機(jī)組運轉(zhuǎn)及飛輪調(diào)節(jié)實驗解讀

1、機(jī)組運轉(zhuǎn)及飛輪調(diào)節(jié)實驗機(jī)組運轉(zhuǎn)及飛輪調(diào)節(jié)實驗實驗指導(dǎo)書一、實驗?zāi)康? 理解機(jī)組穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時速度出現(xiàn)周期性速度波動的原因；2 理解飛輪的調(diào)速原理；3 熟悉機(jī)組運轉(zhuǎn)時工作阻力的測試方法；4 掌握機(jī)器周期性速度波動的調(diào)節(jié)方法和設(shè)計指標(biāo)；5 利用實驗數(shù)據(jù)計算飛輪的等效轉(zhuǎn)動慣量，設(shè)計飛輪。二、實驗器材1DS-II 型飛輪實驗臺， 如圖 1 所示，它包含有：0.7MPa 小型空氣壓縮機(jī)組、 主軸同步脈沖信號傳感器、MPX700 系列無補(bǔ)償半導(dǎo)體壓力傳感器；2 實驗數(shù)據(jù)采集控制器（ DS-II 型動力學(xué)實驗 儀）；3 計算機(jī)及相關(guān)實驗軟件。三、實驗設(shè)備簡介1 DS-II 型飛輪實驗臺 本實驗采用杭州星辰儀器設(shè)

2、備公司研制開的 DS-II 型飛輪實驗臺。如圖 1 所示，該實驗臺 空壓機(jī)組、飛輪、傳動軸、機(jī)座、壓力傳感器、主軸同步脈沖信號傳感器等組成。壓力傳感器已經(jīng)安裝在空壓機(jī)的壓縮腔內(nèi)， 9 為其輸出接口。 同步脈沖發(fā)生器的分度盤 7（光柵盤） 固裝在空壓 機(jī)的主軸上，與主軸曲柄位置保持一個固定的同步關(guān)系，同步脈沖傳感器的輸出口為8。開機(jī)時，改變儲氣罐壓縮空氣出口閥門 3的大小，就可以改變儲氣罐 2 中的空氣壓強(qiáng)，因而也就改變了機(jī) 組的負(fù)載， 壓強(qiáng)值可以從儲氣罐上的壓力表 11 上直接讀出。 根據(jù)實驗要求， 飛輪 4 可以隨時從傳 動軸上拆下或裝上，拆下時注意包管好軸上的平鍵5，在安裝飛輪時應(yīng)注意放入

3、平鍵，并且將軸端面固定螺母 6 擰緊。- 11 -本實驗臺采用的壓力傳感器是美國摩托羅拉公司的 MPX700 系列無補(bǔ)償半導(dǎo)體壓力傳感器， 該傳感器的最大優(yōu)點是線性度好、集成度高、輸出穩(wěn)定。傳感器結(jié)構(gòu)及接線如圖 2 所示，其敏感 元件為半導(dǎo)體敏感器材（膜片） ，壓敏部分采用一個 X 型電阻四端網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，替代由四個電阻組成的電橋結(jié)構(gòu)。在氣壓的作用下，膜片產(chǎn)生變形，從而改變電橋的電阻值，輸出與壓強(qiáng)相對應(yīng)的電壓信號。為了讓用戶使用方便，該傳感器的內(nèi)部電路已經(jīng)將電壓放大和傳感器熱補(bǔ)償電路集成 在一起，常溫情況下，在 5V 供電電壓時，相對于 0700MPa 的空氣壓強(qiáng)的輸出電壓為 0.24.5V 。本

4、公司研制的實驗數(shù)據(jù)采集控制器（ DS-II 動力學(xué)實驗儀）的機(jī)箱背后有兩個調(diào)節(jié)壓力傳感器零般不需重調(diào)。點和增益的旋鈕（調(diào)節(jié)螺釘） ，在供貨時，此參數(shù)已調(diào)好， 主軸同步脈沖信號傳感器是開發(fā)商自行設(shè)計的光 電式傳感器，它將空壓機(jī)主軸（曲柄）位置傳送給實驗 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在實驗臺安裝時，我們已經(jīng)將同步位置 安裝調(diào)整好，一般不需要重新調(diào)整。2 DS-II 型動力學(xué)實驗儀DS-II 型 動力學(xué)實驗儀內(nèi)部由單片機(jī)控制，它完成 汽缸壓強(qiáng)和同步數(shù)據(jù)的采集和處理， 同時將采集的數(shù)據(jù) 傳送到計算機(jī)進(jìn)行處理。它的面板如圖 3 所示。打開電 源，指示燈亮，表示儀器已經(jīng)通電。復(fù)位鍵是用來對儀 器進(jìn)行復(fù)位的。 如果發(fā)現(xiàn)儀

