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机械原理第八章机械的运转及其速度波动的调节
机械原理第八章机械的运转及其速度波动的调节机械的运转是指在特定的工作条件下，机械设备能够按照预定的方式进行工作。
而机械的速度波动是指机械在工作过程中发生的速度变化。
机械的运转及其速度波动的调节是保证机械设备正常运行、提高工作效率的重要环节。
本文将探讨机械的运转原理和调节方法。
一、机械的运转原理机械的运转原理是基于动力学原理，通过力的作用使机械设备产生运动。
机械的运转可以分为旋转和往复两种方式。
旋转运动即物体围绕一个轴线旋转，常见的旋转运动包括发动机的曲轴、电机的转子等。
往复运动即物体沿着直线来回运动，比如活塞的运动。
机械的速度波动是由于各种因素的干扰造成的。
主要的干扰因素有负载的变化、齿轮与链条传动的误差、电机运行过程中的震动等。
这些因素会导致机械的速度产生波动，使机械设备无法稳定运行。
二、机械的速度波动调节方法1.选择合适的传动装置传动装置是机械设备中重要的组成部分，合适的传动装置可以减小速度的波动。
在选择传动装置时应注意传动精度和传动效率。
齿轮传动和皮带传动是常用的传动形式，齿轮传动具有较高的传动精度，皮带传动可以减小传动过程中的冲击。
2.加强负载的稳定性负载的变化是速度波动的主要原因之一，因此加强负载的稳定性可以减小速度的波动。
可以通过增加惯性、增加负载惯性矩阵或通过减少负载的冲击来实现。
此外，还可以通过附加负载来提高机械的稳定性。
3.控制电机的运行电机是机械设备的重要部件，通过控制电机的运行可以减小速度的波动。
在控制电机运行时，可以采用电子调速器、变频调速器等控制方式。
这些设备可以根据负载情况来控制电机的转速，使其保持稳定。
4.做好动平衡机械设备的动平衡是保证机械运转稳定的关键。
通过对设备进行动平衡可以减小速度波动。
动平衡包括静平衡和动平衡两种，静平衡是指使旋转机械设备处于静止状态下，各部件受力平衡；动平衡是指使旋转机械设备在运转状态下，各部件受力平衡。
5.定期维护机械设备定期维护是保持机械设备运转正常的重要手段，通过定期检查和保养可以发现机械设备的故障并及时修复，减小速度波动的出现。
7《机械原理》机械的运转及其速度波动的调节
1. 建立机械运动方程式的基本原理
对于单自由度机械系统采用动能定理建立运动方程式。
动能定理 ——机械系统在某一时间 (dt) 内动能的增量 (dE)
应等于在该时间内作用于该机械系统的各外 力所作的元功 (dW)之和。 即： dE = dW
2. 机械运动方程式的一般表达式
dE = dW 如果机械系统由n个构件组成，作用在构件i上的作用力为 Fi，力矩 为Mi ，力Fi作用点的速度为vi ，构件的角速度为i ，则机构的总动 能为
n 2 2
2）取移动构件为等效构件 等效质量
等效力
vS i i me mi J v Si v i 1
n 2
2
vi i Fe Fi cos i M i v v i 1
惯性力
驱动力——由原动机产生。其变化规律决定于原动机的 机械特性。
原动机的机械特性：原动机发出的驱动力与运动参数（位移、
速度或时间）之间的关系称为原动机的机械特性。
F f (v ) M f ( )
或
不同的原动机具有不同的机械特性。
交流异步电动机机械特性
曲线 —— 驱动力是转动速度
M
B A
研究目的和内容1由于机械的运动规律是由各构件的质量转动惯量和作用力等因素决定的随时间变化而变化要对机械进行精确的运动分析和力分析就要研究在外力作用下机械的真实运动规2由于机械在运动过程中会出现速度波动导致运动副产生附加动压力并引起振动从而降低机械使用寿命效率和工作质量因此需研究机械运转过程中速度的波动及其调节方运动分析时都假定原动件作匀速运动实际上是多个参数的函数
曲柄滑块机构中： 已知： Js1；m2、 JS2； m3；M1、F3 。 设： 1、 2、vs2、 v3 。
机器的运转及其速度波动的调节课件
03
机器运转的调速器
调速器的种类与特点
01
02
03
04
机械调速器
利用机械机构实现速度调节， 具有结构简单、成本低、可靠
性高的特点。
电气调速器
利用电磁原理实现速度调节， 具有调节范围广、精度高的特
点。
液压调速器
利用液压原理实现速度调节， 具有输出力大、稳定性好的特
点。
气动调速器
