04章动力系统 4讲

1、1 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 先进设计系统先进设计系统 机械系统设计机械系统设计 n第 1 章 绪论 n第 2 章 系统原理 n第 3 章 设计原理 n第第 4 章章 动力系统动力系统 n第 5 章 运动系统 n第 6 章 操纵系统 n第 7 章 控制系统 n第 8 章 第第 4 章章 动力系统动力系统 4.1 载荷类型及其确定方法载荷类型及其确定方法 4.2 随机载荷的处理随机载荷的处理 4.3 动力机的选用与特点动力机的选用与特点 4.4 电动机的选用电动机的选用 4.5 其它动力机的选用其它动力机的选用 3 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.1

2、 载荷类型及其确定方法载荷类型及其确定方法 n4.1.1 4.1.1 工作机械的负载特性工作机械的负载特性 n4.1.2 4.1.2 载荷类型载荷类型 n4.1.3 4.1.3 载荷的确定方法载荷的确定方法 n4.1.4 4.1.4 工作机械的工作制工作机械的工作制 4 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.1.1 工作机械的负载特性工作机械的负载特性 n负载特性：工作机械的转矩负载特性：工作机械的转矩T与转速与转速n之间的关系。之间的关系。 表表3.1 常见工作机械的负载特性（常见工作机械的负载特性（n-T曲线）曲线） n T O n T O C n T O n T O C

3、-C 负负 载载 恒转矩恒转矩 Constant torque转矩是转速转矩是转速n的函数的函数 位能性负载位能性负载反抗性负载反抗性负载直线关系直线关系二次方关系二次方关系 特特 性性 转矩转矩T 为常数为常数 转矩转矩T大小相同，大小相同， 方向随转速方向随转速n的方的方 向发生变化向发生变化 转矩转矩T与转速与转速n之间有一定的函数关之间有一定的函数关 系系T=f(n) ， T 随随n增大而增大增大而增大 举举 例例 起重机，起重机， 提升机构，提升机构， 卷扬机卷扬机 摩擦负载摩擦负载 滑动轴承试验滑动轴承试验 台台( (润滑油的粘润滑油的粘 滞阻力矩滞阻力矩) ) 离心式风机与水泵、

4、离心式风机与水泵、 船舶螺旋桨船舶螺旋桨( (靠改变靠改变 转速来改变流量转速来改变流量) ) n-T 曲曲 线线 5 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 表表4.1 常见工作机械的负载特性（续）常见工作机械的负载特性（续） 负负 载载 负载转矩是行程负载转矩是行程 s 或转角或转角的函数的函数 转矩随时间转矩随时间 t 变化无规律变化无规律 恒转速恒转速 Constant revolution 恒功率恒功率 Constant power 特特 性性 T=f ( s ) 或或T=f () 转矩转矩T为为 随机变量随机变量 转速转速n为常数，为常数， 转矩可从转矩可从0变化到变化到

5、 一定的数值一定的数值 功率为常数，功率为常数， T增大、增大、n减小或减小或 T减小、减小、n增大增大 举举 例例 采用连杆机构的工作机：采用连杆机构的工作机： 活塞式空活塞式空气压缩机，气压缩机， 曲柄压力机，轧钢厂的剪切曲柄压力机，轧钢厂的剪切 机、升降摆动台、翻钢机机、升降摆动台、翻钢机 破碎机破碎机 球磨机球磨机 电厂发电机（由汽电厂发电机（由汽 轮机或水轮机驱动轮机或水轮机驱动) ) 工程机械工程机械, ,机床切削机床切削 加工加工, ,造纸、纺织和造纸、纺织和 轧钢设备中的卷取轧钢设备中的卷取 机构机构( (牵引力恒定牵引力恒定) ) n T On T O C s, T O t

6、T O n-T 曲曲 线线 6 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.1.2 载荷类型载荷类型 n 载荷载荷：机械在工作中受到的外力。：机械在工作中受到的外力。 1. 1.按载荷产生的来源分按载荷产生的来源分 n 工作载荷工作载荷：驱动载荷：起重机驱动载荷：起重机 制动载荷：制动器制动载荷：制动器 阻力载荷：带式输送机、车辆的摩擦阻力。阻力载荷：带式输送机、车辆的摩擦阻力。 n 动力载荷动力载荷：惯性载荷惯性载荷 （弹性）振动载荷（弹性）振动载荷 冲击（振动）载荷冲击（振动）载荷 n 自然载荷自然载荷：自重载荷自重载荷 风力载荷风力载荷 水力载荷水力载荷 温度载荷温度载荷 2.

7、 2. 按载荷表示的形式分按载荷表示的形式分 力力 力矩力矩 转矩转矩 压力压力 功率功率 加速度加速度 7 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.1.2 载荷类型载荷类型（续（续1） 3. 3. 按载荷是否随时间变化分按载荷是否随时间变化分 静载荷：大小、方向和位置都不变的载荷静载荷：大小、方向和位置都不变的载荷( (如自重如自重) ) 动载荷：大小、方向或位置随时间变化的载荷。动载荷：大小、方向或位置随时间变化的载荷。 工程中大多数机械所承受的都是动载荷。工程中大多数机械所承受的都是动载荷。 工程中有时将动载荷简化处理成静载荷。工程中有时将动载荷简化处理成静载荷。 n载荷历

