机构系统动力学调速实验指导

6.1.1 实验目的

(1) 通过机构系统动力学调速实验，观察机械的周期性速度波动现象，并掌握利用飞轮进行速度波动调节的原理和方法。

(2) 通过利用传感器、工控机等先进的实验技术手段进行实验操作，训练掌握现代化的实验测试手段和方法，增强工程实践能力。

(3) 通过进行实验结果与理论数据的比较，分析误差产生的原因，增强工程意识，树立正确的设计理念。

6.1.2 实验设备

如图6- 1所示，机构系统动力学调速实验台由机械部分和电路控制两部分组成。 其机械部分主要由电动机1、平带传动2、飞轮3、偏心曲柄滑块机构5和弹簧6组成。 机构系统动力学调速实验台的主要技术参数见表6- 1。

图6- 1 机构系统动力学调速实验台原理图

1—电动机;2—平带传动;3—飞轮;4—光电传感器;

5—偏心曲柄滑块机构;6—弹簧;7—计算机;8—控制板

6.1.3 实验原理

机械在周期性变速稳定运转中，在一个运转周期内，等效驱动力矩所做的功等于等效阻力矩所做的功。 但在运转周期的任一时刻，等效驱动力矩所做的功并不等于等效阻力矩所做的功，从而导致了机械运转过程中的速度波动。机械速度波动的程度不能仅用速度变化的幅度ωmax-ωmin来表示。因为ωmax-ωmin一定时，对高速机械与低速机械波动的程度是不一样的，工程上同时考虑了速度波动的绝对量与平均速度的比值来表示机械运转速度的不均匀程度，用机械运转速度不均匀系数δ来表示，即

表6- 1 机构系统动力学调速实验台主要技术参数

式中 ωmax——一个周期中最大角速度;

ωmin——一个周期中最小角速度;

ωm——平均角速度，ωm=(ωmax+ωmin)/2。

所谓机器运转周期性波动的调节，其目的就在于减小速度波动使其达到机器工作所允许的程度;或者说，减小机器运转速度不均匀系数δ，使其不超过许用值[ ]δ。 周期性速度波动的调节方法，是在机器中安装一个具有很大转动惯量的构件即飞轮。

在一个周期中最大动能Emax与最小动能Emin之差称为最大盈亏功，以W表示，即

式中 J0——忽略等效转换中变量部分的机器等效转动惯量;

JF——飞轮等效转动惯量。

在等效力矩已给定的情况下，最大盈亏功W是一个确定值。 由式(6-2)可知，当机器的等效转动惯量J0越大时，机器主轴角速度的波动就越小。由此可见，当机器中安装一个转动惯量很大的飞轮时，必能减小机器的速度波动，从而达到调速的目的。

6.1.4 实验内容

(1) 曲柄真实运动的仿真:通过数模计算得出真实的运动规律，做出曲柄等效驱动力矩线图、等效阻力矩线图、角速度曲线图和角加速度曲线图;进行速度波动调节计算，得出最大盈亏功Wmax和速度不均匀性系数δ值。

(2) 曲柄真实运动的实测:通过曲柄上的角位移传感器和A/D转换器进行采集、转换和处理，并输入计算机，显示出实测的曲柄角速度线图和角加速度线图;与理论角速度线图和角加速度线图分析比较，了解机构结构对曲柄速度波动的影响。

(3) 将大飞轮装在曲柄轴上，观察系统运转的不均匀性。

(4) 将小飞轮装在曲柄轴上，观察系统运转的不均匀性。

(5) 不装飞轮，观察系统运转的不均匀性，并进行前后比较。

6.1.5 实验步骤

(1) 启动计算机，在桌面上双击“速度波动调节”图标，进入机构系统动力学调速实验台软件系统的首页。 单击左键，进入曲柄滑块机构原始参数输入界面。

(2) 启动实验台的电动机，待曲柄滑块机构运转平稳后，测定电动机的功率，将曲柄滑块机构原始参数输入到参数输入界面的对应参数框内。

(3) 在曲柄滑块机构原始参数输入界面的左下方，单击“进入实验”按钮，进入曲柄滑块机构的曲柄运动仿真与测试分析界面。

(4) 在曲柄滑块机构的曲柄运动仿真与测试分析界面的左下方，单击“等效力矩”按钮，“等效力矩”按钮变为“速度仿真”按钮，动态显示曲柄滑块机构即时位置和曲柄动态的等效驱动力矩线图和等效阻力矩线图。 单击“速度仿真”按钮，“速度仿真”按钮变为“等效力矩”按钮，动态显示曲柄滑块机构即时位置和曲柄动态的角速度曲线图和角加速度曲线图。 单击“速度实测”按钮，进行数据采集和传输，显示曲柄实测的角速度曲线图和角加速度曲线图。

(5) 如果要打印仿真的等效驱动力矩线图、等效阻力矩线图、角速度曲线图、角加速度曲线图和实测的角速度曲线图、角加速度曲线图，在曲柄滑块机构的曲柄运动仿真与测试分析界面的下方，单击“打印”按钮，打印机就可自动打印。

(6) 如果要查询实测数据，在“查询角度”中输入查询角度(14.4°×n)，单击“实测角速度查询”文字框即可。

(7) 如果要查询仿真数据，在“查询角度”中输入查询角度(14.4°×n)，单击“仿真角速度查询”文字框即可。

(8) 在曲柄轴上装上大飞轮进行测试(若要进行实验仿真，此时应在“实验序号”数据框内填入“2”)。

(9) 将大飞轮卸下，装上小飞轮进行测试(若要进行实验仿真，此时应在“实验序号”数据框内填入“1”)。

(10) 不加飞轮进行测试(若要进行实验仿真，此时应在“实验序号”数据框内填入“0”)。

(11) 将三次实验测试运动曲线记录下来。

(12) 单击“返回”按钮，返回曲柄滑块机构原始参数输入界面。

(13) 单击“退出”按钮，结束程序的运行，返回Windows界面。

6.1.6 思考题

(1) 分析大飞轮与小飞轮调速后传动平稳性的影响。 哪一种好？ 为什么？

(2) 飞轮调速的方法适用于哪类机器？

(3) 平均转速提高后，速度不均匀系数δ怎样变化？