第三章机械系统的载荷特性和动力机选择(new)

机械系统学第三章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、机械特性及其选用机械系统学第三章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、工作机械的工作制机械系统学第三章一、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：机械系统学第三章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—时间历程机械系统学第三章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机械系统学第三章载荷—时间历程图Ft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)sin()(0txtx机械系统学第三章准周期性载荷：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。机械系统学第三章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。机械系统学第三章二、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随机载荷的处理机械系统学第三章编谱的要求：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。工作谱载荷谱编谱机械系统学第三章对于一个随机载荷-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。机械系统学第三章（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机械系统学第三章例：峰值计数法（全部峰谷值进行计数）54321载荷时间321频次12345载荷机械系统学第三章例：穿级计数法54321载荷时间8642频次12345载荷机械系统学第三章例：幅程计数法54321载荷级数时间321频次12345载荷级数r1r2r3r4r5r6r7r8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机械系统学第三章雨流计数法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：①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；②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；③当遇到来自上面的雨点时雨流也停止；④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。⑤对于计得的全循环计算出它们的幅值。机械系统学第三章Ft0aa’cbedd’fgg’ih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机械系统学第三章（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。121iimN机械系统学第三章0204060801001201401601802002202400.10.30.2F/kNp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机械系统学第三章三、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。机械系统学第三章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：2122211211nnpPPPPPPC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机械系统学第三章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。机械系统学第三章几种常见载荷的确定方法1.以摩擦阻力为主的工作载荷摩擦系数—正压力—其中：00nnFFF机械系统学第三章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：电入入入功率由此得出电动机的输出）测量时间（—）小时内输入总功（—）电动机平均输入功率（—NNhthKWtWKWNtWN机械系统学第三章（2）计算法主运动电机功率：其中：机床主运动电机的功率为附空切NNNN切切附NNN加切削载荷后所增加的传动件摩擦功率空切NNN传动链的机械效率8.79750knMN切8.76120vPNz切（车、铣、磨工序）(钻、扩工序)机械系统学第三章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：7.06.085.07.0总总总总切机床对主运动为直线运动的机床对主运动为回转运动的为机床总效率NNKNN额定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)机械系统学第三章四、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：机械停歇时间；机械工作时间；00%100tttttFCwww机械系统学第三章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。机械系统学第三章§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、机械特性及选择机械系统学第三章一、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。机械系统学第三章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机械系统学第三章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：机械系统学第三章动力机的机械特性（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。动力机的机械特性机械系统学第三章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学第三章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。nTTrs2Trs1123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机械系统学第三章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机械系统学第三章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。机械系统学第三章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。机械系统学第三章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。机械系统学第三章四、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机械系