机械设计之系统方案设计PPT 第十章 机械系统

机械系统在稳定运动工作状态下运转时，由于 等效力矩和等效转动惯量的周期性变化引起 的速度波动。 – 产生速度波动的主要原因 主要原因有： 主要原因 （1）作用在各构件上的外力（包括驱动力和 工作阻力）发生变化； （2）各构件的m和J在不同位置对原动件所产 生的惯性影响不同。
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10.5.1 飞轮设计的基本原理
– 机械在b点处具有最小的动能增量 – ―――对应最大亏功 ＝图(a)中阴影面积 (-)； – 在c点，机械具有最大动能增量 c ―― ――对 应于最大盈功 ＝图(a)中的阴影面积。 – 最大盈亏功：
•
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10.5.1 飞轮设计的基本原理 • 根据动能定理， • 安装飞轮后，速度波动系数： • • 设计飞轮的转动惯量应满足： • 当 • 时,
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小结: 小结:
• 当 与n一定时，如果加大 ，则机械的速度波动 系数下降，起到减小机械速度波动的作用，达到调 速的目的；但安装飞轮不能消除速度波动。 • 如果 值取得很小，飞轮的转动惯量就会很大； 若 ， 而实际工程中 只能是有限值 。因此，不能过分地追求机械运转速度的均匀性， 否则将会使飞轮过于笨重。 • 由于 与n的平方成反比，因此，最好将飞轮安装 在机械的高速轴上。 • 一般把飞轮安装在机器的主轴上或与机器主轴有定 传动比的构件上，保证转动惯量为常数。 • 运动构件都能储能和释放能量，可以用较大的皮带 轮或齿轮起飞轮作用。
– 防止非周期性速度波动 非周期性速度波动所引起的机器毁坏或者停 非周期性速度波动 车。
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10.6 非周期性速度波动及其调节
• 2 非周期性速度波动的调节方法 非周期性速度波动的调节方法非周期性 速度波动调节问题可分为两种情况:
– (1)稳定系统的自动调节 稳定系统的自动调节：如果机械系统由于 稳定系统的自动调节 某种干扰而偏离了原来的工作状态，经过一 个过程后，能够以足够的精度回到原来的状 态，那末这个机械系统是一稳定的系统，具 有自调性。
10.6 非周期性速度波动及其调节
• 1 非周期性速度波动产生原因
– 非周期性速度波动多是由于工作阻力或驱动力在 机械运转过程中发生突变，使输入能量与输出能 量在一段较长时间内失衡所造成的。 – 危害：使系统的转速持续地上升或下降，严重时 ，将导致“飞车”或停止运转。
非周期性速度波动调节目的: 非周期性速度波动调节目的
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10.5.2 最大盈亏功 最大盈亏功[W]的确定 的确定
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10.5.2 最大盈亏功 最大盈亏功[W]的确定 的确定
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10.5.3 飞轮主要尺寸的确定
1)构造系统力学参量和运动学参量之间的联系。 2)建立机械系统等效动力学模型。 3)减小机械速度波动。
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10.1 作用在机械中的外力和机械 的运转过程
• 10.1.1 作用在机械上的力
– 驱动力 – 工作阻力
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– 原动件速度保持常数(称匀速稳定运转) – 原动件围绕某一恒定的平均值作周期性速 度波动(称变速稳定运转)。 在一个周期内任一时间间隔中，输入功与总 耗功不一定相等。
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10.1.2 机械的运转过程
• 停车阶段：
– 原动件从正常转速下降到0。
启动阶段和停车阶段统称为机械系统的 过渡过程。 过渡过程。
• 如果将飞轮安装在构件x上，此时飞轮的 转动惯量 为：
• 1)飞轮应安装在高速轴上 • 2)应安装在主轴或有定比传动的构件上 。
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10.5.3 飞轮主要尺寸的确定
• 飞轮按构造大体可分轮形和盘形两种。 • 1 轮形飞轮 2 盘形飞轮
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3、 等效转动惯量 、
• 求等效转动惯量的原则：等效构件所具有 的动能等于整个系统的动能之和。
– 根据动能等效原则： – 等效转动惯量：
• 小结
（1）Je是机构位置的函数； （2） Je同各构件与等效构件速比的平方有关； （3） Je是假想的转动惯量； （4）定传动比机构的等效转动惯量Je 是常数。 中英文日报导航站
1、驱动力：原动机发出的力(力矩)。 • 下图分别为直流并激电动机、直流串激 电动机和交流异步电动机的机械特性曲 线
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2、工作阻力：系统工作时需要克服的工作 负荷。
• （1）起重机、车床等： 在一段工作过程中) 工作阻力是常数 (在一段工作过程中 在一段工作过程中 • (2) 往复式压缩机、内燃机： 工作阻力是原动件位置的函数 • （3）鼓风机叶轮所受空气阻力： 工作阻力是执行件速度的函数 • （4）球磨机、粉碎机： 工作阻力是时间的函数
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10.1.2 机械的运转过程
• 机械系统的动能方程：
1、启动阶段： 、启动阶段
原动件的速度(或角速度)从零逐渐增加， 直到开始稳定运转。
ω 2 > ω1
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10.1.2 机械的运转过程
• 2、稳定运行阶段：
调节方法
• 机械的绝对不均匀度：机械系统的等效构件的最大角 速度与最小角速度之差： • 能否仅用 • 例如： 来衡量速度的波动程度哪？