5、器工作不正?；蛘吲c計算機(jī) 的通訊有問題，可以通過按復(fù)位鍵來消除。儀器的背面 如圖 4 所示，有兩個 5 芯航空插頭，分別標(biāo)明壓強(qiáng)輸入 和同步信號輸入，將 DS-II 型動力學(xué)實驗臺的相應(yīng)插頭 插入插座即可。 在壓強(qiáng)輸入插座上方， 有兩個調(diào)節(jié)螺釘， 分別標(biāo)明“調(diào)零”和“放大”的字樣，是用來對系統(tǒng)的 零點和放大倍數(shù)進(jìn)行校核的。設(shè)備出廠時一般已調(diào)好，一般不要對這兩個調(diào)節(jié)螺釘進(jìn)行調(diào)節(jié)，以免使系統(tǒng)標(biāo)定產(chǎn)生混亂。背面上還有兩個通訊接口，一個是標(biāo)準(zhǔn)的9 針 RS232 接口，用于儀器與 計算機(jī)直接連接，另一個是多機(jī)通訊口，用于將本儀器與多機(jī)通訊轉(zhuǎn)換器連接，通過多機(jī)通訊轉(zhuǎn) 換器再接入計算機(jī)?？梢允褂眠@兩個接口

6、中的任意一個與計算機(jī)通訊四、實驗原理機(jī)器的運動規(guī)律， 是由各構(gòu)件的質(zhì)量、 轉(zhuǎn)動慣量和作用于各構(gòu)件上的力等多方面因素決定的。 作用在機(jī)器上大小、方向不斷變化的力，導(dǎo)致了機(jī)器運動和動力輸入軸（主軸）角速度的波動和 驅(qū)動力矩的變化。機(jī)器主軸速度過大的波動，對機(jī)器完成其工藝過程是十分有害的，它可以使機(jī) 器產(chǎn)生振動和噪聲，使運動副中產(chǎn)生過大的動負(fù)荷，從而縮短機(jī)器的使用壽命。然而這種波動大 多又是不可避免的。因此應(yīng)在設(shè)計中采取較經(jīng)濟(jì)的措施將過大的波動予以調(diào)節(jié)。工程實際中的大 多數(shù)機(jī)械， 其穩(wěn)定運轉(zhuǎn)過程中都存在著 周期性 速度波動。 為了將其速度限制在工作允許的范圍內(nèi)， 需要在系統(tǒng)中安裝飛輪。飛輪設(shè)計是機(jī)械

7、動力設(shè)計中重要內(nèi)容之一。由于等效力矩和等效轉(zhuǎn)動慣量的周期性變化引起速度的周期性波動。 例如沖床中，沖頭每沖 一個零件，速度就波動一次。在波動的一個周期內(nèi)，輸入功和總耗功是相等的，因此機(jī)器的平均 速度是穩(wěn)定的。但在一個周期中，任一時間間隔中輸入功和總耗功并不相等，所以瞬時速度又是 變化的。這種速度波動的大小可用飛輪來控制。裝置飛輪的實質(zhì)就是增加機(jī)械的轉(zhuǎn)動慣量，減少 周期性速度波動的程度。需要指出，使用飛輪不能使機(jī)械運轉(zhuǎn)速度絕對不變，也不能解決非周期 性速度波動問題， 因為如在一個周期內(nèi)， 輸入功一直小于總耗功， 則飛輪能量將沒有補(bǔ)充的來源， 也就起不了儲存和放出能量的調(diào)節(jié)作用。我們采用角速度的變

