04章动力系统-4讲

1先进设计系统第4章动力系统先进设计系统机械系统设计第1章绪论第2章系统原理第3章设计原理第4章动力系统第5章运动系统第6章操纵系统第7章控制系统第8章……第4章动力系统4.1载荷类型及其确定方法4.2随机载荷的处理4.3动力机的选用与特点4.4电动机的选用4.5其它动力机的选用★3先进设计系统第4章动力系统4.1载荷类型及其确定方法4.1.1工作机械的负载特性4.1.2载荷类型4.1.3载荷的确定方法4.1.4工作机械的工作制★4先进设计系统第4章动力系统4.1.1工作机械的负载特性负载特性：工作机械的转矩T与转速n之间的关系。表3.1常见工作机械的负载特性（n-T曲线）nTOnTOCnTOnTOC-C负载恒转矩Constanttorque转矩是转速n的函数位能性负载反抗性负载直线关系二次方关系特性转矩T为常数转矩T大小相同，方向随转速n的方向发生变化转矩T与转速n之间有一定的函数关系T=f(n)，T随n增大而增大举例起重机，提升机构，卷扬机摩擦负载滑动轴承试验台(润滑油的粘滞阻力矩)离心式风机与水泵、船舶螺旋桨(靠改变转速来改变流量)n-T曲线5先进设计系统第4章动力系统表4.1常见工作机械的负载特性（续）负载负载转矩是行程s或转角θ的函数转矩随时间t变化无规律恒转速Constantrevolution恒功率Constantpower特性T=f(s)或T=f(θ)转矩T为随机变量转速n为常数，转矩可从0变化到一定的数值功率为常数，T增大、n减小或T减小、n增大举例采用连杆机构的工作机：活塞式空气压缩机，曲柄压力机，轧钢厂的剪切机、升降摆动台、翻钢机破碎机球磨机电厂发电机（由汽轮机或水轮机驱动)工程机械,机床切削加工,造纸、纺织和轧钢设备中的卷取机构(牵引力恒定)nTOnTOCs,θTOtTOn-T曲线6先进设计系统第4章动力系统4.1.2载荷类型载荷：机械在工作中受到的外力。1.按载荷产生的来源分⑴工作载荷：①驱动载荷：起重机②制动载荷：制动器③阻力载荷：带式输送机、车辆的摩擦阻力。⑵动力载荷：①惯性载荷②（弹性）振动载荷③冲击（振动）载荷⑶自然载荷：①自重载荷②风力载荷③水力载荷④温度载荷2.按载荷表示的形式分⑴力⑵力矩⑶转矩⑷压力⑸功率⑹加速度7先进设计系统第4章动力系统4.1.2载荷类型（续1）3.按载荷是否随时间变化分⑴静载荷：大小、方向和位置都不变的载荷(如自重)⑵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。工程中有时将动载荷简化处理成静载荷。载荷历程：载荷随时间变化的曲线。载荷－时间历程的简称。8先进设计系统第4章动力系统4.1.2载荷类型（续2）4.按动载荷的载荷历程分⑴周期载荷:幅值和频率在某一时域不变①简谐载荷：正弦规律变化②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。③复杂周期载荷：可分解成无限个简谐载荷的叠加(由许多正弦波组成的傅里叶级数)。即可表示为均值为a0/2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:(ω0为基频)幅值cn，谐波角频率nω0，相位角θn图4－10各种载荷历程（a）简谐载荷tx(t)0（b）冲击载荷tx(t)0（c）复杂周期载荷x(t)t09先进设计系统第4章动力系统4.1.2载荷类型（续3）4.按动载荷的载荷历程分⑵非周期载荷: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，可用一定的数学公式来表达。①准周期载荷：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(频率比是有理数的正弦载荷合成后仍是周期载荷)。②瞬变载荷：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应关系。10先进设计系统第4章动力系统4.1.2载荷类型（续4）4.按动载荷的载荷历程分⑶随机载荷:不可能用确定的数学关系来描述，是时间的函数，具有：不可重复性：其每次的观测结果都不一样。不可预测性：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，它又具有统计规律，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得它们的统计规律。x(t)t图4－10随机载荷的载荷历程11先进设计系统第4章动力系统4.1.2载荷类型（续5）5.各种载荷的处理⑴静载荷：可用静强度判据来设计计算。⑵动载荷：名义载荷×大于1的动载因数，将动载荷转化为静载荷进行近似的设计计算。⑶周期载荷和非周期载荷：为确定性载荷，即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。⑷随机载荷：是一种无规律的不重复的载荷，对它只能进行统计处理。12先进设计系统第4章动力系统4.1.3载荷的确定方法机械设计需根据机械的功能预先确定载荷。有国家标准的，应优先采用国家标准，没有国家标准的，根据经验或参照其他设计确定。确定载荷通常有三种方法：类比法，计算法，实测法。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。13先进设计系统第4章动力系统4.1.3载荷的确定方法（续1）1.类比法：参照同类或相近的机械，根据经验或简单的计算确定载荷。用于载荷较难确定的场合或设计的初步阶段，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：几何尺寸类比关系式F1/F2=f(L1)/f(L2)式中F1、L1－设计机械的载荷、尺寸；F2、L2－现有机械的载荷、尺寸；f(L)－该类机械的尺寸L和载荷Ｆ间的函数关系。14先进设计系统第4章动力系统4.1.3载荷的确定方法1.类比法：动力类比关系式P1/P2=f(L1)/f(L2)或T1/T2=f(L1)/f(L2)T=FD/2N·m，P=Tn/9549kW，P=Fv/1000=Tω/1000kW15先进设计系统第4章动力系统4.1.3载荷的确定方法2.计算法：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。