轉動慣量可變的飛輪在飛輪調節實驗中的應用

束建芳

（浙江海洋學院 船舶與海洋工程學院，浙江 舟山 316022）

0 引言

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

在機組運轉和飛輪調節實驗中，針對不同負載下機組的回轉不均勻率都可通過實驗獲得詳細數據，但實驗結果卻不能讓學生很好地理解飛輪的調速原理。因此，本文通過改變飛輪的轉動慣量來測試空壓機組在穩定運轉時速度波動的程度，從而更深一步地理解飛輪調速的原理。

1 飛輪實驗的設備和工作原理

1.1 飛輪實驗設備組成

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

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

圖1 實驗系統框圖

1.2 空壓機組安裝

空壓機組中脈沖發生器的分度盤9（光柵盤）固定安裝在空壓機的電機軸上，脈沖發生器輸出端8的輸出線插入測試面板的插孔，調節發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。通過調整飛輪輻條上的質量塊的位置來改變飛輪內部的質量分布，從而實現飛輪轉動慣量的調節。

圖2 空壓機組簡圖

進行實驗時，針對不同負載下機組的回轉不均勻率，需相應調節飛輪的轉動慣量，以獲得實驗數據。

1.3 飛輪調節作用的原理

空壓機組在運轉過程中，等效力矩和等效轉動慣量的周期性變化將導致速度的周期性波動。這種速度波動可用飛輪來調節。空壓機組安裝飛輪后，令其等效的轉動慣量為J，由于飛輪一般都是安裝在等效構件或與它有定傳動比的構件上，所以可以認為J為常數。安裝飛輪后，空壓機組系統的動能定理式為

式中：Me為等效力矩；ω1、ω2為等效構件在位置1和2處的轉角和角速度。由公式可知，增加飛輪的轉動慣量可增加總體的等效轉動慣量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，可使其等效轉動慣量增加，速度不均勻系數減小。即在空壓機組中安裝具有較大轉動慣量的飛輪可起調節速度波動的作用，使其周期性速度波動減小［2］。

2 飛輪的結構

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

圖3 飛輪整體結構

質量塊與輻條的固定是用偏心夾緊結構來實現的。這是因為飛輪在旋轉過程中會產生離心力，造成質量塊在輻條上產生移動，使實驗的變量不唯一，導致實驗的不嚴謹，所以必須將質量塊在調節好位置后，用偏心夾緊機構將其固定。偏心夾緊結構如圖4所示，當質量塊2在輻條1上調節位置時，需放松偏心輪3，此時質量塊與輻條之間有間隙，這是為了讓質量塊在輻條上方便移動，調節好位置后，用偏心輪將質量塊鎖緊。偏心輪如圖5所示，當需要移動質量塊時，只需要將偏心輪面2轉到輻條側面，就會產生間隙，便于質量塊移動，當需要固定質量塊時，需要將偏心輪面1轉到輻條的側面頂住來固定質量塊［3-5］。

3 結論

圖4 偏心夾緊結構

圖5 偏心輪

用改變飛輪內部的質量分布來改變飛輪的轉動慣量是非常方便有效的，轉動慣量可變的飛輪實驗儀應用在飛輪實驗中，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節的原理，使學生更能理解飛輪的調速原理，轉動慣量可變的飛輪實驗儀在飛輪實驗中的應用是非常實用有效的。

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

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

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