8、化量和其平均角速度的比值來反映機(jī)械運轉(zhuǎn)的速度波動程度，這個比值以 表示，稱為速度波動系數(shù)，或速度不均勻系數(shù)。1）max min為了使所設(shè)計的機(jī)械系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)過程中速度波動在允許范圍內(nèi)， 設(shè)計時應(yīng)保證 ， 為許 用值。飛輪設(shè)計的關(guān)鍵是根據(jù)機(jī)械的平均角速度和允許的速度波動系數(shù) 來確定飛輪的轉(zhuǎn)動慣 量。我們在機(jī)械原理課程中已經(jīng)學(xué)習(xí)過，飛輪轉(zhuǎn)動慣量的公式為JF900W 22n 2）其中 W 是最大盈虧功（ kJ）， n是主軸轉(zhuǎn)速（ r/min ）， 是允許的速度波動系數(shù)。 飛輪的轉(zhuǎn)動慣量確定后，就可以確定其各部分的尺寸了。飛輪按構(gòu)造大體可分為輪形和盤形 兩種。（ 1） 輪形飛輪輪形飛輪是最常用的飛輪。如

9、圖 5 所示，這種飛輪由輪轂、輪輻和輪緣三部分組成。由于與 輪緣相比，其他兩部分的轉(zhuǎn)動慣量很?。▋H占15左右），因此，一般可以略去不計。這樣簡化后，實際的飛輪轉(zhuǎn)動慣量稍大于要求的轉(zhuǎn)動慣量。若設(shè)飛輪外徑為D1 ，輪緣內(nèi)徑為 D2 ，輪緣質(zhì)量為 m ，則輪緣的轉(zhuǎn)動慣量為mJF m2 (D12 D224m 2 2) m8 (D12 D22)3）當(dāng)輪緣厚度 H 不大時，可近似認(rèn)為飛輪質(zhì)量集中于其平均直徑 D 的圓周上，于是得JF2mD244）式中， mD2 稱為飛輪矩，其單位為 kgm2。知道了飛輪的轉(zhuǎn)動慣量 JF ，就可以求得其飛輪矩。 當(dāng)根據(jù)飛輪在機(jī)械中的安裝空間， 選擇了輪緣的平均直徑 D 后，

10、即可用式（4）計算飛輪的質(zhì)量 m 。若設(shè)飛輪寬度為 B （ m），輪緣厚度為 H （ m），平均直徑為 D （ m），材料密度為 （ kg/m3）， 則1 2 2m（D12 D22）BBHD（5）4在選定了 D 并由式（ 4）計算出 m后，便可根據(jù)飛輪的材料和選定的比值H /B 由式（ 5）求出飛輪的剖面尺寸 H 和 B ，對于較小的飛輪，通常取 H /B 2 ，對于較大的飛輪，通常取 H /B 1.5 。（ 2） 盤形飛輪當(dāng)飛輪的轉(zhuǎn)動慣量不大時，可采用形狀簡單的盤形飛輪，如圖別為其質(zhì)量、外徑及寬度，則整個飛輪的轉(zhuǎn)動慣量為6 所示。設(shè) m 、 D 和 B 分6）當(dāng)根據(jù)安裝空間選定飛輪直徑 D

11、后，即可由式 （6）計算出飛輪質(zhì)量 m。又因 mD2B /4，故根據(jù)所選飛輪材料，即可求出飛輪的寬度 B 為7）4mD2應(yīng)當(dāng)指出，飛輪直徑不宜過大，詳見發(fā)散討論3。至于飛輪材料強(qiáng)度、剛度的校核問題已超出本實驗的范圍，此處不作討論，建議參看相關(guān) 的機(jī)械動力學(xué)教材。圖7五、實驗內(nèi)容1操作指南（1）連接 RS232 通訊線本實驗通過計算機(jī)來完成。將計算機(jī) RS232 串行口，通過標(biāo)準(zhǔn)的通訊線，連接到 DS-II 動力 學(xué)實驗儀背面的 RS232 接口，如果采用多機(jī)通訊轉(zhuǎn)換器，則需要首先將多機(jī)通訊 轉(zhuǎn)換器通過 RS232 通訊線連接到計算機(jī)，然后 用雙端電話線插頭，將 DS-II 動力學(xué)實驗儀連接到多