利用气压原理实现速度调节， 具有反应快、易实现自动控制
机器的运转及其速度波动的调节课 件
目录
• 机器运转的基础知识 • 机器运转的速度波动 • 机器运转的调速器 • 机器运转的速度控制 • 机器运转的速度波动调节案例分析 • 总结与展望
01
机器运转的基础知识
机器运转的定义与原理
机器运转的定义
机器运转是指机器或设备在一定 的条件下，通过输入能量，使其 内部各部件产生连续不断的运动 ，以完成一定的功能。
液压调速器
适用于大型机械、工程机械等需要大功率速 度调节的场合。
电气调速器
适用于电力拖动系统、电机等需要精确速度 控制的场合。
气动调速器
适用于高速、高精度、自动控制的场合，如 生产线、自动化设备等。
04
机器运转的速度控制
速度控制的定义与目标
定义
速度控制是指通过调整机器的输入或输出， 使其达到预设的速度或保持稳定的运行状态 。
类型
根据产生原因和影响，速度波动可分为随机波动和周期性波 动。
速度波动的产生原因与影响
产生原因
机器运转过程中，会受到多种因素的影响，如负载变化、传动系统误差、运动 副间隙等，导致速度产生波动。
影响
速度波动可能导致机器运行不稳定，产生噪音、振动和磨损等问题，影响机器 的工作性能和寿命。
机械的运转及其速度波动的调节讲课文档
现在九页，总共三十一页。
等效转化的原则是：
等效构件的等效质量或等效转动惯量具有的动能等于原机械 系统的总动能；
等效构件上作用的等效力或力矩产生的瞬时功率等于原机 械系统所有外力产生的瞬时功率之和。
Fei n1Ficoisvvi M i vi
现在十六页，总共三十一页。
三、举例
图示曲柄滑块机构，已知构件1转动惯量J1，构件 2质量 m2，质心S2，转动惯量Jc2，构件3质量m3， 构件1上有驱动力矩M1，构件3有阻力F3，求等效
构件的等效参数。
现在十七页，总共三十一页。
(1) 以构件1为等效构件时，等
图a
现．等效质量和等效转动惯量
等效质量和等效转动惯量可以根据等效原则——等 效构件所具有的动能等于原机械系统的总动能来确 定。
对于具有i个活动构件的机械系统，构件i上的质 量为mi，相对质心Ci的转动惯量为JCi，质心Ci的速 度为vCi，构件的角速度为ωi，则系统所具有的总
掌握通过建立动力学模型建立力与运动参数之间的运动微分方 程来研究真实运动规律的方法。
第二，研究机械运转速度波动产生的原因及其调节方法。 现在二页，总共三十一页。
二、机械运动过程的三个阶段
机械运转过程一般经历三个阶段：起动、稳定运转和停 车阶段。
1、起动阶段： 外力对系统做正功 （Wd-Wr>0），系统的动 能增加（E=Wd-Wr)，机械
当外力对系统作亏功时，它又释放储存 的能量，使机械速度下降的幅度减小。
现在三十页，总共三十一页。
二、非周期性速度波动的调节
机械原理机械系统的运转及其速度波动调节
机械原理机械系统的运转及其速度波动调节机械原理：机械系统的运转及其速度波动调节引言：机械系统是现代工业中不可或缺的一部分，它由各种机械元件组成，通过一定的原理和方法来实现特定的功能。
在机械系统中，运转速度的稳定性是关键因素之一。
速度波动会导致机械部件损耗加剧、系统效率下降以及产品质量下降等问题。
因此，研究机械系统的运转原理以及速度波动调节是非常重要的。
一、机械系统的运转原理机械系统的运转离不开运动原理，其中最基本且常见的原理包括力的平衡原理、动力学原理和能量守恒原理。
1.1 力的平衡原理在机械系统中，力的平衡是保证系统稳定运行的前提。
当受力平衡时，系统各个部件才能处于稳定状态，实现稳定运转。
例如，当轴承受到垂直向下的压力时，如果力产生不平衡，就会导致轴承产生损耗，并可能引发其他问题。
1.2 动力学原理机械系统的动力学原理是研究物体运动的基本规律。
其中，牛顿第二定律是最为重要的原理之一，它描述了物体的加速度与作用力之间的关系。
在机械系统中，合理应用动力学原理可以准确计算机械元件的受力和运动状态，进而提高系统的稳定性。
1.3 能量守恒原理能量守恒原理是机械系统运转的基本原则。
在机械系统中，能量的转化与损耗是不可避免的。
因此，通过合理设计机械系统的能量传递路径和控制能量损耗，可以有效提高系统的运行效率。
二、机械系统的速度波动调节机械系统在运转过程中常常会出现速度波动的情况，这会对系统的正常运行造成不利影响。
因此，进行速度波动的调节是很重要的。
