第7章机械运转速度波动调节

白云学院专用 第7章机械运转速度波动调节 7 1机械运转速度波动调节的目的和方法 7 2飞轮的近似设计方法 7 3飞轮主要尺寸的确定 白云学院专用 7 1机械运转速度波动调节的目的和方法 机械是在外力 驱动力和工作阻力 作用下运转的 驱动力作的功 输入功 工作阻力作的功 输出功 输入功大于输出功时 出现盈功 机械动能 输入功小于输出功时 出现亏功 机械动能 机械动能的增减 会引起机械运转速度的上下波动 一 机械速度波动 白云学院专用 机械的运转过程 三个阶段 启动 稳定运转 停车 稳定运转阶段的状况有 匀速稳定运转 周期变速稳定运转 非周期变速稳定运转 1 2 3 白云学院专用 二 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 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 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 1 2 3 4 白云学院专用 三 速度波动调节的方法 1 匀速稳定运转时 速度不需要调节 2 对周期性速度波动 可在转动轴上安装一个质量较大的回转体 俗称飞轮 达到调速的目的 3 对非周期性速度波动 需采用专门的调速器才能调节 调速器分 机械式离心调速器 电子调速装置 白云学院专用 白云学院专用 白云学院专用 白云学院专用 油箱供油 三 速度波动调节的方法 1 对周期性速度波动 可在转动轴上安装一个质量较大的回转体 俗称飞轮 达到调速的目的 2 对非周期性速度波动 需采用专门的调速器才能调节 离心式调速器的工作原理 匀速稳定运转时 速度不需要调节 白云学院专用 一 机械运转的平均速度和不均匀系数 平均角速度 额定转速 已知主轴角速度 t 不容易求得 工程上常采用算术平均值 m max min 2 对应的转速 n 60 m 2 rpm max min表示了机器主轴速度波动范围的大小 称为绝对不均匀度 但在差值相同的情况下 对平均速度的影响是不一样的 对于周期性速度波动的机械 加装飞轮可以对速度波动的范围进行调节 下面介绍有关原理 7 2飞轮的近似设计方法 白云学院专用 如 max min m1 10 m2 100 则 1 max min m1 0 1 2 max min m2 0 01 定义 max min m为机器运转速度不均匀系数 它表示了机器速度波动的程度 max m 1 2 可知 当 m一定时 愈小 则差值 max min也愈小 说明机器的运转愈平稳 min m 1 2 2max 2min 2 2m 由 m max min 2以及上式可得 白云学院专用 对于不同的机器 因工作性质不同而取不同的值 设计时要求 造纸织布1 40 1 50 纺纱机1 60 1 100 发电机1 100 1 300 碎石机1 5 1 20 汽车拖拉机1 20 1 60 冲床 剪床1 7 1 10 切削机床1 30 1 40 轧压机1 10 1 20 水泵 风机1 30 1 50 表7 1机械运转速度不均匀系数 的取值范围 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 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 二 飞轮设计的基本原理 飞轮设计的基本问题 已知作用在主轴上的驱动力矩和阻力矩的变化规律 在 的范围内 确定安装在主轴上的飞轮的转动惯量JF 白云学院专用 飞轮调速原理 J JF 在位置b处 动能和角速度为 Emin min 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 E J 2 2 而在位置c处为 Emax max 在b c区间处盈亏功和动能增量达到最大值 Amax E Emax Emin J 2max 2min 2 J 2m 得 J Amax 2m 称Amax为最大盈亏功 白云学院专用 J Amax 2m 分析 1 当Amax与 2m一定时 J 是一条等边双曲线 当 很小时 J 2 当J与 m一定时 Amax 成正比 即Amax越大 机械运转速度越不均匀 4 J与 m的平方成反比 即平均转速越高 所需飞轮的转动惯量越小 过分追求机械运转速度的平稳性 将使飞轮过于笨重 3 由于J 而Amax和 m又为有限值 故 不可能为 0 即使安装飞轮 机械总是有波动 白云学院专用 飞轮也可以安装在其它轴上 但必须保证两者所具有的动能相等 即 得 J J 2m 2m 若 m m则 J J E J 2m 2 J 2m 2 飞轮调速的实质 起能量储存器的作用 转速增高时 将多于能量转化为飞轮的动能储存起来 限制增速的幅度 转速降低时 将能量释放出来 阻止速度降低 锻压机械在一个运动循环内 工作时间短 但载荷峰值大 利用飞轮在非工作时间内储存的能量来克服尖峰载荷 选用小功率原动机以降低成本 应用 玩具小车 帮助机械越过死点 如缝纫机 白云学院专用 三 Amax的确定方法 在交点位置的动能增量 E正好是从起始点a到该交点区间内各代表盈亏功的阴影面积代数和 Amax Emax Emin Emax Emax Emin出现的位置 在曲线Md与Mr的交点处 E 曲线上从一个极值点跃变到另一个极值点的高度 正好等于两点之间的阴影面积 盈亏功 作图法求Amax 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于指示图中最低点到最高点之间的高度值 强调不一定是相邻点 可用折线代替曲线求得 E 白云学院专用 举例 已知驱动力矩为常数 阻力矩如图所示 主轴的平均角速度为 m 251 s 不均匀系数 0 05 求主轴飞轮的转动惯量J 解 1 求Md 在一个循环内 Md和Mr所作的功相等 于是 作代表Md的直线如图 2 求Amax 各阴影三角形的面积分别为 三个三角形面积之和 0 4 4 3 4 3 4 9 8 9 8 11 8 11 8 13 8 13 8 15 8 15 8 2 10 16 10 8 15 16 5 8 10 16 5 8 5 16 Mr 作能量指示图 书上例题自学 白云学院专用 由能量指示图 得 Amax 10 8 3 93KN m J Amax 2m 3 93 10 0 05 252 126kgm2 白云学院专用 轮形飞轮 由轮毂 轮辐和轮缘三部分组成 轮毂 轮幅 轮缘 JA 7 3飞轮主要尺寸的确定 其轮毂和轮缘的转动惯量较小 可忽略不计 其转动惯量为 主要尺寸 宽度B 轮缘厚度H 平均值径Dm 白云学院专用 m V DmHB 为材料密度 按照机器的结构和空间位置选定Dm之后 可得飞轮质量 选定飞轮的材料和比值H B之后 可得飞轮截面尺寸 盘形飞轮 选定圆盘直径D 可得飞轮的质量 m V 选定飞轮的材料之后 可得飞轮的宽度B 为保证安全 飞轮的外圆线速度不能超过许用值 铸铁飞轮 vmax 36m s 铸钢飞轮 vmax 50m s 应当说明