机械系统的能量流设计概述(ppt 146页).ppt

1、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,气压驱动(气马达,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

2、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,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

3、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PC0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

4、，则有,PL=Pu+Pa,9,机械系统的瞬态能量流(二,由图得,只考虑机床稳态运行时,10,4.2.2 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,11,1. 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

5、， 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,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

6、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,15,16,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

7、，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,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

8、,随机载荷,动载荷,22,载荷时间历程图,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,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,24,25,随机载荷,随机载荷是不能用确定的数

9、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,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

10、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,二、工作机械载荷的构成,31,2. 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。

11、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,32,3. 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,33,4. 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

12、载荷,二、工作机械载荷的构成,34,5. 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

13、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,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

14、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,39,1） 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

15、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,40,2) GD2与转矩M、转速n(或角速度)、时间t之间的关系,由力学中的刚体转动定律知,或,若T为常数时，其角速度,令t=0，=0（初始角速度），则有,41,g=9.8 m/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,将,42,由此可得知，加减速时所需的时间和扭矩分别为,特别地，当加速时间为ta(s)，速度增量为n(r/min) 时，得加速力矩

16、,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kgfm,式中，t的单位为s， M的单位为Nm,43,3） 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,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,在这种情况下，选择控制电机时，应使MRMm或MR=KMm,其中MR为伺服

17、电机的额定输出转矩；Mm为换算到电机轴 上的有效扭矩；K为安全系数,46,4) 机械系统的等效GD2计算,对于整个机械系统来说，需要将GD2换算到某一轴 (如电机轴或执行机构所在轴)上来计算，这可用能量 守恒原理及等效GD2的概念来计算,设机械系统有n个转动轴，k个移动构件，各转动轴 (包括传动轴上的构件)的转动惯量分别为Ji （i=1，2，n），转速为i(i=1,2, ,n),各构件 的质量分别为mj（j=1,2, , k），速度分别为vj （j=1,2，k），为了选择电动机，现要求该系统相 对于电动机输出轴1的等效GD2,47,该系统的总动能为,有能量守恒原理可知，等效系统与原系统的总能量

18、应 相等，设原系统相对于电动机输出轴1的等效转动惯量 为J，则应有,所以,48,第四节 动力机的种类、特性及其选用,动力机是一种将其他能源转换成机械能的装置，是 机械系统中的驱动部分，又称原动机。常用的动力机有电动机、内燃机、液压马达及气动马达等,动力机的机械特性动力机输出的转矩与转速的关系,对了解动力机的运行情况、机械性能以及正确选用动力机都十分重要,49,例如： 当电动机拖动生产机械稳定运转时，电动机转矩M=ML（负载转矩）； 当ML的大小改变时，电动机的转矩亦随之变化，使M=ML保持稳定运行，只是电动机的转速略有改变。 如果负载转矩增加并超过一定的数值时，会导致电机的堵转,电动机的转矩的

19、增加是有一定的限度的，它的变化也是有一定规律的，这个规律就是它的机械特性曲线,50,1. 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,动力机的选择依据,51,二、内燃机,一、电动机,三、液压马达,四、气压马达,52,一、电动机的种类、特性及选用,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,53,Y132M-4型电动机铭牌,1.三相异

20、步电动机,54,异步电动机在额定电压和额定功率下，用规定的接线 方法，定子和转子电路中不串联任何电阻或电抗的机械 特性称为固有机械特性,a） 启动转矩MS (A,MN,n=0(s=1,MS ML (负载转矩,电机的转差率,n电动机转速 n0=60f/p n0旋转磁场同步转速, p磁极对数,55,MN,b) 最大转矩Mmax (B,临界转速ne 临界转差率se,当ML Mmax,电动机就要停车，电动机的电流立即增至额定值的67倍，将引起电动机的严重过热甚至烧毁,过载系数,选好电动机后必须校核电动机的过载能力,1.82.2,56,c) 额定转矩MN (C,MN,电动机在额定负载下稳定运行时的输出转

