第四章机械系统能量流设计PPT课件.ppt

1 第四章机械系统的能量流设计 第一节概述 第二节能量流系统分析 第三节工作机械载荷分析 第四节普通动力机的种类 特性及其应用 第五节伺服驱动装置简介 略 第六节能量流系统设计 2 能量流系统的起点是驱动装置 来自机械系统外部的能量通过驱动装置流向机械系统的各有关环节或子系统 能量是由能量系统中的驱动装置 动力机 提供的 3 驱动装置 气压驱动 气马达 4 1 机电一体化的能源 5 2 能源传递和转换装置 6 进行能量流系统设计应解决如下四个问题 1 机械系统中能量流动状况和特征分析 第二节 2 工作机械的载荷分析计算 第三节 3 驱动装置的选择 第四节 4 系统能量匹配与设计 第六节 7 第二节能量流系统分析 4 2 1机械系统的能量流程 对于某一时间段的机械工作过程而言 其工作过程的能量流可用下图描述 机械系统的能量流图 EI 输入到机械系统的能量 EC 机械系统的有效能 Es 系统广义储能 EL 系统损耗的总能量 8 安装在回转轴上具有较大的转动惯量的轮状蓄能器 飞轮用来减少机械运转过程中的速度波动 例 装在发动机曲轴后端的较大的盘装零件 将发动机做功行程的部分能量储存起来 以克服其他行程的阻力 使曲轴均匀旋转 飞轮 9 对于某一时刻 机械系统的瞬态能量流表示为 4 2 1机械系统的能量流程 当PC 0时 系统处于无载荷空运行时 此时系统消耗的功率称为系统空转功率 又称为非载荷功率 用Pu表示 当PC 0时 即系统有负载荷时 机械系统的总损耗PL要在原空载损耗的基础上增加 增加的这部分损耗称为系统附加损耗功率Pa 又称为载荷损耗 则有 PL Pu Pa 10 机械系统的瞬态能量流 二 由图得 只考虑机床稳态运行时 11 4 2 2机械系统能量流理论及其应用简介 机械系统的能量流理论主要包括以下几个要点 1 机械工作状态能量信息论 2 机械工作状态能量损失论 3 机械工作过程节能效益论 12 1 机械工作状态能量信息论 通过监视输入功率PI 就可以监视和识别刀具磨损的状态 4 2 2机械系统能量流理论及其应用简介 机械工作过程中工作状态和系统结构的变化 一般都会引起某一部分能量状况的变化 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 这样可有效地对机械工作过程实施状态监控和故障诊断 13 空载功率Pu消耗能量的总量在系统输入总能量中占的比例较大 载荷损耗也在系统输入能量中占有一定比例 2 机械工作状态能量损失论 4 2 2机械系统能量流理论及其应用简介 14 机械工作过程的能量效率 机械工作过程中的能量效率是一个变量 为了一个参数描述整个工作过程的能量利用状况 引入了机械工作过程能量利用率U 4 2 2机械系统能量流理论及其应用简介 15 能量损失将造成以下恶果 摩擦损失能量伴随着磨损而导致机械寿命和可靠性降低 噪声和振动都有要由能量来维持 能量损失的绝大部分转化为热能 导致机械产生热变形 严重影响精度 并可能加剧运动副的磨损甚至卡死 降低可靠性 3 机械工作过程节能效益论 4 2 2机械系统能量流理论及其应用简介 16 17 载荷通常用力 力矩 扭矩 压力 功率 加速度等参量表示 第三节工作机械载荷分析 工作机械的载荷类型工作机械载荷的构成工作载荷的确定方法 18 由于一般的动力机输出的都是旋转运动 因此 常用工作机械的转矩M与转速n之间的关系来表示工作机械的负载特性 工作机械的负载特性 19 工作机械的负载特性 20 一 载荷类型 按载荷作用的形式分 弯曲载荷 扭转载荷 21 按载荷与时间关系分 一 载荷类型 静载荷 大小 方向和作用位置都不随时间的变化而变化的载荷 动载荷 大小 方向和位置随时间发生显著变化的载荷 工程实践中 绝大部分的载荷是动载荷 为了简化计算 常把量值变化不大或变化过程缓慢的载荷作为静载荷处理 22 一 载荷类型 工程上 常把动载荷随时间变化的规律称为载荷 时间历程 简称载荷历程 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 23 