8、程载荷历程：载荷随时间变化的：载荷随时间变化的曲线曲线。 载荷时间历程载荷时间历程的简称。的简称。 8 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.1.2 载荷类型载荷类型（续（续2） n 4. 4.按动载荷的载荷历程分按动载荷的载荷历程分 周期载荷周期载荷: : 幅值和频率在某一时域不变幅值和频率在某一时域不变 简谐载荷：正弦规律变化简谐载荷：正弦规律变化 冲击载荷：作用时间短、幅值变化较大冲击载荷：作用时间短、幅值变化较大 常按一般周期载荷来处理。常按一般周期载荷来处理。 复杂周期载荷：复杂周期载荷： 可分解成无限个简谐载荷的叠加可分解成无限个简谐载荷的叠加 ( (由许多正弦波组

9、成的傅里叶级数由许多正弦波组成的傅里叶级数) )。 即即 可表示为均值为可表示为均值为 a0/2的静态分量与谐波分量的叠加形式，的静态分量与谐波分量的叠加形式， 谐波分量用三个要素来描述谐波分量用三个要素来描述: (0为基频为基频) 幅值幅值cn，谐波角频率，谐波角频率n0 ，相位角，相位角n图410 各种载荷历程 （a） 简谐载荷 t x(t) 0 （b） 冲击载荷 t x(t) 0 （c） 复杂周期载荷 x(t) t 0 9 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.1.2 载荷类型载荷类型（续（续3） 4.4.按按动载荷的载荷历程动载荷的载荷历程分分 非周期载荷非周期载荷:

10、: 载荷的幅值和频率都随时间变化。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，其变化有一定规律并可重复， 可用一定的数学公式来表达。可用一定的数学公式来表达。 准周期载荷准周期载荷：是由若干个频率比是有理数的正弦量合成：是由若干个频率比是有理数的正弦量合成 的载荷，它仍可用周期载荷的处理方法的载荷，它仍可用周期载荷的处理方法 ( (频率比是有理数的正弦载荷合成后仍是周期载荷频率比是有理数的正弦载荷合成后仍是周期载荷) )。 瞬变载荷瞬变载荷：除准周期载荷之外的非周期载荷，常采用傅：除准周期载荷之外的非周期载荷，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里叶变换建立

11、载荷的时间函数和频率函数之间的一一对 应关系。应关系。 10 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.1.2 载荷类型载荷类型（续（续4） 4.4.按按动载荷的载荷历程动载荷的载荷历程分分 随机载荷随机载荷: : 不可能用确定的数学关系来描述，不可能用确定的数学关系来描述， 是时间的函数，具有：是时间的函数，具有： 不可重复性不可重复性：其每次的观测结果都不一样。：其每次的观测结果都不一样。 不可预测性不可预测性：不可能预测它未来某一时刻的精确值。不可能预测它未来某一时刻的精确值。 但在正常的使用条件下，对某一具体机械，但在正常的使用条件下，对某一具体机械， 它又它又具有统计规律

12、具有统计规律， 例：汽车、拖拉机、船舶等的工作载荷。例：汽车、拖拉机、船舶等的工作载荷。 由于其不确定性，因而只能采用统计的方法来获由于其不确定性，因而只能采用统计的方法来获 得它们的统计规律。得它们的统计规律。 x(t) t 图410 随机载荷的载荷历程 11 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.1.2 载荷类型载荷类型（续（续5） 5.5.各种载荷的处理各种载荷的处理 静载荷静载荷：可用静强度判据来设计计算。：可用静强度判据来设计计算。 动载荷动载荷：名义载荷：名义载荷大于大于1 1的动载因数，的动载因数， 将动载荷转化为静载荷进行近似的设计计算。将动载荷转化为静载荷进行

13、近似的设计计算。 周期载荷和非周期载荷周期载荷和非周期载荷：为确定性载荷，即：为确定性载荷，即 可对周期载荷进行傅里叶展开，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对非周期载荷进行傅里叶变换 以获得它们的变化规律，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。从而利用疲劳强度理论进行设计计算。 随机载荷随机载荷：是一种无规律的不重复的载荷，：是一种无规律的不重复的载荷， 对它只能进行统计处理。对它只能进行统计处理。 12 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.1.3 4.1.3 载荷的确定方法载荷的确定方法 n机械设计需根据机械的功能预先确定载荷。机

14、械设计需根据机械的功能预先确定载荷。 n有国家标准的，应优先采用国家标准，有国家标准的，应优先采用国家标准， n没有国家标准的，根据经验或参照其他设计确定。没有国家标准的，根据经验或参照其他设计确定。 n确定载荷通常有三种方法：确定载荷通常有三种方法： 类比法，计算法，实测法。类比法，计算法，实测法。 n对于一些复杂的难以确定的载荷，对于一些复杂的难以确定的载荷， 可以把上述几种方法结合起来使用。可以把上述几种方法结合起来使用。 13 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.1.3 4.1.3 载荷的确定方法载荷的确定方法（续（续1 1） n1.1.类比法类比法：参照同类或相近的

15、机械，：参照同类或相近的机械， 根据经验或简单的计算确定载荷。根据经验或简单的计算确定载荷。 n用于载荷较难确定的场合用于载荷较难确定的场合 或或 设计的初步阶段，设计的初步阶段， 也可用在不需精确确定载荷的情况。也可用在不需精确确定载荷的情况。 应用它需要一定的实际经验，通常采用：应用它需要一定的实际经验，通常采用： n几何尺寸类比几何尺寸类比 关系式关系式 F1/ F2 = = f( (L1)/)/f( (L2) ) 式中式中 F1、L1设计机械的载荷、尺寸；设计机械的载荷、尺寸； F2、L2现有机械的载荷、尺寸；现有机械的载荷、尺寸； f( (L) )该类机械的尺寸该类机械的尺寸L和载荷