21、矩称为额定转矩,电动机的工作段BD段，电动机的转速随转矩的增加而略降低，这种机械特性称为硬特性,57,当电动机的固有机械特性不能满足工作机械要求时，常采用改变电动机的某些参数以改变其机械特性的办法，这样获得的机械特性称为电动机的人为机械特性,转子电路并联电阻或电抗的人为机械特性,启动转矩增大，接近恒转矩的启动特性。启动后，可获得与固有机械特性一样的硬特性,电动机的人为机械特性,58,常用交流电机比较,59,2.直流电动机,将直流电能转换成机械能。 缺点：构造复杂、价格昂贵、效率较低，工作可靠性较差。 优点：有良好的启动与调速性能，适用于启动转矩大或对调速性能要求较高的生产机械。 应用：大型起重

22、设备、电气机车、电车、轧钢机等,60,直流电动机通过励磁绕组通以直流电流来建立磁场，按励磁方式的不同，分为四类,61,他励电动机的机械特性,固有机械特性：是一条向下倾斜的直线，说明加大电机的负载，会使转速下降,62,串励电动机的机械特性,固有机械特性： 为一双曲线，当负载变化时，串励 电动机的转速变化很大，即特性很软，而且理想空载 转速为无穷大,63,介于他励和串励之间，当串励势起主要作用时，特性就接近于串励电动机，但这时有一定的理想空载转速。反之，机械特性就接近于他励电动机,复励电动机的机械特性,64,3. 电动机的选用,在选用电动机时，一方面应根据生产机械在技术上的要求，正确选择电动机的种

23、类、型式、容量等，以保证生产的顺利进行。同时还要考虑经济方面的问题，使所选电动机在设备投资和节约电能、降低运行费用等符合要求,65,负载转矩,飞轮力矩(GD2,转速,耐久性,控制性,升温、发热,1) 选择电机时，应考虑的问题,首先要考虑到电动机对 外做功所需要的输出转矩， 和电动机克服摩擦带动负 载需要的转矩,要考虑负载以及整个驱动 系统的飞轮力矩。另外，还 要考虑到装置性能所要求的 加减速型式，即考虑电动机 所要提供的加减速转矩,根据装置的要求决定必要 的转速，根据转速的要求选 择合适的电动机。根据需要 选择适应的减速器规格，或 者调速控制用的变频器、伺 服驱动器等,所有的电动机内部均装有轴

24、承，关于轴承的寿命一般都在电动机的产品样本说明书里有记载,对转速、位置的控制精度，会 因电动机的种类、测控器的型式 不同而有所差异，要注意必须配 套选择能满足装置性能要求的电 动机和调速器,大输出功率的电动机，其发 热量也大，所以要选择自带冷 却风扇型式的电动机。另外， 要注意步进电动机在停止时以 及低负载运转时也会有发热的 现象,66,2) 电动机选择的内容,a）电动机种类的选择,b）结构形式的选择,c）安装形式的选择,d）额定电压与额定转速的选用,e）容量的选择,67,在满足使用要求的前提下，交流电动机优选于直流电动机，鼠笼型电动机优选于绕线型电动机，专用电动机优选于通用电动机,对于无调速

25、要求的机械应尽可能采用交流异步电动机。 负载平稳，对起动、制动无特殊要求的长期运行的机械宜采用价廉的鼠笼型电动机,周期性变动负载或起动转矩大的机械，如起重机宜用绕线型电动机。 在需要调速的机械中，若仅要求几种有级调速的机械，可采用鼠笼型异步电动机；若功率大、调速范围宽，且需连续平滑调速的机械，可用直流电动机,a）电动机种类的选择,68,b）结构形式的选择,根据工作环境选择电动机的防护型式： 开启式：干燥清洁的环境可以选用开启式，这种电动机价格便宜，散热条件好； 防护式：用于干燥灰尘不多没有腐蚀性和爆炸性气体的场合； 封闭式：可用在潮湿、易受风雨侵蚀、多腐蚀性灰尘的环境； 防爆式：不仅能防止杂物

