chap10机械系统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。
机械的运转及其速度波动的调节
2. 能量形式的运动方程式
➢以回转构件为等效构件时
d[
1 2
Je ( ) 2 ]
Me ( , , t )dt
d
J e
2
2
Me ( , , t )dt
Med
第二十页，共37页。
d
J
e
2
2
Me ( , , t )dt
Med
d (Je 2 d
/ 2)
Me
Je
d( 2 / d
2)
2
2
dJ e
第六页，共37页。
▪交 流 异 步 电 动 机 机 械 特 性 曲
线——驱动力是转动速度的函 数。
M
A
B
N
Mn Md
▪其特征曲线可以(kěyǐ)用一条
通过N点和C点的直线近似代替。
直线M方d 程 为M：n0 /0 n
▪直流电机机械特性曲线 ▪——驱动力是转动速度(sùdù)
M的函数。
直流串 激电机
(fùhè)，它决定于机械的工艺特性。
1）生产阻力常数
第八页，共37页。
2）生产阻力是位移的函数
3）生产阻力是速度的函数
4）生产阻力是时间的函数
第九页，共37页。
§7-2 机械(jīxiè)的运动 一．机械运方动程(j式īxièyùndòng)方程
式的机一械运般动表(jī达xièy式ùndòng)方程式——机械上的力、构件的质量、
内力 (nèilì) 外力
惯性力
——反力、摩擦力
驱动力 生产阻力 重力
➢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。
机械运转速度波动的调节
第7章 机械运转速度波动的调节7.1 机械运转速度波动调节的目的和方法机械运转速度的波动可分为两类（1）周期性速度波动调节周期性速度波动的常用方法是在机械中加上—个转动惯量很大的回转件——飞轮。
盈功使飞轮的动能增加，亏功使飞轮的动能减小。
飞轮的动能变化为()20221ϖϖ-=∆J E ，显然，动能变化数值相同时，飞轮的转动惯量J 越大，角速度ω的波动越小。
（2）非周期性速度波动如果输入功在很长一段时间内总是大于输出功，则机械运转速度将不断升高，直至超越机械强度所容许的极限转速而导致机械损坏；反之，如输入功总是小于输出功，则机械运转速度将不断下降，直至停车。
汽轮发电机组在供汽量不变而用电量突然增减时就会出现这类情况。
种速度波动是随机的、不规则的，没有一定的周期，因此称为非周期性速度波动。
这种速度波动不能依靠飞轮来进行调节，只能采用特殊的装置使输入功与输出功趋于平衡，以达到新的稳定运转。
这种特殊装置称为调速器。
机械式离心调速器结构简单、成本低廉，常用于电唱机、录音机等调速系统之中；但它的体积庞大，灵敏度低，近代机器多采用电子调速装置实现自动控制。
本章对调速器不作进一步论述，下面各节主要讨论飞轮设计的有关问题7.2 飞轮设计的近似方法7.2.1 机械运转的平均速度和不均匀系数各种不同机械许用的机械运转速度不均匀系数δ，是根据它们的工作要求确定的。
例如驱动发电机的活塞式内燃机，如果主轴的速度波动太大，势必影响输出电压的稳定性，所以这类机械的机械运转速度不均匀系数应当取小一些；反之，如冲床和破碎机等一类机械，速度波动稍大也不影响其工艺性能，这类机械的机械运转速度不均匀系数便可取大一些。
几种常见机械的机械运转速度不均匀系数可按表7-1选取。
表7-1 机械运转速度不均匀系数δ的取值范围7.2.1 飞轮设计的基本原理飞轮设计的基本问题是：已知作用在主轴上的驱动力矩和阻力矩的变化规律，要求在机械运转速度不均匀系数δ的容许范围内，确定安装在主轴上的飞轮的转动惯量。
机械原理：机械系统的运转及其速度波动的调节
x
y
1
2
3
O
A
B
1
F3
v2
S2
S1
S3
M1
1
v3
2
例 图示曲柄滑块机构中，设已知各构件的角速度、质量、质心位置、质心速度、转动惯量,驱动力矩为M1，阻力F3。
通常选取机构中作定轴转动的原动件或移动的构件作为等效构件。
如用电动机驱动的搅拌机系统，则 Je＝常数， Me(ω)＝Med(ω)－Mer(ω)，
其运动方程式为
Me(ω）＝ Jedω /dt
（2）运动方程式的求解，
由上式分离变量得
dt＝Jedω /Me(ω)
即可求得 ω ＝ ω (t)，而α＝dω /dt。
再由dφ ＝ω dt积分得
机器在稳定运转阶段，其等效力矩一般是机械位置的周期性函数，即Me(φ＋φT）＝Me(φ）。
等效力矩作周期性变化，使机器时而出现盈功，时而出现亏功；
因此，当在等效力矩和等效转动惯量变化的公共周期内，机器的总驱动功等于总阻抗功（即Wd＝Wr）时，
则机器等效构件的角速度将发生相同周期的周期性速度波动。
等效动力学模型和机器运动方程式
（2）等效动力学模型的建立
首先，可选取机械中待求速度的转动或移动构件为等效构件， 并以其位置参数为广义坐标。