16、和载荷间的函数关系。间的函数关系。 14 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.1.3 4.1.3 载荷的确定方法载荷的确定方法 n1.1.类比法类比法： n动力类比动力类比 关系式关系式 P1/ P2 = = f( (L1)/ )/ f( (L2) ) 或或 T1/ T2 = = f( (L1)/ )/ f( (L2) ) nT = FD / 2 Nm， nP = Tn / 9549 kW， nP = Fv / 1000 = T/1000 kW 15 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.1.3 4.1.3 载荷的确定方法载荷的确定方法 2.2.计算法计算法：

17、根据机械的功能要求和结构特点，用静力学、：根据机械的功能要求和结构特点，用静力学、 动力学、经验公式或图表等计算确定载荷。动力学、经验公式或图表等计算确定载荷。 n例：例： n重力载荷重力载荷 mg 式中式中 m为物体的质量；为物体的质量；g为重力加速度。为重力加速度。 n移动部分的惯性载荷移动部分的惯性载荷 Fma 式中式中 m为物体的质量；为物体的质量； a为物体的加速度。为物体的加速度。 n物体所受的摩擦载荷物体所受的摩擦载荷 FFn 式中式中 为摩擦因数；为摩擦因数； Fn为正压力。为正压力。 16 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.1.3 4.1.3 载荷的确定方

18、法载荷的确定方法 3. 3. 实测法实测法：用实验分析测定载荷的方法。：用实验分析测定载荷的方法。 n如果所设计的机械属于创新或研制，无可借鉴和参考，且载荷如果所设计的机械属于创新或研制，无可借鉴和参考，且载荷 的确定较重要时，则需通过模型或原型由实测法精确确定。的确定较重要时，则需通过模型或原型由实测法精确确定。 n当表征载荷的参数难以直接测量时，必须将它们转换为其他参当表征载荷的参数难以直接测量时，必须将它们转换为其他参 数，对转换后的参数进行测量。目前广用的方法是数，对转换后的参数进行测量。目前广用的方法是 非电量的电测法：将各种非电量的被测参数转化成电量参数进非电量的电测法：将各种非电

19、量的被测参数转化成电量参数进 行测量。行测量。 这种方法的这种方法的优点优点： n可将不同被测参数转换成相同电量参数，可用相同的测量和记录仪器；可将不同被测参数转换成相同电量参数，可用相同的测量和记录仪器； n输出信号可作远距离传输，有利于远距离操作和自动控制；输出信号可作远距离传输，有利于远距离操作和自动控制； n可对变化中的参数进行动态测量，可测量和记录其瞬时值及变化过程；可对变化中的参数进行动态测量，可测量和记录其瞬时值及变化过程； n易于同后续的数据处理仪器联用，能对复杂的结果进行计算和处理。易于同后续的数据处理仪器联用，能对复杂的结果进行计算和处理。 17 先进设计系统先进设计系统4

20、章章 动力系统动力系统 4.1.4 4.1.4 工作机械的工作制工作机械的工作制 n工作制工作制：机械工作的持续状况，如连续、断续、短时工作等。：机械工作的持续状况，如连续、断续、短时工作等。 n不同机械对工作制的表示形式有所不同，不同机械对工作制的表示形式有所不同，有的机械用载荷时间特有的机械用载荷时间特 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，在使用因数的形式，在使用因数( (或工况因数或工况因数) )KA中考虑。中考虑。 n一般用一般用负载持续率负载持续率FC 表示表示 FC tw/(/

21、(tw+ t0) )100% 100% 式中式中 tw机械工作时间；机械工作时间； t0机械停歇时间。机械停歇时间。 n载荷类型载荷类型反映载荷在数值上随时间变化的特性，反映载荷在数值上随时间变化的特性， n工作制工作制反映负载持续状况，反映负载持续状况， n二者对机械零部件的承载能力和动力机的选择都有影响。二者对机械零部件的承载能力和动力机的选择都有影响。 18 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.2 4.2 随机载荷的处理随机载荷的处理 n4.2.1 随机载荷的简化随机载荷的简化 n4.2.2 载荷谱的编制载荷谱的编制 n4.2.3 雨流计数法雨流计数法 n4.2.4 频

22、率直方图和累积频次曲线频率直方图和累积频次曲线 19 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.2.1 4.2.1 随机载荷的简化随机载荷的简化 几个概念几个概念 n随机变量随机变量: : 不能用确定的数学关系来描述的变量。不能用确定的数学关系来描述的变量。 n采样：由现场实测获得随机载荷。采样：由现场实测获得随机载荷。 n子样：每一次采样得到的一个样本函数。图子样：每一次采样得到的一个样本函数。图4-24-2。 n随机过程：随机过程： 由由n n个样本函数的集合所形成。个样本函数的集合所形成。 n一般，任何有限多个样本函数一般，任何有限多个样本函数 都无法恰当地代表一个随机过程。

