机械动力特性

1機械動力特性馮丁樹改編(原高阪知武手稿)第一節序論特性(Characteristics)人有人的個性，機械也有其特性。只要能瞭解機械的特性，我們可以驅駛它為我們工作，不瞭解其性能，則往往要造成不良的後果。就定義而言，凡屬動力機械者，不論其為原動機或作業機，在正常作業過程中，都會遵循所預定的法則及在所許可之範圍內活動。但由於機械本身之構造不一，其所本之活動原理也相當分岐，不同機械之活動自然形成其特有之規則性，綜合此項運動規則，會產生該機械之特有性格，或簡稱為該機械之特性。特性之種類機械特性可有許多種，例如引擎運轉時，負荷與耗油率間之變化關係；精米機作業時，對胚芽保留之程度及相關品質的性能等均是。但在諸特性當中，最普遍而又具科學性的則屬機械之動力特性。由於動力特性牽涉力量與速度間之消長關係，且在實際作業當中，十足具有破壞能力，對作業對象常易造成不可預測之結果。所以，凡是要處理動力機械的人，如果對該種機械的動力特性毫無把握，就等於騎馬而不知馬性，是極為危險的事。因此，瞭解動力之特性是設計機械重要的工作。特性的表示方法機械的動力特性是一種複雜而特有的觀念，藉此觀念之擴充與研判，可讓我們進一步瞭解動力機械本身之出力情況。一般言，未具備複雜電腦控制系統的動力機械其有關活動的因果關係較為單純，因此在相同原因下所造成的結果都應相同，不會產生變化莫測的機械特性。為方便討論起見，動力特性的觀念均可利用曲線圖表示。惟就平面圖而言，一般均以二維變化為常態，故常以兩相垂直的座標向量表示兩種變數間之關係。只是有時其所牽涉之因素並不只兩種變數，較複雜的情況有時會牽連多種因子。此時若僅在單一平面圖上表現，將無法窺得全豹。部分特性曲線圖之應用於焉產生。何謂部份特性？舉一例：某部發電機在定電壓與定轉速之狀態下，所能發揮的供電特性，就是我們所謂之一種部分特性。而在其他電壓與轉速下，亦會產生相類似之部份特性。在此種情況下，必須綜合這些部份特性，方能對整個特性之變化有全盤性之瞭解。然而，又如何把握某部機械特性的全貌或清楚顯示出其整合特性？最簡便之方法則是盡量設法將許多部分特性在一張紙上重疊起來，加上其他技巧，來表達出總合特性，有經驗的工程或技術人員一般都具有一種特有之能力，只憑幾張部份特性圖就能夠在腦海裡勾繪出機械之總合特性;或者依其特有的靈感，直接把握整個機械之總合特性，專家之真正風格亦在此矣。特性曲線圖之製作就一般動力機械言，其有關之特性曲線都是按照實際檢驗之結果繪製而成，這種曲線圖最為確實。在經費、人力均充裕之情況下，這是一種最可靠而且值得推薦之方式。可是，有時常因檢驗設備不夠充實而無法繪出範圍甚廣的特性圖，要怎辦2呢？如果有關這部機械之理論發展甚為完備，並且相關之公式或數據亦可利用，則直接採用計算之方法，亦能補充實際檢驗工作所不及之處，這也是目前電腦的專長。例如，電氣機械、水力機械、空氣機械等，凡是在機體內活動的物質，其性質單純而有規律，都可歸併在這一類內。至於一般作業機械，由於所涉及之因子甚多，很難以公式化之方式來應用。尤其在處理普通農業作業機械之特性圖時，千萬不要隨便使用外插法伸張曲線，以擴大範圍，較保守的處理方式是以實際檢驗可及之範圍使用為安全。不過在電腦日益普及的今天，內插或外插法卻是很普遍的方法，這也是最危險的地方，雖然根據統計學的原理也可進行預測的工作，但其不確定性仍有如抽籤卜卦一樣，會使電腦的輸出結果變成一堆垃圾，毫無用處。機械特性曲線圖之概觀大體而言，機械特性線圖是為機械選擇工作上之方便而製作的，故其所慣用的表現型式繁多並無標準型式可循，雖然如此，其間仍有一些原則存在：1.定速特性定速機械之活動，其速率大致一定。因此，在實際應用上，速度的變化問題可不加考慮。所以，在製作特性圖時，可先將速率固定在某值上，然後從相關諸因素當中，選出較實用且值得關切的因子，把它刻在水平軸上。另外，將其他因素之對應值，分別刻在垂直軸上，並以不同的曲線繪出，這是一般常用的方法。以抽水機為例，其典型之特性圖如圖1-1所示。