機(jī)械原理第7章調(diào)速ppt課件

1、第七章第七章 機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)及其速度動(dòng)搖的調(diào)理機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)及其速度動(dòng)搖的調(diào)理7-1 7-1 概概 述述7-2 7-2 機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方程式機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方程式 7-3 7-3 機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方程式的求解機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方程式的求解7-4 7-4 機(jī)械的周期性速度動(dòng)搖及其調(diào)理機(jī)械的周期性速度動(dòng)搖及其調(diào)理7-5 7-5 機(jī)械的非周期性速度動(dòng)搖及其調(diào)理機(jī)械的非周期性速度動(dòng)搖及其調(diào)理重點(diǎn)：重點(diǎn)：1 1 能對(duì)單自在度機(jī)器系統(tǒng)等效其動(dòng)力學(xué)能對(duì)單自在度機(jī)器系統(tǒng)等效其動(dòng)力學(xué)模型，掌握等效能力矩、等效質(zhì)量模型，掌握等效能力矩、等效質(zhì)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的概念。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的概念。2 2 當(dāng)知力為機(jī)構(gòu)位置函數(shù)時(shí)，會(huì)求解等當(dāng)知力為機(jī)構(gòu)位置函數(shù)時(shí)，會(huì)求解

2、等效構(gòu)件的真實(shí)運(yùn)動(dòng)。效構(gòu)件的真實(shí)運(yùn)動(dòng)。3 3 掌握飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算方法。掌握飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算方法。 難點(diǎn)：難點(diǎn)： 求飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，最大盈虧功的計(jì)算。求飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，最大盈虧功的計(jì)算。一、本章研討的內(nèi)容及目的一、本章研討的內(nèi)容及目的 1. 確定原動(dòng)件的真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律確定原動(dòng)件的真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律 運(yùn)動(dòng)分析、力分析運(yùn)動(dòng)分析、力分析 假定原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)是知的，假定原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)是知的，且是等速運(yùn)動(dòng)；實(shí)踐上原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)要遭到機(jī)器上各且是等速運(yùn)動(dòng)；實(shí)踐上原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)要遭到機(jī)器上各種作用力、構(gòu)件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等要素的影響。種作用力、構(gòu)件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等要素的影響。7 - 1 概概 述述2. 調(diào)理機(jī)器速度的

3、動(dòng)搖調(diào)理機(jī)器速度的動(dòng)搖 機(jī)器在運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)器在運(yùn)動(dòng)過程中 速度動(dòng)搖速度動(dòng)搖 附加動(dòng)反力附加動(dòng)反力 振動(dòng)、噪音振動(dòng)、噪音 降低任務(wù)質(zhì)量、效率、壽命等降低任務(wù)質(zhì)量、效率、壽命等 設(shè)法調(diào)理其速度動(dòng)搖量設(shè)法調(diào)理其速度動(dòng)搖量 限制在允許范圍內(nèi)限制在允許范圍內(nèi) 減小不良影減小不良影響響二、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的三個(gè)階段二、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的三個(gè)階段7 - 1 概概 述述1、起動(dòng)階段、起動(dòng)階段 起動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)停車mto ： 0 m Wd Wr E = Wd - Wr2、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段每一瞬時(shí)： 常數(shù) 在一個(gè)周期： = m Wd = Wr3、 停車階段停車階段Wd = 0 Wr = - E ： m 0三、作用在機(jī)械上的

4、驅(qū)動(dòng)力和消費(fèi)阻力三、作用在機(jī)械上的驅(qū)動(dòng)力和消費(fèi)阻力 不計(jì)重力和摩擦力 只需驅(qū)動(dòng)力和消費(fèi)阻力1、驅(qū)動(dòng)力力矩交流異步電動(dòng)機(jī)用過N點(diǎn)直線近似替代BC曲線任務(wù)段任務(wù)段BC ：外載荷：外載荷M Md 穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn) 階段階段Mn 額定驅(qū)動(dòng)力矩n 額定角速度0 同步角速度nnndMM00Mn 、 n 、 0 手冊(cè)或產(chǎn)品目錄中查到 原動(dòng)機(jī)的作用力力矩與其運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間原動(dòng)機(jī)的作用力力矩與其運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系的關(guān)系原動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線原動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線 三、作用在機(jī)械上的驅(qū)動(dòng)力和消費(fèi)阻力三、作用在機(jī)械上的驅(qū)動(dòng)力和消費(fèi)阻力7 - 1 概概 述述1、驅(qū)動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)力(力矩力矩 Md某直流串激電動(dòng)機(jī)特性曲線某直流串

