03第三章机械系统的载荷特性和动力机的选择

基本内容：1.机械系统能量流设计的任务；2.机械系统能量流系统分析；3.工作机械载荷分析；4.普通动力机的种类、特性和选用；5.伺服驱动装置（自学）；6.能量流系统设计的一般步骤。重点和难点：1.机械系统能量流系统分析；2.工作机械载荷分析；3.普通动力机的种类、特性和选用；4.能量流系统设计的一般步骤。驱动装置执行部件维持各环节或子系统的运动通过传递、损耗、储存、转化等有关过程，完成机械系统的有关功能驱动装置电力驱动（电动机）液压驱动（液压泵、液压马达）气压驱动（气压马达）热机（内燃机、汽轮机等）合适的驱动装置（动力机）进行能量流设计应解决四个方面的问题：（1）机械系统中能量流动状况和特征分析；（2）工作机械的载荷计算；（3）驱动装置的选择；（4）系统能量匹配与设计。一、能量流系统分析1.机械系统的能量流程ELEI机械系统EsEC对于某一时间段机械系统的能量流EI—输入到机械系统的能量；EC—克服工作机构负载而做功的能量，是机械系统的有效能；ES—系统广义储能，是系统贮存和释放能量的代数和；EL—系统损耗的总能量；对于某一时刻机械系统的瞬态能量流（一）PI—输入总功率，PI＝dEI/dt；PC—克服执行机构负载的功率，PC＝dEC/dt；PL—损耗总功率，PL＝dEL/dt；PI机械系统PLPCdEsdtPL＝Pu+Pa非载荷功率：PC＝0，用Pu表示。附加损耗功率：又称载荷损耗，PC≠0，用Pa表示。损耗总功率PL对于某一时刻机械系统的瞬态能量流（二）PI机械系统PaPCdEsdtPuPI＝+Pu+Pa+PCdEsdtPI＝Pu+Pa+PC若忽略过渡过程的影响，即只考虑机床稳态运行时，有2.机械系统能量流理论及其应用简介机械工作状态能量信息论理论：机械系统的能量流动状态是工作机械运行状态的综合反映。应用：对工作过程实施状态监控和故障诊断。机械工作过程节能效益论一方面，工作的能量只占总耗能量的30％；一方面，机械的能量损失是一种有害的损失。理论：恶果：磨损、噪声、振动、热变形等措施：减少机械的能量损失机械工作过程能量损失论PL＝Pu+Pa机械工作过程一般是变负载工作过程理论：恶果：能量利用率低能量效率)()()(tPtPtIC能量利用率U：整个工作过程的有效能和输入总能量的比值。TTdttPdttPU0I0C)()(二、工作机械载荷分析载荷：机械在工作中受到的外力。⑴工作载荷：①驱动载荷：起重机②制动载荷：制动器③阻力载荷：带式输送机、车辆的摩擦阻力，曲柄压力机的曲轴转矩。⑵动力载荷：①惯性载荷②（弹性）振动载荷③冲击（振动）载荷⑶自然载荷：①自重载荷②风力载荷③水力载荷④温度载荷按载荷产生的来源分载荷类型⑴力⑵力矩⑶转矩⑷压力⑸功率⑹加速度按载荷表示的形式分载荷历程：载荷－时间历程的简称。动载荷随时间变化的规律。按载荷是否随时间变化分：静载荷、动载荷按动载荷的载荷历程分⑴周期载荷:载荷的幅值和频率在某一时域保持不变。①简谐载荷②冲击载荷③复杂周期载荷⑵非周期载荷:载荷的幅值和频率都随时间变化。其变化有一定规律并可重复，可用一定的数学公式来表达。①准周期载荷②瞬变载荷⑶随机载荷:不可能用确定的数学关系来描述，但可以对它进行统计计数处理。(1)拉伸或压缩载荷(2)弯曲载荷(3)扭转载荷按载荷作用的形式分：简谐载荷冲击载荷复杂周期载荷随机载荷⑴静载荷：它的处理较为简单，可用静强度判据来设计计算。⑵动载荷：为了简化计算，也采用名义载荷乘以大于1的动载因数的办法，将动载荷转化为静载荷进行近似的设计计算。⑶周期载荷和非周期载荷：为确定性载荷，即可对周期载荷进行傅里叶展开，对非周期载荷进行傅里叶变换以获得它们的变化规律，从而利用疲劳强度理论进行设计计算。⑷随机载荷：是一种无规律的不重复的载荷，对它只能进行统计处理。