机组运转及飞轮调节实验

1、机组运转及飞轮调节实验实验指导书一、实验目的1 理解机组稳定运转时速度出现周期性速度波动的原因；2 理解飞轮的调速原理；3 熟悉机组运转时工作阻力的测试方法；4 掌握机器周期性速度波动的调节方法和设计指标；5 利用实验数据计算飞轮的等效转动惯量，设计飞轮。二、实验器材1DS-II型飞轮实验台，如图1所示，它包含有： 00.7MPa小型空气压缩机组、 主轴同步脉冲信号传感器、MPX700系列无补偿半导体压力传感器；2 实验数据采集控制器（DS-II型动力学实验仪）；3 计算机及相关实验软件。三、实验设备简介 1DS-II型飞轮实验台 本实验采用杭州星辰仪器设备公司研制开发的DS-II型飞轮实验台

2、。如图1所示，该实验台由空压机组、飞轮、传动轴、机座、压力传感器、主轴同步脉冲信号传感器等组成。压力传感器已经安装在空压机的压缩腔内，9为其输出接口。同步脉冲发生器的分度盘7（光栅盘）固装在空压机的主轴上，与主轴曲柄位置保持一个固定的同步关系，同步脉冲传感器的输出口为8。开机时，改变储气罐压缩空气出口阀门3的大小，就可以改变储气罐2中的空气压强，因而也就改变了机组的负载，压强值可以从储气罐上的压力表11上直接读出。根据实验要求，飞轮4可以随时从传动轴上拆下或装上，拆下时注意包管好轴上的平键5，在安装飞轮时应注意放入平键，并且将轴端面固定螺母6拧紧。本实验台采用的压力传感器是美国摩托罗拉公司的M

3、PX700系列无补偿半导体压力传感器，该传感器的最大优点是线性度好、集成度高、输出稳定。传感器结构及接线如图2所示，其敏感元件为半导体敏感器材（膜片），压敏部分采用一个X型电阻四端网络结构，替代由四个电阻组成的电桥结构。在气压的作用下，膜片产生变形，从而改变电桥的电阻值，输出与压强相对应的电压信号。为了让用户使用方便，该传感器的内部电路已经将电压放大和传感器热补偿电路集成在一起，常温情况下，在5V供电电压时，相对于0700MPa的空气压强的输出电压为0.24.5V。本公司研制的实验数据采集控制器（DS-II动力学实验仪）的机箱背后有两个调节压力传感器零点和增益的旋钮（调节螺钉），在供货时，此参

4、数已调好，一般不需重调。主轴同步脉冲信号传感器是开发商自行设计的光电式传感器，它将空压机主轴（曲柄）位置传送给实验数据采集系统。在实验台安装时，我们已经将同步位置安装调整好，一般不需要重新调整。 2DS-II型动力学实验仪DS-II型动力学实验仪内部由单片机控制，它完成汽缸压强和同步数据的采集和处理，同时将采集的数据传送到计算机进行处理。它的面板如图3所示。打开电源，指示灯亮，表示仪器已经通电。复位键是用来对仪器进行复位的。如果发现仪器工作不正常或者与计算机的通讯有问题，可以通过按复位键来消除。仪器的背面如图4所示，有两个5芯航空插头，分别标明压强输入和同步信号输入，将DS-II型动力学实验台

5、的相应插头插入插座即可。在压强输入插座上方，有两个调节螺钉，分别标明“调零”和“放大”的字样，是用来对系统的零点和放大倍数进行校核的。设备出厂时一般已调好，一般不要对这两个调节螺钉进行调节，以免使系统标定产生混乱。背面上还有两个通讯接口，一个是标准的9针RS232接口，用于仪器与计算机直接连接，另一个是多机通讯口，用于将本仪器与多机通讯转换器连接，通过多机通讯转换器再接入计算机。可以使用这两个接口中的任意一个与计算机通讯。四、实验原理 机器的运动规律，是由各构件的质量、转动惯量和作用于各构件上的力等多方面因素决定的。作用在机器上大小、方向不断变化的力，导致了机器运动和动力输入轴（主轴）角速度的

6、波动和驱动力矩的变化。机器主轴速度过大的波动，对机器完成其工艺过程是十分有害的，它可以使机器产生振动和噪声，使运动副中产生过大的动负荷，从而缩短机器的使用寿命。然而这种波动大多又是不可避免的。因此应在设计中采取较经济的措施将过大的波动予以调节。工程实际中的大多数机械，其稳定运转过程中都存在着周期性速度波动。为了将其速度限制在工作允许的范围内，需要在系统中安装飞轮。飞轮设计是机械动力设计中重要内容之一。由于等效力矩和等效转动惯量的周期性变化引起速度的周期性波动。例如冲床中，冲头每冲一个零件，速度就波动一次。在波动的一个周期内，输入功和总耗功是相等的，因此机器的平均速度是稳定的。但在一个周期中，任

