第3章 机械系统的载荷特性和动力机的选择

1、第三章第三章 机械系统的载荷特性和动力机选择机械系统的载荷特性和动力机选择 第一节第一节 工作机械工作机械( (指执行系统指执行系统) )的载荷和工作制的载荷和工作制 设计机械系统时，设计机械系统时，载荷的分析和确定载荷的分析和确定非常重要。分析的过程中应非常重要。分析的过程中应分清载分清载 荷主次荷主次，对量值较小的载荷可忽略不计，对较复杂的载荷应进行适当的简化。，对量值较小的载荷可忽略不计，对较复杂的载荷应进行适当的简化。 一、载荷类型一、载荷类型 作用在机械上的外力作用在机械上的外力称为载荷称为载荷。载荷的。载荷的种类很多种类很多，如起重机中提升物体，如起重机中提升物体 的重量、变速运行

2、的惯性力、机械本身的自重、作用在机械上的风力和落在的重量、变速运行的惯性力、机械本身的自重、作用在机械上的风力和落在 机械上其他杂物的重量等等都是载荷。机械上其他杂物的重量等等都是载荷。载荷的类型和大小决定于对机械的功载荷的类型和大小决定于对机械的功 能要求、工作环境和结构间的约束关系能要求、工作环境和结构间的约束关系。 载荷的载荷的表示形式：表示形式：可用可用力、力矩或转矩力、力矩或转矩表示，也可用表示，也可用压力、功率、加速压力、功率、加速 度度等形式表示。等形式表示。 载荷是载荷是对机械及零部件进行强度、刚度、稳定性、可靠性和寿命计算的对机械及零部件进行强度、刚度、稳定性、可靠性和寿命计

3、算的 依据依据。也是进行机械系统动力机类型和容量选择时需要考虑因素之一。也是进行机械系统动力机类型和容量选择时需要考虑因素之一。 工作机械工作机械就是机械系统的就是机械系统的执行系统执行系统。系统工作过程中。系统工作过程中转矩转矩M与转速与转速n的的关关 系系M=f(n)( (或力或力F和速度和速度V的关系的关系F=f(V) )称为工作机械的称为工作机械的负载特性。负载特性。常见的负常见的负 载特性有如下几种载特性有如下几种: : 1、工作机械的负载特性、工作机械的负载特性 转矩转矩M与转速与转速n的大小无关的大小无关，转速，转速n变化，转矩变化，转矩M不变。即不变。即 )(常数CM 恒转矩负

4、载特性又可分为两类：恒转矩负载特性又可分为两类：位能性负载特性位能性负载特性和和反抗性负载特性反抗性负载特性。 （1）恒转矩负载特性恒转矩负载特性 由转矩由转矩M、转速、转速n和功率和功率P的关系可知，对于恒转矩负载特性，功率的关系可知，对于恒转矩负载特性，功率P与转与转 速速n成正比，即成正比，即P=f(n)。线性关系，因为。线性关系，因为P=M*n 位能性负载特性位能性负载特性 C n M O 反抗性负载特性反抗性负载特性：转矩转矩M的方向随转向变化，但转矩的方向随转向变化，但转矩M的绝对值不变的绝对值不变。 具有摩擦负载的皮带运输机、金属压延机床和造纸机等具有反抗性负载特性。具有摩擦负载

5、的皮带运输机、金属压延机床和造纸机等具有反抗性负载特性。 反抗性负载特性反抗性负载特性 n M O C -C 位能性负载特性：位能性负载特性：转矩转矩M的方向不随转向变化的方向不随转向变化。如起重机的钢丝绳无。如起重机的钢丝绳无 论向上或向下运动都受拉力。论向上或向下运动都受拉力。 )(常数CnM 功率功率P与转速与转速n无关无关，转速，转速n变化，功率变化，功率P不变，即不变，即P=C(常数常数)。由于功率由于功率 P为常数，转矩为常数，转矩M与转速与转速n的乘积变为常数，即的乘积变为常数，即 )( 1 n fM 转矩转矩M与转速与转速n为为反比关系反比关系，即，即恒功率负载特性为双曲线。恒

6、功率负载特性为双曲线。 （2）恒功率负载特性恒功率负载特性 n M O 许多金属加工机床就具有恒功率负载特性，由于在加工过程中产生的切许多金属加工机床就具有恒功率负载特性，由于在加工过程中产生的切 削力大，此时选择的切削速度削力大，此时选择的切削速度V就应小一些，以保证切削功率不变。就应小一些，以保证切削功率不变。 例如磨粉机，转速例如磨粉机，转速n升高，喂入量加大，转矩升高，喂入量加大，转矩M成正比增加。成正比增加。 n M O n M O 转矩转矩M与转速与转速n成某种函数关系成某种函数关系，转速，转速n变化，转矩变化，转矩M按某种规律变化。按某种规律变化。 如转矩如转矩M与转速与转速n成