例：重力载荷Ｗ＝mg式中m为物体的质量；g为重力加速度。移动部分的惯性载荷F＝ma式中m为物体的质量；a为物体的加速度。物体所受的摩擦载荷F＝μFn式中μ为摩擦因数；Fn为正压力。16先进设计系统第4章动力系统4.1.3载荷的确定方法3.实测法：用实验分析测定载荷的方法。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。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行测量。这种方法的优点：①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；②输出信号可作远距离传输，有利于远距离操作和自动控制；③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；④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先进设计系统第4章动力系统4.1.4工作机械的工作制工作制：机械工作的持续状况，如连续、断续、短时工作等。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(或工况因数)KA中考虑。一般用负载持续率FC表示FC＝tw/(tw+t0)×100%式中tw－机械工作时间；t0－机械停歇时间。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，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先进设计系统第4章动力系统4.2随机载荷的处理4.2.1随机载荷的简化4.2.2载荷谱的编制4.2.3雨流计数法4.2.4频率直方图和累积频次曲线19先进设计系统第4章动力系统4.2.1随机载荷的简化⑴几个概念随机变量:不能用确定的数学关系来描述的变量。采样：由现场实测获得随机载荷。子样：每一次采样得到的一个样本函数。图4-2。随机过程：由n个样本函数的集合所形成。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。图4-2随机载荷子样x1(t)t1t220先进设计系统第4章动力系统4.2.1随机载荷的简化（续1）⑵描述随机过程的基本统计特征：①均值：也称数学期望，随机变量概率分布集中程度的尺度。n个随机变量的均值为②标准偏差：随机变量与均值之差的均方根值。③方差：随机变量概率分布相对于均值分散程度的尺度。④自相关函数：随机变量在时刻t时的值与时刻(t+τ)时的值的乘积的平均值。2/1121niitXtxnniitxntX11niitXtxntV121niiitxtxnttR11,21先进设计系统第4章动力系统4.2.1随机载荷的简化（续2）⑶随机过程的类型①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、方差及自相关函数均与时刻t无关。简称平稳过程或稳态过程。②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t有关。③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。数学上可表示为xi(t)=xj(t-K)，i、j=1，2，…，i≠j式中K－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。22先进设计系统第4章动力系统4.2.1随机载荷的简化（续3）③各态历经的随机过程：理论上：应为无穷多个样本才能充分反映随机过程的特征。实际上：对测得的有限多个随机载荷样本进行处理，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。由于载荷处理的需要，同时也为了简化处理过程，常把随机载荷近似看成各态历经的随机过程。23先进设计系统第4章动力系统4.2.2载荷谱的编制1.载荷谱与编谱要求工作谱：或称使用谱。原始记录的载荷－时间历程。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。编谱：将工作谱处理成载荷谱的过程。对编谱有下述要求：①选取的载荷子样必须具有典型性和代表性；②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；③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。24先进设计系统第4章动力系统4.2.2载荷谱的编制（续1）2.编谱的方法有两种：(1)功率谱法：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。原理：借助于傅里叶变换将随机载荷分解为无限多个具有各种频率的简谐载荷，从幅值和频率两个方面的变化比较全面地反映了随机载荷的统计规律。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。(2)循环计数法：是一种比较简便的随机载荷处理方法。25先进设计系统第4章动力系统4.2.2载荷谱的编制（续2）2.编谱的方法(2)循环计数法：原理：把载荷历程离散成一系列的峰值和谷值，然后运用不同计数规则计算载荷的峰值或幅值发生的频次和频率，再利用数理统计的方法确定峰值或幅值变化的概率密度函数、概率分布函数等，绘制载荷变化的频率直方图、累积频次曲线。由此得到进行机械零部件疲劳强度计算所需的载荷谱。26先进设计系统第4章动力系统4.2.2载荷谱的编制（续3）2.编谱的方法(2)循环计数法：特点：①比较简单。②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计算比较接近实际。国内外应用广泛。③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。27先进设计系统第4章动力系统4.2.3雨流计数法雨流计数法由马叟什（M.Matsuishi）和尹斗（T.Endo）提出。1.计数原理：使载荷历程形同一座