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机械设计基础-机械的运转及其速度波动的调节 第15章 机械的运转及其速度波动的调节 第15章 机械的运转及其速度波动的调节 教学目标： 通过本章的学习，要求读者了解机械的一般运转过程，学会研究机械系统的真实运动规律的方法，通过合理设计来减少机械运转速度的波动。 教学重点和难点： ◆机械的一般运转过程 ◆等效力和等效力矩，等效质量和等效转动惯量 ◆机械的等效动力学模型及其求解 ◆机械的周期性速度波动和非周期性速度波动及其调节方法 ◆飞轮的转动惯量，最大盈亏功 ◆飞轮的主要尺寸 第15章 机械的运转及其速度波动的调节 案例导入： 在剪床、冲床和曲柄压力机等冲压机械中一般都安装有飞轮。这些机械具有共同的特点，作用在其上的都是尖峰载荷，即机械在一个冲压周期中只在一段很短的时间内做功，但做功所需的能量很大。飞轮具有储存和释放能量的功效，这类机械安装飞轮后不但可以减少机械在运转时的速度波动，还可以利用飞轮在非工作时间内储存的能量来克服尖峰载荷，大大减少所需的原动机功率，相应地节约能源。 本章的主要内容是介绍研究机械系统的真实运动规律和通过合理设计来减少机械运转速度波动的方法。 第15章 机械的运转及其速度波动的调节 15.1 机械的运转过程 15.2 机械的等效动力学模型 15.3 机械运动方程式及其求解 15.4 机械的速度波动及其调节方法 15.5 飞轮设计 15.6 本章实训 15.7 习题与练习 15.1 机械的运转过程 15.1.1 作用在机械上的力 15.1.2 机械的运转过程 15.1 机械的运转过程 从分析作用在机械上的力及其变化规律入手，可以了解机械的一般运转过程。 15.1.1 作用在机械上的力 研究机械运转问题，必须知道作用在机械上的力及其变化规律。当机械中各构件的重力以及运动副中的摩擦力可以忽略不计时，作用在机械上的力只有原动机输出的驱动力和执行构件所承受的工作阻力。 1. 驱动力 由于原动机的机械特性有所不同，它们输出的驱动力可以是不同运动参数的函数。典型的如蒸汽机、内燃机等输出的驱动力是活塞位置的函数，而电动机输出的驱动力矩则是转子角速度的函数。 15.1.1 作用在机械上的力 2. 工作阻力 执行构件所承受的工作阻力取决于机械的工艺特点。有些机械在某段工作过程中的工作阻力可以看作为常数（如机车），有些机械的工作阻力是执行构件位置的函数（如曲柄压力机），有些机械的工作阻力是执行构件速度的函数（如鼓风机、搅拌机），还有少数机械的工作阻力是时间的函数（如球磨机）。 15.1.2 机械的运转过程 机械的运转过程一般可分为如图15.1所示的启动、稳定运转和制动三个阶段。 1. 启动阶段 指原动件的速度由零逐渐上升，直至开始进入稳定状态的过程。 2. 稳定运转阶段 指原动件的速度保持不变（称为匀速稳定运转）或围绕某一平均速度作周期性的波动（称为变速稳定运转）的阶段。图15.1中，T为变速稳定运转阶段速度波动的周期，ωm为原动件的平均角速度。 15.1.2 机械的运转过程 图15.1 机械的运转过程 15.1.2 机械的运转过程 3. 制动阶段 在该阶段，原动件的速度由稳定运转阶段逐渐下降到零。此时，由于驱动力通常已经撤掉，当阻抗功或机械中的摩擦力所产生的摩擦功将机械的动能消耗完以后机械便停止运转。 15.2 机械的等效动力学模型 15.2.1 等效动力学模型 15.2.2 等效力与等效力矩 15.2.3 等效质量与等效转动惯量 15.2 机械的等效动力学模型 为了定量分析机械的运转过程，有必要建立机械的等效动力学模型。本节介绍建立机械等效动力学模型的方法，其关键是正确确定等效构件上的等效力或等效力矩以及等效质量或等效转动惯量。 15.2.1 等效动力学模型 动力学研究运动和外力的定量关系。绝大多数机械属于单自由度系统，当其中某一构件的运动确定之后，整个系统的运动也就确定了。所以，可以将整个机械的运动问题转化为它的某一构件（称为等效构件）的运动问题进行研究，这样通常可以将问题的求解大为简化。针对等效构件建立的关于外力与运动参数之间的函数表达式就称为机械的等效动力学模型。 等效构件通常取为绕定轴转动的构件或作直线移动的构件（如图15.2所示）。 15.2.1 等效动力学模型 图15.2 机械的等效动力学模型 15.2.1 等效动力学模型 机械系统向等效构件进行等效转化的原则是： ◆两者在转化前后的动力学效应保持不变。等效构件的质量或转动惯量所具有的动能，应等于整个机械系统的总动能； ◆等效构件上的等效力或等效力矩所作的功（或所产生的功率），应等于整个机械系统的所有外力和外力矩所作的功（或所产生的功率）之和。 15.2.2 等效力与等效力矩 设作用在机械上的外力为Fi（i=