机械运转速度波动的调节
7 机械运转速度波动的调节
飞轮也可以安装在其它轴上，但必须保证两者所 具有的动能相等，即： E J2 / 2 J2 / 2 m m 2 2 得： J J /
若ω’m >ωm , 则： J ′< J 飞轮调速的实质：起能量储存器的作用。转速增高时， 将多于能量转化为飞轮的动能储存起来，限制增速的幅 度；转速降低时，将能量释放出来，阻止速度降低。 应用：锻压机械在一个运动循环内，工作时间短，但载 荷峰值大，利用飞轮在非工作时间内储存的能量来克服 尖峰载荷，选用小功率原动机以降低成本。
稳定运转
停止
启动 稳定运转 停止
匀速稳定运转时，速度不需要调节。
§7-1 调节的目的和方法
机械速度波动导致： 1. 机械振动，在运动副中引起附加动压力， 降低机械效率，降低零件的强度和寿命； 2. 对机床等加工机械将使产品质量和精度下降。 速度波动的类型： 周期性速度波动、非周期性速度波动
1. 周期性速度波动
第 7章
机械运转速度波动的调节
§7-1 调节的目的和方法
§7-2 飞轮设计的近似方法
机械的运转过程
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
ω
ωm t ω
t
启动 稳定运转 停止
ω
ωm t
启动
max min
2
max min m
已知主轴角速度：ω=ω(t)
ω
T 0
ωmax
φ T
1 平均角速度： m T
d
ωmin
额定转速不容易求得，工程上常采用算术平均值： ωm＝(ωmax+ωmin)/2 对应的转速： n ＝ 60ωm /2π rpm
17机械速度波动的调节
第17章机械速度波动的调节一、基本概念1.机械盈功和亏功将引起机械动能的增加和减少（因为驱动力做功和阻力做功不能每瞬间都相等），从而引起机械运转速度的波动。
机械速度波动会使运动副中产生附加的动压力，降级机械效率，产生振动，影响机械的质量和寿命。
采取措施把速度波动控制在许可的范围内，以减小其产生的不良影响，称为速度波动的调节。
机械速度波动有周期性和非周期性两类。
2.周期性速度波动调节的方法是在机械中加上一个转动惯量J很大的回转体——飞轮。
机械安装飞轮后，原动机的功率可能比未安装飞轮时大、小或相等。
3.非周期性速度波动（速度变化随机、无规则）调节采用调速器（一种采用反馈控制，使驱动力所作的功与阻力所作的功相适应以达到新的稳定运转状态的一种特殊装置）调节。
4.用表示机械的平均角速度，则，机械周期性速度波动的程度通常用机械运转速度不均匀系数表示，其值为，各种不同机械许用的不均匀系数是根据它们的工作性质确定的。
5.在一般机械中，其他构件所具有的动能与飞轮相比，其值常甚小，故在近似计算中可以用飞轮的动能代替整个机械的动能。
与飞轮的最大角速度、最小角速度相对应，其动能分别为最大动能、最小动能。
和之差表示在一个周期内动能的最大区间的最大亏功，通常称为最大盈亏功。
最大盈亏功也是最大盈功和最大亏功的代数差。
6.飞轮一般包括轮毂、轮辐和轮缘，主要质量分布在轮缘，轮毂和轮辐质量可以忽略。
因飞轮转速较高，为防止离心力引起的轮缘破裂，应校核飞轮外圆的圆周速度。
7.最大盈亏功、飞轮转动惯量、转速和不均匀系数之间的关系为。
可得（1）过分追求机械运转速度的均匀性会使飞轮庞大、笨重。
（2）机械只要有盈亏功，不均匀系数就不为零，而且最大盈亏功越大，机械运转越不均匀。
（3）从减小飞轮所需的转动惯量出发，宜将飞轮安装在高速轴上。
但有些机械考虑主轴的刚性好，也有将飞轮安装在机械主轴上。
（4）安装飞轮不仅可以避免机械运转速度发生过大波动，而且还可以利用其储放能量的特点来克服机械的短时过载。
第7章机械运转速度波动的调节
m V Dm HB
选定飞轮的材料和比值 H/B 之后，可得飞轮轮缘 的截面尺寸。
§7－3 飞轮主要尺寸的确定 二、实心圆盘式飞轮
1 D mD2 J m 2 2 8
2
D
选定圆盘直径D，可得 飞轮的质量：
m V
B
D 2
4
B
选定飞轮的材料之后，可得飞轮的宽度B。
原动机2的输入功与供 汽量的大小成正比。
当负荷突然减小时，原动 机 2 和工作机 1 的主轴转速升高。 由圆锥齿轮驱动的调速器主轴 的转速也随着升高，重球因离 心力增大而飞向上方，带动圆 筒 N 上升，并通过套环和连杆 将节流阀关小，使蒸汽输入量 减少。
