第三章动力系统设计

1、动力系统分类动力系统分类二次动力机二次动力机电动机电动机液压马达液压马达气动马达气动马达内燃机内燃机气轮机气轮机水轮机水轮机一次动力机一次动力机能源转换性质能源转换性质工作地点改变工作地点改变工作地点固定工作地点固定交流电动机交流电动机异步电动机异步电动机同步电动机同步电动机他励直流电动机他励直流电动机并励直流电动机并励直流电动机串励直流电动机串励直流电动机直流电动机直流电动机复励直流电动机复励直流电动机三相异步三相异步单相异步电动机单相异步电动机鼠笼式鼠笼式绕线式绕线式凸极式凸极式隐极式隐极式步进电动机步进电动机机械特性：机械特性：指电动机产生的转矩（电磁转矩）指电动机产生的转矩（电磁转矩）

2、T与其转速与其转速n之间之间的关系的关系 nf（T）。）。调速性能：调速性能：包括调速范围、调速的平滑性、调速系统的经济性等。包括调速范围、调速的平滑性、调速系统的经济性等。恒转矩：恒转矩：转矩与转速无关，即转速变化时，转矩保持不变。转矩与转速无关，即转速变化时，转矩保持不变。恒功率：恒功率：转矩与转速成反比，而使功率保持不变。转矩与转速成反比，而使功率保持不变。交流电动机交流电动机鼠笼式异步电机：鼠笼式异步电机：连续运行特性好，转速受负载波动影响小，启动转矩连续运行特性好，转速受负载波动影响小，启动转矩较大，适用于不调速连续运转负载。较大，适用于不调速连续运转负载。优点：机械特性好、结构简单

3、、体积小、价格低。优点：机械特性好、结构简单、体积小、价格低。缺点：启动电流大，约为额定电流的缺点：启动电流大，约为额定电流的57倍。倍。应用：泵、运输机、一般运动机构。应用：泵、运输机、一般运动机构。交流异步电动机交流异步电动机绕线式异步电机：绕线式异步电机：v优点：机械特性硬，起动转矩大，调速方法多，调速优点：机械特性硬，起动转矩大，调速方法多，调速 性能好。性能好。v缺点：结构较复杂，价格较高。缺点：结构较复杂，价格较高。v应用：空气压缩机、气泵等不调速连续运转大功率负应用：空气压缩机、气泵等不调速连续运转大功率负 载或电梯、卷扬机等起重机械。载或电梯、卷扬机等起重机械。交流同步电动机交

4、流同步电动机 在绕组内通以交流电，产生旋转磁场，吸引转子同在绕组内通以交流电，产生旋转磁场，吸引转子同步旋转。可用变频装置通过交流电源的频率变化实现变步旋转。可用变频装置通过交流电源的频率变化实现变速功能。有较宽的调速范围和功率范围。速功能。有较宽的调速范围和功率范围。优点：机械特性硬，转动惯量小，快速性好。精度高。优点：机械特性硬，转动惯量小，快速性好。精度高。缺点：结构复杂、变频装置价格高、调速复杂。缺点：结构复杂、变频装置价格高、调速复杂。应用：鼓风机、压缩机、轧钢机、球磨机等。应用：鼓风机、压缩机、轧钢机、球磨机等。直流电动机直流电动机工作原理：工作原理： 利用电刷和换相片，使通有直流

5、电的转子连续旋转。利用电刷和换相片，使通有直流电的转子连续旋转。 改变直流电压，便可变换转子转速，这种方法称为电改变直流电压，便可变换转子转速，这种方法称为电枢控制调速法。定子磁场强度不变，输出转矩可以达到枢控制调速法。定子磁场强度不变，输出转矩可以达到额定制，又称为恒转矩调速法。额定制，又称为恒转矩调速法。 通过改变定子绕组电压来变换磁场强度，可实现恒功通过改变定子绕组电压来变换磁场强度，可实现恒功率调速。率调速。直流电动机特点直流电动机特点v精度高、响应快、调速范围宽。精度高、响应快、调速范围宽。调速性能好。一般多用他励直流电动机，只需改变调速性能好。一般多用他励直流电动机，只需改变电枢电