各种载荷的处理峰值法、量程法、水平穿级法工作机械的负载特性：工作机械的转矩M与转速n之间的关系。负载恒转矩(Constanttorque)转矩是转速n的函数位能性负载反抗性负载直线关系二次方关系n-M曲线特性转矩M为常数转矩M大小相同，方向随转速n的方向发生变化转矩M与转速n之间有一定的函数关系，即M=f(n)，M随n增大而增大举例起重机、提升机构、卷扬机摩擦负载滑动轴承试验台(润滑油的粘滞阻力矩)离心式风机与水泵、船舶螺旋桨(靠改变转速来改变风量或水量)nMOnMOCnMOnMOC-C工作机械的负载特性：工作机械的转矩M与转速n之间的关系。负载转矩是行程s或转角θ的函数转矩随时间t变化无规律恒转速Constantrevolution恒功率n-M曲线特性M=f(s)或M=f(θ)转矩M为随机变量n为常数，而M从0变化到一定数值功率为常数，M↑、n↓或M↓、n↑举例采用连杆机构的工作机：活塞式空气压缩机，曲柄压力机，轧钢厂的剪切机、升降摆动台、翻钢机破碎机、球磨机电厂发电机（由汽轮机或水轮机驱动)机床切削加工,造纸、纺织和轧钢设备中的卷取机构(牵引力恒定)，工程机械nMOnMOCs,θMOtMO工作机械载荷的构成这部分载荷应按所设计设备的最大允许工作能力来取工作阻力摩擦力自重载荷外部动载荷传动系统的动载荷设计时，一般参考同型的参数接近的已有设备的自重作初步选定机械由于运动状态变化而产生的动态力在启动或制动过程中，除各执行构件外，传动系统的各构件上也将产生振动或冲击力的作用，从而引起传动系统的动载荷。其他载荷工作机械载荷的确定方法相似类比法原理：参照同类或相近的机械，根据经验或简单的计算确定所设计机械的载荷。应用：（1）载荷较难确定的场合或设计的初步阶段；（2）不需精确确定载荷的情况。几何尺寸类比关系式2121LfLfFF动力类比关系式2121LfLfPP2121LfLfTT或F1、L1、P1、T1—现设计机械的载荷、尺寸；F2、L2、P2、T2—现有机械的载荷、尺寸。f(L)—该类机械的尺寸L和载荷F间的函数关系。几何相似：表示两个机械的对应构件的尺寸、比例相同，形状相似及对应角相等；运动相似：表示两机械工作在相同工况时，其对应构件的对应点运动速度、位移成比例且方向一致；动力相似：表示两机械工作在相同的工况时，其对应构件上的对应点受力成比例，方向相同。相似原理包括几何相似、运动相似、动力相似。煤矿机械水泵和风机就是依照相似原理进行设计的。几何相似是运动相似的先决条件，没有几何相似就没有运动相似和动力相似。但几何相似不一定运动相似和动力相似。只有工作在对应的工况时，才能运动相似和动力相似。下面以水泵为例进行分析。321521212121321212212212121nnDDNNnnDDQQnnDDHHH1、H2——新设计水泵和参考水泵的水头，m；ρ1、ρ2——新设计水泵和参考水泵输送流体的密度，kg/m3；D1、D2——新设计水泵和参考水泵的叶轮直径，m；n1、n2——新设计水泵和参考水泵的转速，r/min；Q1、Q2——新设计水泵和参考水泵的流量，m3/s；N1、N2——新设计水泵和参考水泵的功率，kW。该式表明，两泵几何相似，在对应工况处的扬程、流量及功率间的相似关系。例如：两泵转速相同且水密度不变，若叶轮直径D1／D2＝2时，则新泵扬程为参考泵的4倍；若流量增加到8倍，功率增加到32倍。可以依此结果作为新泵设计的依据。除水泵、风机之外，绞车、减速器等许多机械的设计均是从类比法入手的。321521212121321212212212121nnDDNNnnDDQQnnDDHH设两泵转速相同且水密度不变，若叶轮直径D1／D2＝2时，问：新泵扬程、流量、功率？