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第一节机械系统的载荷分析第二章载荷与动力装置选择一、载荷类型所有机械在工作中都会受到多种外力的作用，这些外力工程上称之为载荷。确定载荷类型、大小、变化规律是机械系统设计的重要内容。用以计算强度、刚度、稳定性、可靠性和寿命，选择动力机类型和容量。1．按载荷的作用方式分类直接作用载荷——载荷以力或力矩的形式直接作用在机械上，如由工作阻力产生的载荷、惯性载荷、风载荷、驱动力、制动力等。间接作用载荷——以变形的形式间接作用在机械上，如温度、地震的作用引起的载荷。2.按零件发生变形的不同分拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷和扭转载荷。3.按载荷是否随时间变化分静载荷—载荷的大小、作用位置和方向不随时间而变，如结构的自重。动载荷—载荷的大小和方向随时间而变。工程中大多数机械承受的都是动载荷。工程上常把动载荷的载荷值随时间变化的规律称为载荷－时间历程，或简称载荷历程。动载荷主要有：（1）周期载荷载荷大小是随时间作周期性变化，它可用幅值、频率和相位三个要素来描述。以正弦规律变化的载荷是最简单的一种周期载荷，又称简谐载荷。x(t)=x0sin(ωt+φ)复杂周期载荷可用傅里叶级数展开。参见书P42公式（2-2）。（2）冲击载荷载荷作用时间短、幅值大。例如，锻锤在锤打坯料时所受的载荷就属于冲击载荷。（3）随机载荷载荷的幅值和频率都是随时间而变化的，不确定。如汽车、拖拉机、装载机、挖掘机等的工作载荷都是无规则的随机载荷。由于随机载荷具有不确定性，因而只能应用数理统计方法才能获得它们的统计规律。一般对随机的载荷－时间历程要进行频谱分析，从幅值域、时间域和频率域三个方面分析它的统计规律。对于静载荷需要采用静强度判据，对于动载荷就需应用疲劳强度的计算方法。也可用名义载荷乘以动载系数近似动载荷计算。P44表2-3动载系数推荐值，通过实验得到。二、工作载荷的确定方法工作载荷可归纳为以下几种形式：1）摩擦力为主要工作载荷的机械，如带式运输机、汽车(牵引力)、装载机等；2）提升重物机械的工作载荷，如起重类机械；3）切削阻力，如各种切削机床、推土机；4）物质破碎产生的工作阻力，如各种破碎机、球磨机等；5）流体机械工作阻力，风机、水泵等；6）冲压机械工作阻力，变形阻力。确定工作载荷的方法：成熟的理论、经验、实验。创新产品可通过模拟（计算机模拟或模型实验）。在确定载荷时必须考虑国家对该产品制订的规格、系列或标准；还有一些机械产品是以某些表征设备能力的特征结构尺寸作为系列标准，这些结构尺寸实际上决定了工作载荷的大小。所以，设计人员在设计产品时，应优先采用标准系列规定的载荷。确定载荷通常有三种方法：类比法、计算法和实测法。1．类比法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，这种方法称为类比法。它主要应用在载荷较难确定的情况或初步设计阶段。仿造（测绘）。使用类比法确定载荷一般需要一定的实际经验，否则容易出现载荷过大或过小的情况。应用类比法时常可采用相似原理进行推断，其中常用的有：①几何类比是在设计新机械时，首先需要确定能表征该设备能力的几何尺寸，并根据现有这类机械的尺寸与载荷之间的关系。②动力类比是选择一种同类的机械，调查其实际使用的动力机容量大小，如电动机的转矩、功率等，然后用简单的类比关系确定所设计机械的动力，以此作为依据来推算机械及其零部件所受的载荷。2．计算法计算法即根据机械的功率要求和结构特点运用各种力学原理、经验公式或图表等计算确定载荷的方法。例如设计起重机时，要计算：（1）起重量(吊重)表起升载荷包括起重机的额定起重力和随货物一起升降的装置的重力。100吨全地面起重机配重28吨时起重量表无配重时不带副臂起重量表带副臂起重量表（2）起重机的自重起重机的整机重力包括起重机所有零部件和附属设备的重力。在设计前，起重机的整机重力是个未知数。