其次，确定系统广义构件的等效转动惯量Je或等效质量me 和等效力矩Me或等效力Fe。
其中Je或me的大小是根据等效构件与 原机械系统动能相等的条件来确定；
§ 11-2 机械系统的等效动力学模型和机器运动方程式
二、等效构件的选择、等效量的计算及等效动力学模型
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。
机械的运转及其速度波动的调节
i
n
n
i 1
该机械系统的运动方程式中，各构件的运动参数未知，不便求解。
单自由度机械系统
等效动力学模型
将对组合（复杂）机构的运动研究问题，简化为对某个构 件的运动研究，以便于研究机械系统的真实运动规律。 是否可以得到等效动力学模型？如何得到？
二、等效动力学模型的建立
(Setup of Equivalent Dynamic Model )
该机构在dt 瞬间的动能增量为：
dE d ( J1 1 / 2 m v / 2 J s 2 2 / 2 m3 v3 / 2)
2 2 2 s2 2 2
由动能定理，曲柄滑块机构的运动方程式
d ( J1 1 / 2 m2 vs22 / 2 J s 2 2 / 2 m3 v3 / 2) M 11 F3v3 dt
Wd-Wc=E2-E1>0
稳定运行
原动件速度保持常数或在 正常工作速度的平均值上 下作周期性的速度波动
原动件速度从正常工作速 度值下降到零
Wd-Wc=E2-E1=0
停 车
Wd-Wc=E2-E1<0
2、作用在机械上的驱动力和生产阻力
驱动力(driving forces)：由原动机输出并驱使原动件运动的力。 驱动力的变化规律决定于原动机的机械特性。
等效动力学模型
等效转化原则：使系统转化前后的动力学效果保持不变
等效构件的动能，应等于整个系统的总动能 等效构件的功率，应等于整个系统所有外力 的功率之和。 动能不变 功率不变
等效动力学模型
等效力矩：Me 等效转动惯量：Je
等效力：Fe 等效质量：me
d J e 2
2
机械运转速度波动的调节
机械运转速度波动的调节引言在机械工程中，控制机械设备的运转速度是一项关键的技术任务。
然而，在实际应用中，机械设备的运转速度往往存在波动现象，这会影响到机械设备的高效工作和稳定性能。
因此，如何调节机械运转速度的波动成为一个重要的问题。
本文将介绍机械运转速度波动的原因和调节方法，并探讨其在实际应用中的意义。
机械运转速度波动的原因机械运转速度的波动通常是由多种原因造成的，下面是一些常见的原因：1. 供电电源波动供电电源的波动经常会对机械的运转速度产生影响。
当电源的电压或频率发生变化时，会导致机械设备的供电情况不稳定，从而引起机械运转速度的波动。
2. 机械结构刚度不足机械设备的结构设计中，刚度是一个重要参数。
如果机械设备的结构刚度不足，就会使得机械在运转过程中容易产生振动，进而导致运转速度的波动。
3. 机械磨损故障机械设备在使用一段时间后，由于磨损和故障的影响，往往会导致运转速度的波动。
例如，轴承的磨损会导致摩擦增大、转动阻力增加，从而引起运转速度的波动。
4. 控制系统失效机械设备的运转速度通常是通过控制系统来实现的。
如果控制系统出现故障或失效，将会导致运转速度的波动。
例如，控制信号的干扰、传感器的故障等都可能导致运转速度的波动。
机械运转速度波动的调节方法对于机械运转速度波动的调节，可以采取以下方法进行操作：1. 电源稳压稳频为了解决机械设备运转速度波动的问题，可以采用稳压稳频技术。
通过使用稳压稳频器等设备，可以有效地控制供电电源波动，避免供电不稳造成的运转速度波动。
2. 增加机械结构的刚度提高机械设备的结构刚度，可以减少机械在运转过程中的振动，从而减小运转速度的波动。
这可以通过增加机械设备的重量或改善结构设计等方法来实现。
3. 定期维护与检修定期维护和检修机械设备是保持其正常运转的重要手段。
通过定期更换磨损严重的零部件、清洁设备、润滑部件等操作，可以减少机械设备的故障和磨损，从而降低运转速度的波动。
4. 改善控制系统如果机械设备的运转速度波动主要是由于控制系统的失效造成的，那么可以通过改进和优化控制系统来解决问题。
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②生产阻力为机构位置的函数，如压力机; ③生产阻力为执行构件速度的函数，如鼓风机、搅拌机等；
④生产阻力为时间的函数，如球磨机、揉面机等； 本课程所讨论机械在外力作用下运动时，假定外力为已知。
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第十章机械系统的运转及其速度波动的调节 2 机械的运动方程
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第十章机械系统的运转及其速度波动的调节 1概 述
作用在机械上的驱动力和工作阻力