23、都无法恰当地代表一个随机过程。 图4-2 随机载荷子样 x1(t) t 1 t2 20 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.2.1 4.2.1 随机载荷的简化（续随机载荷的简化（续1 1） 描述随机过程的描述随机过程的基本统计特征基本统计特征： 均值均值：也称数学期望，随机变量概率分布集中程度的尺度。：也称数学期望，随机变量概率分布集中程度的尺度。 n n个随机变量的个随机变量的均值为均值为 标准偏差标准偏差： 随机变量与均值之差的均方根值。随机变量与均值之差的均方根值。 方差方差：随机变量概率分布：随机变量概率分布 相对于均值分散程度的尺度。相对于均值分散程度的尺度。 自相

24、关函数自相关函数：随机变量在时刻：随机变量在时刻t t时的值时的值 n 与时刻与时刻( (t t+ +) )时的值的乘积的平均值。时的值的乘积的平均值。 2/1 1 21 n i i tXtx n n i i tx n tX 1 1 n i i tXtx n tV 1 21 n i ii txtx n ttR 1 1 , 21 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.2.1 4.2.1 随机载荷的简化随机载荷的简化（续（续2 2） 随机过程的类型随机过程的类型 平稳随机过程：随机过程的统计特性不随时间变化，平稳随机过程：随机过程的统计特性不随时间变化， 即其均值、方差及自相关函数

25、均与时刻即其均值、方差及自相关函数均与时刻t无关。无关。 简称平稳过程或稳态过程。简称平稳过程或稳态过程。 非平稳随机过程：随机过程的统计特性随时间变化，非平稳随机过程：随机过程的统计特性随时间变化， 即其均值、方差及自相关函数均与时刻即其均值、方差及自相关函数均与时刻t有关。有关。 各态历经的随机过程：各态历经的随机过程： 整个母体的概率分布与任何一个样本的概率分布相同的平稳随机整个母体的概率分布与任何一个样本的概率分布相同的平稳随机 过程，即一个平稳随机过程在任何时刻得到的样本都与在另一时刻过程，即一个平稳随机过程在任何时刻得到的样本都与在另一时刻 得到的另一样本相同。得到的另一样本相同。

26、 数学上可表示为数学上可表示为 xi(t)= xj(t-K)， i、j=1，2，ij 式中式中K某一时间延迟步数。某一时间延迟步数。 各态历经的随机过程必然是平稳随机过程，但此话不可逆。各态历经的随机过程必然是平稳随机过程，但此话不可逆。 22 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.2.1 4.2.1 随机载荷的简化随机载荷的简化（续（续3 3） 各态历经的随机过程各态历经的随机过程： n理论上：应为无穷多个样本才能充分反映随机过程的特征。理论上：应为无穷多个样本才能充分反映随机过程的特征。 n实际上：对测得的有限多个随机载荷样本进行处理，实际上：对测得的有限多个随机载荷样本进

27、行处理， n 以获得能进行疲劳强度计算和试验的载荷谱。以获得能进行疲劳强度计算和试验的载荷谱。 对各态历经的随机过程简单得多，只要获得一个样本即可。对各态历经的随机过程简单得多，只要获得一个样本即可。 由于载荷处理的需要，同时也为了简化处理过程，由于载荷处理的需要，同时也为了简化处理过程， 常把常把随机载荷随机载荷近似看成近似看成各态历经的随机过程各态历经的随机过程。 23 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.2.2 4.2.2 载荷谱的编制载荷谱的编制 1. 1. 载荷谱与编谱要求载荷谱与编谱要求 n工作谱工作谱：或称使用谱。原始记录的载荷时间历程。：或称使用谱。原始记录的

28、载荷时间历程。 n载荷谱载荷谱：能反映载荷随时间变化的、具有统计特征的载荷历程。：能反映载荷随时间变化的、具有统计特征的载荷历程。 n编谱：将工作谱处理成载荷谱的过程。编谱：将工作谱处理成载荷谱的过程。 n对编谱有下述要求：对编谱有下述要求： 选取的载荷子样必须具有典型性和代表性；选取的载荷子样必须具有典型性和代表性； 使用编制的载荷谱进行疲劳计算或试验时，使用编制的载荷谱进行疲劳计算或试验时， 所得寿命能尽量接近实际机械的工作寿命；所得寿命能尽量接近实际机械的工作寿命； 整个编谱过程可在计算机上进行，整个编谱过程可在计算机上进行， 使大量的计算工作由计算机来完成使大量的计算工作由计算机来完成

29、。 24 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.2.2 4.2.2 载荷谱的编制（续载荷谱的编制（续1 1） 2 2. .编谱的方法编谱的方法 有两种：有两种： (1)(1)功率谱法功率谱法：将一个随机载荷的子样经专用的：将一个随机载荷的子样经专用的谱分析谱分析仪器，仪器， 获得获得功率谱密度函数功率谱密度函数。 n原理：借助于原理：借助于傅里叶变换傅里叶变换将随机载荷分解为无限多个具有各将随机载荷分解为无限多个具有各 种频率的种频率的简谐载荷简谐载荷，从，从幅值幅值和和频率频率两个方面的变化比较全面两个方面的变化比较全面 地反映了随机载荷的统计规律。地反映了随机载荷的统计规律

30、。 n特点：它的分析计算比较复杂，需要专门的谱分析仪器，限特点：它的分析计算比较复杂，需要专门的谱分析仪器，限 制了它的广泛应用。制了它的广泛应用。 (2)(2)循环计数法循环计数法：是一种比较简便的随机载荷处理方法。：是一种比较简便的随机载荷处理方法。 25 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.2.2 4.2.2 载荷谱的编制（续载荷谱的编制（续2 2） 2.2.编谱的方法编谱的方法 (2)(2)循环计数法：原理循环计数法：原理： n把载荷历程离散成一系列的峰值和谷值，把载荷历程离散成一系列的峰值和谷值， n然后运用不同计数规则计算载荷的峰值或幅值发生的频然后运用不同计数规