1
工作机
原动机
2
N
蒸汽
图7-2 离心调速机构
§7－1 机械运转速度波动调节的目的和方法 二、非周期性速度波动
§7－2 飞轮设计的近似方法 对于不同的机器，因工作性质不同而取不同的值[δ]。 比如：发电机，冲床、破碎机
设计时要求：δ≤[δ] 表7-1 机械运转速度不均匀系数δ的取值范围
机械名称
[δ]
机械名称
[δ]
机械名称
[δ]
1/60～1/100
碎石机
1/5～1/20 汽车拖拉机 1/20～1/60 造纸织布 1/40～1/50 切削机床 1/30～1/40 纺纱机 发电机 1/100～1/300
反之，若负荷突然增 加，原动机及调速器主轴 转速下降，飞球下落，节 流阀开大，使供汽量增加。
1
工作机
原动机
2
用这种方法使输入功 和负荷所消耗的功（包括 摩擦损失）达成平衡，以 保持速度稳定。
N
蒸汽
机械运转速度波动的调节
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与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）非周期性速度波动假如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，因此称之非周期性速度波动。
这种速度波动不能依靠飞轮来进行调节，只能使用特殊的装置使输入功与输出功趋于平衡，以达到新的稳固运转。
这种特殊装置称之调速器。
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，近代机器多使用电子调速装置实现自动操纵。
本章对调速器不作进一步论述，下面各节要紧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与不均匀系数各类不一致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。
比如驱动发电机的活塞式内燃机，假如主轴的速度波动太大，势必影响输出电压的稳固性，因此这类机械的机械运转速度不均匀系数应当取小一些；反之，如冲床与破碎机等一类机械，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与阻力矩的变化规律，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。
机械运转速度波动的调节
机械设计基础
Machine Design Foundation
机械运转速度的调节
机械运转时，由于机械动能的变化会引起机械运转速度的波动， 这也将在运动副中产生附加动压力，使机械的工作效率降低，严重影 响机械的寿命和精度。因此必须对机械系统过大的速度波动进行调节， 使波动限制在允许的范围内，保证机械具有良好的工况，这就是机械 的调整问题。
返回
图17-2
机械设计基础
Machine Design Foundation
机械运转速度的调节
调节周期性速度波动的常用方法是在机械中加上一个转动惯量 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ΔE=J（ω2-ω02）/2，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。此外，由 于飞轮能利用储蓄的动能克服短时过载，故在确定原动机额定功率 时只需考虑它的平均功率，而不必考虑高峰负荷所需的瞬时最大功 率。由此可知，安装飞轮不仅可避免机械运转速度发生过大的波动， 而且可以选择功率较小的原动机。
1.1 机器速度波动的原因及类型
机器从启动到停止 一般经过三个阶段，如 图17-1所示。
图17-1 机器的运转过程
返回
机械设计基础
Machine Design Foundation
机械运转速度的调节
