机械系统的载荷特性和动力机选择(ppt 69页).ppt

第三章机械系统的载荷特性和动力机选择 3 1工作机械的载荷和工作制 3 2动力机的类型 机械特性及其选用 任何机械系统都要承受各种外力的作用 这些外力称为载荷 载荷不仅是计算强度和刚度的重要依据 而且也是进行动力计算和选用动力系统的主要依据之一 载荷通常用力 力矩 压力 功率等参量表示 3 1工作机械的载荷和工作制 一 工作载荷类型二 工作载荷的处理方法三 工作载荷的确定 四 工作机械的工作制 一 载荷类型 按载荷作用的形式分 拉伸或压缩载荷 弯曲载荷和扭转载荷 常用力 力矩或扭矩的形式来表示 也可以用压力 功率 加速度等形式来表示 工作载荷 由工作阻力产生动力载荷 由运动变化产生自重载荷 自重量产生温度载荷 温度变化产生风力载荷 空气阻力产生液力载荷 液体压力产生 按照载荷产生的来源分 按载荷与时间关系分 一 载荷类型 静载荷 大小 方向和位置都不变的载荷 动载荷 大小 方向和位置随时间而变化的载荷 载荷历程 工程上常把载荷值随时间变化的规律称为载荷 时间历程 周期性载荷 非周期性载荷 正弦变化载荷 复杂周期性载荷 准周期性载荷 瞬变载荷 确定性载荷 随机载荷 动载荷 载荷 时间历程图 复杂周期性载荷 正弦规律变化载荷 周期性载荷 大小随时间作周期性变化的载荷 准周期性载荷 指由若干频率比是有理数的简谐载荷的合成 它可用周期载荷的处理方法来表示 瞬变载荷 指作用时间短 幅值变化较大的载荷 瞬变载荷常采用傅里叶变换建立载荷的时间函数和频率函数之间的一一对应关系 冲击载荷是一种比较典型的瞬变载荷 随机载荷 随机载荷是一种无规则的 不能重复的载荷 对它只能进行统计描述 随机载荷通常由现场实测 即采样 获得 每一次采样可以得到一个样本函数 也称子样 x t 在相同的条件下 进行重复采样 就可以得到互不相同的许多样本函数x1 t x2 t xn t n个样本函数的集合形成了随即过程 用随机过程的一些数字特征如均值 方差 自相关函数等来描述其基本统计特征 二 载荷的处理方法 1静载荷 周期载荷 非周期载荷的处理 1 载荷谱 将原始记录的载荷 时间历程 机械的工作谱 用概率统计的方法进行处理后 得到能反映载荷随时间变化的 具有统计特征的载荷 时间历程 为了简化计算 常将名义载荷乘以动载系数 将动载荷转化为静载荷进行近似的设计计算 2随机载荷的处理 编谱的要求 1选取的载荷子样必须具有典型性和代表性 2使用载荷谱进行疲劳计算或实验时 所得寿命能尽量接近实际机械的工作寿命 3整个编谱过程的计算工作由计算机完成 工作谱 载荷谱 编谱 对于一个随机载荷 时间历程 适合作为统计计数的特征事件基本上有三种 峰值 载荷的最大和最小值 幅程 在和从最小到最大的增量或从最大到最小的减量 穿级数 载荷穿越给定载荷水平的次数 统计时根据不同的特征事件并忽略微小的载荷变化进行处理 2 编制载荷谱的方法功率普法 将一个随机载荷的子样经专用的谱分析仪器 获得功率谱密度函数 循环计数法首先把一个随机载荷 时间历程离散成一系列的峰值和谷值 并根据不同的计数规则计算出峰值和幅值发生的频次和频率 然后再按照数理统计的方法确定峰值和幅值变化的概率密度函数和概率分布函数 循环计数法 峰值计数法穿级计数法幅程计数法雨流计数法 例 峰值计数法 全部峰谷值进行计数 54321载荷 时间 321频次 12345载荷 例 穿级计数法 54321载荷 时间 8642频次 12345载荷 例 幅程计数法 54321载荷级数 时间 321频次 12345载荷级数 r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 分别计算相邻峰值和谷值之间的差值 r1 4 r2 2 r3 3 r4 4 r5 2 r6 1 r7 2 r8 4 雨流计数法 原理 取垂直向下的纵坐标表示时间 