5、激電動(dòng)機(jī)特性曲線 Md某內(nèi)內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械特性曲線某內(nèi)內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械特性曲線三、作用在機(jī)械上的驅(qū)動(dòng)力和消費(fèi)阻力三、作用在機(jī)械上的驅(qū)動(dòng)力和消費(fèi)阻力1近似常數(shù)，如：車床、軋鋼機(jī)、起重機(jī)、拉絲機(jī)等2位置的函數(shù) 如：活塞式緊縮機(jī)、曲柄壓力機(jī)滑塊的阻力、彈簧力等3速度的函數(shù) 如：攪拌機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、離心式水泵的阻力是其主軸轉(zhuǎn)速 的函數(shù)4時(shí)間的函數(shù)，如：破碎機(jī)、球磨機(jī)的阻力隨資料粒度變化驅(qū)動(dòng)力和消費(fèi)阻力確實(shí)定，涉及到專業(yè)知識(shí)。本章討論在知外力條件下，機(jī)械的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。2、消費(fèi)阻力、消費(fèi)阻力 取決于工藝過程的特點(diǎn)取決于工藝過程的特點(diǎn)研討機(jī)械系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律研討機(jī)械系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律 建立外力與運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的函數(shù)表達(dá)式

6、建立外力與運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的函數(shù)表達(dá)式機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方程式機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方程式一、普通表達(dá)式一、普通表達(dá)式 7 - 2 機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方程機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方程動(dòng)能定理：動(dòng)能定理：某一瞬時(shí)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)能的增某一瞬時(shí)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)能的增量應(yīng)等于該瞬時(shí)外力所作的量應(yīng)等于該瞬時(shí)外力所作的元功之和，即：元功之和，即： dE = dW1S3tvFMvmvmJJd)()21212121d(3311233222222211113 3dW()dMF vt22221122223 31111dE=d()2222JJm vm vtMvFJvmdniiiiiiniisisiid)cos()2121(112 對(duì)于復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，如有對(duì)于復(fù)雜的機(jī)械系

7、統(tǒng)，如有n個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，其運(yùn)動(dòng)方程式為：其運(yùn)動(dòng)方程式為：7 - 2 機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方程機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方程二、等效動(dòng)力學(xué)模型二、等效動(dòng)力學(xué)模型 機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程式復(fù)雜，求解繁瑣。單自在度系統(tǒng)：知道一個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)其他構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)隨之求得。 復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)簡(jiǎn)化成一個(gè)等效構(gòu)件 建立等效能學(xué)模型 將一切外力外力矩、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量向等效構(gòu)件轉(zhuǎn)化 等效條件：動(dòng)力學(xué)效果不變等效條件：動(dòng)力學(xué)效果不變1等效構(gòu)件的質(zhì)量或轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所具有的動(dòng)能等于整個(gè)系統(tǒng)的總動(dòng)能等效構(gòu)件的質(zhì)量或轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所具有的動(dòng)能等于整個(gè)系統(tǒng)的總動(dòng)能 動(dòng)能不變動(dòng)能不變2等效構(gòu)件上的等效能、等效能矩所做的功或所產(chǎn)生的功率等于等效構(gòu)件上的等效能、等效能矩所做

8、的功或所產(chǎn)生的功率等于整個(gè)系統(tǒng)一切外力、外力矩所做得功或所產(chǎn)生的功率之和。整個(gè)系統(tǒng)一切外力、外力矩所做得功或所產(chǎn)生的功率之和。 瞬時(shí)功功率不變瞬時(shí)功功率不變定軸轉(zhuǎn)動(dòng)、直線挪動(dòng)構(gòu)件 等效構(gòu)件便于計(jì)算等效能矩等效能矩 Me等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Je等效能等效能 Fe等效質(zhì)量等效質(zhì)量 me7 - 2 機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方程機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方程三、等效量的計(jì)算三、等效量的計(jì)算1、等效能和等效質(zhì)量、等效能和等效質(zhì)量1S3等效能等效能 Fe等效質(zhì)量等效質(zhì)量 me2331d()()d2eem vF vttvFMvmvmJJd)()21212121d(3311233222222211tvFvMvmvvmvJvJd)(2

