第四章机械系统能量流设计

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。维持各环节或子系统的运动通过传递、损耗、储存、转化等有关过程，完成机械系统的有关过程，完成机械系统的有关功能，终点是机械运动系统中的执行部件。能量是由能量系统中的驱动装置提供的。3驱动装置液压驱动（液压马达）气压驱动(气马达)热机（内燃机、汽轮机等）电力驱动（电动机）4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中常用的动力机的种类5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；2.工作机械的载荷分析计算；3.驱动装置的选择；4.系统能量匹配与设计6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EIECEsEL机械系统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7安装在回转轴上具有较大的转动惯量的轮状蓄能器，当机器转速增高时，飞轮的动能增加，把能量储存起来；当机器转速降低时，飞轮动能减少，把能量释放出来。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8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运转功率。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+PaPC=dEC/dtPL=dEL/dt机械系统dtdES机械系统的瞬态能量流(一)PI=dEI/dt9机械系统的瞬态能量流(二)CauSIPPPdtdEP+++=由图得：只考虑机床稳态运行时CauIPPPP++=PIPCPu机械系统dtdESPa104.2.2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111.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。如图，车削偏心的毛坯，刀具的切削深度会变化，导致切削功率的变化，从而导致输入功率的变化。12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。损耗能量即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13机械工作过程的能量效率η：)()(=)(tPtPtηIc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14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机械在工作过程中的几个关键性能指标如磨损、噪声、振动、热变形等都与机械的能量损耗存在着密切联系或一定的依存关系。1516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、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17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18工作机械的负载特性19一、载荷类型按载荷作用的形式分：弯曲载荷扭转载荷拉伸压缩载荷20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。21一、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22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。如，锻压机械、振动机械。用幅值、频率和相位角描述)sin()(0txtx傅里叶变换23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2425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：(1)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。26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27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28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。29二、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30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.工作阻力取物装置起升重物二、工作机械载荷的构成312.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323.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334.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取物装置起升重物345.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35三、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。36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：2122211211nnpPPPPPPC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37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38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。391）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γ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。402)GD2与转矩M、转速n(或角速度ω)、时间t之间的关系由力学中的刚体转动定律知：dtωdgGDdtωdJM4==2MGDgdtωd24=或若T为常数时，其角速度CMtGDgMdtGDgω+4=4=22∫令t=0，ω=ω0（初始角速度），则有：4102+4=ωMtGDgω02+375=nMtGDng=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。2/60n将42由此可得知，加减速时所需的时间和扭矩分别为：MnnGDt02•375=－tnnGDM02•375=－特别地，当加速时间为ta(s)，速度增量为Δn(r/min)时，得加速力矩:2375aaGDnMt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•m433）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。44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：4321323222121+++++=tttttMtMtMMm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。45特别地，若M1=M3=M，M2=0及t1=t3=t4=t，t2=0，则有MMm•32=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