中国石油大学华东机械设计基础课件机械动力学初步

作业第八章：8.18.3（平时作业）8.10（上交作业）,第八章机器动力学初步,81机器速度波动产生原因及调节方法,85刚性回转体的平衡,82机器运转的平均速度和不均匀系数,83飞轮的设计原理,84回转件平衡的目的,如常用电机的机械特性：,运动分析时，都假定原动件作匀速运动:const,实际上是多个参数的函数：f(F、M、m、J),力、力矩、机构位置、构件质量、转动惯量,81机器速度波动产生原因及调节方法,任意瞬时,驱动力所做的功阻力所做的功,驱动力所做的功=阻力所做的功,驱动力所做的功阻力所做的功,一、机械速度波动原因,出现盈功，机械动能增加，转速增高。,出现亏功，机械动能减少，转速下降。,机械保持转速不变,一般机械的运转过程,稳定运转阶段的状况有：,匀速稳定运转：常数,周期变速稳定运转：(t)=(t+Tp),三个阶段：启动、稳定运转、停车。,非周期变速稳定运转,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。,周期可以是一周（曲柄摇杆机构，机床主轴、冲床等）二周（四冲程内燃机）数周（轧钢机）,特征：速度波动呈周期性变化。,三、周期性速度波动,作用在机械上的驱动力矩Md()和阻力矩Mr()往往是原动机转角的周期性函数。,动能增量：,Md,Mr,在一个运动循环内，驱动力矩和阻力矩所作的功分别为：,1、产生原因,力矩所作功及动能变化:,在一个循环内：,这说明经过一个运动循环之后，机械又回复到初始状态,其运转速度呈现周期性波动。,Wd=Wr,即：,=0,E=0,2、调节的方法,对周期性速度波动，可在转动轴上安装一个转动惯量较大的回转体（俗称飞轮）达到调速的目的。,飞轮的调速原理：由于飞轮具有很大的转动惯量，因而要使其转速发生变化，就需要较大的能量，当机器出现盈功时，机器转速只作微小上升，即可将多余能量吸收储存起来；转速降低时，飞轮又能将其储存的能量释放出来，以弥补能量的不足，而使机器速度只作小幅度的下降。,原因盈亏功变化无规律，速度波动无规律。,后果一段时间内总出现盈功，速度越来越快，造成飞车；总出现亏功，速度会越来越慢，甚至停车。,四、非周期性速度波动,油箱供油,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,调节方法,齿轮泵,一、机器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：n60m/2rpm,82机器运转的平均速度和不均匀系数,名义转速铭牌转速,定义：(maxmin)/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。愈小，说明机器的运转愈平稳。,maxm(1+/2),minm(1-/2),由m(max+min)/2和定义可得：,maxmin只能表示了机器主轴速度波动范围的大小，并不能完全表示机器速度波动的程度。引入机器运转速度不均匀系数。,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1/401/50,纺纱机1/601/100,发电机1/1001/300,碎石机1/51/20,汽车拖拉机1/201/60,冲床、剪床1/71/10,切削机床1/301/40,轧压机1/101/20,水泵、风机1/301/50,表8-1机械运转速度不均匀系数的取值范围,发电机的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,83飞轮的设计原理,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，满足的要求，确定安装在主轴上的飞轮的转动惯量JF。,飞轮调速原理,JJF,在主轴上加装飞轮之后，总的转动惯量可近似认为：,机器总的动能近似为：,E=J2/2,在位置b处，动能和角速度为：Emin、min,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：,AmaxEEmax-Emin,J(2max-2min)/2,J2m,得：J=Amax/2m,称Amax为最大盈亏功,Amax的确定方法自学！,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。,3）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。为减少飞轮转动惯量（重量），所以飞轮要装在高速轴或主轴上。,过分追求机械运转速度的平稳性，将使飞轮过于笨重。,飞轮调速的实质：起能量储存器的作用。转速,储能,减缓速度增长转速,释放,减缓速度降低,举例：汽车、拖拉机、碎石机、玩具小车,帮助机械越过死点，如缝纫机。,轮幅式飞轮：由轮毂、轮辐和轮缘三部分组成。,轮毂,轮幅,轮缘,J,飞轮的结构,其轮毂和轮幅的转动惯量较小，可忽略不计。其转动惯量为：,主要尺寸：宽度b、轮缘厚度h、平均直径Dm,飞轮轮缘的速度不能太大，以免飞轮在离心惯性力的作用下破裂，造成事故。飞轮的外圆线速度不能超过许用值：,铸铁飞轮：vmax36m/s,铸钢飞轮：vmax50m/s,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。,回转件（或转子）-绕定轴作回转运动的构件。,84回转件平衡的目的,根本原因:重心与回转轴线不重合,增加运动副的摩擦，降低机械的使用寿命。,产生有害的振动，使机械的工作性能恶化。,降低机械效率。,平衡的目的：研究惯性力分布及其变化规律，并采取相应的措施对惯性力进行平衡，从而减小或消除所产生的附加动压力、减轻振动、改善机械的工作性能和提高使用寿命。,附加动压力会产生一系列不良后果：,离心力的大小方向始终都在变化，将对运动副产生动压力。,一、质量分布在同一回转面内（静平衡）,平衡原理：在重心的另一侧加上一定的质量，或在重心同侧去掉一些质量，使质心位置落在回转轴线上，而使离心惯性力达到平衡。,适用范围：轴向尺寸较小的盘形转子（B/D0.2），如曲轴、凸轮轴等回转件，,理由：转子由于质量分布不在同一个平面内，离心惯性力将形成一个不汇交空间力系，故不能按静平衡处理。,任意空间力系的平衡条件为：,如何处理?,由理论力学可知：一个力可以分解成两个与其平行的两个分力。,两者等效的条件是：,将代入求解，得：,重要结论：不在同一回转面内的不平衡量，可以在两个任选的回转平面内进行平衡。,动平衡计算方法：,作图法求解,结论：对于动不平衡的转子，无论其具有多少个偏心质量以及分布在多少个回转平面内，都只要在选定的两个平衡基面内加上或去掉平衡质量，即可获得完全平衡。故动平衡又称为双面平衡。,静平衡的回转体一定动平衡吗?,动平衡的回转体一定静平衡吗?,机械平衡的方法：,2)平衡试验,1)平衡设计,在设计阶段，采取措施消除或减少产生有害振动的不平衡惯性力。,平衡试验：通过试验的方法加以平衡。,平衡设计的机械：理论上达到平衡,施工阶段：制造不精确、材料不均匀、安装不准确,三、刚性转子的平衡实验,1、静平衡实验,导轨式平衡架,特点：结构简单、精度低，但两刀口平行、调整困难，且要求