圖1-1泵之效率、馬力、揚程與送水量間之關係在此，送水量Q最為重要，故將Q放在水平軸上。其他三種因素--軸馬力、揚程及泵效率等都放在垂直軸上。至於轉速，並無特定曲線，只有n=1000rpm之標示。圖1-2不同轉速下之其他特性表示法如果希望充分表達整個抽水機之綜合特性，利用圖1.1之方式在同一張紙上同時繪出各特性於垂直軸上，以產生不同之曲線之方法，則較不實際。圖1-2是就流量Q與揚程h間之關係所繪製之特性圖。此時，在同一張紙上，繪有不同轉速條件下之Q-h曲線群。這種線群組合，即是所謂之綜合性部分特性圖。如果再配合有關抽水機效率(圖1.3)和軸馬力之等因子之相關曲線群，則同一張圖內可顯現範圍相當廣泛的抽水機總合特性。圖1-3這種線群之配合，若能詳加規畫，並利用繪圖的基本技巧，其所能得到的特性綜合能力將更為增強。以圖1.3為例，設定速曲線群當中，曲線3所示的轉速條件最配合於此部抽水機之操作。因此，在這種轉速條件下，應可得到最高效率。由圖上所示，水量在Q1時，其運轉效率最高。如果抽水量比Q1值增加或減少，其效率均會惡化。故沿曲線3(Q-h)上可求得效率相當於80%、70%、60%…等等之各點。由於每條Q-h曲線都可用相同的方式得到對應之效率點，因此，整個線群內之相同效率點均可以虛線相連接，組成另一線群。構成如圖1.3之等效率曲線群。此種線群之花樣，有如一般地圖所用的等高線群，故亦可以稱為效率等高線。這種技巧是為求得總合特性圖所發展者。(註)此種總合特性表示方式常見於R.L.Daugherty所著之CentrifugalPumps(1915.NewYork)一書中。所以，Daugherty氏在總合特性圖之製作上，可說是一個開拓者。2.變速特性此種機械之運轉速率不定，所以在作業過程中，其速度會時快時慢。一般之交通工具所備之原動機就是屬於這類。在此情況下，人們最關切的是速度因素，故多將速度因素刻在特性圖之水平軸上。圖1-4是為了圖上得到某部汽車能夠跑的最高3速度所採用之表示方式。圖1-4汽車、引擎特性圖以活動速率為主變數之特性圖，其使用範圍很廣，尤其是當要討論機械動力特性問題時大都採用此法。因為機械之活動速率為動力之基本因素之一，而且具有簡明之代表性。第二節機械動力特性動力機械所謂動力機械之定義並不明瞭，似有廣義與狹義兩種。按廣義言，凡是由於力的作用而活動的機械都是動力機械。那麼，除了電子機械等以外，所有的機械大都可包括在內(如腳踏式脫穀機)。可是，按照世上通用的動力之字義來講，牛馬或人所生的動力似不可包括在內。因此，動力機械所含範圍應當是如下：1.機械原動機本身。2.被機械原動機推動才能做事的作業機。3.由機械原動機和作業機之兩者相連而成的，能夠獨立地做功的總合性機械。無論其定義如何，凡是要與動力相連之機械，操作時必然包括發生動力部分和做事部分，兩者共同存在。因此，在其操作過程中，亦必然有動力之施授現象發生。本來，產生動力的原動機與因受動力才能做事的作業機，兩者都具有其動力上的個性，不可隨便更改。假使兩者的特性不能互相配合，就會產生動力上的混亂，反而不能做事，有時又會惹起危險的事件。機械動力特性之分析與研究因而相當重要。動力特性動力之意義本來是既要能「動」，也要有「力」，兩者密不可分。故就其特性探討，活動的因素反而成為主要的項目，茲就運動之類型加以討論。1.直線運動牽引力或推力為力，走行速率為動。故凡是要分析這類機械之動力特性時，必需要討論上列兩種因素當中之互動關係。直線運動係以行進為主，當然亦包括兩點間之移動速率。但其所產生之力則需依據牛頓之加速定律規範，亦即力等於質量與加速度之積。2.迴轉運動在迴轉運動中，擔任力之本質則為力矩。即在轉軸上所產生，或者從外施與轉軸的扭轉力。這本來是力矩，故以『長度單位x力量單位』之形式表現之，按公制是公斤米。在此值得注意的是功之單位「公斤米」和力矩單位「米公斤」，兩者成分相同，但其意義則完全不相同。