轉(zhuǎn)動慣量可變的飛輪在飛輪調(diào)節(jié)實驗中的應(yīng)用

束建芳

（浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山 316022）

0 引言

空壓機在運行過程中由于驅(qū)動外力和阻抗外力不能保持平衡，其質(zhì)量分布又不能做相應(yīng)的變化，必然會出現(xiàn)周期性的速度波動［1］。而這種波動會導(dǎo)致運動副中產(chǎn)生附加動壓力，引起空壓機的振動甚至損壞，從而降低空壓機的壽命、工作效率和工作質(zhì)量。因此，需采用飛輪調(diào)速將空壓機運轉(zhuǎn)速度的波動程度控制在許可范圍之內(nèi)。

在機組運轉(zhuǎn)和飛輪調(diào)節(jié)實驗中，針對不同負(fù)載下機組的回轉(zhuǎn)不均勻率都可通過實驗獲得詳細(xì)數(shù)據(jù)，但實驗結(jié)果卻不能讓學(xué)生很好地理解飛輪的調(diào)速原理。因此，本文通過改變飛輪的轉(zhuǎn)動慣量來測試空壓機組在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時速度波動的程度，從而更深一步地理解飛輪調(diào)速的原理。

1 飛輪實驗的設(shè)備和工作原理

1.1 飛輪實驗設(shè)備組成

飛輪實驗系統(tǒng)由以下設(shè)備組成：小型空氣壓縮機組（DS-1型動力學(xué)實驗臺）、MEC-B機械動態(tài)測試儀、PP-40四色繪圖儀、磁帶記錄儀、同步脈沖發(fā)生器、壓力傳感器、壓力傳感放大器。飛輪實驗系統(tǒng)框圖如圖1所示。

空氣壓縮機組（如圖2所示）是該設(shè)備中最主要的組成部分。電機一端直接與空壓機相連，另一端通過聯(lián)軸器與飛輪相連接，徑向載荷由一對軸承承擔(dān)，電機軸僅承受轉(zhuǎn)矩。

圖1 實驗系統(tǒng)框圖

1.2 空壓機組安裝

空壓機組中脈沖發(fā)生器的分度盤9（光柵盤）固定安裝在空壓機的電機軸上，脈沖發(fā)生器輸出端8的輸出線插入測試面板的插孔，調(diào)節(jié)發(fā)生器探頭的前后位置，將分度盤片插入探頭的槽口中；然后將其他設(shè)備的接線端都正確連接，最后裝入飛輪，注意放入平鍵，并旋緊螺母。通過調(diào)整飛輪輻條上的質(zhì)量塊的位置來改變飛輪內(nèi)部的質(zhì)量分布，從而實現(xiàn)飛輪轉(zhuǎn)動慣量的調(diào)節(jié)。

圖2 空壓機組簡圖

進(jìn)行實驗時，針對不同負(fù)載下機組的回轉(zhuǎn)不均勻率，需相應(yīng)調(diào)節(jié)飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，以獲得實驗數(shù)據(jù)。

1.3 飛輪調(diào)節(jié)作用的原理

空壓機組在運轉(zhuǎn)過程中，等效力矩和等效轉(zhuǎn)動慣量的周期性變化將導(dǎo)致速度的周期性波動。這種速度波動可用飛輪來調(diào)節(jié)?？諌簷C組安裝飛輪后，令其等效的轉(zhuǎn)動慣量為J，由于飛輪一般都是安裝在等效構(gòu)件或與它有定傳動比的構(gòu)件上，所以可以認(rèn)為J為常數(shù)。安裝飛輪后，空壓機組系統(tǒng)的動能定理式為

式中：Me為等效力矩；ω1、ω2為等效構(gòu)件在位置1和2處的轉(zhuǎn)角和角速度。由公式可知，增加飛輪的轉(zhuǎn)動慣量可增加總體的等效轉(zhuǎn)動慣量J，可使任意兩位置的角速度的平方差減小。因此，在空壓機組中安裝飛輪，可使其等效轉(zhuǎn)動慣量增加，速度不均勻系數(shù)減小。即在空壓機組中安裝具有較大轉(zhuǎn)動慣量的飛輪可起調(diào)節(jié)速度波動的作用，使其周期性速度波動減?。?］。

2 飛輪的結(jié)構(gòu)

飛輪整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，質(zhì)量塊2用于改變飛輪內(nèi)部的質(zhì)量分布，從而改變飛輪整體的轉(zhuǎn)動慣量，4根輻條等長，輻條上都有相同的刻度，質(zhì)量塊的移動位置就是根據(jù)輻條上的刻度來確定的，中心軸5與空壓機組中的等效構(gòu)件相連接，使空壓機組整體的等效轉(zhuǎn)動慣量為常數(shù)。

圖3 飛輪整體結(jié)構(gòu)

質(zhì)量塊與輻條的固定是用偏心夾緊結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。這是因為飛輪在旋轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生離心力，造成質(zhì)量塊在輻條上產(chǎn)生移動，使實驗的變量不唯一，導(dǎo)致實驗的不嚴(yán)謹(jǐn)，所以必須將質(zhì)量塊在調(diào)節(jié)好位置后，用偏心夾緊機構(gòu)將其固定。偏心夾緊結(jié)構(gòu)如圖4所示，當(dāng)質(zhì)量塊2在輻條1上調(diào)節(jié)位置時，需放松偏心輪3，此時質(zhì)量塊與輻條之間有間隙，這是為了讓質(zhì)量塊在輻條上方便移動，調(diào)節(jié)好位置后，用偏心輪將質(zhì)量塊鎖緊。偏心輪如圖5所示，當(dāng)需要移動質(zhì)量塊時，只需要將偏心輪面2轉(zhuǎn)到輻條側(cè)面，就會產(chǎn)生間隙，便于質(zhì)量塊移動，當(dāng)需要固定質(zhì)量塊時，需要將偏心輪面1轉(zhuǎn)到輻條的側(cè)面頂住來固定質(zhì)量塊［3-5］。

3 結(jié)論

圖4 偏心夾緊結(jié)構(gòu)

圖5 偏心輪

用改變飛輪內(nèi)部的質(zhì)量分布來改變飛輪的轉(zhuǎn)動慣量是非常方便有效的，轉(zhuǎn)動慣量可變的飛輪實驗儀應(yīng)用在飛輪實驗中，很好地解決了飛輪實驗中的不足，并很好地說明了飛輪速度調(diào)節(jié)的原理，使學(xué)生更能理解飛輪的調(diào)速原理，轉(zhuǎn)動慣量可變的飛輪實驗儀在飛輪實驗中的應(yīng)用是非常實用有效的。

［1］ 徐林林，陳家慶.變等效轉(zhuǎn)動慣量飛輪的分析設(shè)計［J］.機械，2011（增刊 1）：77-81.

［2］ 游士琴.飛輪轉(zhuǎn)動慣量的計算［J］.淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2002，4（2）：105-107.

［3］ 范云琪.偏心夾緊機構(gòu)的設(shè)計與應(yīng)用［J］.機械工程師，2012（5）：168-170.

［4］ 譚德榮，趙慶志，王愛傳.曲線偏心夾緊機構(gòu)設(shè)計［J］.機械設(shè)計與制造，2001，4（2）：21-22.

［5］ 江世成.阿基米德螺線偏心夾緊機構(gòu)設(shè)計［J］.機械，2000，27（3）：19-20.