12、機(jī)通訊轉(zhuǎn)換器的任一個輸入口。（2）啟動實驗應(yīng)用程序飛輪實驗系統(tǒng)程序的界面如圖 7 所示。（3）拆卸飛輪，啟動空壓機(jī)組啟動以后，應(yīng)該檢查通訊口與實際連接的通訊口（ COM1 或 COM2 ）是否一致。如果不一致， 重新通過串口選擇菜單設(shè)置正確的通訊口。（4）對實驗系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定 在實驗系統(tǒng)第一次應(yīng)用之前，或者必要時，應(yīng)該對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。點擊應(yīng)用程序界面上的標(biāo) 定菜單，首先進(jìn)行大氣壓強(qiáng)的標(biāo)定。根據(jù)提示，關(guān)閉飛輪機(jī)組，打開儲氣罐閥門，并點擊【確定】如圖 10 所示。大氣壓強(qiáng)標(biāo)定以后，將出現(xiàn)第二個界面，提示對汽缸壓強(qiáng)進(jìn)行標(biāo)定如圖11所示。啟動空壓機(jī)組， 調(diào)整閥門， 將儲氣罐壓強(qiáng)根據(jù)儲氣罐壓力表所示調(diào)至試

13、驗要求的壓強(qiáng)值（0.15MP，0.3MP， 0.45MP），并將壓強(qiáng)值輸入系統(tǒng)點擊【 確定】 即可完成標(biāo)定。（5）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)標(biāo)定進(jìn)度條完成后，點擊【 采集 】按鈕對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集了。數(shù)據(jù)采集的結(jié)果將分別 顯示在程序界面上如圖 8 所示。界面左邊顯示的汽缸壓強(qiáng)值和主軸回轉(zhuǎn)速度值，本實驗數(shù)據(jù)是以 主軸（曲柄）的轉(zhuǎn)角為同步信號采集，每一點的采集間隔為曲柄轉(zhuǎn)動 6 度。右邊用圖表曲線顯示 汽缸壓強(qiáng)和主軸轉(zhuǎn)速。界面下方的文字框中將顯示主軸最大、最小、平均轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)不勻率，汽 缸壓強(qiáng)的最大、最小值和平均壓強(qiáng)。圖8（6）分析計算 數(shù)據(jù)采集完成以后，就可以對空壓機(jī)組進(jìn)行分析，點擊【 計算】 按鈕，系統(tǒng)將出

14、現(xiàn)第二個界面如 圖 9 所示。 在這個界面中， 將顯示空壓機(jī)組曲柄的主動力矩 （假設(shè)為常數(shù)） 、空壓機(jī)阻力矩曲線和 系統(tǒng)的盈虧功曲線。 下方的文字框中將顯示最大阻力矩平均驅(qū)動力矩、 最大機(jī)械能、 最小機(jī)械能、 最大剩余功等數(shù)據(jù)，以及根據(jù)用戶輸入的許可不均勻系數(shù)計算得到的系統(tǒng)所需的飛輪轉(zhuǎn)動慣量。圖92實驗步驟 要求按以下步驟操作，并將實驗數(shù)據(jù)記錄到表格中：（1）系統(tǒng)標(biāo)定；（2）不裝飛輪，關(guān)閉儲氣罐閥門，啟動機(jī)組，等運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后進(jìn)行采樣和計算，記錄數(shù)據(jù)（飛輪轉(zhuǎn) 動慣量要根據(jù)式 （2） 重新計算） 注意觀察盈虧功曲線 （藍(lán)色曲線） 在循環(huán)開始時和循環(huán)結(jié)束時是否 相交，亦即機(jī)組的速度波動是否為周期性的；

15、（3）改變儲氣罐閥門的大小，使負(fù)載表壓為0.45MPa、0.3MPa、 0.15MPa，分別進(jìn)行采樣和計算，記錄數(shù)據(jù)，最后關(guān)閉機(jī)組；（4）裝上飛輪，注意要放墊圈、擰緊螺母，關(guān)閉儲氣罐閥門，重新啟動機(jī)組，等運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后進(jìn)行 采樣和計算，記錄數(shù)據(jù)；（5）重復(fù)（ 3）；（6）將兩條適當(dāng)大小的橡皮泥粘在飛輪輪緣的內(nèi)側(cè)，關(guān)閉儲氣罐閥門， 啟動機(jī)組， 進(jìn)行采樣和計算，記錄數(shù)據(jù)，采樣后應(yīng)盡快關(guān)閉機(jī)組以防橡皮泥飛出；飛 輪負(fù)載平均轉(zhuǎn)速（r/min）回轉(zhuǎn)不均 率（%）平均壓強(qiáng) （KPa）平均驅(qū)動 力矩 （Nm）最大剩余 功（KJ）重新計算 飛輪轉(zhuǎn)動 慣量 （Nm2）不 裝 飛 輪無負(fù)載0.45MPa0.3MPa0