此时，可以参照同类起重机进行类比估计，在设计完成后再予以修正。整机重力可按集中载荷或均布载荷处理。W=∑mig=∑ρiVig（3）动载荷起重机在起动或制动等不平稳运动状态时，会引起振动载荷和惯性载荷。起升动载荷Fd1=KG移动动载荷Fd2=m·dv/dt转动动载荷Td=J·dω/dt（4）风载荷在室外工作的起重机还需要考虑风力引起的载荷。Ff=C·pf·A3.实测法用实验分析的方法测定机械及其零件的载荷。应变测试－得到应力，应变片、应变仪。三、动载荷的分析计算动载荷包括惯性载荷、振动载荷和冲击载荷。运动速度改变而引起的惯性载荷，振动和冲击也是惯性载荷dv/dt(或dω/dt)。第二节动力装置概述一、动力装置的组成动力机又称原动机。是机械设备中的驱动部分。动力机的输出转矩与转速之间的关系称为机械特性或输出特性。常用的动力机有电动机、内燃机、液压马达、气压马达等。在设计机械系统时，选用何种形式的动力机，主要从以下几个方面考虑：1）分析工作机械的负载特性和要求，包括工作机械的载荷特性、工作制度、结构布局和工作环境等。2）分析动力机本身的机械特性，包括动力机的功率、转矩、转速等特性，以及动力机所能适应的工作环境。使动力机的机械特性与工作机械的负载特性相匹配。3）进行经济性比较，当同时可用多种类型的动力机进行驱动时，经济性的分析是必不可少的，包括能量的供应和消耗，动力机的制造、运行和维修成本的对比等。除上述三方面外，有些动力机的选择还要考虑对环境的影响，如空气和噪声污染等。例如：叉车有：内燃叉车和电平叉车，按照使用场合来选定的。井下运输车辆、特殊工作间的起重机都要求：防爆，只能用防爆电动机和加装防爆装置的内燃机。铁路运输：有内燃机车和电力机车牵引，以前还有蒸汽机车。二、典型动力装置特点1）内燃机：分类：按照不同的分类方法，内燃机可以分为多种不同的类型。通常情况下，按照燃料类型和燃烧方式，分为汽油机和柴油机。优点：功率范围宽，操作简单，启动迅速，便于移动，用于野外，无法使用电力的时候使用。缺点：污染环境，消耗自然资源。2)电动机分类：直流电动机和交流电动机。优点：技术较为成熟，驱动效率高，与被驱动的工作机械连接简便（可用标准联轴器）；有多品种和规格，可满足不同类型机械的工作要求；具有良好的调速性能，启动、制动、反向和调速的控制简单可靠，可以实现远距离的测量和控制，便于集中管理和实现生产过程的自动化。价格较低。缺点：必须具备相应的电源，对野外工作的机械及移动式机械常因缺乏电源而不能选用。作为电动机的动力机是发电机，因此还应将发电机作为原动机，有水力发电机组、火力发电机组（汽轮机组）、风力发电机组和核发电机组。3）液压马达分类：按照能量转换机构的结构形式，通常划分为摆线马达、柱塞马达、叶片马达、齿轮马达等；按照输出转矩和转速的大小，通常划分为低速大转矩马达和高速马达两种类型。特点：可以获得很大的机械力或转矩，与电动机相比在相同功率时其外形尺寸小、重量轻，因而运动件的惯性小，快速响应的灵敏度高。液压马达可以通过改变进油流量来调节执行机构的速度，传动比大，低速稳定性好，容易实现无级调速，操作和控制都比较简单。缺点：使用液压马达必须具有高压油的供给系统，且对液压元件的制造和装配精度要求较高，容易出现漏油现象而影响工作效率及工作机械的运动精度。价格高。液压马达的动力机是液压泵。4）气动马达：分类：通常按照能量转换机构的结构形式划分为柱塞马达、叶片马达等。特点：使用空气作为工作介质，容易获得；用后可以直接排入大气而无污染，压缩空气可以进行集中供给和远距离输送；动作迅速，反应快，维护简单，成本低；对易燃、易爆、多尘和振动等恶劣工作环境的适应性较好。缺点：因空气具有可压缩性，气动马达的工作稳定性较差，气动系统的噪声大；工作压力受到一定的限制不能太高，输出的转矩不能太大，一般只适用于小型和轻型的工作机械。用于自动生产线，行车制动系统等。气压马达的动力机是气泵（空气压缩机）。三、工作机械的负载特性选择动力机时，在确定类型后，应确定其容量，容量大小是按照负载大小确定的。