7、一时间间隔中输入功和总耗功并不相等，所以瞬时速度又是变化的。这种速度波动的大小可用飞轮来控制。装置飞轮的实质就是增加机械的转动惯量，减少周期性速度波动的程度。需要指出，使用飞轮不能使机械运转速度绝对不变，也不能解决非周期性速度波动问题，因为如在一个周期内，输入功一直小于总耗功，则飞轮能量将没有补充的来源，也就起不了储存和放出能量的调节作用。我们采用角速度的变化量和其平均角速度的比值来反映机械运转的速度波动程度，这个比值以表示，称为速度波动系数，或速度不均匀系数。 （1）为了使所设计的机械系统在运转过程中速度波动在允许范围内，设计时应保证，为许用值。飞轮设计的关键是根据机械的平均角速度和允许的速

8、度波动系数来确定飞轮的转动惯量。我们在机械原理课程中已经学习过，飞轮转动惯量的公式为 （2）其中是最大盈亏功（kJ），n是主轴转速（r/min），是允许的速度波动系数。 飞轮的转动惯量确定后，就可以确定其各部分的尺寸了。飞轮按构造大体可分为轮形和盘形两种。（1） 轮形飞轮轮形飞轮是最常用的飞轮。如图5所示，这种飞轮由轮毂、轮辐和轮缘三部分组成。由于与轮缘相比，其他两部分的转动惯量很小（仅占15左右），因此，一般可以略去不计。这样简化后，实际的飞轮转动惯量稍大于要求的转动惯量。若设飞轮外径为，轮缘内径为，轮缘质量为，则轮缘的转动惯量为 （3）当轮缘厚度不大时，可近似认为飞轮质量集中于其平均直径的

9、圆周上，于是得 （4）式中，称为飞轮矩，其单位为kg·m2。知道了飞轮的转动惯量，就可以求得其飞轮矩。当根据飞轮在机械中的安装空间，选择了轮缘的平均直径后，即可用式（4）计算飞轮的质量。 若设飞轮宽度为（m），轮缘厚度为（m），平均直径为（m），材料密度为（kg/m3），则 （5）在选定了并由式（4）计算出后，便可根据飞轮的材料和选定的比值由式（5）求出飞轮的剖面尺寸和，对于较小的飞轮，通常取，对于较大的飞轮，通常取。（2） 盘形飞轮 当飞轮的转动惯量不大时，可采用形状简单的盘形飞轮，如图6所示。设、和分别为其质量、外径及宽度，则整个飞轮的转动惯量为 （6）当根据安装空间选定飞轮直径

10、后，即可由式（6）计算出飞轮质量。又因，故根据所选飞轮材料，即可求出飞轮的宽度为 （7） 应当指出，飞轮直径不宜过大，详见发散讨论3。至于飞轮材料强度、刚度的校核问题已超出本实验的范围，此处不作讨论，建议参看相关的机械动力学教材。 图7五、实验内容1操作指南（1）连接RS232通讯线    本实验通过计算机来完成。将计算机RS232串行口，通过标准的通讯线，连接到DS-II动力学实验仪背面的RS232接口，如果采用多机通讯转换器，则需要首先将多机通讯 转换器通过RS232通讯线连接到计算机，然后用双端电话线插头， 将DS-II动力学实验仪连接到多机通讯转换器的任一

11、个输入口。（2）启动实验应用程序飞轮实验系统程序的界面如图7所示。（3）拆卸飞轮，启动空压机组  启动以后，应该检查通讯口与实际连接的通讯口（COM1或COM2）是否一致。如果不一致，重新通过串口选择菜单设置正确的通讯口。（4）对实验系统进行标定    在实验系统第一次应用之前，或者必要时，应该对系统进行标定。点击应用程序界面上的标定菜单，首先进行大气压强的标定。根据提示，关闭飞轮机组，打开储气罐阀门，并点击【确定】如图10所示。大气压强标定以后，将出现第二个界面，提示对汽缸压强进行标定如图11所示。启动空压机组，调整阀门，将储气罐压强根据储气罐压力表所

12、示调至试验要求的压强值（0.15MP，0.3MP，0.45MP），并将压强值输入系统点击【确定】即可完成标定。（5）数据采集        系统标定进度条完成后，点击【采集】按钮对实验数据进行采集了。数据采集的结果将分别显示在程序界面上如图8所示。界面左边显示的汽缸压强值和主轴回转速度值，本实验数据是以主轴（曲柄）的转角为同步信号采集，每一点的采集间隔为曲柄转动6度。右边用图表曲线显示汽缸压强和主轴转速。界面下方的文字框中将显示主轴最大、最小、平均转速和回转不匀率，汽缸压强的最大、最小值和平均压强。 图8（6）分析计算数据采集完成以后