转矩T=FD/2（N·m）功率P=Fv/1000=Tω/1000（kW）功率P=Tn/9549（kW）实际测量法实测法：用试验分析测定载荷的方法应用：创新或研制的机械，且载荷的确定较重要。非电量的电测法利用测力传感器、显示器及其他电子仪器组成的测量系统，将机械的载荷转化电量参数进行测量。①可将不同的被测参数转换成相同的电量参数，因此可以使用相同的测量和记录仪器；②输出的信号可以作远距离传输，有利于远距离操作和自动控制；③采用电测法可对变化中的参数进行动态测量，因而可以测量和记录其瞬时值及变化过程；④易于同许多后续的数据处理仪器联用，从而能够对复杂的结果进行计算和处理。优点实测法对样机或主要构件进行仿真动力测试，以确定其实际受力大小及受力情况，并以此作为该机械中主要零部件设计的根据。实测法有应变电测法、光学法和声学法等。应变电测法是以应变计为传感元件进行实测。它是应用最广泛、使用最成熟的一种方法。实测法常用于对类比法设计出的样机进行实测鉴定。适用于工程结构、受力复杂及边界条件难于确定的问题和单靠理论难以确定的载荷的情况。光学方法是用光弹性法来解决平面或空间问题的一种有效方法，解决平面问题比较成熟。声学方法主要用于探伤；电测和光测正向数据采集、处理与分析自动化方向发展，是未来的发展方向。计算法Concept：根据机械的功能要求和结构特点，运用静力学、动力学、经验公式或图表等计算确定载荷的方法。两大类：静态设计法和动态设计法。GD2回转体的重量G和回转直径D平方的乘积飞轮矩或飞轮效应一种考虑机械运动惯性的动力学计算方法优点保证机械运动平稳、加减速与制动性能良好以及能量的合理利用等。例如：(1)重力载荷Ｗ＝mg；(2)移动部分的惯性载荷F＝ma；(3)物体所受的摩擦载荷F＝μFn等。上次课主要内容的回顾1.机械系统的能量流程组成？PI＝Pu+Pa+PC答：周期载荷、非周期载荷、随机载荷答：工作阻力、摩擦力、自重载荷、外部动载荷、传动系统的动载荷、其他载荷。答：相似类比法、实际测量法、计算法。2.动载荷的类型可分哪三种？3.工作机械载荷的构成？5.工作机械载荷的确定方法？4.工作机械的负载特性？工作机械的转矩M与转速n之间的关系。GD2的含义及其与转动惯量J之间的关系gGm/2/DrgJGD422mrJ对于分布质量回转体2/2/222132/D2/D22121)(822DDDDgGdrrgLrLdrgrJ对于空心旋转体gGDJ82201D对于实心旋转体GD2与扭矩M、转速n（或角速度ω）、时间t之间的关系dtdgGDdtdJM42MGDgdtd24或CMtGDgMdtGDg2244M为常数00＝t024MtGDg02375nMtGDn602nMnnGDt02375加减速时所需的时间tnnGDM02375加减速时所需的扭矩aatnGDM3752当加速时间为ta(s)，速度增量为△n时，加速力矩为有效转矩（均方根转矩）Mm4321323222121mtttttMtMtMMM1、M2、M3—分别为加速转矩、等速转矩及减速转矩；t1、t2、t3、t4—分别与M1、M2、M3所对应的时间以及停歇时间。MM32m若M1＝M3＝M，M2＝0及t1＝t3＝t4＝t，t2＝0，则有mRMM选择控制电动机时，应使mRKMM或MR—伺服电动机的额定输出转矩；Mm—换算到电动机轴上的有效扭矩；K—安全系数。机械工作的持续状况，如连续、断续、短时工作等。不同机械对工作制的表示形式有所不同，有的机械根据工艺需要或工程实践用载荷－时间特性曲线表示；标准减速器、通用机械等用每天工作小时数或每天几班制工作的形式，在使用因数(或工况因数)KA中考虑。工作机械的工作制一般用负载持续率FC表示FC＝tw/(tw+t0)×100%tw—机械工作时间；t0—机械停歇时间。载荷类型反映载荷在数值上随时间变化的特性，工作制反映负载持续状况，二者