6、压，便可实现恒转矩调速，而且机械特性较电枢电压，便可实现恒转矩调速，而且机械特性较硬，调速范围大。硬，调速范围大。如果采用恒功率调速，即降低励磁电流，电动机转如果采用恒功率调速，即降低励磁电流，电动机转速升高，转矩减小，则可实现比电动机额定转速更速升高，转矩减小，则可实现比电动机额定转速更高范围内的调速。高范围内的调速。v结构复杂，维护困难，价格高。结构复杂，维护困难，价格高。v直流伺服电动机用于对执行元件的位移精度或速度精直流伺服电动机用于对执行元件的位移精度或速度精 度要求较高的场合。度要求较高的场合。v 根据负载的转矩和功率：根据负载的转矩和功率：当工艺或负载要求恒转矩调速时，选用电枢控

7、制调速；当工艺或负载要求恒转矩调速时，选用电枢控制调速；要求恒功率调速时，选用磁场控制调速法；要求恒功率调速时，选用磁场控制调速法；按转速分段要求时，选用混合调速法。按转速分段要求时，选用混合调速法。v 根据执行元件的质量：根据执行元件的质量：直流电动机按转子结构分为小惯量和大惯量电动机两种。直流电动机按转子结构分为小惯量和大惯量电动机两种。前者加速时间短，响应快，但散热差，温升高，导致功率前者加速时间短，响应快，但散热差，温升高，导致功率和转矩小；和转矩小；后者输出转矩大、功率大。后者输出转矩大、功率大。 直流电动机的选用直流电动机的选用步进电机步进电机功能：功能：将输入的电脉冲信号转换为相

8、应的角位移，其角位将输入的电脉冲信号转换为相应的角位移，其角位移量与输入脉冲数成正比，而步进电机的转速与脉移量与输入脉冲数成正比，而步进电机的转速与脉冲频率成正比。容易用微机实现数字控制。冲频率成正比。容易用微机实现数字控制。分类：分类：按转矩产生的原理可分为反应式（可变磁阻型）、按转矩产生的原理可分为反应式（可变磁阻型）、永磁式和混合式。永磁式和混合式。步进电机驱动的特点：步进电机驱动的特点：步进电机的工作状态不易受干扰（电压、电流、步进电机的工作状态不易受干扰（电压、电流、温度等的变化）因素的影响；温度等的变化）因素的影响；步进电机的角位移与输入脉冲成正比；步进电机的角位移与输入脉冲成正比

9、；步进电机的转速与输入脉冲频率成正比；步进电机的转速与输入脉冲频率成正比；步进电机具有自锁功能；步进电机具有自锁功能；步进电机的步距角有误差，但转子转过一转后，步进电机的步距角有误差，但转子转过一转后，累积误差为零。累积误差为零。步进电机的驱动电源比较复杂、价格高。步进电机的驱动电源比较复杂、价格高。控制性能好。控制性能好。步进电机选用步进电机选用v 最大静转矩最大静转矩Tmax；v 运行矩频特性；运行矩频特性；v 最高启动频率；最高启动频率；v 角位移分辨力；角位移分辨力；v 静态步距角误差。静态步距角误差。应用举例：应用举例：中小型设备和仪器、仪表等。中小型设备和仪器、仪表等。电动机的选择

10、电动机的选择 工作机械的工艺特点；工作机械的工艺特点； 电动机自身所具有的特点电动机自身所具有的特点: 两方面内容：两方面内容： 电动机的机械特性；电动机的机械特性； 调速性能；调速性能； 结构型式、额定电压、额定转速、工作方式。结构型式、额定电压、额定转速、工作方式。预选预选校校验验YN电动机容量计算（电动机容量计算（1）1、连续恒负载运行、连续恒负载运行9550T nP 2、连续周期性变化负载、连续周期性变化负载211neiiiTT tTLdynTTT5.1.5 电动机容量计算（电动机容量计算（2）3、短时工作制的电动机、短时工作制的电动机考虑过载能力的情况下，校验启动转矩。考虑过载能力的