26、进入电动机内，还能防止电动机内部的爆炸气体传动外部，用在有爆炸危险的环境中,69,c）安装形式的选择,一般情况下多采用卧式安装的电动机，只有特殊需要才用立式安装的电动机，如为简化传动装置，立式钻床上使用立式安装电动机,70,d）额定转速的选择,3000r/min，1500r/min，1000r/min， 750r/min，600r/min等五种,当输出功率相同时，转速越高，电动机的尺寸和重量越小，价格也越低，因此，应尽量选用转速较高的电动机,但如执行机构的速度很低，而选用高转速电动机时，减速装置增大，传动部分的成本将会提高，同时机械效率也降低，所以要综合考虑。还要考虑机械的工作制、起动制动及反

27、转的频繁程度等因素,71,额定电压的选择,电动机的额定电压应与电网供电电压一致。 中、小型交流异步电机可采用220V/380V，380V/660V两种额定电压。 大型交流异步电机可采用3000V以上的高压电源 直流电动机额定电压常为220V或110V，大功率直流电机可用600870V,72,e) 容量的选择,在规定的工作方式下，电动机的温升不超过许用值 保证所需要的启动力矩,73,二、内燃机的类型、机械特性及选择,按燃料种类分 柴油机和汽油机； 按汽缸数目分 单缸或多缸内燃机 按一个工作循环的冲程数分 二或四冲程内燃机； 按点火方式分 压燃式或点燃式内燃机 按进气系统分 自然吸气式或增压式内燃

28、机,74,内燃机主要性能指标,有效功率Pe：内燃机的实际输出功率 平均有效压力pe:单位气缸工作容积所作的有效功 标定功率Peb：在内燃机铭牌上规定的功率 升功率PL：气缸每升工作容积所发出的有效功率 有效燃油消耗率ge：单位有效功率每小时的耗油量 指示效率i：燃料所含的热能转变为指示功的有效程度 机械效率m：有效功率与指示功率之比,75,按国标规定，内燃机标定功率分为4级,1）15min功率 指内燃机允许连续运转15分钟的最大有效功率，适用于常以中小负荷工作又需有较大功率储备或许在瞬时发出最大功率的内燃机，如汽车,2）1h功率 指内燃机允许连续运转1小时的最大有效功率，它约为15min最大有

29、效功率的87%90%， 适用于经常以大负荷工作又需在短期内克服陡增负荷的内燃机，如轮式拖拉机,3）12h功率 指内燃机允许连续运转12小时的功率，适用于一天内以不变负荷工作的内燃机，如农业排灌站,4）连续功率 允许长期连续运转的最大有效功率， 如发电用内燃机,根据工况和用途的不同，各行业生产有专用的内燃机，如汽车、拖拉机、船用、铁路牵引等专用内燃机，可供选用,76,内燃机的机械特性,速度特性：当喷油泵调节杆在标定功率循环供油量位置时，柴油机的性能参数随转速变化的规律,1） 速度特性,2） 负荷特性,3） 通用特性,6120Q型车用柴油机全负荷速度特性,BJ492型车用汽油机的外特性,77,柴油

30、机扭矩曲线变化过程要比汽油机平坦些,这是因为柴油机进气系统阻力较小，在转速提高时， 充气系数降低较慢，而循环供油量却随转速提高又有 些增加，结果随转速增加，转矩曲线降低很小,78,转矩变化曲线可以表明内燃机在不同转速下克服外 界阻力的能力。常用扭矩贮备系数M来评定,标定工况下速度特性曲线上的最大转矩值,标定工况下的转矩值,79,负荷特性： 在转速不变的情况下，其性能参数随有效功率变化的规律,6135Q型车用柴油机负荷特性,GT,每循环供油量,ge,指示效率与机械效率乘积,机械效率,指示效率,1800,80,万有特性：表示柴油机个主要性能参数之间关系的综合特性，以转速为横坐标，平均有效压力为纵坐