2.1 原因分析速度波动的产生往往有多种原因，包括机械元件的制造精度、摩擦损耗、传动系统的效率等。
通过分析速度波动的原因，可以有针对性地采取措施来调节和改善。
2.2 波动调节方法为了调节机械系统的速度波动，可以从多个方面入手。
首先，优化机械元件的设计和制造工艺，提高元件的制造精度，减小元件之间的摩擦。
其次，合理选择和配置传动系统，提高传动效率。
另外，引入减振装置，如减振器、减震器等，可以有效减小机械系统的振动，从而减小速度波动。
机械的运转及其速度波动的调节
机械的运转及其速度波动的调节机械的运转速度对于整个生产过程至关重要，而速度的波动会对生产效率和产品质量产生影响。
因此，调节机械的运转速度以及控制速度波动是非常重要的。
首先，要确保机械的运转速度稳定。
在调试机械设备时，需要确保各个部件都处于良好状态，特别是动力源和传动部件。
一旦发现问题，需要及时进行维修和更换，以确保机械的稳定运转。
其次，对于一些需要频繁调整速度的机械设备，可以采用自动控制系统来进行调节。
通过监控传感器或者电子设备，可以实时地调节机械的运转速度，以满足生产需求。
另外，对于一些特殊的生产工艺，可能需要更精准的速度控制。
这时，可以采用先进的调速设备，如变频器或者伺服电机，来实现精准的速度调节，以适应生产过程的需求。
在实际生产中，往往还会出现速度波动的情况，这可能是由于负载变化、传动部件磨损等原因导致的。
为了应对这种情况，可以采用一些控制策略，如PID调节器，来对速度波动进行补偿，以保持机械设备的稳定运转。
总的来说，机械设备的速度调节是一个复杂而又重要的问题，需要综合考虑机械设备本身的特点、生产过程的需求以及控制技术的应用。
只有合理地调节和控制机械的运转速度，才能保证生产过程的稳定、高效，同时也能提高产品的质量和降低能源消耗。
由于机械的运转速度对于生产过程至关重要，因而速度的波动会对整个生产过程产生重要的影响。
控制机械的运行速度以及调节速度波动是非常关键的，而这些都与机械设备的性能、控制系统和调节手段有密切关系。
首先，我们需要详细了解机械设备的性能特点，包括其工作原理、动力源、传动部件以及负载特性等。
不同类型的机械设备有着不同的运转特点，一些设备可能对速度波动非常敏感，而另一些设备则需要更大的速度范围。
因此，必须全面了解机械设备的工作原理，才能够采取有效的控制措施。
其次，控制系统在调节机械的运转速度中扮演着非常重要的角色。
传感器、执行器、控制器等部件构成了控制系统，可以实时地监测机械设备的运转状态，并且提供及时的反馈和控制。
机械的运转及其速度波动的调节
机械的运转及其速度波动的调节1. 引言机械的运转速度波动是指机械在运转过程中出现的速度波动现象。
这种波动可能由于系统的不稳定性、外部干扰或运转部件的磨损等原因引起。
为了保证机械的正常运转，并满足生产需求，需要对机械的速度波动进行调节和控制。
本文将介绍机械的运转原理、速度波动的原因以及调节方法，以帮助读者理解和解决机械速度波动问题。
2. 机械的运转原理机械运转的基本原理是通过能源输入和运动传递来实现工作。
常见的机械运转方式有电动机驱动、液压驱动和气动驱动等。
在机械运转过程中，能源将被转化为机械运动，驱动机械部件完成特定的工作任务。
机械运转的速度由驱动力的大小和机械部件的传动比决定。
在理想情况下，机械运转的速度应保持恒定。
然而，在实际应用中，可能会出现速度波动的情况。
3. 速度波动的原因速度波动可能由多种原因引起，包括系统不稳定、载荷变化、外部干扰和机械部件磨损等。
3.1 系统不稳定性系统的不稳定性是速度波动的主要原因之一。
不稳定性可能来自于运动传递系统的设计或制造缺陷，也可能是由于负载不均匀或调节器故障导致的。
3.2 载荷变化载荷的变化也会导致机械速度波动。
当负载突然增加或减小时，机械的运转速度可能无法即时适应，导致速度波动。
3.3 外部干扰外部干扰是指来自机械周围环境的干扰，如振动、温度变化、电磁干扰等。
这些干扰会对机械的运转速度产生影响，导致速度波动。
3.4 机械部件磨损机械部件的磨损也是速度波动的常见原因。
随着机械的使用时间增加，机械部件可能会出现磨损，降低传动效率，从而导致速度波动。
4. 调节方法为了解决机械速度波动问题，需要采取合适的调节方法。
下面介绍几种常用的调节方法。
4.1 优化系统结构和设计在机械设计阶段就要考虑到系统稳定性的问题。