11、情况下，校验启动转矩。4、断续周期工作制的电动机、断续周期工作制的电动机以负载持续率（以负载持续率（FC）来标定它的额定功率。）来标定它的额定功率。电动机的调速方式电动机的调速方式交流电动机：交流电动机：直流电动机：直流电动机：电磁转差离合器调速电磁转差离合器调速串极调速串极调速变极调速变极调速转子串电阻调速转子串电阻调速改变电枢电压调速改变电枢电压调速电枢串电阻调速电枢串电阻调速PWM直流调整系统直流调整系统变频调速变频调速双闭环直流调速双闭环直流调速数字式直流调速数字式直流调速改变励磁的恒功率调速改变励磁的恒功率调速160(1)fnsp2eemURnTCC C电电动动机机调调速速方方式式比

12、比较较液压驱动液压驱动 液压传动系统主要由作为动力源的液压泵、液压传动系统主要由作为动力源的液压泵、执行元件的液压缸或者液压马达以及用作控制元执行元件的液压缸或者液压马达以及用作控制元件的各种液压阀组成。件的各种液压阀组成。 特别适用于重载、高速的场合。例如各种工特别适用于重载、高速的场合。例如各种工程机械、机床、输送设备等。近年来，高精度控程机械、机床、输送设备等。近年来，高精度控制液压元器件的应用也日益增加。制液压元器件的应用也日益增加。液压泵液压泵 液压泵是将机械能转化为液压能的装置，是液压液压泵是将机械能转化为液压能的装置，是液压系统的动力源。系统的动力源。工作原理：工作原理： 利用转

13、子的转动在泵进油口处形成局部真空，在大利用转子的转动在泵进油口处形成局部真空，在大气压的作用下将液压油压入泵，然后泵再将液压油压入气压的作用下将液压油压入泵，然后泵再将液压油压入液压工作系统。分为非容积泵（动压泵）和容积泵（静液压工作系统。分为非容积泵（动压泵）和容积泵（静压泵）。压泵）。 非容积泵包括叶轮式离心泵和螺旋浆式轴流泵。一非容积泵包括叶轮式离心泵和螺旋浆式轴流泵。一般用于低压、大流量、小功率场合。般用于低压、大流量、小功率场合。 容积泵包括齿轮泵、叶片泵、柱塞泵等。尺寸小、容积泵包括齿轮泵、叶片泵、柱塞泵等。尺寸小、压力高、容积效率高。压力高、容积效率高。液压马达液压马达 液压马达

14、是将液压能转换为机械能，并带动负载旋液压马达是将液压能转换为机械能，并带动负载旋转的液压部件。包括齿轮马达、叶片马达、柱塞马达、转的液压部件。包括齿轮马达、叶片马达、柱塞马达、摆线齿轮马达以及摆动液压马达等。摆线齿轮马达以及摆动液压马达等。 选择时，需要考虑工作压力、转速范围、运行扭矩、选择时，需要考虑工作压力、转速范围、运行扭矩、总效率、容积效率、滑差率以及安装条件等因素。总效率、容积效率、滑差率以及安装条件等因素。 1）首先根据使用条件和要求确定马达的种类，并）首先根据使用条件和要求确定马达的种类，并根据系统所需的转速和扭矩以及马达的特性曲线确定压根据系统所需的转速和扭矩以及马达的特性曲线

15、确定压力降、流量和总效率。力降、流量和总效率。 2）然后确定其它管路配件和附件。）然后确定其它管路配件和附件。液压缸液压缸 液压缸是将液压能转换为机械能，并输出直线运动液压缸是将液压能转换为机械能，并输出直线运动的能量转换装置。的能量转换装置。 选择时，要根据缸速和负载大小来初步确定液压缸选择时，要根据缸速和负载大小来初步确定液压缸的内径和工作压力。的内径和工作压力。 1）一般使用双作用液压缸；）一般使用双作用液压缸； 2）考虑负载运动距离，并依次确定液压缸行程；）考虑负载运动距离，并依次确定液压缸行程； 3）根据使用场合确定液压缸结构；）根据使用场合确定液压缸结构； 4）根据负载特性和运动形

