动力学调速实验指导书最终版

机械系统动力学调速实验

一、实验目的

1、通过机械系统的动力学调速实验，观察机械的周期性速度波动现象，并掌握利用飞轮进行速度波动调节的原理和方法；

2、通过利用传感器等先进的实验技术手段进行实验操作，训练掌握现代化的实验测试手段和方法，增强工程实践能力；

3、通过进行实验结果与理论数据的比较，分析误差产生的原因，增强工程意识，树立正确的设计理念。

二、实验装置和实验原理

1、实验装置

图2机械系统动力学调速测试实验原理图

实验装置实物照片如图1所示，它由驱动电机通过带传动和一个曲柄滑块机构相连，曲柄的实际转速通过光电传感器进行实时测定，采集的原始信号经过控制板进行放大处理以及A/D 转换后，输入计算机进行数据处理，如图2。

2、实验原理

图2中I 为曲柄滑块机构示意图，滑块和一个提供阻力的弹簧相连。作用在曲柄上的等效驱动力矩和等效阻抗力矩是主动件转角φ的周期性函数，且在等效驱动力矩、等效阻力矩及等效转动惯量变化的公共周期内（这里均为360o），驱动功=阻抗功，在稳定运转期间主动件的速度（角速度）波动亦按周期性波动，其运转不均匀程度，用运转速度不均匀系数δ表示，大小为：

δ=(ωmax -ωmin )/ωm （1）

式中，ωmax 为周期中最大角速度，ωmin 为周期中最小角速度，ωm 为平均角速度，可表示

图1 动力学调速实验台实物照片

为

ωm=(ωmax+ωmin)/2 （2）所谓机器运转周期性速度波动的调节，其目的就在于减小速度波动使其达到机器工作所允许的程度；或者说，减小机器运转速度不均匀系数δ，使其不超过许用值[δ]。周期性速度波动的调节方法，是在机器中安装一个具有很大转动惯量的构件即所谓飞轮，其调速原理简述如下：

在一个周期中系统最大动能E max与最小动能E min之差称为最大盈亏功，以W示之，即

W=E max–E min=(J0+J F)(ωmax2–ωmin2)/2 （3）式中J0为机械系统本身的等效转动惯量，J F为飞轮等效转动惯量。由（1）~（3）式推导得

δ=W/[ωm2(J0+J F)] （4）当机器的等效力矩确定的情况下，最大盈亏功是一个确定值，由式（4）可知欲减小δ的值，可增大等效转动惯量J0或增大ωm，一台机器制造完成后J0是一个确定值，故在机器中外加一个转动惯理为J F的飞轮即可减小δ达到调速的目的。