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 如 锻压机械 振动机械 用幅值 频率和相位角描述 傅里叶变换 24 准周期性载荷 指由若干个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 如模锻设备所承受的载荷就可认为是冲击载荷 在工程上 往往把量值较小 频率较高的多次冲击载荷按一般的周期载荷来处理 非周期性载荷 25 26 随机载荷 随机载荷是不能用确定的数学方程式来表达的 但是可以对它进行统计计数处理 对于一个随机载荷 时间历程来说 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 2 量程 载荷从最小到最大的增量或从最大到最小的减量 3 穿级数 载荷穿越给定载荷水平的次数 27 统计计数方法一般根据不同的特征事件并忽略微小的载荷变化进行处理 基本方法有以下三种 1 峰值法 2 量程法 3 水平穿级法 28 峰值法 对载荷 时间历程中的峰值和谷值进行计数 以此作为载荷谱的特征量 图中为离散处理后的载荷历程 在最大最小载荷之间分级 统计每一级载荷中出现载荷峰值或谷值频次 绘制频次直方图 29 水平穿级法 也是将载荷分成若干级 然后对实际载荷穿越这些级时就进行计数 30 二 工作机械载荷的构成 1 工作阻力 2 摩擦力 3 自重载荷 4 外部动载荷 5 传动系统的动载荷 6 其它载荷 31 机械系统能量主要就是用于克服工作阻力 如 起重机械的起升载荷 金属切削机床的切削力 破碎机的破碎力等等 都是工作阻力 设计时 这部分载荷应按所设计设备最大允许工作能力来取 起重机允许起升的最大有效物品质量取物装置 吊钩滑轮组 起重横梁 抓斗 容器或吸盘 质量悬挂着的挠性件以及其它在升降中的设备的质量之和 1 工作阻力 二 工作机械载荷的构成 32 2 摩擦力 机械系统中各种相对运动的构件均可以产生摩擦力 这些摩擦力是工作机械载荷的重要组成部分 二 工作机械载荷的构成 33 3 自重载荷 某些机械设备本身的全部或部分构件的重量也为工作载荷的一部分 如挖掘机的臂及斗的重量 起重机的全部金属结构以及附设在其上的其它物件的重量均在自重载荷之内 二 工作机械载荷的构成 自重载荷 参考同型 参数接近的已有设备 34 4 外部动载荷 货物突然离地起升时 起升质量及起重机各质量将产生振动从而产生附加的动载荷 运行 回转或变幅机构启动或制动时 由于挠性悬挂着的货物摆动产生的动载荷 运行或回转机构起 制动时 各部分质量产生水平方向的振动 产生水平动载荷 机械由于运动状态发生变化而产生的动态力称为动载荷 二 工作机械载荷的构成 35 5 传动系统的动载荷 启动或制动过程中 传动系统的各构件产生振动或冲击力的作用 产生传动系统的动载荷 主要包括各传动轴和传动件 如齿轮 凸轮等 的扭转振动载荷和起动及制动时的传动件惯性力矩等 6 其它载荷 如野外作业机械的风载荷 交通工具由于道路不平度引起的振动 冲击载荷 由于操作者失误而可能引起的执行机构的碰撞载荷等 二 工作机械载荷的构成 36 三 工作载荷的确定方法 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 以某些表征设备能力的特征结构尺寸作为系列标准 轧钢机以轧辊直径 挖掘机以铲斗容量等表示 37 通常有三种确定方法类比法 实际测量法 计算法类比法 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 工作载荷的确定方法 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各位置上所作用的载荷 38 计算法 根据系统的功能要求和结构特点 运用力学原理 经验公式 手册 图表等计算确定载荷 实测法 通过试验分析测定载荷的方法 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 利用测力传感器 显示器及其他电子仪器组成的测量系统 将机械的载荷转换为电量参数进行测量 