即动力机的功率和转矩应大于负载的功率和转矩，特别是转矩必须有一定的储备系数。功率P=T·n转矩T=P/n1．工作机械的负载特性工作机械的负载特性是指工作机械在运行过程中其功率、转矩和转速或位移间的关系。选择动力机的容量时，主要考虑工作机械在输入动力端的转矩、功率和转速之间的关系。Tz=f(n)，Pz=f(n)。负载特性有：1）恒转矩负载特性恒转矩特性是指转矩与转速无关，即当转速变化时，转矩保持常数。如起重机起升机构负载特性。2）恒功率负载特性功率基本保持不变的特性称为恒功率负载特性。许多加工机床均属于这种负载特性，粗加工时切削量较大，采用低速运行，精加工时切削量较小，采用高速运行。土方机械也属于这类负载特性，如推土机，工作负载大时转速低，工作负载小时转速高，因此，负载转矩与转速成反比。3）转矩是转速函数的负载特性转矩与转速之间存在一定的函数关系。例如离心式鼓风机、水泵等按离心力原理工作的机械，其负载转矩随转速的增大而增大。4）转矩是行程或转角函数的负载特性带有连杆机构的工作机械大多具有这种特性，如活塞式空气压缩机、曲柄压力机等。5）恒转速负载特性如冶金、矿山中常用的破碎机和球磨机等，转速恒定，而转矩随时间无规律的变化。四、工作机械负载图负载图是表示功率、转矩与时间的关系图线。若这种关系表示的是工作机械的情况，称为工作机械负载图。下图为起重机卷扬机构的负载图。驱动转矩计算公式为：T-Tz=J·dω/dtT－驱动转矩，Tz－负载，J－等效转动惯量，ω－角速度。一、电动机的选择第三节动力装置的选择选择电动机包括类型、结构、容量、转速、绝缘等级和安全防护等内容。1)按负载特性对恒转矩负载特性的机械，应选用机械特性为硬特性的电动机；对恒功率负载特性的机械，应选用变速直流电动机或可调速的交流异步电动机。2)交流和直流当交直流电机都能满足要求时，因交流电供电方便，应优先选用交流电动机；如选用直流电动机则需增设直流电源或整流设备，费用较高。交流电动机适用于不需要频繁起动、制动、反转以及在宽广范围内平滑调速的机械，其中笼型感应电动机具有价格便宜、结构简单和维修方便等优点，应优先选用，其中Y系列应用最多。对于有调速要求的设备如电梯及某些机床等，可选用笼型多速感应电动机。绕线转子感应电动机可以限制起动电流，提高起动转矩，多用于起重机和矿井提升机等，它在转子中串接电阻后，可以进行小范围调速。如果电动机的容量大于100kw，又无调速要求时，可采用交流同步电动机，它能提高功率因数。直流电动机具有调速性能好等优点，可用在功率较大并要求调速范围较宽的机械上。3)持续时间根据负载特性持续时间的长短对电动机发热的影响，可分成连续、短时和断续周期性三种工作制。连续工作制电动机的工作时间很长，温升可达稳定值。短时工作制电动机的工作时间较短，而间歇时间又相当长。我国设计制造的这类电动机的工作时间为15min、30min、60min、90min四种。二、电动机容量的选择计算电动机功率的确定主要应考虑电动机的发热、允许的过载能力和起动能力三个因素，其中发热问题最为重要。选择电动机容量的步骤：1）预选电动机容量：按照工作机械的负载特性绘制工作负载图，即转矩负载图或功率负载图，据此可初步估算电动机功率，并预选电动机。2）绘制电动机的负载图：根据工作机械的负载图和预选的电动机特性绘制电动机的负载图，其中包括转矩负载图、电流负载图或功率负载图。3）过载能力计算：对于负载图中的瞬时最大负载需进行瞬时过载能力的校验。不同形式的电动机其过载能力计算公式不一样：直流电动机Imax≤KλIIN异步电动机Tmax≤KKU2λTTN同步电动机Tmax≤KλTTNλ是过载倍数，KU电压波动系数0.85，K是余量系数，交流取0.9。4）电动机的发热校核电动机运转过程中，内部会产生电能损耗并转换为热能，使电动机的温度升高。在电动机中耐热最差的是绕组的绝缘材料，它的最高允许温度限制了电动机带动负载的能力。电动机的额定功率是指环境温度为40℃时，使最高温升限制在允许范围内的情况下，能带动额定负载长期连续工作的能力。发热校核通常采用等效电流、等效转