驱动力按机械特性可分为以下几类： ①驱动力为常数，即Fd=C； Fd
如利用重锤的质量作为驱动力， 机械特性如图所示 s
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作用在机械上的驱动力和工作阻力
驱动力按机械特性可分为以下几类： ③驱动力为角速度的函数，即Fd=f（ω）； 内燃机、电动机发出的驱动力矩 Md 均与其转子角速度有关。 内燃机机械特性如图所示 ω
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第十章机械系统的运转及其速度波动的调节 1概 述
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第十章机械系统的运转及其速度波动的调节 1概 述
机械运转的三个阶段
三个阶段：启动、稳定运转、停车。 停车阶段：
启动 稳定运转 停止
ω t
并不是所有机械的运转都有这三个阶段。如飞机起落架的收放 过程和汽车的自动门就只有启动和停车阶段。
机械基础及பைடு நூலகம்程力学系 王震国
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第十章机械系统的运转及其速度波动的调节 1概 述
研究内容及目的
1.研究在外力作用下机械的真实运动规律，目的是为运动分 析作准备。
2.研究机械运转速度的波动及其调节方法，目的是使机械的转 速在允许范围内波动，而保证正常工作。
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第十章机械系统的运转及其速度波动的调节 2 机械的运动方程
机械运动方程的一般表达形式
动能定律：机械系统在时间△t内的动能增量△E应等于作用于 该系统所有各外力的元功△W。 写成微分形式： dE=dW=Ndt y
A
举例：图示曲柄滑块机构中，设已知各构 件角速度、质量、质心位置、质心速度、 ω1 转动惯量,驱动力矩M1，阻力F3。
第十章机械系统的运转及其速度波动的调节 1概 述
作用在机械上的驱动力和工作阻力
驱动力按机械特性可分为以下几类： ②驱动力为位移的函数，即Fd=f（s）； 如利用弹簧力作为驱动力时，其 值为位移的函数。机械特性如图 所示 Fd
s
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第十章机械系统的运转及其速度波动的调节 1概 述
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第十章机械系统的运转及其速度波动的调节 1概 述
机械运转的三个阶段
三个阶段：启动、稳定运转、停车。 停车阶段：
启动 稳定运转 停止
ω t
在机械停止运转的过程中，一般已撤去驱动力，故驱动功 Wd 等于零。当阻抗功逐渐将机械的动能消耗尽时，机械便停止运 转，原动件角速度从正常工作速度值逐渐下降到零。这一阶段 的功能关系为： Wd-Wr-Wf=ΔE＜0
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第十章机械系统的运转及其速度波动的调节 1概 述
机械运转的三个阶段
三个阶段：启动、稳定运转、停车。 在各个阶段，各构件的功和能将发生变 化。由能量守恒定律，当机械运动时， 在任一时间间隔内，作用在其上的力所 做的功与机械动能增量的关系为： Wd-Wr-Wf=ΔE Wd 、 Wr 、 Wf 分别为驱动功、输出功和损耗功； ΔE 为该时间 间隔内的动能增量， ΔE=E2-E1
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第十章机械系统的运转及其速度波动的调节 1概 述
机械运转的三个阶段
三个阶段：启动、稳定运转、停车。 稳定运转阶段的状况有： ①匀速稳定运转：ω ＝常数 ② 周期变速稳定运转 ： ω (t)=ω (t+Tp) ③非周期变速稳定运转
启动 稳定运转 停止 启动 稳定运转 停止
O
y
A
1
2
M1 s2
ω2
v2 B
φ1
v3
3 x
F3
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第十章机械系统的运转及其速度波动的调节 2 机械的运动方程
机械运动方程的一般表达形式
1 1 2 2 ( m v J E Ei i i ci i ) 2 i 1 2 i 1
作用在机械上的驱动力和工作阻力
驱动力按机械特性可分为以下几类：
交流异步电动机的机械特性曲线
③驱动力为角速度的函数，即Fd=f（ω）； 交流异步电动机机械特性 工程上常将特性曲线作近似处理，如 用通过额定转矩点N的直线NC代替曲线NC Md=Mn(0－)/ (0－n)
A
Md
B N
ωn ω ω0
机 械
原 理