1.启动阶段 机器从静止状态启动到开始稳定运转的过程称为启动阶段。在 启动阶段中驱动功大于总消耗功（工作阻力功和损耗功之和），驱 动力的剩余部分用来增加机器的动能，因此在启动阶段机器主轴作 加速运动。 2.稳定运转阶段 当驱动功与总消耗功相等时，机器的动能不再增加，机器的速 度保持等速或绕某一速度作周期性波动。 3.停车阶段 当撤去驱动力开始停车时，机器的驱动功变为零。此时机器凭 借稳定运转时具有的动能克服阻力作功，机器的动能逐渐减少，主 轴转速逐渐下降。当储存的动能全部耗尽时机器完全停止运转。
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。
第七章 机械运转速度的波动调节
p.97
§7-1 机器运转速度波动调节的目的和方法
(一)调节机器速度波动的目的和方法 一.目的: 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，每一瞬间A驱≠A阻 (二 )A 机器主轴的平均角速度 A驱 ＞ 阻→盈功→机械动能↑ →机械速度的波动 和运转速度不均匀系数 A驱＜ A阻→亏功→机械动能↓
工作机 原动机
方法: 调速器→主要调节驱动力。 例:离心式调速器 图7-2 p.98
节流阀
蒸汽
离心式调速器的工作原理：
开口增大 回油增加 油箱供油 进油减少 转速降低 发动机用油
（二）机器主轴的平均角速度和运转速度不均匀系数
＊平均角速度: ωm≈ (ωmax＋ ωmin)/2 (7-2) （算术平均角速度）→名义速度 ＊运转速度不均匀系数:δ＝(ωmax－ωmin)/ωm
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 二.分类与方法: →这类机械容许的范围内
二.分类与方法: p.97
1. 周期性的速度波动: 图7-1 现象: 当外力(驱动力和阻力)作周期性变化→机器 主轴ω周期性变化→由图可知, ω在经过一个运动周 期T之后又变到初始状态→ 动能无增减。 整个周期中A驱＝ A阻→某一瞬间A驱≠ A阻 →引起速度波动。 调节方法: 加上转动惯量很大的回转件－飞轮。 T ω 盈功使飞轮动能↑ 亏功使飞轮动能↓
2.非周期速度波动
t
飞轮动能变化： △Ｅ＝1/2· Ｊ(ω ２－ ω02) Ｊ－飞轮的转动惯量 由式可见,飞轮Ｊ越大→使速度波动(实线) ↓ →同时，飞轮能利用储备的能量克服短时过载 →∴可选功率较小的原动机。 ω T
高等教育出版社第7章_机械设计基础第五版机械运转速度波动的调节
解：
（1）M ' 为常数
M ' 为一水平直线
一运动循环内驱动力所做的功为 2M ' ，应等于 一个运动循环内阻力矩所做的功，则
2M ' 100 2 400
4
2
M ' 200 N
（2）求最大盈亏功 Amax
讲解各区间的盈功或亏功，并做能量指示图
由能量指示图可知，ad区间出现最大盈亏功， 其绝对值为：
第
七
章
机械运转速度波动的调节
教学目标：
1、掌握机械产生周期性速度波动的原因及调节 ；
2、理解飞轮调速基本原理及飞轮设计近似方法。
教学重点和难点：
周期性速度波动的原因及调节 ；飞轮调速 的基本原理。
讲授方法： 多媒体课件教学
§7-1 机械运转 速度波动调节的目的和方法
机械运转时所受的外力包括： 驱动力和阻力
a
b
依次可以算出其他几个区间的输入与输出功差。 分别得到亏功，机器动能减小，标注负号；或得到盈 功，机器动能增加，标注正号。 盈亏功等于机器动能的增减量，设 Ea 为主轴角位 臵 a 时机器的动能，则机器在其他几个角位臵时的 动能可表示为：
Eb Ea Aab Ec Eb Abc Ea ' Ea Ee Aea'
确定原动机额定功率时只需要考虑它的平均功率，
而不必考虑高峰负荷所需的瞬时最大功率。
安装飞轮不仅可以避免机械运转速度发 生过大的波动，而且可以选择功率较小 的原动机。
二、非周期性速度波动
随机的、不规则的、没有一定周期的速度波动 称为非周期性速度波动。 非周期性速度波动不能依靠飞轮进行调节， 只能采用特殊的装臵—调速器使输入功与输出功 趋于平衡。以避免因动能增加使机械运转速度过 高超越极限转速而导致机械损坏，或者因动能减 小使机械运转速度不断下降直至停车。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
由最大盈亏功(从ωmin 到ωmax 区间为最大盈功，从ωmin 到ωmax 区间为最大亏功)转化而来的。
即：()
