转动惯量可变的飞轮在飞轮调节实验中的应用

2015-05-14束建芳

机械工程师 2015年11期

束建芳

（浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山 316022）

0 引言

空压机在运行过程中由于驱动外力和阻抗外力不能保持平衡，其质量分布又不能做相应的变化，必然会出现周期性的速度波动［1］。而这种波动会导致运动副中产生附加动压力，引起空压机的振动甚至损坏，从而降低空压机的寿命、工作效率和工作质量。因此，需采用飞轮调速将空压机运转速度的波动程度控制在许可范围之内。

在机组运转和飞轮调节实验中，针对不同负载下机组的回转不均匀率都可通过实验获得详细数据，但实验结果却不能让学生很好地理解飞轮的调速原理。因此，本文通过改变飞轮的转动惯量来测试空压机组在稳定运转时速度波动的程度，从而更深一步地理解飞轮调速的原理。

1 飞轮实验的设备和工作原理

1.1 飞轮实验设备组成

飞轮实验系统由以下设备组成：小型空气压缩机组（DS-1型动力学实验台）、MEC-B机械动态测试仪、PP-40四色绘图仪、磁带记录仪、同步脉冲发生器、压力传感器、压力传感放大器。飞轮实验系统框图如图1所示。

空气压缩机组（如图2所示）是该设备中最主要的组成部分。电机一端直接与空压机相连，另一端通过联轴器与飞轮相连接，径向载荷由一对轴承承担，电机轴仅承受转矩。

图1 实验系统框图

1.2 空压机组安装

空压机组中脉冲发生器的分度盘9（光栅盘）固定安装在空压机的电机轴上，脉冲发生器输出端8的输出线插入测试面板的插孔，调节发生器探头的前后位置，将分度盘片插入探头的槽口中；然后将其他设备的接线端都正确连接，最后装入飞轮，注意放入平键，并旋紧螺母。通过调整飞轮辐条上的质量块的位置来改变飞轮内部的质量分布，从而实现飞轮转动惯量的调节。

图2 空压机组简图

进行实验时，针对不同负载下机组的回转不均匀率，需相应调节飞轮的转动惯量，以获得实验数据。

1.3 飞轮调节作用的原理

空压机组在运转过程中，等效力矩和等效转动惯量的周期性变化将导致速度的周期性波动。这种速度波动可用飞轮来调节。空压机组安装飞轮后，令其等效的转动惯量为J，由于飞轮一般都是安装在等效构件或与它有定传动比的构件上，所以可以认为J为常数。安装飞轮后，空压机组系统的动能定理式为

式中：Me为等效力矩；ω1、ω2为等效构件在位置1和2处的转角和角速度。由公式可知，增加飞轮的转动惯量可增加总体的等效转动惯量J，可使任意两位置的角速度的平方差减小。因此，在空压机组中安装飞轮，可使其等效转动惯量增加，速度不均匀系数减小。即在空压机组中安装具有较大转动惯量的飞轮可起调节速度波动的作用，使其周期性速度波动减小［2］。

2 飞轮的结构

飞轮整体结构如图3所示，质量块2用于改变飞轮内部的质量分布，从而改变飞轮整体的转动惯量，4根辐条等长，辐条上都有相同的刻度，质量块的移动位置就是根据辐条上的刻度来确定的，中心轴5与空压机组中的等效构件相连接，使空压机组整体的等效转动惯量为常数。

图3 飞轮整体结构

质量块与辐条的固定是用偏心夹紧结构来实现的。这是因为飞轮在旋转过程中会产生离心力，造成质量块在辐条上产生移动，使实验的变量不唯一，导致实验的不严谨，所以必须将质量块在调节好位置后，用偏心夹紧机构将其固定。偏心夹紧结构如图4所示，当质量块2在辐条1上调节位置时，需放松偏心轮3，此时质量块与辐条之间有间隙，这是为了让质量块在辐条上方便移动，调节好位置后，用偏心轮将质量块锁紧。偏心轮如图5所示，当需要移动质量块时，只需要将偏心轮面2转到辐条侧面，就会产生间隙，便于质量块移动，当需要固定质量块时，需要将偏心轮面1转到辐条的侧面顶住来固定质量块［3-5］。