31、则计算载荷的峰值或幅值发生的频 次和频率，次和频率， n再利用数理统计的方法确定峰值或幅值变化的再利用数理统计的方法确定峰值或幅值变化的概率密度概率密度 函数函数、概率分布函数概率分布函数等，绘制载荷变化的等，绘制载荷变化的频率直方图频率直方图、 累积频次曲线累积频次曲线。 n由此得到进行机械零部件由此得到进行机械零部件疲劳强度计算疲劳强度计算所需的所需的载荷谱载荷谱。 26 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.2.2 4.2.2 载荷谱的编制（续载荷谱的编制（续3 3） 2.2.编谱的方法编谱的方法 (2)(2)循环计数法：特点循环计数法：特点： 比较简单。比较简单。 它具

32、有充分的力学根据，考虑了造成疲劳损伤的主它具有充分的力学根据，考虑了造成疲劳损伤的主 要因素，即载荷幅值的变化，由此进行的疲劳寿命要因素，即载荷幅值的变化，由此进行的疲劳寿命 计算比较接近实际。国内外应用广泛。计算比较接近实际。国内外应用广泛。 不能给出载荷变化的先后顺序和频率分布，这对疲不能给出载荷变化的先后顺序和频率分布，这对疲 劳计算结果有一定的影响。劳计算结果有一定的影响。 27 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.2.3 雨流计数法雨流计数法 n雨流计数法雨流计数法由马叟什由马叟什（M.Matsuishi）和尹斗和尹斗（T.EndoT.Endo）提出。提出。 1.1

33、.计数原理计数原理： 使载荷历程形同一座宝塔，雨点依次向下流动，使载荷历程形同一座宝塔，雨点依次向下流动， 根据雨点向下流动的轨迹确定出载荷循环，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。并计算出每个循环的幅值大小。 每个载荷循环如用在疲劳寿命计算时，每个载荷循环如用在疲劳寿命计算时， 就相应于一个应力循环。就相应于一个应力循环。 28 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.2.3 雨流计数法雨流计数法 2.2.计数规则计数规则：( (不同于教材不同于教材) ) n重新安排载荷历程，以最高峰值或最低谷值为雨流的起点重新安排载荷历程，以最高峰值或最低谷值

34、为雨流的起点 ( (视二者的绝对值哪一个更大而定视二者的绝对值哪一个更大而定) )； n雨流依次从每个峰值或谷值的内侧往下流，雨流依次从每个峰值或谷值的内侧往下流， 在下一个峰值或谷值处落下，在下一个峰值或谷值处落下， 直到直到对面有一个比开始时的峰值更大或谷值更小的值对面有一个比开始时的峰值更大或谷值更小的值时停止；时停止； n当雨流遇到来自上面屋顶流下的雨流时即行停止；当雨流遇到来自上面屋顶流下的雨流时即行停止； n取出所有的全循环，并记录下各自的幅值和均值。取出所有的全循环，并记录下各自的幅值和均值。 29 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.2.3 雨流计数法雨流计数

35、法 (b)重新安排的载荷历程重新安排的载荷历程 d e h F t g (a)载荷历程载荷历程 d g F t 3.3.例例: :图图4-3a一个一个 载荷历程，起点载荷历程，起点 不是最高峰值或不是最高峰值或 最低谷值。最低谷值。 n图图4-3b，重新安，重新安 排，最高峰值点排，最高峰值点 a为新载荷历程为新载荷历程 的起点，使的起点，使c与与 c重合重合 30 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.2.3 雨流计数法雨流计数法 图43 雨流计数法 (c)雨流计数法计数过程雨流计数法计数过程 F a t i F (d)取出的全循环取出的全循环 t i e e g 3.3.例

36、例: : 图图4-3c，把图，把图4-3a的载荷历程的载荷历程 顺时针旋转顺时针旋转90。8个雨流个雨流： abbd点，然后下落。点，然后下落。 bcd点的对应处，由于点的对应处，由于d的谷值的谷值 比比b为低。为低。 cb，遇到来自上面的雨流，遇到来自上面的雨流abbd。 取出全循环取出全循环bcb。 dee i点下落。点下落。 eff h点下落。点下落。 fgh点对侧的对应处，由于点对侧的对应处，由于h点点 的谷值比的谷值比f点为低。点为低。 gf处，由于遇到雨流处，由于遇到雨流effh。取。取 出全循环出全循环fgf。 he， 由于遇到雨流由于遇到雨流deei。取出。取出 全循环全循环e

37、ffhe。 而而abbd与与deei又组成全循环又组成全循环abbdeei， 取出取出abbdeei。 n 图图4-3d所示的所示的4个全循环个全循环。 31 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.2.3 雨流计数法雨流计数法 n雨流计数法的雨流计数法的计数过程，计数过程， 可在计算机或专用的计数仪器上自动完成。可在计算机或专用的计数仪器上自动完成。 n雨流计数法除了计取幅值变化外，雨流计数法除了计取幅值变化外， 还可同时计取均值的变化，还可同时计取均值的变化， 以幅值和均值两个参数来描述载荷历程，以幅值和均值两个参数来描述载荷历程， 这样比单参数的计数法更能反映载荷变化的本质