电测法 三 工作载荷的确定方法 39 计算法 GD2法 GD2法是指回转体的重量G和回转直径D平方的乘积 也称为飞轮矩 GD2法是一种考虑机械运动惯性的动力学计算方法利用GD2法来设计机械系统和选择电机时 可保证机械运动平稳 加减速与制动性能良好以及能量的合理利用等 40 1 GD2的含义及与转动惯量J之间的关系 对于分布质量回转体的转动惯量J mr2 m为质量 r为回转半径 因为m G g及r D 2 所以有J GD2 4g 或GD2 4gJ 即GD2与J是成正比的 对于内径为D1外径为D2 长度为L以及比重为 的空心旋转体 绕心轴的转动惯量J 由下式计算 即 对于实心旋转体 用D1 0带入即可 41 2 GD2与转矩M 转速n 或角速度 时间t之间的关系 由力学中的刚体转动定律知 或 若T为常数时 其角速度 令t 0 0 初始角速度 则有 42 g 9 8m s2代入上式时 可得 式中 加速时M用正号 减速 制动时M用负号 将 43 由此可得知 加减速时所需的时间和扭矩分别为 特别地 当加速时间为ta s 速度增量为 n r min 时 得加速力矩 另外 在工程实践中 仍大量采用工程单位制 则此时所得扭矩的单位为kgf m 式中 t的单位为s M的单位为N m 44 3 有效力矩 均方根转矩 Mm 在伺服机械传动中 为了选择控制电机 经常采用如图所示的变扭矩 加减速控制计算模型 45 由于变载下的均方根转矩与电机的发热条件相对应 因此常需计算均方根转矩 其计算公式为 式中 M1 M2 M3 加速扭矩 等速扭矩及减速扭矩 t1 t2 t3 t4 与M1 M2 M3所对应的时间以及停歇时间 46 特别地 若M1 M3 M M2 0及t1 t3 t4 t t2 0 则有 在这种情况下 选择控制电机时 应使MR Mm或MR KMm 其中MR为伺服电机的额定输出转矩 Mm为换算到电机轴上的有效扭矩 K为安全系数 47 4 机械系统的等效GD2计算 对于整个机械系统来说 需要将GD2换算到某一轴 如电机轴或执行机构所在轴 上来计算 这可用能量守恒原理及等效GD2的概念来计算 设机械系统有n个转动轴 k个移动构件 各转动轴 包括传动轴上的构件 的转动惯量分别为Ji i 1 2 n 转速为 i i 1 2 n 各构件的质量分别为mj j 1 2 k 速度分别为vj j 1 2 k 为了选择电动机 现要求该系统相对于电动机输出轴1的等效GD2 48 该系统的总动能为 有能量守恒原理可知 等效系统与原系统的总能量应相等 设原系统相对于电动机输出轴1的等效转动惯量为J 则应有 所以 49 第四节动力机的种类 特性及其选用 动力机是一种将其他能源转换成机械能的装置 是机械系统中的驱动部分 又称原动机 常用的动力机有电动机 内燃机 液压马达及气动马达等 动力机的机械特性 动力机输出的转矩与转速的关系 对了解动力机的运行情况 机械性能以及正确选用动力机都十分重要 50 例如 当电动机拖动生产机械稳定运转时 电动机转矩M ML 负载转矩 当ML的大小改变时 电动机的转矩亦随之变化 使M ML保持稳定运行 只是电动机的转速略有改变 如果负载转矩增加并超过一定的数值时 会导致电机的堵转 电动机的转矩的增加是有一定的限度的 它的变化也是有一定规律的 这个规律就是它的机械特性曲线 51 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 动力机的选择依据 52 二 内燃机 一 电动机 三 液压马达 四 气压马达 53 一 电动机的种类 特性及选用 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 54 Y132M 4型电动机铭牌 1 三相异步电动机 55 异步电动机在额定电压和额定功率下 用规定的接线方法 定子和转子电路中不串联任何电阻或电抗的机械特性称为固有机械特性 a 启动转矩MS A MN n 0 s 1 MS ML 负载转矩 电机的转差率 n 电动机转速n0 60f pn0 旋转磁场同步转速 p 磁极对数 56 MN b 最大转矩Mmax