通过优化系统结构和设计，提高系统的稳定性和减小速度波动的可能性。
4.2 采用速度调节器速度调节器可以有效地控制机械的运转速度。
通过对电机或液压系统进行调节，可以实时监测并调整机械的运转速度，从而减小速度波动的幅度。
机械原理07(本科)-运转及速度波动调节
3
Y
2 1
S1 M1
S2
3
S3 F3
X
4
1 2 E1 = J1ω1 , 2 1 2 E3 = m 3v 2
1 1 2 2 E 2 = J s 2ω 2 + m 2v s2 , 2 2 1 1 2 1 2 1 2 2 则：dE = d ( J1ω1 + Js2ω2 + m2vs2 + m3v3 ) 2 2 2 2
dW = (M1ω1 − F3v3 )dt
Y
2 1
S1 M1
S2
3
S3 F3
X
4
则曲柄滑块机构的运动方程式为： 则曲柄滑块机构的运动方程式为：
1 1 2 1 2 1 2 2 d ( J1ω1 + Js2ω2 + m2vs2 + m3v3 ) 2 2 2 2 = ( M1ω1 − F3v3 )dt
对于具有n个活动构件的机械， 设第i个构件 对于具有 个活动构件的机械， 设第 个构件 个活动构件的机械 的作用力为Fi、力矩为Mi，力Fi的作用点的速度 的作用力为 力矩为 构件的角速度为ω 为vi、构件的角速度为 i， Fi与vi间的夹角为 i。 间的夹角为α 机械运动方程式的一般表达式为
机器在稳定运 转阶段， 转阶段，其等效力 矩一般是机械位置 的周期性函数
Me d
Me r
φ
Med= Med (φ) φ Mer= Mer (φ) φ
φ
则等效驱动力矩和等效阻力矩所作的功分别为： 则等效驱动力矩和等效阻力矩所作的功分别为 ：
Wd (ϕ ) = ∫ Med (ϕ )dϕ
ϕa
ϕ
Me d
取转动构件为等效构件时， 取转动构件为等效构件时，有：
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机械运转的三个阶段
研究稳定阶段的速度波动
启动：驱动力做功等于阻力的功加系统动能增量 停车：阻力的功等于动能减量 稳定运转阶段： 动力功Wd =阻力功Wr′
功能关系 DW = Wd - Wr′ = E2- E1 =DE
只要 Wd ≠ Wr′ , 系统运动就不可能匀速
§2.机械系统运动方程和等效量
或
Medf
=
d
—1 2
Jew2
FedS = d —12 meV2
2. 能量形式
3. 力矩形式 力的形式
∫f f0
Medf
=
—1 2
Jew2
-
—1 2
Je0w02
∫ SS0FedS
=
—1 2
meV2
-
—1 2
me0V02
Me
=
—d ——12 —Jew—2 df
= ¨¨
=
Jee
+
—w2 2
—dJ—e df
wmin
ab
按 Me = Med - Mer = JFe
显然, 当 Med = Mer 时, e = 0 此时对应 w 的极值.
也就是说, Emax 和 Emin 发生在 Med = Mer 处, 也即在 Med 和 Mer 曲线的交点处.
●
9
j
若给定Med（驱动力矩）、Mer（阻力矩）的变化曲线，如何确定 △Wmax
...
Eo Ed -DWdoEd -Mj[S5]
从而
JF
DWmax
wm2d
●
JF
JF
DWmax
wm2d
几个问题 1）飞轮惯量与不均匀系数成反比。
（不均匀系数不宜太小） 2）飞轮惯量与角速度平方成反比。
（飞轮宜装于高速轴） 3）速度波动是不能完全消除的。
8
d
●
最大盈亏功的求取
1. 分析:
JF≥—Dw—Wm2 —[mdax]
w
wmax
DWmax 为 wmin 到 wmax 区间的外力功. DWmax = Emax - Emin
如果机械驱动力所作的功=阻力所作的功 A驱＝A阻→机械主轴匀速运转(风扇)
但许多机器，等效外力是等效构件转角的周期性函数， 每一瞬间A驱≠A阻，系统运动不可能匀速
A驱＞A阻→盈功→机械动能↑ →机械速度的波动 A驱＜A阻→亏功→机械动能↓
使运动副产生附加动压力→机械振动↑、η↓、质量↓ →必须对机 械速度波动进行调节→调节到这类机械容许的范围内。
wmin ab
∫ 即:
jjba Medax
-
—1 2
Jeawm2in
△ 两点间 (某区间) 的外力功 DW , 称盈亏功. DWmax 称最大盈亏功.