38、。这样比单参数的计数法更能反映载荷变化的本质。 n雨雨流计数法与应变分析法结合使用时特别有利。流计数法与应变分析法结合使用时特别有利。 图图4-4a所示的所示的应变时间历程应变时间历程可以鉴别出如图可以鉴别出如图3-3b 所示的若干个所示的若干个封闭的滞回环封闭的滞回环，从而可以使用，从而可以使用应变应变 寿命曲线寿命曲线和一定的累计损伤理论计算其损伤。和一定的累计损伤理论计算其损伤。 a b c d e f g t a h a b g (a) 应变时间历程 (b) 滞回环的判别 图44 用雨流法判别滞回环 32 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.2.4 4.2.4 频率直

39、方图频率直方图和和累积频次曲线累积频次曲线 n对以上的计数结果利用数理统计的方法进行处理，对以上的计数结果利用数理统计的方法进行处理， 可以得到机械设计所需的载荷谱，可以得到机械设计所需的载荷谱， n把循环得到的一系列把循环得到的一系列峰值或幅值数据分组峰值或幅值数据分组，一般分成，一般分成1212组左右，组左右， n求出每一组中峰值或幅值出现的求出每一组中峰值或幅值出现的 n频次频次 ni n累积频次累积频次 Ni n频率频率 pini/Ns n累积频率累积频率 PiNi /Ns n其中其中 Ns计数得到的总数据量，即计数得到的总数据量，即ni的和；的和； ni某一范围载荷值所出现的累积频次

40、某一范围载荷值所出现的累积频次。 33 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.2.4 4.2.4 频率直方图频率直方图 和和 累积频次曲线累积频次曲线 n由表由表4-2知累积频次的总次数知累积频次的总次数 Ns7929。 n以表以表4-2中的频率中的频率p作为纵坐标，作为纵坐标， 载荷载荷F为横坐标，就可绘出为横坐标，就可绘出频频 率直方图率直方图。图。图4-5提供了各载提供了各载 荷值发生的频率荷值发生的频率(概率概率)。 n若用统计理论，以一条光滑的若用统计理论，以一条光滑的 曲线来描述母体的特性，图中曲线来描述母体的特性，图中 双点划线所示曲线称为双点划线所示曲线称为概率

41、密概率密 度曲线度曲线，其表征的函数称为概，其表征的函数称为概 率密度函数。率密度函数。 表表4-24-2某载荷历程的循环计数统计表某载荷历程的循环计数统计表 序号 载荷 F(kN) 频次 ni 累积频次 N i 频率 p 累积频率 Pi 10208379290.01051.0000 2204032878460.04140.9895 3406081275180.10240.9481 46080230867060.29110.8457 580100144743980.18250.5546 6100120112429510.14170.3721 712014063118270.07950.2304

42、 814016048911960.06170.1509 91601802937070.03700.0892 101802002494140.03140.0522 112002201531650.01930.0208 1222024012120.00150.0015 图4-5 频率直方图 0.3 p 0.2 0.1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 F （kN) 34 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.2.4 4.2.4 频率直方图和累积频次曲线（续频率直方图和累积频次曲线（续1 1） n以载荷以载荷F F为纵坐标，累

43、积频为纵坐标，累积频 次为横坐标，将表次为横坐标，将表4-24-2中的中的 累积频次数在该坐标系中累积频次数在该坐标系中 描点，然后用一条光滑的描点，然后用一条光滑的 曲线连接各点，得图曲线连接各点，得图4-64-6。 n由该曲线完全可确定任何由该曲线完全可确定任何 一载荷值出现的频次以及一载荷值出现的频次以及 所占的频率。所占的频率。 n因为因为10106 6次可以包含很少发次可以包含很少发 生的最严重载荷情况，使生的最严重载荷情况，使 累积频次曲线具有足够的累积频次曲线具有足够的 代表性。所以将曲线扩大代表性。所以将曲线扩大 到到NN=10=106 6为宜。图为宜。图4-64-6虚线虚线

44、图4-6 累积频次曲线 1 10 102 103 104 105 106 lgN (次) F （kN) 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 35 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.3 动力机的选用与特点动力机的选用与特点 n4.3.1 动力机的选用依据动力机的选用依据 n4.3.2 常用动力机的基本特点常用动力机的基本特点 36 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.3.1 4.3.1 动力机的选用依据动力机的选用依据 动力机动力机：=原动机，是驱动部分。原动机，是驱动部分。 动力机的动力机的机械特性机

45、械特性 或或 输出特性输出特性： 动力机的输出转矩与转速之间的关系。动力机的输出转矩与转速之间的关系。 输出刚度输出刚度：在机械特性曲线工作范围内，：在机械特性曲线工作范围内， 某一点的输出转矩某一点的输出转矩T与输出转速与输出转速n的变化率。即，的变化率。即， 输出刚度：是动力机的输出特性曲线在某一工况点斜率的负值输出刚度：是动力机的输出特性曲线在某一工况点斜率的负值 K= -T/n 由于动力机的输出转矩一般随转速的增加而减少上式右边的负好是为使由于动力机的输出转矩一般随转速的增加而减少上式右边的负好是为使K为正值。为正值。 硬特性硬特性：转矩改变，转速变化较小。：转矩改变，转速变化较小。