B 临界转速ne临界转差率se 当ML Mmax 电动机就要停车 电动机的电流立即增至额定值的6 7倍 将引起电动机的严重过热甚至烧毁 过载系数 选好电动机后必须校核电动机的过载能力 1 8 2 2 57 c 额定转矩MN C MN 电动机在额定负载下稳定运行时的输出转矩称为额定转矩 电动机的工作段BD段 电动机的转速随转矩的增加而略降低 这种机械特性称为硬特性 58 当电动机的固有机械特性不能满足工作机械要求时 常采用改变电动机的某些参数以改变其机械特性的办法 这样获得的机械特性称为电动机的人为机械特性 转子电路并联电阻或电抗的人为机械特性 启动转矩增大 接近恒转矩的启动特性 启动后 可获得与固有机械特性一样的硬特性 电动机的人为机械特性 59 二 内燃机的类型 机械特性及选择 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系统分自然吸气式或增压式内燃机 60 61 内燃机主要性能指标 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指示效率 i 燃料所含的热能转变为指示功的有效程度机械效率 m 有效功率与指示功率之比 62 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功率指内燃机允许连续运转1小时的最大有效功率 它约为15min最大有效功率的87 90 适用于经常以大负荷工作又需在短期内克服陡增负荷的内燃机 如轮式拖拉机 3 12h功率指内燃机允许连续运转12小时的功率 适用于一天内以不变负荷工作的内燃机 如农业排灌站 4 连续功率允许长期连续运转的最大有效功率 如发电用内燃机 根据工况和用途的不同 各行业生产有专用的内燃机 如汽车 拖拉机 船用 铁路牵引等专用内燃机 可供选用 63 内燃机的机械特性 速度特性 当喷油泵调节杆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 1 速度特性 2 负荷特性 3 通用特性 6120Q型车用柴油机全负荷速度特性 BJ492型车用汽油机的外特性 64 柴油机扭矩曲线变化过程要比汽油机平坦些 这是因为柴油机进气系统阻力较小 在转速提高时 充气系数降低较慢 而循环供油量却随转速提高又有些增加 结果随转速增加 转矩曲线降低很小 65 转矩变化曲线可以表明内燃机在不同转速下克服外界阻力的能力 常用扭矩贮备系数 M来评定 标定工况下速度特性曲线上的最大转矩值 标定工况下的转矩值 66 负荷特性 在转速不变的情况下 其性能参数随有效功率变化的规律 6135Q型车用柴油机负荷特性 GT 每循环供油量 ge 指示效率与机械效率乘积 机械效率 指示效率 1800 67 万有特性 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 68 69 第六节能量流系统设计 4 6 1能量流系统设计一般步骤 1 确定能量流系统的配置 2 传动方案设计 3 工作机械载荷确定 4 初选电动机 5 进行能量流其他部分如飞轮 联轴器的设计计算 6 进行动力机的校核计算 70 1 确定能量流系统的配置 能量流系统所需功率除了与工作机的机械特性有关外 还与能量流系统配置情况有关 能量流系统的配置与两个方面内容有关 布局形式和结构布置 1 布局形式 串联 并联 混联 71 串联 仅有一个原动机以及一个执行机构 在一些简单的单执行机构的机械系统中 72 例 发动机驱动发电机发电 电动机用发电机发出来的电能驱动车轮 串联式混合动力是一边通过发动机发电 一边通过电动机驱动车轮 返回 73 并联 74 例 龙门起重机的主要运动 在数控机械中 一般都有多个执行机构 在实现复杂的运动组合或加工复杂的型面时 各个执行机构的运动必须保证严格的动作顺序和协调 采用数字指令进行自动控制 每个执行机构有各自的动力机单独驱动的并联布局 75 混联 两种 当执行机构之间有一定的传动比要求 或执行机构之间有动作顺序要求 或各执行机构间相互独立而使用一台动力机即可满足执行机构的总耗能要求 