横坐标表示载荷 这样载荷历程形同一座宝塔 雨点依次以峰值或谷值为起点向下流动 根据雨点向下流动的轨迹确定出载荷循环 并计算出每个循环的幅值大小 计数规则 雨点的起点依次从每个峰值或谷值开始并沿其内侧往下流动 雨流在下一个峰值或谷值处落下 直到对面有一个比开始时的峰值更大或谷值更小的值时停止 当遇到来自上面的雨点时雨流也停止 取出所有的全循环 把剩下的载荷峰谷值点连接成新的载荷历程 并按雨流法的第二阶段计数法计出循环数 对于计得的全循环计算出它们的幅值 F t 0 a a c b e d d f g g i h 半循环 a b a d e d g h g 全循环 0 a a c c d d f f g g i 3 频率直方图和概率密度函数 把循环得到的一系列峰值或幅值数据分组 一般情况下分成12祖 求出每一组峰值或幅值出现的频次mi 相应的频率p mi N 其中以载荷为横坐标 以频率为纵坐标 就可绘出频率直方图 当总数据量N足够大时 一般N 106 用统计理论 以一条光滑的曲线描述母体 该曲线称为概率密度曲线 其表征的函数为概率密度函数 020406080100120140160180200220240 0 1 0 3 0 2 F kN p 根据教材P50表3 2载荷循环计数统计表所绘制的频率直方图 概率密度曲线 三 工作载荷的确定 在进行机械系统设计时 一般须先给定载荷 它可以由设计者自行确定 也可以由需方提供 在确定载荷时 应优先考虑国家对该产品制定的有关规格 系列或标准 如压力机械规定了压力的系列标准 起重机械规定了其重量的系列标准等 它们直接规定了设计载荷的大小 对于没有国家标准的 则根据经验或参照其他涉及来确定 工作载荷需要根据机械系统所要完成的功能来确定 同时还要考虑该产品的规格 系列或标准 通常有三种确定方法 类比法 计算法 实际测量法类比法 参照同类或相近的机械 通过相似理论的分析 设计 来拟定其工作载荷及其他参数 通常采用几何尺寸类比法和动力类比法 三 工作载荷的确定 例如 假设已知的原型机械与待设计的机械产品之间存在力相似 以P表示载荷 则在和相似系数Cp为 原型系统承受的载荷 设计系统对应原型系统个位置上所作用的载荷 计算法 根据系统的功能要求和结构 运用力学原理 经验公式 手册 图表等计算确定载荷 实测法 通过实验分析测定载荷 电阻应变式传感器 电阻应变仪和记录分析仪 载荷的确定较重要时 可通过模型或原型由实测法精确确定 计算法主要包括静态设计法和动态设计法 几种常见载荷的确定方法1 以摩擦阻力为主的工作载荷 2 以切削力为主的机床载荷 1 实测法 选一台在传动和结构上同所设计机床相近似的机床 进行特定或典型的工序 测出电动机在一定时间内的输入功 则可算出其平均功率 2 计算法主运动电机功率 其中 机床主运动电机的功率为 加切削载荷后所增加的传动件摩擦功率 传动链的机械效率 车 铣 磨工序 钻 扩工序 当空载功率实测困难时 可按下式粗略计算 电动机的额定功率 K 电机超载系数 对连续工作机床K 1 0 对间断工作机床K 1 1 1 25 四 工作机械的工作制 1定义 工作机械的工作制是指机械工作的持续状况 如连续 断续 短时工作等 2工作制的表示形式 根据工艺需要或工程实践用载荷 时间特性曲线表示用每天工作小时数或每天几班制工作的形式 在工况因数KA中考虑 用负载持续率FC表示 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 在选择动力机时两者都要考虑 3 2动力机的类型 机械特性及其选用 一 机械系统中常用的动力机的种类 二 动力机的选择依据 三 各类动力机的主要特点 五 内燃机的类型 机械特性及选择 四 电动机的类型 机械特性及选择 六 液压马达的类型 机械特性及选择 一 机械系统中常用的动力机的种类 根据能量转换方式和能源的不同 