16、.15MPa裝 飛 輪無負(fù)載0.45MPa0.3MPa0.15MPa粘橡皮泥 （ 無負(fù)載 ）許用不均勻系數(shù) 六、說明與注意事項1 改變的大小，用以改變儲氣罐中的氣壓，相當(dāng)于改變空壓機(jī)組的負(fù)載。上述狀態(tài)實際上與各 種機(jī)械均有相似之處，如柴油機(jī)、沖床、起重機(jī)、軋鋼機(jī)甚至自動武器等，因此本實驗的研 究方法也可供研究其他設(shè)備之用。在實際操作時，可能機(jī)器振動會比較大，只要指針以需要 的負(fù)載壓強(qiáng)為中心較穩(wěn)定地擺動，即可進(jìn)行采樣，我們只需觀察數(shù)據(jù)的相對變化趨勢，并不 要求數(shù)據(jù)的絕對準(zhǔn)確性；2 要等到機(jī)組運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后再進(jìn)行采樣，這個時間大約為15 秒，實驗者可先練習(xí)采樣若干次，觀察所在的機(jī)組運轉(zhuǎn)穩(wěn)定所需的時間，

17、再正式記錄數(shù)據(jù)；3 采樣后點擊“計算” ，電腦會把飛輪轉(zhuǎn)動慣量計算好并顯示出來，這個結(jié)果并非由教材上的公 式計算而得（它的計算方法超出了本實驗的目的范圍） ，故要求同學(xué)根據(jù)測得的最大盈虧功重 新計算飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，記錄到表格中；4 在裝飛輪時，螺母一定要擰牢，防止在機(jī)組運轉(zhuǎn)時螺母飛出或飛輪脫離主軸造成危險。若在 開機(jī)時發(fā)現(xiàn)螺母松動，要立即關(guān)閉機(jī)組；5 打開儲氣罐閥門時動作要慢，不要一下子把閥門全部打開；6 在粘橡皮泥進(jìn)行實驗時，橡皮泥應(yīng)弄成均勻的條狀，而不要弄成片狀，要使橡皮泥覆蓋飛輪 內(nèi)緣圓周的 1/2，。而且應(yīng)盡量縮短機(jī)器運轉(zhuǎn)的時間，防止橡皮泥飛出；7 機(jī)器主軸應(yīng)經(jīng)常上油，防止生銹；橡皮泥

18、用好后要密閉保存，防止風(fēng)干。七、發(fā)散討論1 為了研究機(jī)械系統(tǒng)在外力作用下的真實運動情況，以便提出改進(jìn)設(shè)計的方法，提高機(jī)械的運 動精度和工作質(zhì)量，需要求解機(jī)械的運動方程式。由于機(jī)械系統(tǒng)的組成情況和作用于機(jī)械系 統(tǒng)中的外力的機(jī)械特性是多種多樣的，故等效力矩和等效轉(zhuǎn)動慣量的形式也各不相同：等效 力矩和等效轉(zhuǎn)動慣量都是機(jī)構(gòu)位置的函數(shù)（如內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的活塞式壓縮機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)等） ；等 效力矩是角速度的函數(shù)，而等效轉(zhuǎn)動慣量是常數(shù)（如由電動機(jī)驅(qū)動的鼓風(fēng)機(jī)、攪拌機(jī)等機(jī)械 系統(tǒng)）；等效力矩是機(jī)械位置和速度的函數(shù)，而等效轉(zhuǎn)動慣量是機(jī)械位置的函數(shù)（如由電動機(jī) 驅(qū)動的沖床、刨床等機(jī)械系統(tǒng)） 。加之等效力矩可能用函數(shù)表達(dá)式、曲線或數(shù)值表格的形式給 出，故不同情況下運動方程式的求解方法也各不相同。本實驗僅介紹了等效力矩為機(jī)構(gòu)位置 時飛輪轉(zhuǎn)動慣量的計算方法。2 需要注意的是，本實驗在討論飛輪轉(zhuǎn)動慣量的求法時，假定飛輪安裝在機(jī)械的等效構(gòu)件上。 實際設(shè)計時，若希望將飛輪安裝在其他構(gòu)件