1 集中驱动 76 SG8630高精度丝杠车床 一路经带传动和蜗杆传动驱动主轴另一路通过主轴经交换齿轮A B C D及丝杠螺母驱动刀架 77 应用于低速 重载 大功率 执行机构少而惯性大的机械中 2 联合驱动 78 双输入轴圆弧齿轮减速器 79 并联布局的能量流系统中 各支路可以是串联的也可以是混联的 例如 大型船舰的能量流系统是典型的并联布局形式 一条支路的执行机构为发电机组 动力来源是柴油机 作用是为全船提供照明等的日常用电 另一条支路的能量主要用于提供船只运动的动力 一般采用混联驱动 即多台柴油机联合驱动 80 2 结构布置 81 82 2 传动方案设计 3 工作机械载荷确定 根据总体设计方案选定的动力装置及执行机构 进行传动方案的设计 如 传动装置类型选择 多轴传动系统的运动学设计等 确定工作机一个工作周期的时间t 确定工作机一个工作周期中各阶段的载荷情况并计算出消耗的总能量 83 4 初选电动机 5 进行能量流其他部分如飞轮 联轴器的设计计算 6 进行动力机的校核计算 计算平均功率 选择动力机具体类型 并求折合功率N 查手册或产品样本 选出额定功率Ne与N接近的动力机 84 4 6 2能量流系统设计实例 现要求进行曲柄压力机的能量流系统设计 已知条件 公称压力Pg 63吨 行程S 100mm 压力机滑块行程次数n 40次 分钟 执行机构 曲柄滑块机构 的摩擦当量力臂m 7 85mm 85 公称压力 滑块离下死点前某一特定距离 公称压力行程 时 滑块所允许的最大作用力 行程 滑块从上死点到下死点间的距离 滑块行程次数 滑块每分钟从上死点到下死点 然后再回到上死点 如此往复的次数 技术参数 86 1 能量流系统的配置 主功能 完成对工件的压力加工 仅需要一个执行机构 曲柄滑块机构 一个工作循环所需的总能量不大 采用单台原动机 串联布局 87 能量流系统布局图 大带轮与飞轮做成一体 立式布置 传动系统位于工作台上方 88 89 1 电动机2 小皮带轮3 大皮带轮4 制动器5 离合器6 小齿轮7 大齿轮8 小齿轮9 偏心齿轮10 芯轴11 机身12 连杆13 滑块14 上模15 下模16 垫板17 工作台18 液压气垫 注意 1 制动 离合动作的协调2 离合器的作用3 离合器和制动器的安装位置 90 2 传动方案设计 选用电动机作为原动机 曲柄旋转一圈 滑块上 下往返一次 滑块只在上模接触坯料后到冲压出工件这段工作行程中 通常还不到曲柄旋转的1 4圈 才承受负荷 而在其余空行程中 不承受负荷 负荷特点 短期的高峰负荷和较长期的空负荷相互交替 按工作行程所需功率选用电动机 要求功率很大 大功率的电动机只在短的工作行程内满负荷 91 把带轮轮缘加厚 增大它的转动惯量 使它在滑块不承受负荷时转速升高 动能增大 即用带轮兼做储能作用的飞轮 而在压力机工作行程时转速下降 释放能量 大大减少了电动机所需的功率 从而采用较小功率的电动机 曲柄压力机采用电动机加飞轮作动力系统 92 取决于滑块每分钟行程次数和所选择的飞轮转速 滑块行程次数n 40次 min 选用电动机的同步转速为1450r min 两级传动 第一级为带传动 传动比i 4 96 飞轮与大带轮做成一体 大带轮外径D2 820mm 第二级传动为齿轮传动 传动比为6 传动级数和传动比的分配 93 3 工作载荷的确定 本例为小型慢速通用压力机 按冲裁行程来计算压力机所消耗的能量 1 工作周期 利用冲模板将板料的一部分与另一部分沿一定的封闭线条相互分离的冲压工序 94 2 一个工作周期中各工作阶段载荷及消耗的总能量 工件形成阶段的工作载荷及所消耗的能量 该设计为通用压力机 很难确定一种典型零件作为设计依据 按冲裁确定工件成形所需要的能量 本例采用了两级传动 根据经验公式 求得最大冲裁板料厚度 95 工作行程中 曲柄滑块机构的摩擦力所消耗的能量 96 消耗于拉延垫的能量 压力机进行拉延工艺时 要用拉延垫压边 滑块为了克服拉延垫的作用力需要消耗能量E3 按冲裁工艺进行设计 E3 0 97 压力机空程上 下所消耗的能量E4 与压力机零件的结构尺寸 表面加工质量 润滑情况 传动带的张紧