机械系统中常用的动力机可分为 电动机 内燃机 液压马达 气动马达等几大类 电能 内燃机 交流电机 直流电机 热能 液压能 气压能 液压马达 电动机 气动马达 柴油机汽油机煤气机 容积式 低速 高速 齿轮式叶片式轴向柱塞式钢球式 柱塞式钢球式摆线转子式 透平式 齿轮式叶片式柱塞式摆动式 1 工作机的负载特性和要求 如载荷性质 工作制 结构布局和工作环境等 2 分析动力机的机械特性 动力机的特性应与工作机的负载特性相匹配 3 动力机容量计算 通常是指计算动力机功率的大小 4 经济性 如价格 能耗 运行和维修费用等 5 作业环境的要求 二 动力机的选择依据 动力机的机械特性 或称输出特性 是选择动力机的主要依据之一 所谓动力机的机械特性是指其输出转矩M同其相应转速n之间的关系 动力机的机械特性 工作机在运行过程中其运动参数 速度 位移等 与动力参数 转矩 功率等 的变化规律称为工作机的负载特性 恒转矩负载特性 负载转矩于其转速无关恒功率负载特性 转速变化时负载功率基本保持不变负载转矩随转速变化而变化 离心式鼓风机 水泵负载转矩是行程或转角函数 如活塞式空气压缩机 曲柄压力机等负载转矩变化无规律 如破碎机 球磨机等恒转速负载特性 内燃机 驱动发电机 工作机的负载特性 机械系统在运行过程中不断处于加速 减速和稳定运转状态 为使其运行性能良好 动力机的机械特性必须与工作机的负载特性相匹配 现以他励电动机驱动 具有恒转矩负载特性的工作机为例 来分析其稳定运行的条件 系统稳定运行的条件是 动力机与工作机两者的机械特性曲线必须具有交点 且在交点对应的转速之上应保证T Trs 而在这一转速之下 则必须T Trs 系统稳定运行的条件 电动机优点 驱动效率高 与工作机便于联接 调速性能好 起动 制动 反向 调速的控制简便 种类 型号多 可满足不同工作要求 便于集中管理和生产过程自动化 可实现远距离测量和控制 缺点 需有相应的电源 因而不适于野外工作的机械及移动式机械 三 各类动力机的主要特点 液压马达优点 可获得的转矩和机械力大 与电动机相比较 在相同功率时尺寸小 重量轻 快速反应的灵敏度高 容易实现无级调速 操作 控制简便 易于实现复杂的工艺动作 缺点 需有高压油供给系统 液压元件的制造 装配精度要求高 否则因漏油而影响工作效率 运动精度并污染环境 气动马达优点 工作介质为空气 易获得 且排除的气体不污染环境 动作迅速 成本低 对易燃 易爆 多尘等恶劣工作环境的适应性好 缺点 因工作的可压缩性而使工作稳定性差 噪声大 因工作压力较低 其输出的转矩不大 通常适用于小型机械 内燃机优点 功率范围宽 操作简便 便于移动 缺点 需用柴油或汽油做燃料 且要求较高 排气污染环境 噪声大 多用于野外工作的机械 如农用机械 工程机械和船舶车辆等 四 电动机的种类 机械特性及选择 一 电机的种类 交流电机 直流电机 电动机 异步电机 同步电机 他励 并励 串励 复励 三相异步电动机的种类及其机械特性 按转子结构分类鼠笼型电动机绕线型电动机 按外壳结构形式分类开启式 防护式 封闭式 隔爆式 按安装方式分类立式 卧式 M n s sm Mm P B H sm A MN Mst 启动点A空载工作点H额定工作点B最大转矩点P和P 三相异步电机的机械特性 二 电动机的机械特性 n M 同步电动机 异步电动机 直流并励电动机 直流串励电动机 绕线式异步电动机 三 电动机的选择和计算电动机选择要确定 类型 额定功率 额定电压 额定转速等 电动机类型及结构的选择电动机额定转速的选择电动机额定电压的选择电动机工作制的选择电动机功率的选择与计算 选择电动机类型机结构时需考虑工作机的负载特性 工作制 起动 制动及反向的频繁程度 调速性能 工作环境 安装要求等 电机类型的选择 鼠笼型电动机 优点 结构简单 耐用 价廉 易维修 特性硬 即负载转矩在允许范围内变化时 电动机转速变化不大 缺点 起动 