31、标作出若干条等有效燃油消耗率和等功率的曲线族来表示，反映各种转速、各种负荷下的燃油经济性及最经济的负荷和转速,81,82,选择内燃机时必须了解内燃机的运行工况和特性，使它与被驱动工作机的负载特性相适应,工况1 发动机功率变化但曲轴转速几乎不变，称固定式发动机的工况 如内燃机与发电机、风压机和水泵等机械一起工作时，发动机转速由调速器保证基本上保持不变，功率则随工作机械的使用负荷不同,内燃机的选择,83,工况2 发动机功率与曲轴转速之间具有一定的函数关系，如内燃机带动螺旋桨、液力变矩器时的工况为线工况，应用最多的是三次幂函数关系，称为螺旋桨工况，在发动机变更转速的同时变更供油量以变更负荷,Pe=K

32、n3,工况3 发动机功率与转速之间没有一定的恒定关系，如柴油机作为汽车、拖拉机等陆上运输动力且排挡一定时，它的转速取决于他们的行驶速度，功率则取决于他们的行驶阻力,84,一般先根据其外特性判断柴油机的n、Me、Pe等动力性能是否满足从动机的要求，然后再根据所选择的工作转速的负荷特性，判断所选择的柴油机是否经常在经济负荷范围内运转。如果满足上述要求，则选择是合理的,内燃机的选择,85,内燃机的选择,汽油机和柴油机的比较,在输出功率相同的情况下，汽油机的尺寸和重量比柴油机小； 汽油机的转速比柴油机高，前者通常在3000r/min以上，后者则在2000r/min以下； 汽油机的工作稳定性比柴油机好，

33、噪音比柴油机小； 柴油机比汽油机过载能力强； 柴油机比汽油机耗油率小，且比汽油价廉,汽油机主要用于要求重量轻、结构紧凑的机械；柴油机多用于对重量、结构紧凑要求不高及功率较大的机械，如工程机械、载重汽车,86,三、液压马达,1、类型,液压马达,低速,高速,基本型式：径向柱塞式 特点：转矩大、排量大、转速低，可直接与执行机构相连，无需减速装置,基本型式：齿轮式、叶片式 轴向柱塞式、螺杆式 特点：转速高、转矩小、尺寸小、重量轻、换向灵敏度高,87,2、主要性能参数,转 速 ：液压马达的额定转速是指输出额定功率（或转矩）的情况下，正常持久地使用转速,压力p: 表示单位体积油液所具有的能量,体积流量qV

34、和排量q：体积流量是指单位时间内输入液压马达的油液体积；排量为在没有泄漏的情况下，液压马达每一转输入油液的体积,转矩M,88,总效率,功率P 液压马达的实际功率P为,89,3 液压马达的选用,考虑工作压力、转速范围、运行扭矩、总效率、容积率、滑差率以及安装等因素和条件。 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力降、流量和总效率，然后确定其它管路配件和附件,90,四、气动马达,类型,气动马达,容积式,透平式,基本型式：齿轮式、叶片式 活塞式,将压缩空气的压力能转化为机械能的能量转换装置,91,叶片式气动马达特性曲线,转矩,工作压力不变,ML=0,空转

35、时，转速达到最大值nmax，P=0 ML=Mmax, n=0, P=0 ML=Mmax/2, n= nmax /2, 功率达到最大,92,活塞式气动马达特性曲线,功率曲线,转矩曲线,工作压力p增高时，马达的输出功率转矩和转速均有增加。 压力不变时，功率、转矩和转速均随外加负载的变化而变化,93,气动马达的选用,从负载特性考虑。在变负载场合使用，主要考虑速度范围及满足所需的负载转矩。在稳定负载下使用时，主要考虑工作速度。 叶片式气动马达比活塞式气动马达转矩高、结构简单，但起动转矩小，在低速时耗气量大；当工作速度低于空载速度的25%时，最好选用活塞式气动马达,根据所需的转速和最大转矩计算出所需的最