第十章 机械系统的运 转及其速度波动的调节
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第十章机械系统的运转及其速度波动的调节
§10－1 概述
§10－2 机械的运动方程 §10－3 机械系统运动方程的建立及其求解 §10－4 机械系统速度波动的调节
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④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。
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第十章机械系统的运转及其速度波动的调节 1概 述
机械运转的三个阶段
速度波动调节的方法 1.对周期性速度波动，可在转动轴上安装一个质量较大的回转 体（俗称飞轮）达到调速的目的。 2.对非周期性速度波动，需采用专门的调速器才能调节。 本章仅讨论飞轮调速问题。
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机械运转的三个阶段
三个阶段：启动、稳定运转、停车。 稳定运行阶段 运动特点：原动件的角速度保持为常 数，或在平均角速度的上下限内作周 期性的波动。此时，机械处于正常工 作状态。 稳定运转阶段的状况有： ①匀速稳定运转：ω ＝常数
机械运动方程的一般表达形式
举例：图示曲柄滑块机构中，设已知各构 件角速度、质量、质心位置、质心速度、 ω1 转动惯量,驱动力矩M1，阻力F3。 瞬时功率为： N=M1ω1+F3 v3cosα3 = M1ω1－F3 v3 运动方程为： d(J1ω21/2＋Jc2ω22/2＋m2v2c2 /2＋m3v23 /2) ＝(M1ω1－F3 v3)dt
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ω t
启动 稳定运转 停止
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机械运转的三个阶段
三个阶段：启动、稳定运转、停车。 启动阶段： ω t
启动
在启动阶段，原动件的角速度 ω从零逐渐上升到稳定的过程。 该阶段的特点为机械的驱动功Wd大于输出功Wr和损耗功Wf 之和，机械动能增加，原动件的角速度ω0从零逐渐上升到正 常运转的平均角速度ωm为止 Wd-Wr-Wf=ΔE＞0
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第十章机械系统的运转及其速度波动的调节 1概 述
研究内容及目的
概述：设计新的机械，或者分析现有机械的工作性能时，往往 想知道机械运转的稳定性、构件的惯性力以及在运动副中产生 的反力的大小、Vmax amax的大小，因此要对机械进行运动分析。 而前面所介绍的运动分析时，都假定原动件作匀速运动(ω＝ const)。但在大多数情况下，ω≠const，而是力、力矩、机构位 置、构件质量、转动惯量等参数的函数：ω＝F(P、M、φ、m、 J)。只有确定了的原动件运动ω的变化规律之后，才能进行运动 分析和力分析，从而为设计新机械提供依据。这就是研究机器 运转的目的。
启动 稳定运转 停止
ω t
启动 稳定运转
ω
ωm t
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第十章机械系统的运转及其速度波动的调节 1概 述
机械运转的三个阶段
三个阶段：启动、稳定运转、停车。 ω t
稳定运行阶段 运动特点：原动件的角速度保持为常 启动 稳定运转 数，或在平均角速度的上下限内作周 期性的波动。此时，机械处于正常工 在一个周期内，系统的 作状态。 功能关系为： 稳定运转阶段的状况有： Wd-Wr-Wf=ΔE=0 ②周期变速稳定运转：ω (t)=ω (t+Tp)
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第十章机械系统的运转及其速度波动的调节 1概 述
作用在机械上的驱动力和工作阻力
为了研究在力作用下机械的运动，可以把作用力按其机械 特性来分类。所谓机械特性，通常是指力（或力矩）和运 动学参数（位移、速度、时间等）之间的函数。 驱动力按机械特性可分为以下几类： ①驱动力为常数，即Fd=C； ②驱动力为位移的函数，即Fd=f（s）； ③驱动力为角速度的函数，即Fd=f（ω）；
作用在机械上的驱动力和工作阻力
驱动力按机械特性可分为以下几类： ③驱动力为角速度的函数，即Fd=f（ω）； 内燃机、电动机发出的驱动力矩 Md 均与其转子角速度有关。 交流异步电动机机械特性如图所 示 ω
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