3、机械系统基本参数

被测机构为曲柄滑块机构，如图3所示

图3曲柄滑块机构

1）曲柄原始参数

曲柄AB的长度L AB=0.05 m。

曲柄质心S1到A点的距离L AS1=0.025 m。

平衡块的转动惯量J p=0.00674 kgm2。

飞轮1的转动惯量J F=0.00657 kgm2。（未加飞轮）

飞轮2的转动惯量J F=0.01426 kgm2。（加小飞轮）

飞轮3的转动惯量J F=0.02582 kgm2。（加大飞轮）

曲柄AB的质量M1=0.253 kg。

曲柄AB绕质心S1的转动惯量J S1=0.000142 kgm2。

2）连杆原始参数：

连杆BC的长度L BC=0.18 m。

连杆质心S2到B点的距离L BS2=0.045 m。

连杆BC的质量M2=0.579 kg。

连杆绕质心S2的转动惯量J S2=0.00081 kgm2。

3）滑块原始参数：

滑块质量M3=0.335 kg。

偏距值（上为正）e=–0.02 m。

4）弹簧原始参数：

弹簧刚度k=1100N/m

弹簧初压量L=0.01m。

5）动力原始参数：

电动机（曲柄）的功率P：可调0~90 W。

电动机（曲柄）的特性系数G=9.724 rpm/Nm。

许用速度不均匀系数δ：按机械要求选取。

4、软件使用说明

图4速度波动调节界面

图4为软件的主界面，其各按钮的作用如下：

[原始参数]：单击此键，弹出曲柄滑块机构参数输说明界面。

[速度实测]：单击此键可以看到实测时的曲柄运动规律曲线及实测结果。

[速度仿真]：单击此健将动态显示曲柄滑块机构即时位置和曲柄动态的角速度曲线图。

[实验说明]：单击此键，弹出速度波动调节实验说明界面。

[打印]：单击此键，弹出打印对话筐，将曲柄真实运动仿真曲线图和实测曲线图打印出来或保存为文件。

[退出]：单击此键，结束程序的运行，返回WINDOWS界面。

三、实验内容和实验步骤

1、实验内容

1）曲柄的运动仿真：软件通过数值计算（理论模型离散后求解）得出的理论运动规律，作出角速度线图；进行速度波动调节计算，分析飞轮转动惯量的影响。

2）曲柄真实运动的实测：通过曲柄上的角位移传感受器和A/D转换器进行采集，转换

和处理，并输入计算机显示出实测的曲柄角速度线图和角加速度线图；与理论角速度线图分析比较，使学生了解机构结构对曲柄的速度波动的影响。

2、实验步骤

1)打开计算机，双击“速度波动调节”图标，进入速度波动调节试验台软件系统的封面。单出左键，进入曲柄滑块机构原始参数输入界面；

2)首先，曲柄轴上不安装飞轮，在测试软件主界面“实验序号”数据框内填入“0”（代表无飞轮）；

3)将转速旋钮调至最小，按实验台红色启动键，启动实验台的电动机，逐渐调大调速旋钮，待运转正常后，单击软件界面上“开始测试”按钮，进行测试。此时软件中平均转速一栏可以读出曲柄平均转速。继续调节实验台转速旋钮，观察软件上显示的平均转速的变化。为了便于实验的开展，建议将平均转速调节至240~300 rpm。记录平均转速n；

4)单击“速度实测”键；进行数据的采集和传输，显示在一个周期中实测的角速度曲线图，记录速度不均匀系数等数据；

5)单击“速度仿真”键，软件动态显示数值仿真结果，记录速度不均匀系数等数据。

6)如果要打印仿真角速度和实测的角速度曲线图，在软件界面下方单击“打印”键，打印机自动打印；如果要查询实验数据，在“查询角度”文本框输入查询的曲柄位置角度（由于软件原因，只能查询14.4o的整数倍的位置）；

7)单击软件界面中的“停止测试”键，调整实验台的调速旋钮使曲柄停止运动。安装小飞轮，在软件“实验序号”数据框内填写“1”（代表小飞轮）。将速度重新调至n附近，单击“开始测试”键后，重复上述4~6步。

8)单击软件界面中的“停止测试”键，调整实验台的调速旋钮使曲柄停止运动。安装大飞轮，在软件“实验序号”数据框内填写“2”（代表大飞轮）。将速度重新调至n1附近，单击“开始测试”键后，重复上述4~6步。

9)实验结束，单击“停止测试”键，调整实验台的调速旋钮使曲柄停止转动，关闭实验台电源。将实验测试运动曲线拷贝下来，退出软件。

10)整理实验台。

四、注意事项

1、由于软件本身的原因，请务必按照实验序号为0、1、2的顺序进行实验，否则

会提示出错；

2、飞轮必须可靠固定，防止实验时飞出造成事故；

3、为了防止弹簧发生永久性变形，在实验完成后，必须手动旋转曲柄，使弹簧处

于完全放松状态。

4、实验前准备好U盘，以便拷贝实验曲线图形。

五、实验思考与讨论

1、根据实验数据，分析大飞轮与小飞轮调速对传动平稳性的影响？哪一种好？为什么？

2、飞轮调速的方法适用于那类机械？

3、平均转速提高后，速度不均匀系数怎样变化，为什么？

深圳大学实验报告

课程名称：机械原理

实验名称：机械系统动力学调速实验

学院：机电与控制工程学院

专业：机械设计制造及其自动化

指导教师：王红志黄桂坚徐可可刘海军报告人：组学号：

班级：实验时间：

实验报告提交时间：

教务处制

一、实验目的

二、实验内容及基本原理

三、简述实验步骤

四、数据分析

（除了最后一页记录的原始数据，还要在此附上三种情况下实验曲线截图，并进行分析）

五、思考讨论与心得体会

指导教师批阅意见：

实验报告规范性、撰写形式与质量(20%)

现场完成情况(40%)

数据处理与思考题（30%）

附加题（10%）

成绩评定：

批改教师签字：

年月日备注：原始数据记录

转速n=_______________ rpm

实验序号0（无飞轮）实验序号0（无飞轮）实验序号0（无飞轮）实测仿真实测仿真实测仿真

δ

ωmax

ωmin

指导教师签字：日期：年月日

注意：本页在实验前要打印出来，实验时带到实验现场，做完实验后由实验指导教师确认签字，实验指导老师根据现场完成情况，给出现场实验成绩，满分40分。之后，由学生带回进行分析并完成整个实验报告，在提交实验报告时附在报告最后一页，以便批阅教师给出该实验的综合成绩。