13、，就可以对空压机组进行分析，点击【计算】按钮，系统将出现第二个界面如图9所示。在这个界面中，将显示空压机组曲柄的主动力矩（假设为常数）、空压机阻力矩曲线和系统的盈亏功曲线。下方的文字框中将显示最大阻力矩平均驱动力矩、最大机械能、最小机械能、最大剩余功等数据，以及根据用户输入的许可不均匀系数计算得到的系统所需的飞轮转动惯量。 图92实验步骤 要求按以下步骤操作，并将实验数据记录到表格中：（1）系统标定；（2）不装飞轮，关闭储气罐阀门，启动机组，等运转稳定后进行采样和计算，记录数据（飞轮转动惯量要根据式(2)重新计算）注意观察盈亏功曲线（蓝色曲线）在循环开始时和循环结束时是否相交，亦即机组的速度波

14、动是否为周期性的；（3）改变储气罐阀门的大小，使负载表压为0.45MPa、0.3MPa、0.15MPa，分别进行采样和计算，记录数据，最后关闭机组；（4）装上飞轮，注意要放垫圈、拧紧螺母，关闭储气罐阀门，重新启动机组，等运转稳定后进行采样和计算，记录数据；（5）重复（3）；（6）将两条适当大小的橡皮泥粘在飞轮轮缘的内侧，关闭储气罐阀门，启动机组，进行采样和计算，记录数据，采样后应尽快关闭机组以防橡皮泥飞出；飞轮负载平均转速(r/min)回转不均率(%)平均压强(KPa)平均驱动力矩(Nm)最大剩余功(KJ)重新计算飞轮转动惯量(Nm2)不装飞轮无负载0.45MPa0.3MPa0.15MPa装飞

15、轮无负载0.45MPa0.3MPa0.15MPa粘橡皮泥(无负载)许用不均匀系数_六、说明与注意事项1 改变的大小，用以改变储气罐中的气压，相当于改变空压机组的负载。上述状态实际上与各种机械均有相似之处，如柴油机、冲床、起重机、轧钢机甚至自动武器等，因此本实验的研究方法也可供研究其他设备之用。在实际操作时，可能机器振动会比较大，只要指针以需要的负载压强为中心较稳定地摆动，即可进行采样，我们只需观察数据的相对变化趋势，并不要求数据的绝对准确性；2 要等到机组运转稳定后再进行采样，这个时间大约为15秒，实验者可先练习采样若干次，观察所在的机组运转稳定所需的时间，再正式记录数据；3 采样后点击“计算

16、”，电脑会把飞轮转动惯量计算好并显示出来，这个结果并非由教材上的公式计算而得（它的计算方法超出了本实验的目的范围），故要求同学根据测得的最大盈亏功重新计算飞轮的转动惯量，记录到表格中；4 在装飞轮时，螺母一定要拧牢，防止在机组运转时螺母飞出或飞轮脱离主轴造成危险。若在开机时发现螺母松动，要立即关闭机组；5 打开储气罐阀门时动作要慢，不要一下子把阀门全部打开；6 在粘橡皮泥进行实验时，橡皮泥应弄成均匀的条状，而不要弄成片状，要使橡皮泥覆盖飞轮内缘圆周的1/2，。而且应尽量缩短机器运转的时间，防止橡皮泥飞出；7 机器主轴应经常上油，防止生锈；橡皮泥用好后要密闭保存，防止风干。七、发散讨论1 为了研

17、究机械系统在外力作用下的真实运动情况，以便提出改进设计的方法，提高机械的运动精度和工作质量，需要求解机械的运动方程式。由于机械系统的组成情况和作用于机械系统中的外力的机械特性是多种多样的，故等效力矩和等效转动惯量的形式也各不相同：等效力矩和等效转动惯量都是机构位置的函数（如内燃机驱动的活塞式压缩机的机械系统等）；等效力矩是角速度的函数，而等效转动惯量是常数（如由电动机驱动的鼓风机、搅拌机等机械系统）；等效力矩是机械位置和速度的函数，而等效转动惯量是机械位置的函数（如由电动机驱动的冲床、刨床等机械系统）。加之等效力矩可能用函数表达式、曲线或数值表格的形式给出，故不同情况下运动方程式的求解方法也各

18、不相同。本实验仅介绍了等效力矩为机构位置时飞轮转动惯量的计算方法。2 需要注意的是，本实验在讨论飞轮转动惯量的求法时，假定飞轮安装在机械的等效构件上。实际设计时，若希望将飞轮安装在其他构件上，则在确定其各部分尺寸时需要先将计算所得的飞轮转动惯量折算到其安装的构件上。3 由式（4）可知，当飞轮转动惯量一定时，选择的飞轮直径越大，则质量越小。但直径太大，会增加制造和运输困难，占据空间大，同时轮缘的圆周速度增加，使飞轮有受过大离心作用而破裂的危险。因此在确定飞轮尺寸时应核验飞轮的最大圆周速度，使其小于安全极限。4 设为机械系统简谐运动轴的速度简谐函数的阶数，为轴的角速度，为轴的固有频率，在常见的机械系统中，可以证明，故可作为绝对刚性构件处理。在机械原理教科书中，多笼统地建议把飞轮安装在高速轴上，以减小飞轮的质量。但是高速轴的直径往往较小，故刚度较低。若出现的情况，飞轮会加大