16、式考虑合）根据负载特性和运动形式考虑合 适的安装方式。适的安装方式。液压传动的优缺点液压传动的优缺点优点：优点：易于把旋转运动转化为直线往复运动；易于把旋转运动转化为直线往复运动；容易实现无级变速；容易实现无级变速；可以和电液结合使用，实现自动调节和自动控制。可以和电液结合使用，实现自动调节和自动控制。缺点：缺点： 容易泄漏，污染环境容易泄漏，污染环境液压系统的设计液压系统的设计常用压力的确定：常用压力的确定： 操作系统、转向系统、驱动系统。操作系统、转向系统、驱动系统。拟定液压系统原理图；拟定液压系统原理图；确定液压系统流量；确定液压系统流量；选择合适的执行元件；选择合适的执行元件；液压系统

17、的校核。液压系统的校核。 发热量计算、管路压力损失发热量计算、管路压力损失气动驱动气动驱动 气动系统按照功能可分为传动系统和逻辑系气动系统按照功能可分为传动系统和逻辑系统。一般包括气压发生部、控制部、执行部、辅统。一般包括气压发生部、控制部、执行部、辅助部等。助部等。 气动系统特点是在气源上有一个过滤器调气动系统特点是在气源上有一个过滤器调压阀油雾器组合元件，在调节压缩气体压力的压阀油雾器组合元件，在调节压缩气体压力的同时过滤气体，并在气体中加入足量的润滑剂，同时过滤气体，并在气体中加入足量的润滑剂，减少对元件的磨损。减少对元件的磨损。 气体执行件主要包括气缸和气马达。气体执行件主要包括气缸和

18、气马达。气动系统的优缺点气动系统的优缺点结构简单、易于维护；结构简单、易于维护；适应性好，可在恶劣的条件下可靠工作；适应性好，可在恶劣的条件下可靠工作；工作寿命长，运行成本低；工作寿命长，运行成本低；工作介质容易获得，无污染，可远距离和集中供气；工作介质容易获得，无污染，可远距离和集中供气；执行元件输出速度较高；执行元件输出速度较高；具有过载保护功能。具有过载保护功能。由于空气的可压缩性，使得工作的稳定性较差；由于空气的可压缩性，使得工作的稳定性较差；噪声大，在高速排气时要设置相应的消声装置；噪声大，在高速排气时要设置相应的消声装置；缺点：缺点：5.3.2 气动系统的设计气动系统的设计选定执行

19、器；选定执行器；确定回路压力；确定回路压力；确定循环时间；确定循环时间；确定元件和配管尺寸；确定元件和配管尺寸；控制方式的选择：连续、电气、气动、程序器控制。控制方式的选择：连续、电气、气动、程序器控制。设计气动回路，同时考虑安全措施；设计气动回路，同时考虑安全措施；设计气源：气罐容积，压缩机容量、压力和数量。设计气源：气罐容积，压缩机容量、压力和数量。其它措施。其它措施。n三种方法：类比法、计算法和实测法。三种方法：类比法、计算法和实测法。1 1类比法类比法 参照同类或相近的机械，根据经验或简单的计算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。它确定所

20、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。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）仿造（测绘） 使用类比法确定载荷一般需要一定的实际经验，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，其中常用比法时常可采用相似原理进行推断，其中常用的有：的有： 几何类比几何类比 是在设计新机械时，首先需要确是在设计新机械时，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。这类

21、机械的尺寸与载荷之间的关系。 动力类比动力类比 是选择一种同类的机械，调查其实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、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。件所受的载荷。 2. 实测法实测法 用实验分析的方法测定机械及其零件的载荷。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、应变仪应变测试得到应力，应变片、应变仪 3计算法计算法 计算法即根据机械的功率要求和结构特点运用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各种力学原理、经验公式或图表等计算确定载荷的方法。荷的方法。 飞轮矩：回转体的重量飞轮矩：回转体的重量G和当量回转直径和当量回转直径D平方平方的乘积，即的乘积，即GD2 。 它是一种考虑机械运动惯性的动力学计算方法，它是一种考虑机