36、大功率，然后选择相应功率的气动马达,94,第五节 伺服驱动装置简介,伺服装置是带有力或力矩或速度反馈并可自动 调节的驱动装置，它比一般无伺服的驱动装置有 更高的精度,液压伺服装置,气压伺服装置,电气伺服装置,较早期，功率最大,发展最快，最实用,直流电动机 、交流电动机、步进电动机,特殊领域,95,1、步进电机种类及工作原理,旋转式步进电机、直线式步进电机,从励磁相数来分有 三相、四相、五相、六相等步进电机,旋转式步进电机的转子结构来说，分为三种,可变磁阻型 永磁型 混合型,96,可变磁阻型（反应式步进电机,由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制的齿形转子作步进驱动，又称反应式步进电机。 特点

37、：转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。 制造成本高、效率低、转子的阻尼差、噪声大。但其制造材料费用低、结构简单、步距角小，随着加工技术的进步，可成为多用途机种,97,A相定子绕组通电形成磁场,单段反应式步进电机的工作原理 磁场形成,98,单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿,单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿,定子通电顺序： ABCA 转子旋转方向： 顺时针 步距角,三相三拍,99,单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿,定子通电顺序： ABBCCAAB 转子旋转方向： 顺时针 步距角,三相双三拍,100,单段反应式步进电机的工作原理 两转子齿,定子通电顺序： AABBBCCCAA

38、 转子旋转方向： 顺时针 步距角,三相六拍,101,单段反应式步进电机的工作原理 四转子齿,定子通电顺序： ABCA 转子旋转方向： 逆时针 步距角,102,步距角： 步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，转子转过的角度称步距角。 转子齿数越多，步距角 越小 定子相数越多，步距角 越小 通电方式的节拍越多，步距角 越小,式中：m 定子相数 Z 转子齿数 C 通电方式 C = 1 单相轮流通电、双相轮流通电方式 C = 2 单、双相轮流通电方式,103,常用步进电机的步距角 常用步进电机的定子绕组多数是三相和五相, 与此相匹配的转子齿数分别为40齿和48齿，即有 三相步进电机： 五相步进电机,1

39、04,2. 步进电机的选用,适用于中小型机械系统和仪器仪表中，可与传动 装置组合，成为开环控制的伺服系统,在步距角小，功率小以及价格低的场合宜选用反应式步进电动机。 在步距角大，运动速度低，对定位性能要求高的场合，宜选用永磁式步进电动机。 对于既要求步距角小，又要求定位性能好的场合，可选用混合式步进电动机,105,步进电动机型号选择的依据是工艺要求和步进 电动机的性能，步进电动机的主要性能指标如下,1） 最大静转矩Tmax,当步进电动机通电，并处于平衡位置时，借助外力使转子离开平衡位置所需极限转矩，称为最大静转矩。可用来计算步进电动机的负载能力指标,最大负载转矩,106,2) 运行矩频特性,1

40、07,3） 最高启动频率,4） 步进电动机的角位移分辨力,是衡量步进电动机高速能力的指标，可分为空载和额定负载两项,步距角代表角位移分辨力。步距角越小，则分辨力越高,5） 静态步距角误差,空载时实测的步进电动机步距角与理论步距角之差，称为静态步距角误差，在一定程度上反映了步进电动机的角位移精度,108,第六节 能量流系统设计,4.6.1 能量流系统设计一般步骤,1）确定能量流系统的配置,2）传动方案设计,3）工作机械载荷确定,4）初选电动机,5）进行能量流其他部分如飞轮 、联轴器的设计计算,6）进行动力机的校核计算,109,1、确定能量流系统的配置,能量流系统所需功率除了与工作机的机械特性 有

41、关外，还与能量流系统配置情况有关,能量流系统的配置与两个方面内容有关： 布局形式和结构布置,1）布局形式,串联,并联,混联,110,串联,仅有一个原动机以及一个执行机构，在一些 简单的单执行机构的机械系统中,111,例,发动机驱动发 电机发电，电 动机用发电机 发出来的电能 驱动车轮,串联式混合动力是一边通过发动机发电， 一边通过电动机驱动车轮,返回,112,并联,113,例,龙门起重机的主要运动,在数控机械中，一般都有多个执行机构。在实现复杂的运动组合或加工复杂的型面时，各个执行机构的运动必须保证严格的动作顺序和协调。采用数字指令进行自动控制，每个执行机构有各自的动力机单独驱动的并联布局,1