9、1d33311233232223222311等效質(zhì)量 me等效能 Fe2221221223333evmJJmmvvv1133eFMFv7 - 2 機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方程機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方程三、等效量的計(jì)算三、等效量的計(jì)算1S3tvFMvmvmJJd)()21212121d(3311233222222211等效 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je等效能矩 Me等效能矩等效能矩 Me等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Je2111d()()d2eeJMttvFMvmvmJJd)(21d113312121332122212212223221223111evvJJJmm2、等效能矩和等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、等效能矩和等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量3131evMMF7 - 2

10、 機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方程機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方程例：提升機(jī)如圖示，齒輪例：提升機(jī)如圖示，齒輪1 1為原動(dòng)件為原動(dòng)件Z1Z1、J1J1，作用有，作用有驅(qū)動(dòng)力矩驅(qū)動(dòng)力矩M1M1，卷筒半徑，卷筒半徑R R，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J J ，齒輪，齒輪2 2的齒數(shù)的齒數(shù)Z2Z2、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J2J2。求以齒輪。求以齒輪1 1為等效構(gòu)件時(shí)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)為等效構(gòu)件時(shí)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量慣量JeJe、等效能矩、等效能矩MeMe。GZZ12RJ2vM112222211222111111d()2222()dGJJJvgMGvt22212112221112221112()()()()GvJeJJJgzzGJJJRzgzzvMeMGMGRz四

11、、運(yùn)動(dòng)方程的推演四、運(yùn)動(dòng)方程的推演機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程的能量微分方式 其他方式tvFvmeed)()21d(2tMJeed)()21d(2動(dòng)能方式sFvmvmsseeed212102002d212102002eeeMJJeeFsvmd)21d(2eeMJd)21d(2eeeFsmvsvvmdd2dd22ddd2 deeeJJM力、力矩方式力、力矩方式vsttdd;dd其中：2dddt2 deeeJJM2dddt2deeemvvmFs7 - 2 機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方程機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方程五、小結(jié)五、小結(jié)1 對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的單自在度機(jī)械系統(tǒng)，可以等效成為一個(gè)簡(jiǎn)單的模型(定軸轉(zhuǎn)動(dòng)或平動(dòng))進(jìn)展研討。2不用知道機(jī)構(gòu)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情

12、況，即可以求出等效量Fe、Me、me、Je。3等效量Fe、Me、me、Je均為為機(jī)構(gòu)位置的函數(shù)。4等效量Fe、Me、me、Je為假想的量，不是機(jī)構(gòu)真實(shí)的合力、合力矩、總質(zhì)量和總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。5假設(shè)思索慣性力和慣性力矩時(shí)，等效能和等效能矩與動(dòng)態(tài)靜力法中求出的平衡力和平衡力矩大小相等，方向相反。7 - 2 機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方程機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方程一、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和等效能矩均為位置的函數(shù)一、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和等效能矩均為位置的函數(shù)7 - 3 機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程式的求解機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程式的求解)(;)(eeeeMMJJd212102002eeeMJJd212102002eeeMJJ1、求角速度、求角速度 d)(2)(0200eee

13、eMJJJ = ( ) 2、求加角速度、求加角速度 ddddddddtt = ( ) 邊境條件：邊境條件： t = t 0 時(shí)：時(shí)： = 0 、 = 0 、 J e = J e0二二 、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是常數(shù)，等效能矩是速度的函數(shù)、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是常數(shù)，等效能矩是速度的函數(shù)7 - 3 機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程式的求解機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程式的求解)(;eeeMMJ 常數(shù)eeeMJtJdd2dd2eeMtJddeeMJtdd 0)(d0eeMJtt = (t ) 1、求角速度、求角速度 2、求加角速度、求加角速度 tdd = (t ) 三三 、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是位置的函數(shù)、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是位置的函數(shù),等效能矩是位置和速度的函數(shù)等

14、效能矩是位置和速度的函數(shù)7 - 3 機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程式的求解機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程式的求解),(;)(eeeeMMJJd),()(21d(2eeMJ非線性微分方程，普通無解析解， 數(shù)值解法d),(d)()(d22eeeMJJ中心 差分替代微分iii1diiiJJJJ1diii1d n 等等 份份),()-()-(2112eiiiieiiMJJJ得到遞推公式：iiiiiieiJJJJM23),(11角加速度：itdddd M一、速度動(dòng)搖的緣由一、速度動(dòng)搖的緣由 21drWWWEEE W 并非總等于并非總等于022121iiiiJvmEvE、對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)的等效動(dòng)力學(xué)模型：等效驅(qū)動(dòng)力矩Med()、阻力矩Mer()