46、T与与n可近似为线性关系。柴油机工作稳定性差。可近似为线性关系。柴油机工作稳定性差。 软特性软特性：转矩改变，转速变化较大。汽油机工作稳定性好。：转矩改变，转速变化较大。汽油机工作稳定性好。 图4-X 输出刚度 n T T n 硬特性 软特性 37 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.3.1 4.3.1 动力机的选用依据动力机的选用依据 选用动力机的依据：选用动力机的依据： 分析工作机的负载特性。分析工作机的负载特性。 包括其载荷性质、工作制、作业环境、结构布置等；包括其载荷性质、工作制、作业环境、结构布置等； 分析动力机本身的机械特性。分析动力机本身的机械特性。选与工作机相

47、匹配的动力机选与工作机相匹配的动力机 动力机容量计算动力机容量计算。 容量容量：动力机功率的大小。：动力机功率的大小。 功率与转矩、转速间的关系为功率与转矩、转速间的关系为 Pn= Tn nn /9549 或或 Tn =9549Pn/nn 式中式中Pn额定功率，额定功率，kW； Tn额定转矩，额定转矩，Nm；nn额定转速额定转速,r/min。 进行经济性分析进行经济性分析。包括能源的供应和消耗，。包括能源的供应和消耗， 动力机的制造、运行和维修成本的对比等；动力机的制造、运行和维修成本的对比等； 作业环境的要求作业环境的要求。户外型、户内型，环境温度，湿度，粉尘，。户外型、户内型，环境温度，湿

48、度，粉尘， 通风，隔爆要求，经常移动、固定不动。通风，隔爆要求，经常移动、固定不动。空气污染、噪声污染。空气污染、噪声污染。 38 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.3.4.3.2 2 常用动力机的基本特点常用动力机的基本特点 1. 1.电动机电动机 优点优点： n较其他动力机有较较其他动力机有较高高的驱动的驱动效率效率， n与被驱动的工作机械与被驱动的工作机械联接简便联接简便， n种类和型号较多，种类和型号较多，有各种运行特性，可满足各类机械的工作要求。有各种运行特性，可满足各类机械的工作要求。 n具有良好的调速性能，具有良好的调速性能，起动、制动、反向和调速的起动、制动

49、、反向和调速的控制简便，控制简便， n可以实现远距离的测量和控制，可以实现远距离的测量和控制，便于便于集中管理和实现生产集中管理和实现生产 过程的过程的自动化自动化。 缺点缺点：使用电动机必须具备相应的电源，：使用电动机必须具备相应的电源， 野外工作的及移动式机械常因缺乏所需电源而不能选用。野外工作的及移动式机械常因缺乏所需电源而不能选用。 39 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.3.4.3.2 2 常用动力机的基本特点常用动力机的基本特点（续（续1 1） 2.2.液压马达液压马达 优点优点： 可获得可获得很大很大的机械的机械力或转矩力或转矩， n与电动机相比在相同功率时的

50、外形尺寸小、重量轻，与电动机相比在相同功率时的外形尺寸小、重量轻， 因而运动件的惯性小、因而运动件的惯性小、快速响应的灵敏度高快速响应的灵敏度高。 n可通过改变油量来调节执行机构的速度，传动比较大，可通过改变油量来调节执行机构的速度，传动比较大， 低速性能好，低速性能好， n容易实现无级调速，容易实现无级调速， n操作和控制都比较简便，操作和控制都比较简便， 易于实现复杂工艺过程的动作并满足其性能要求。易于实现复杂工艺过程的动作并满足其性能要求。 缺点缺点：必须具有高压油的供给系统，必须具有高压油的供给系统， n应使液压系统元件有必要的制造和装配精度，否则易漏油，应使液压系统元件有必要的制造和

51、装配精度，否则易漏油， 这影响工作效率，还影响工作机械的运动精度。这影响工作效率，还影响工作机械的运动精度。 40 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.3.4.3.2 2 常用动力机的基本特点常用动力机的基本特点（续（续2 2） 3.3.气动马达气动马达 优点优点： n与液压马达相比较，因用空气作为工作介质，容易获得，与液压马达相比较，因用空气作为工作介质，容易获得， n用后的空气可直接排入大气而无污染，用后的空气可直接排入大气而无污染， n压缩空气还可以进行集中供给和远距离输送。压缩空气还可以进行集中供给和远距离输送。 n气动马达动作迅速、反应快、维护简单、成本比较低，气动

52、马达动作迅速、反应快、维护简单、成本比较低， n对易燃、易爆、多尘和振动等恶劣工作环境的适应性较好对易燃、易爆、多尘和振动等恶劣工作环境的适应性较好 缺点缺点： n因空气具有可压缩性，因此气动马达的工作稳定性差，因空气具有可压缩性，因此气动马达的工作稳定性差， n气动系统的噪声较大，气动系统的噪声较大， n因工作压力较低，输出的转矩较小，只适用于小型工作机因工作压力较低，输出的转矩较小，只适用于小型工作机 41 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.3.4.3.2 2 常用动力机的基本特点常用动力机的基本特点（续（续3 3） 4.4.内燃机内燃机 优点优点：功率范围宽功率范围宽