6
（ 7–24）
j
●
一般机器的 Je 变化较小,
为简化分析,
取 Jea≈ Jeb
令
Je
7
w w wd 则
1 D W ma x 2Je(
二、周期性速度波动的调节-安装飞轮 1 速度波动参数
◆运动循环 (运动周期)
在周期性稳定运转阶段, 机器 的位移、速度、加速度，由某一 值，经过最短的时间，全部回复 到原来的值，这一段时间, 称为 一个运动周期。
◆ 、平均角速度wm和速度不均匀度系数d
wm =
wmax + wmin 2
d=
wmax - wmin wm
d(12Jew2)Mewdt （7-21）
或
d(12mev2) FeVdt
●
二、等效动力学模型及四个等效量 等效动力学模型（等效构件）
等效转子模型 Me Je w
d(12Jew2)Mewdt
Jei n1[m (i(vwsi)2Jsi(w wi)2]
M ejn 1[Ficoais(w vi)M i(w wi)]
m 2 - axm 2 )i n m 2Je
从而
d
DWm a x
w
2 m
J
e
或
Je
DWm a x wm2 d
2）飞轮转动惯量的近似计算
当 d > [d] 时, 可增加一个转动惯量为 JF 的大质量的圆盘 — 飞轮.
并使
d DWmax [d] wm 2(JeJF)
一般, JF 》Je 故. d wDm2WmJaFx [d]
§1.机械的运转过程
第三章 运动分析,讨论构件间的运动关系（假设原动件作 等速运动，忽略了力对机构运动影响）。
实际上，机构原动件的运动规律由各构件的质量、转动惯 量和作用在机械上的力等因素决定，即原动件的运动规律并非 绝对均匀。
问题：1）如何确定机械的真实运动规律？ 2）如何控制机械速度波动的程度？
一、机械系统运动方程
(力与运动关系的方程)
dE = dW 或 dE = Pdt
B M1
A1
2 S2
F2 C 3 F3 4
dt 瞬间内 系统总动能的增量 = 系统各外力作的元功之和
dS(—12
2
miVSi
+
—12
JSi
wi2）=
S(FiVicosai
+
Miwi
)dt
（7-6）
上式复杂，运动变量较多，求解困难。对于单自由度机械系统， 可将其改造为只含一个运动变量的运动方程（等效运动方程）。
Fe
=
—d ——12 —me—V2 dS
= ¨¨
= mea + —V22—ddmS—e
4. 简化形式
( 当 Je 或 me 变化 很小或不变时)
Me = Jee
Fe = mea
●
§3.稳定运转状态下机械的周期性速度波动及其调节
一、速度波动的原因
由功能原理，任意时间间隔内,驱动力所作的功减去阻力 所作的功等于这个间隔的动能的增量： A驱-A阻=E2-E1 =△E
速度波动调节：控制d
d [d]
wm2ax- wm2in = 2dwm2
●
2、飞轮的简易设计方法
1） Je 与 d 关系
∫ 据动能形式的机械运动方程式
jj0Medj
=
—1 2
Jew2
-
—1 2
Je0w02
设 j 从 ja 到 jb ,
w
wmax
w 从 wmin 到 wmax ,
此时外力功为 DWmax .
Mer
Med
Med曲线与横坐标轴所包围的面积应表示驱动力矩所作的功 Mer曲线与横坐标轴所包围的面积应表示阻动力矩所作的功
最大盈亏功△Wmax的确定 －－能量指示图
Mer
Med
△Wmax
DWoa
a(M-M)dj
o
oaM(y-y)dxj
Mj[S1]
Ea Eo -DWoa Eo -Mj[S1]
Eb Ea DWabEa Mj[S2]
（7-17） 、（7-18）
等效点模型 Fe me v 1
d(2mev) FeVdt
me i n1[m (i(vvSi)2JS(iw vi)2]
Fejk1[Ficoais(vvi)Mi(wvi)]
（7-19） 、（7-20）
三.等效运动方程的几种形式
8
1. 微分形式
Mewdt = d —12 Jew2 FeVdt = d —12 meV2