因為兩者成分相同，故當進行次元分析時，分不出其間之差異，這是次元分析法本有之缺點。以力矩為特性之機械則如引擎、電動機等，其所用的扭力均採平均值。迴轉運動中，擔任動之本質則是轉速。轉速本來是機械的轉動現象當中，把尺寸觀念排除之後，所得之抽象性質。轉速就是角速度，是角度之變化速率dθ/dt。4機械方面所常用的RPM，即為每一分鐘迴轉的次數，可說是把一轉以360度為一單位角度之特殊性角速度。把一轉化為一個角度單位的做法是和一轉為360度之方法一樣，毫無數學根據，只是依其方便性所決定的方法。故RPM值和度數/單位時間值都不能直接參與於一般數學運算系統中，通常必須先行換算。數學系統中可通用的角度單位是弧度(Radian)。有關動力之演算或在公式裡常見的2π，就是為了補救RPM本有的隔離性缺點而用的，因為一轉等於2π弧度之故。力矩--轉速特性圖動力特性之分析方面最多用的是力矩與轉速間之特性圖，即轉速為主變數而成的特性圖。其理由如下：1.現用的動力機械大都是回轉式的。2.直線運動式機械也不會是例外，本來是回轉動力為起源，最後仍得到直線運動。3.扭力是內在因素，是很難從外面摸得到的東西。(其實，動力機械界裡，若有平衡、不平衡及轉動是否順利等問題發生，都是與扭力有關的問題)。4.轉速是外在因素，從外面看得很清楚而且測定容易。在我們的觀念裡這是相當新近的東西。一般來說，當用曲線圖來表現於某種現象時，把較親近於我們的因素為主變數的機會為多。這大概是由於心理上的自然要求而如此的(圖中均以T來表示扭力)。T-n特性之分類如果不談起源，只看最後結果而言，t-n特性大略可以分三種:1.水平特性2.漸增特性。3.漸減特性。圖2-1.三種型式之T-n特性這些都是由於機械活動原理之不同，或者是由於機械之特殊構造而所然的。每一種特性都有好處又有壞處，很難立即作評斷。第三節T-n特性正作用和反作用無論是原動機或作業機，凡是屬於機械者都有其工作目的。在此所謂正作用的是為了達成工作目的所加諸之作用。可是機械一開始活動，就有另外一種跟工作目的無直接關係的現象產生，例如馬達之電動勢、車輛之摩擦力等。這些項目有時可說是完全違反目的之達成工作，但卻同時並行發生，這可說是反作用。為釐清這個觀念，下面舉例說明之:機械種類正作用反作用風車受風力而生回轉機械動力起風作用，等於鼓風機水輪受水力而生回轉機械動力抽水作用，等於抽水機電動機受電力而生回轉機械動力發電作用，等於發電機蒸汽機受高壓蒸汽之力量而產生回轉機械動力壓縮作用，等於壓縮唧筒內燃機受高溫高壓空氣之力量而產生回轉機械動力壓縮作用，等於壓縮唧筒鼓風機(風扇)以迴轉動力而產生高速或高壓空氣風車作用，發生逆方向之扭力。抽水機(水車)以迴轉動力而產生高位能之水流水輪作用，發生逆方向之迴轉扭力。發電機以迴轉動力而產生高電位並可通電流馬達作用，發生逆5方向之扭力與動力。冷凍機(風扇)以迴轉動力而壓縮氣體而得高壓高溫空氣蒸氣機作用，發生逆方向之扭力。踏行畜力機受馬的體重之分力而生迴轉動力除了由加速而生的力外並無其他反作用力。腳踏脫穀機受人體之部分重量而生迴轉動力同上以上所舉的是原動機和作用原理相反於原動機，但機內活物質等於原機的逆原動機型式之作業機則屬後面之兩種。以踏行畜力機為例，經由機構之轉換，雖能產生迴轉動力，但原理上等於馬體本身。一般作業機(例如：礱穀機、車床等)也可說具有動力特性。但這種特性則屬摩擦式煞車之性質，本身除慣性力外並無所說的反作用力存在，因此，機械對外所發生的反應之全是摩擦現象引起，這種性質廣泛見於各種作業機之中，並無機械特質。摩擦是直接變為加熱作用，而且變成熱之後，將無法再返回到動力來，因為這個過程是不可逆的。因此之故，摩擦不可能發生抗力而控制動力，只能發生阻力而消耗動力，故摩擦因素不能算是一種反作用。亦即，一般作業機除具有慣性力之外，並無反作用。反作用之形態反作用和正作用兩者本屬相同，亦無本質上的差別。不過，由於環境之改變而改變立場，就成正或反之兩種作用而已。由於馬達與發電機在構造上同是磁場與轉子，其反作用之