15、7 - 4 周期性速度動(dòng)搖及其調(diào)理周期性速度動(dòng)搖及其調(diào)理能量守恒定律：在一段時(shí)間間隔內(nèi)，驅(qū)動(dòng)力所作的功與抑制阻力所能量守恒定律：在一段時(shí)間間隔內(nèi)，驅(qū)動(dòng)力所作的功與抑制阻力所需的功之差等于機(jī)器動(dòng)能的變化，即：需的功之差等于機(jī)器動(dòng)能的變化，即： MerMed一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期 T W 0 盈功盈功 W 0 虧功虧功由于由于 盈虧功存在盈虧功存在 速度動(dòng)搖速度動(dòng)搖一個(gè)周期內(nèi)，盈功與虧功之和為零。二、周期性速度動(dòng)搖的調(diào)理二、周期性速度動(dòng)搖的調(diào)理 1、平均角速度、平均角速度m與速度不均勻系數(shù)與速度不均勻系數(shù)常用算術(shù)平均值表示7 - 4 周期性速度動(dòng)搖及其調(diào)理周期性速度動(dòng)搖及其調(diào)理T 動(dòng)搖周期minmaxmTt

16、oTm0d)(mminmax不均勻系數(shù)：2minmaxm平均速度：m 一定, 動(dòng)搖 設(shè)計(jì)條件： )21 (maxm)21 (mmim22min2max2m二、周期性速度動(dòng)搖的調(diào)理二、周期性速度動(dòng)搖的調(diào)理 7 - 4 周期性速度動(dòng)搖及其調(diào)理周期性速度動(dòng)搖及其調(diào)理2、飛輪的調(diào)速作用、飛輪的調(diào)速作用 周期性的速度動(dòng)搖可以在等效構(gòu)件上加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量周期性的速度動(dòng)搖可以在等效構(gòu)件上加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JF很大的飛輪，用于調(diào)理其動(dòng)搖很大的飛輪，用于調(diào)理其動(dòng)搖 2)(21FeJJE系統(tǒng)的動(dòng)能：儲(chǔ)能略增很大由于欲增時(shí)（時(shí)：當(dāng)FFeJJJEW2)210釋能略減很大由于欲減時(shí)）（時(shí)：當(dāng)FFJJJEW2e210可見：周期

17、性的速度動(dòng)搖可以經(jīng)過飛輪儲(chǔ)存能量和釋放能量的作用加以 調(diào)理，調(diào)理后，速度動(dòng)搖減小，但不能消除。二、周期性速度動(dòng)搖的調(diào)理二、周期性速度動(dòng)搖的調(diào)理 7 - 4 周期性速度動(dòng)搖及其調(diào)理周期性速度動(dòng)搖及其調(diào)理3、飛輪的簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)方法、飛輪的簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)方法1飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的近似計(jì)算飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的近似計(jì)算minmaxmaxmaxEEEW22min2max)()()(21mFeFeJJJJemFJWJ2max2maxmFWJJe JFoJF可見：可見： m 、 Wmax一定一定 JF 平穩(wěn)，平穩(wěn)， 但不能消除速度動(dòng)搖，只需但不能消除速度動(dòng)搖，只需 即可。即可。JF 、 m 一定一定 Wmax 不均勻不均勻3. W

18、max 、 一定一定 m JF Wmax 、 JF 一定一定 m 飛輪宜裝在高速軸上當(dāng)Je為常數(shù)時(shí)二、周期性速度動(dòng)搖的調(diào)理二、周期性速度動(dòng)搖的調(diào)理 7 - 4 周期性速度動(dòng)搖及其調(diào)理周期性速度動(dòng)搖及其調(diào)理3、飛輪的簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)方法、飛輪的簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)方法2最大盈虧功最大盈虧功 Wmax 確實(shí)定確實(shí)定abcde Wmaxa二、周期性速度動(dòng)搖的調(diào)理二、周期性速度動(dòng)搖的調(diào)理 7 - 4 周期性速度動(dòng)搖及其調(diào)理周期性速度動(dòng)搖及其調(diào)理3、飛輪的簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)方法、飛輪的簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)方法3飛輪尺寸確實(shí)定飛輪尺寸確實(shí)定輪緣輪轂輪輻輪轂、輪輻的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，不計(jì)設(shè)：輪緣分量為GA422DgGRmJJAAAFFAgJDG42GA D2 飛輪矩，求出