当j与 m一定时 amax与 成正比 表明机械只要有盈亏功 不论飞轮有多大 都不等于零 最大盈亏功愈大 机械运转愈不均匀 j与 m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 机械运转不均匀系数 所以为减小飞轮转动惯量 最好将飞轮安装在机械的高速轴上 飞轮也可以安装在与主轴保持固定速比的其他轴上 但必须保证该轴上安装的飞轮与主轴上安装的飞轮具有相等的动能 即 或 三 最大盈亏功amax的确定确定飞轮转动惯量的关键是求最大盈亏功 为了确定最大盈亏功 需先确定机械最大动能和最小动能出现的位置 即 max和 min的位置 常利用能量指示图来解决 图7 4所示为一个周期循环中驱动力矩曲线m 和阻力矩曲线m 各自与横坐标轴所包围的面积分别表示一个周期循环中驱动力矩和阻力矩所作的功 显然二者是相等的 两曲线交点a b c d应是速度增加或减少的转折点 两曲线所包围的面积s1 s2 s3 s4 s5代表两点之间的盈功或亏功aoa aab abc acd和ado aoa为oa区间的盈亏功 以绝对值表示 由图可见 oa区间阻力矩大于驱动力矩 出现亏功 机器动能减小 故标注负号 而ab区间驱动力矩大于阻力矩 出现盈功 机器动能增加 故标注正号 同理 bc do区间为负 cd区间为正 在oa区间 输入功与输出功之差 盈亏功 为 盈亏功等于机器动能的增减量 动能变化可用能量指示图来表示 如图7 4b所示 按一定比例从o点出发 用矢量线段依次表示相应的盈亏功aoa aab abc acd和ado 箭头朝上表示盈功 箭头朝下表示亏功 由于机器经历一个周期回到初始状态 其动能增减为零 所以该向量图的首尾应当位于同一水平线上 图中最高点d和最低点a就是最大动能和最小动能处 对应于 max和 min a d二位置动能之差 即这两点之间各矢量线段的矢量和的绝对值 也是这两点之间m 和m 两曲线间所包围的各块面积代数和的绝对值 就是其最大盈亏功amax 图中最高点d和最低点a就是最大动能和最小动能处 对应于 max和 min a d二位置动能之差 即这两点之间各矢量线段的矢量和的绝对值 也是这两点之间m 和m 两曲线间所包围的各块面积代数和的绝对值 就是其最大盈亏功amax 将amax代入式 7 6 可求出飞轮转动惯量j 11111 7 3飞轮主要尺寸的确定 求出飞轮转动惯量j之后 还要确定它的直径 宽度 轮缘厚度等有关尺寸 图7 6所示为带有轮辐的飞轮 这种飞轮的轮毂和轮辐的质量很小 回转半径也较小 近似计算时可以将它们的转动惯量略去 而认为飞轮质量m集中于轮缘 设轮缘的平均直径为dm 则 当按照机器的结构和空间位置选定轮缘的平均直径dm之后 由式 7 8 便可求出飞轮的质量m 设轮缘为矩形断面 它的体积 厚度 宽度分别为v m3 h m b m 材料的密度为 kg m3 则m v dmhb 7 9 选定飞轮的材料与比值h b之后 轮缘的截面尺寸便可求出 对于外径为d的实心圆盘式飞轮 由理论力学知 选定圆盘直径d 便可求出飞轮的质量m 选定材料之后 便可求出飞轮的宽度b 飞轮的转速越高 其轮缘材质产生的离心力越大 当轮缘材料所受离心力超过其材料的强度极限时 轮缘便会爆裂 为了安全 在选择平均直径dm和外圆直径d时 应使飞轮外圆的圆周速度不大于以下安全数值 对于铸铁飞轮vmax 36m s对于铸钢飞轮vmax 50m s应当说明 飞轮不一定是外加的专门构件 实际机械中往往用增大带轮 或齿轮 的尺寸和质量的方法 使它们兼起飞轮的作用 这种带轮 或齿轮 也就是机器中的飞轮 飞轮实体图及剖面图 刚性转子的平衡试验 一 静平衡试验法试验时将转子放到已调好的水平轨道上 如果转子不平衡 则偏心引起的重力矩将使转子在轨道上滚动 当转子停止时 转子质心必处于轴心正下方 这时 在轴心的正上方任意半径处加一适当平衡质量 在轻轻拨动转子 这样经过反复几次试加平衡质量 直到转子在任何位置都能达到随意平衡时 即完成转子静平衡试验 二 动平衡试验法 使回转件在动平衡试验机上运转 在两个选定的平面内分别找出所需平衡质径积的大小与方位 使回转件达到平衡 动平衡机的原理图如下 回转件 摆架