调速性能差 轻载时功率因素低 广泛用于无调速要求的工作机械 绕线型电动机 优点 起动转矩大 起动时功率因素较高 可进行小范围调速 且调速控制简单 缺点 结构复杂价格较高 维修较难用于起动较频繁 起动负载较大或小范围调速的机械 如起重机 轧钢机等 三相交流异步电动机 单相异步电动机 使用单向交流电源 特点是电动机的效率和功率因素低 过载能力差 电机容量小 一般小于0 6kw 多用于小型电动工具 小型鼓风机以及家用电器 同步电动机 优点 功率因素高 不需从电网吸收无功功率 在稳态时能够以恒定转速恒定功率运行 缺点 结构复杂 造价较高 转速不能调节 用于长期连续工作而需保持转速不变的大型机械 如大功率离心式水泵 通风机 直流电动机 优点 启动与调速性能 起动转矩大 缺点 需增设直流发电机或整流设备 花费大 用于功率较大并要求调速范围宽的机械 如大型起重设备 电气机车 造纸机 龙门刨自动控制系统等 电机类型的选择 在满足使用要求的前提下 交流电动机优选于直流电动机 鼠笼型电动机优选于绕线型电动机 专用电动机优选于通用电动机 对于无调速要求的机械应尽可能采用交流异步电动机 负载平稳 对起动 制动无特殊要求的长期运行的机械宜采用价廉的鼠笼型电动机 若容量大 则采用同步电动机 对于恒转矩负载特性的机械 宜采用机械特性硬的电动机 对于恒功率负载特性的机械 应选用变速直流电动机或带有机械变速的交流异步电动机 周期性变动负载或起动转矩大的机械 如起重机宜用绕线型电动机 在需要调速的机械中 若仅要求几种有级调速的机械 可采用鼠笼型异步电动机 若功率大 调速范围宽 且需连续平滑调速的机械 可用直流电动机 电机结构形式的选择 一般情况下多采用卧式安装的电动机 只有特殊需要才用立式安装的电动机 如为简化传动装置 立式钻床上使用立式安装电动机 根据工作环境选择电动机的防护型式 开启式 干燥清洁的环境可以选用开启式 这种电动机价格便宜 散热条件好 防护式 用于干燥灰尘不多没有腐蚀性和爆炸性气体的场合 封闭式 可用在潮湿 易受风雨侵蚀 多腐蚀性灰尘的环境 隔爆式 不仅能防止杂物进入电动机内 还能防止电动机内部的爆炸气体传动外部 用在有爆炸危险的环境中 电动机额定转速的选择 电动机额定电压的选择 电动机的额定电压应与电网供电电压一致 中 小型交流异步电机可采用220V 380V 380V 660V两种额定电压 大型交流异步电机可采用3000V以上的高压电源直流电动机额定电压常为220V或110V 大功率直流电机可用600 870V 3000r min 1500r min 1000r min 750r min 600r min等五种 当输出功率相同时 转速越高 电动机的尺寸和重量越小 价格也越低 因此 应尽量选用转速较高的电动机 但如执行机构的速度很低 而选用高转速电动机时 减速装置增大 传动部分的成本将会提高 同时机械效率也降低 所以要综合考虑 还要考虑机械的工作制 起动制动及反转的频繁程度等因素 电动机工作制的选择 国家标准规定三相异步电动机的工作制共分9类 主要是前三类 连续工作制 工作时间较长 温升可达稳定值短时工作制 工作时间较短 而间歇时间较长断续周期工作制 工作时间和间歇时间轮流交换 且都较短 2 电动机功率的选择选择电动机的功率时需考虑三个主要因素 电机发热 允许的过载能力和起动能力 其中发热因素最为重要 电动机的温升及其工作制电动机的温度与环境温度之差称为温升 电动机在使用过程中其温升应不超过其额定温升 电动机的温升与其负载持续时间的长短 即工作制 密切相关 断续工作制用负载持续率ZC表示 用于断续工作制的电动机 我国规定的标准持续率有15 25 40 60 因此应尽可能选择与工作机械相同或相近工作制的电动机 并通过发热计算 电动机起动转矩的校核 电动机过载能力校核 对瞬时最大负载需要进行过载能力的校验 交流电动机的过载能力已允许转矩的过载倍数 