53、； 操作简便；操作简便； 起动迅速；起动迅速； 便于移动便于移动，大多用于野外机械、船舶、车辆等。，大多用于野外机械、船舶、车辆等。 缺点缺点： n需要柴油或汽油作为燃料，需要柴油或汽油作为燃料， n通常对燃料的要求也比较高，通常对燃料的要求也比较高， 特别是高速内燃机需用洁净度高的汽油和轻质柴油，特别是高速内燃机需用洁净度高的汽油和轻质柴油， n内燃机的内燃机的排气污染和噪声排气污染和噪声都较大，都较大， n在结构上也比较复杂，在结构上也比较复杂， n对零部件的加工精度要求较高。对零部件的加工精度要求较高。 42 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.4 电动机的选用电动机的

54、选用 4.4.1 电动机的种类电动机的种类 4.4.2 电动机的机械特性电动机的机械特性 4.4.3 电动机的选择和计算电动机的选择和计算 43 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.4.1 电动机的种类电动机的种类 n电动机的分类电动机的分类： 电动机 交流电动机 直流电动机 同步电动机 异步电动机 他励电动机 并励电动机 串励电动机 复励电动机 三相 单相 直线型 旋转型 使用电源 电动机的转速与旋转 磁场的转速是否相同 励磁方式 运动形式 44 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.4.1 电动机的种类电动机的种类 (续续1) n机械系统中广泛应用的机械系

55、统中广泛应用的三相异步电动机的分类三相异步电动机的分类： 三相异步电动机三相异步电动机 按外壳结构分按外壳结构分 按转子结构分按转子结构分 鼠笼型鼠笼型 绕线型绕线型 开启式开启式 防护式防护式 封闭式封闭式 隔爆式隔爆式 机座带底脚机座带底脚 按安装方式分按安装方式分 卧式卧式 立式立式 端盖有凸缘端盖有凸缘 带底脚有凸缘带底脚有凸缘 45 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.4.1 电动机的种类电动机的种类 (续续2) 按按电动机电动机外壳结构外壳结构分分: : 开启式开启式电动机电动机 外壳无防护结构，灰尘和杂物等易侵入，外壳无防护结构，灰尘和杂物等易侵入， 但散热性好

56、，适用于洁净的环境；但散热性好，适用于洁净的环境； 防护式防护式电动机电动机 能防止各类杂物从上方落入电动机内；能防止各类杂物从上方落入电动机内； 封闭式封闭式电动机电动机 能防止杂物从任意方向进入电动机内，能防止杂物从任意方向进入电动机内， 用于尘物较多的环境；用于尘物较多的环境； 隔爆式隔爆式电动机电动机 不仅能防止杂物进入电动机内，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到外部，还能防止电动机内部的爆炸气体传到外部， 用于有用于有可燃性气体或蒸汽可燃性气体或蒸汽与空气形成爆炸性混合物的场所。与空气形成爆炸性混合物的场所。 46 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统

57、动力系统 4.4.2 电动机的机械特性电动机的机械特性 n机械机械 特性特性 n T O n0 (a) 异步电动机异步电动机 n0 n T O (b) 同步电动机同步电动机 n T O (d) 串励电动机串励电动机 n0 n T O (c) 并并/他励电动机他励电动机 n0 n T O (d) 复励电动机复励电动机 表表3-4 各类电动机主要性能的比较各类电动机主要性能的比较 类别类别 交流电动机交流电动机直流电动机直流电动机 异步电动机异步电动机同步电动机同步电动机并并/他励电动机他励电动机串励电动机串励电动机复励电动机复励电动机 机械特性机械特性 硬最硬 较硬软 教软 功率范围功率范围 k

58、W0.34500200100000.355001.37650 转速范围转速范围 r/min5003000150300025030003702400 平均起动转矩平均起动转矩 1 1 0.450.5(Ts+ Tc) TsTy时, 0.5(Ts+Ty) Ts Ty时,(1.01.1)Ts 由控制形式决定 过载能力过载能力 1.652.81.65 强励时 33.51.52.51.52.5 效率效率 0.850.95 47 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 续续表表4-4 各类电动机主要性能的比较各类电动机主要性能的比较 类类 别别 异步电动机异步电动机同步电动机同步电动机并并/他励电

59、动机他励电动机串励电动机串励电动机 特点特点 鼠笼型绕线型 能在功率因数为1的 状态下运行，不需从 电网吸收无功功率。 功率因数可调节3 调速性能好， 调速范围大， 能适应各种载荷 特性 起动转矩大 自动适应性好 过载能力强 结构简单 工作可靠 维护容易 价格低廉 满载时效 率和功率因 数高 起动转矩大 起动时功率因数 高 可进行小范围调 速2 调速控制简单 调速和起 动性能差 低载荷时 功率因数低 调速范围小 维护较麻烦 价格较贵 恒转速,不能调速。 需供励磁直流电源 结构较复杂，价高 本身不能起动,必须 采用某种方法使其起 动4 价格较贵， 维护复杂， 需夏直流电源 价格贵， 维护复杂，

60、需要直流电源 应用应用 载荷平稳、 无需变速无需变速的 机器，如水 泵、机床 起制动次数较多起制动次数较多、 起动载荷较大或小小 范围调速范围调速的机器， 如提升机。 无需变速无需变速的大功率机 械，特别是需要功率 因数补偿的场合，如 水泥磨机、离心风机 要求调速范围大、 交流电动机不能实 现的机器，如重型 机床 需要起动转矩大、恒 功率调速的机器，如 电力机车、电车 48 先进设计系统先进设计系统4章章 动力系统动力系统 4.4.2 电动机的机械特性电动机的机械特性(续续2) 1.三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性 n三相异步电动机的转速三相异步电动机的转速n与旋转磁场的同步转