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10.4 机械系统的周期性速度波动及其
调节方法
• 系统运转的不均匀系数(速度波动系数)： ω max − ω min • δ = ωm • 设计时
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10.3.1 能量形式的运动方程
• 根据动能定理：
– 以转动等效构件为例。 以转动等效构件为例。 设等效构件由位置1运 1 动到位置2，等效构件 运动方程的能量形式：
或
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10.3.2
• 将
式中，
力矩形式的运动方程
，求解机
1. 等效构件的角速度 ω
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2. 等效构件的角加速度
ε
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3. 系统的运动时间
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10.4 机械系统的周期性速度波动 及其调节方法
• 1 .周期性速度波动产生的原因 周期性速度波动产生的原因
第十章 机械系统动力学
• 掌握等效动力学模型建立方法； • 掌握机械系统速度波动的调节方法，包 括周期性和非周期性速度波动调节； • 掌握飞轮调速原理与飞轮设计。
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第十章 机械系统动力学
• 机械系统一般由原动机、传动机构和执 行机构组成。 • 研究机械系统动力学目的：
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ωmax,
ωmin
)来确定飞轮的转动
10.5 飞轮的设计
等效力矩 飞轮设计 等效转动惯量 平均角速度 机械运转速度不均 匀系数的许用值 飞轮尺寸 飞轮转动 惯量
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10.5 飞轮的设计
• 10.5.1 飞轮设计的基本原理
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10.4 机械系统的周期性速度波动及其
调节方法
• 在周期T内的平均角速度： • 或 • 为一个循环中等效构件的转角。 • 工程计算中常用算术平均角速度来近似地代替 实际的平均角速度：
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10.4 机械系统的周期性速度波动及其
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10.2 机械的等效动力学模型
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2、 等效力矩 、
• 求等效力矩遵循的原则：作用在各构件上的外力和外力矩 所作功(功率)之和等于作用在等效构件上的等效力矩（或 力）所作功(功率)。 – 选转动构件为等效构件，根据功率等效原则：
写成微分形式:
• 等效构件运动方程式的力矩形式：
如果Je为常数，
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10.3.3 机械运动方程的求解
• 以等效构件为转动构件，等效力矩和 等效转动惯量为机构位置函数的情况 为例。 • 已知 械的真实运动。 • 采用机械系统运动方程的能量形式。
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4、 举例 、
求曲柄滑块机构中曲柄上的等效力矩。
– 选曲柄为等效构件，利用功率等效原则：
– 等效力矩： – 等效转动惯量：
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10.3 系统的运动方程及求解
• 常用的机械运动方动力：原动机发出的力(力矩)。
– 常用原动机有：内燃机、直流电动机、交 流电动机 – 机械特性：机械的力学参数(力或力矩)与运 动参数(位移、速度、加速度)之间的关系。 ( ) 例如： a、内燃机发出的驱动力是活塞位置的函数； b、电动机发出的驱动力矩是转子角速度的函 数。
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δ ≤ [δ ]
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10.4 机械系统的周期性速度波动及其
调节方法
• 3. 周期性速度波动的调节方法
– 为了减小机械运转时的周期性速度波动，最 常用的方法是安装飞轮。 **飞轮设计的基本问题 飞轮设计的基本问题: 飞轮设计的基本问题 – 根据机器实际需要的平均角速度 ωm和许可的 不均匀系数 δ ( 惯量 。
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10.1.2 机械的运转过程
• 机械系统的运转过程分为三个阶段： 启动、稳定运转和停止。
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10.1.2 机械的运转过程
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10.1.2 机械的运转过程
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(2)采用调速器调节 (没有自调性的系统 采用调速器调节 没有自调性的系统 没有自调性的系统)
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参考文献
• 1 机械系统运动方程求解方法 • 唐锡宽著，“机械动力学”，北京：高等教育 出版社，1984 • 徐业宜主编，“机械系统动力学”，北京：机 械工业出版社，1991 • 2 多自由度系统动力学 • 王洪恩主编，“机械动力学”，重庆大学出版 社，1989 • 唐锡宽著，“机械动力学”，北京：高等教育 出版社，1984