δωωω22min 2max min max max 21m J
J E E A =-=-= 由此得到安装在主轴上的飞轮转动惯量
δω2m ax
m A J = (7-6)
由上式可知：1)当与ωm 一定时，飞轮转动惯量J 与机械运转速度不均匀系数δ之间的关系为一等边双曲线，如图7-3所示。
当δ很小时，略微减小δ的数值就会使飞轮转动惯量激增。
因此，过分追求机械运转速度均匀将会使飞轮笨重，增加成本。
2)当J 与ωm 一定时，A max 与δ成正比，即最大盈亏功越大，机械运转速度越不均匀。
3)J 与ωm 的平方成反比，即主轴的平均转速越高，所需安装在主轴上的飞轮转动惯量越小。
飞轮也可以安装在与主轴保持固定速比的其他轴上，但必须保证该轴上安装的飞轮与主轴上安装的飞轮具有相等的动能，即
22''2
121m m J J ωω= 或 2
''⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=m m J J ωω (7-7) 式中ωm '为任选飞轮轴的平均角速度，J'为安装在该轴上的飞轮转动惯量。
由上式可知，欲减小飞轮转动惯量，可以选取高于主轴转速的轴安装飞轮。
通常主轴具有良好的刚性，所以多数机器的飞轮仍安装在主轴上。
7.2.2 最大盈亏功Amax 的确定
计算飞轮转动惯量必须首先确定最大盈亏功。
若给出作用在主轴上的驱动力矩M'和阻力矩M"的变化规律，Amax 便可确定如下：
（a ） （b ）
在oa 区间，输入功与输出功之差为
()()]["'"'100S u u dxu y y u d M M A M a
M a oa ϕϕϕ=-=-=⎰⎰
如前所述，盈亏功等于机器动能的增减量。
设E O 为主轴角位置φo 时机器的动能，则主轴角位置φa 时，机器的动能Ea 应为
[]1S u u E A E E M o oa a a ϕ-=-=
[]2S u u E A E E M b ab a b ϕ+=+=
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
[]5S u u E A E E M d do d o ϕ-=-=
以上动能变化也可用能量指示图表示。
如图7-4b 所示，从o 点出发，顺次作向量oa 、ab 、、、表示盈亏功A oa 、A ab 、A bc 、A cd 、和A do (盈功为正，箭头朝上；亏功为负，箭头朝下)。
由于机器经历一个周期回到初始状态，其动能增减为零，所以该向量图的首尾应当封闭。
由图可知，d 点具有最大动能，对应于ωmax ，a 点具有最小动能，对应于ωmin ，a 、d 二位置动能之差即是最大盈亏功Amax 。
7.3 飞轮主要尺寸的确定
设轮缘的平均直径为D m ，则
4222
m m mD D m J =⎪⎭⎫ ⎝⎛= (7-8) 当按照机器的结构和空间位置选定轮缘的平均直径D m 之后，由式(7-8)便可求出飞轮的质量m(kg)。
设轮缘为矩形断面，它的体积、厚度、宽度分别为V(m 3)、H(m)、B(m)，材料的密度为ρ(kg ／m 3)，则
m=V ρ=πD m HB ρ (7-9) 选定飞轮的材料与比值B
H 之后，轮缘的截面尺寸便可以求出。
对于外径为D 的实心圆盘式飞轮，由理论力学知
8
2212
2
mD D m J =⎪⎭⎫ ⎝⎛= (7-10) 选定圆盘直径D ，便可求出飞轮的质量m 。
再从 ρπρB D V m 42
== (7-11)
选定材料之后，便可求出飞轮的宽度B 。
飞轮的转速越高，其轮缘材质产生的离心力越大，当轮缘材料所受离心力超过其材料的强度极限时，轮缘便会爆裂。
为了安全，在选择平均直径D m 和外圆直径D 时，应使飞轮外圆的圆周速度不大于以下安全数值：
对于铸铁飞轮 V max <36m ／s
对于铸钢飞轮 V max <50m ／s
应当说明，飞轮不一定是外加的专门构件。
实际机械中往往用增大带轮(或齿轮)的尺寸和质量的方法，使它们兼起飞轮的作用。
这种带轮(或齿轮)也就是机器中的飞轮。
还应指出，本章所介绍的飞轮设计方法，没有考虑除飞轮外其他构件动能的变化，因而是近似的。
由于机械运转速度不均匀系数容许有一个变化范围，所以这种近似设计可以满足一般使用要求。