42、14,混联（两种,当执行机构之间有一定的传动比要求，或执行机构 之间有动作顺序要求，或各执行机构间相互独立而使 用一台动力机即可满足执行机构的总耗能要求,1)集中驱动,115,SG8630高精度丝杠车床,一路经带传动和蜗杆传动驱动主轴 另一路通过主轴经交换齿轮A、B、C、D及丝杠螺母驱动刀架,116,应用于低速、重载、大功率、执行机构少而 惯性大的机械中,2)联合驱动,117,双输入轴圆弧齿轮减速器,118,并联布局的能量流系统中，各支路可以是串联的也可以是混联的,例如，大型船舰的能量流系统是典型的并联布局形式。 一条支路的执行机构为发电机组，动力来源是柴油机，作用是为全船提供照明等的日常用电

43、； 另一条支路的能量主要用于提供船只运动的动力，一般采用混联驱动，即多台柴油机联合驱动,119,2）结构布置,120,121,2）传动方案设计,3）工作机械载荷确定,根据总体设计方案选定的动力装置及执行机构，进行传动方案的设计。如：传动装置类型选择，多轴传动系统的运动学设计等,确定工作机一个工作周期的时间t； 确定工作机一个工作周期中各阶段的载荷情况并计算出消耗的总能量,122,4）初选电动机,5）进行能量流其他部分如飞轮 、联轴器的设计计算,6）进行动力机的校核计算,计算平均功率； 选择动力机具体类型，并求折合功率N； 查手册或产品样本，选出额定功率Ne与N接近的动力机,123,4.6.2

44、能量流系统设计实例,现要求进行曲柄压力机的能量流系统设计。 已知条件： 公称压力Pg=63吨， 行程S=100mm， 压力机滑块行程次数n=40次/分钟， 执行机构（曲柄滑块机构）的摩擦当量力臂m=7.85mm,124,公称压力：滑块离下死点前某一特定距离（公称压力行程）时，滑块所允许的最大作用力,行程：滑块从上死点到下死点间的距离,滑块行程次数：滑块每分钟从上死点到下死点，然后再回到上死点，如此往复的次数,技术参数,125,1. 能量流系统的配置,主功能：完成对工件的压力加工,仅需要一个执行机构（曲柄滑块机构,一个工作循环所需的总能量不大，采用单台原动机，串联布局,126,能量流系统布局图,

45、大带轮与飞轮做成一体，立式布置，传动系统 位于工作台上方,127,128,1-电动机 2-小皮带轮 3-大皮带轮 4-制动器 5-离合器 6-小齿轮 7-大齿轮 8-小齿轮 9-偏心齿轮 10-芯轴 11-机身 12-连杆 13-滑块 14-上模 15-下模 16-垫板 17-工作台 18-液压气垫,注意： 1）制动、离合动作的协调 2）离合器的作用 3）离合器和制动器的安装位置,129,2. 传动方案设计,选用电动机作为原动机,曲柄旋转一圈，滑块上、下往返一次，滑块只在上模接触坯料后到冲压出工件这段工作行程中（通常还不到曲柄旋转的1/4圈），才承受负荷，而在其余空行程中，不承受负荷,负荷特点：短期的高峰负荷和较长期的空负荷相互交替,按工作行程所需功率选用电动机，要求功率很大，大功率的电动机只在短的工作行程内满负荷,130,把带轮轮缘加厚，增大它的转动惯量，使它在滑块不 承受负荷时转速升高、动能增大（即用带轮兼做储能 作用的飞轮），而在压力机工作行程时转速下降，释放 能量，大大减少了电动机所需的功率，从而采用较小功 率的电动机,曲柄压力机采用电动机加