M来衡量 直流电动机以电流过载倍数 I来衡量 电动机过载能力的计算公式为 电机负载图根据工作机的负载变化绘制的电动机转矩 功率或电流与时间的关系曲线 电动机的发热校核 电动机的发热计算是针对变负载情况的 最常用的方法是等效法 又称均方根法 根据不同的负载状态计算出等效电流Idx 等效转矩Mdx或等效功率Pdx 只要它们小于相应的额定值IN MN PN 发热就认为是允许的 周期性变化负载长期运行周期性变化负载断续运行 例某卷扬机 卷筒直径D 4m 起重量W 6 104N 吊具重W1 6 104N 提升速度 720m min 起动的加速时间tst 10s 稳速提升时间ts 50s 制动的减速时间tb 12 停歇时间t0 10 卷扬机的效率 0 96 试选择电动机 钢丝绳质量 摩擦阻力 空气阻力不计 设传动系统折算到卷筒上的总转动惯量Jtot 1 02 105kg m2 五 内燃机的类型 机械特性及选择 选择 种类 主要性能 机械特性 按燃料种类分柴油机和汽油机 按汽缸数目分单缸或多缸内燃机按一个工作循环的冲程数分二或四冲程内燃机 按点火方式分压燃式或点燃式内燃机按进气方式分自然吸气式或增压式内燃机 主要性能 有效功率Pe 内燃机的实际输出功率平均有效压力pe 单位气缸工作容积所作的有效功标定功率Peb 在内燃机铭牌上规定的功率升功率PL 气缸每升工作容积所发出的有效功率有效燃油消耗率ge 单位有效功率每小时的耗油量机械效率 m 有效功率与指示功率之比 主要的有效性能指标 机械性能 柴油机的机械性能有 在转速不变的情况下 其性能参数随有效功率变化的规律 当喷油泵的调节杆限定在标定功率循环供油量位置时 柴油机的性能参数随转速变化的规律 表示柴油机个主要性能参数之间关系的综合特性 以转速为横坐标 平均有效压力为纵坐标作出若干条等有效燃油消耗率和等功率的曲线族来表示 反映各种转速 各种负荷下的燃油经济性及最经济的负荷和转速 负荷特性 速度特性 万有特性 选择内燃机时必须了解内燃机的运行工况和特性 使它能很好地与被驱动工作机的负载特性相适应 工况1发动机功率变化但曲轴转速几乎不变 称固定式发动机的工况 如内燃机与发电机 风压机和水泵等机械一起工作时 发动机转速由调速器保证基本上保持不变 功率则随工作机械的使用负荷不同 工况2发动机功率与曲轴转速之间具有一定的函数关系 如内燃机带动螺旋桨 液力变矩器时的工况为线工况 应用最多的是三次幂函数关系 称为螺旋桨工况 在发动机变更转速的同时变更供油量以变更负荷 内燃机的选择 内燃机的选择 一般先根据其外特性判断柴油机的n Me Pe等动力性能是否满足从动机的要求 然后再根据所选择的工作转速的负荷特性 判断所选择的柴油机是否经常在经济负荷范围内运转 如果满足上述要求 则选择是合理的 工况3发动机功率与转速之间没有一定的恒定关系 如柴油机作为汽车 拖拉机等陆上运输动力且排挡一定时 它的转速取决于他们的行驶速度 功率则取决于他们的行驶阻力 内燃机的选择 汽油机和柴油机的比较 在输出功率相同的情况下 汽油机的尺寸和重量比柴油机小 汽油机的转速比柴油机高 前者通常在3000r min以上 后者则在2000r min以下 汽油机的工作稳定性比柴油机好 噪音比柴油机小 柴油机比汽油机过载能力强 柴油机比汽油机耗油率小 且比汽油价廉 汽油机主要用于要求重量轻 结构紧凑的机械 柴油机多用于对重量 结构紧凑要求不高及功率较大的机械 如工程机械 载重汽车 内燃机容量的计算由于内燃机过载能力不大 故其容量应按启动所需力矩确定 一般可按下是确定 拖拉机用内燃机Kn 1 1 1 2 汽车Kn 1 2 1 5 轻型汽车Kn 1 5 1 8 按国标规定 内燃机标定功率分为4级 1 15min功率指内燃机允许连续运转15分钟的最大有效功率 适用于常以中小负荷工作又需有较大功率储备或许在瞬时发出最大功率的内燃机 如汽车 2 1h