7、线性关系，成线性关系，即即M=f(n)，则功率，则功率P与转速与转速n的平方成正比，的平方成正比， 即即P=f(n2) 。 （3）转矩转矩M是转速是转速n函数的负载特性函数的负载特性 转矩转矩M与转速与转速n的平方成正比，的平方成正比，即即M=f(n2) ，则功率，则功率P与转速与转速n的的3次方成次方成 正比，即正比，即P=f(n3) 。通风机、离心水泵就具有这种负载特性。通风机、离心水泵就具有这种负载特性。 s, M O 例如活塞式空气压缩机，曲柄压力机，轧钢厂的剪切机、升降摆动台、例如活塞式空气压缩机，曲柄压力机，轧钢厂的剪切机、升降摆动台、 翻钢机等工作机械都具有这种负载特性。翻钢机等

8、工作机械都具有这种负载特性。 转矩转矩M与行程与行程s或转角或转角成某种函数关系成某种函数关系，即，即M=f(s)或或M=f()。 （4）转矩转矩M是行程是行程s或转角或转角的函数的函数 t M O 如破碎机，球磨机等工作机械都具有这种负载特性。如破碎机，球磨机等工作机械都具有这种负载特性。 转矩转矩M在工作机械工作过程中，与工作时间在工作机械工作过程中，与工作时间t没有明显的函数关系没有明显的函数关系。 （5）转矩转矩M随时间随时间t变化无规律变化无规律 转矩转矩M变化，转速变化，转速n保持不变，即保持不变，即n=C(常数常数)，则，则功率功率P与转矩与转矩M成正比成正比， P=f(M)。

9、n M O C 例如利用内燃机驱动的发电机，为了保持交流电频率不变，在机组上利例如利用内燃机驱动的发电机，为了保持交流电频率不变，在机组上利 用调速器来保证发电机在额定转速下运转。用调速器来保证发电机在额定转速下运转。 （6）恒转速负载特性恒转速负载特性 思考题：思考题： 9、根据、根据P37图图2-11四种铣床布置说明如下问题：四种铣床布置说明如下问题： （1）被加工工件的重量、尺寸对铣床的布置有）被加工工件的重量、尺寸对铣床的布置有 何影响何影响? （2）各自的驱动方式以及选用该驱动方式的理）各自的驱动方式以及选用该驱动方式的理 由由? 10、X62W卧式升降台铣床主轴转速卧式升降台铣床主

10、轴转速 nmin=30r/min，nmax=1500r/min，变速级数，变速级数 Z=18，各级转速按照等比级数排列，确定相应，各级转速按照等比级数排列，确定相应 的公比的公比和各级转速。和各级转速。 第三章思考题第三章思考题 1、什么是工作机械的负载特性？常见的工作、什么是工作机械的负载特性？常见的工作 机负载特性有哪几种，试举例说明。机负载特性有哪几种，试举例说明。 2.2.载荷的分类载荷的分类( (按照载荷随时间变化的情况按照载荷随时间变化的情况) ) 静载荷静载荷：是指：是指大小、方向和作用点都不随时间变化大小、方向和作用点都不随时间变化的载荷。如重力。的载荷。如重力。 动载荷动载荷

11、：三个要素中只要有一个要素随时间：三个要素中只要有一个要素随时间变化变化就叫动载荷。就叫动载荷。经常把经常把 变化次数少的按静载荷处理。变化次数少的按静载荷处理。 冲击载荷冲击载荷:短时间内短时间内变化很大的载荷变化很大的载荷. 工程中大多数机械所承受的都是动载荷。但有时为了简化设计计算，可以工程中大多数机械所承受的都是动载荷。但有时为了简化设计计算，可以 将动载荷简化处理转变成静载荷。将动载荷简化处理转变成静载荷。 动载荷动载荷 周期性载荷周期性载荷 非周期性载荷非周期性载荷 随机载荷随机载荷 确定载荷确定载荷：有一定变化规律，可用数学公式表示。有一定变化规律，可用数学公式表示。 载荷时间历

12、程载荷时间历程: 载荷随时间载荷随时间t的变化情况的变化情况, 简称载荷历程简称载荷历程. 3. 载荷载荷时间历程时间历程 非确定载荷非确定载荷：没有规律，随机性没有规律，随机性, ,不重复、不能不重复、不能 直接用数学公式表示，要用统计的办法处理。直接用数学公式表示，要用统计的办法处理。 按载荷历程不同按载荷历程不同, ,动载荷分为动载荷分为: : (一一)周期载荷周期载荷 周期载荷周期载荷: 即即载荷随时间作周期性载荷随时间作周期性的变化的变化,有周期性。有周期性。 周期载荷可用周期载荷可用3 3个要素描述，即个要素描述，即幅值、谐波角频率和相位角幅值、谐波角频率和相位角。 常见的周期性载

13、荷又包括以下两种常见的周期性载荷又包括以下两种 简谐载荷；简谐载荷； 复杂周期载荷；复杂周期载荷； )sin()( 00 tXtX tX （ ） ：t时刻的载荷幅值；时刻的载荷幅值； 0 X：最大的载荷幅值；：最大的载荷幅值； 0 0 0 2 ：角频率，角频率：角频率，角频率与周期与周期T的关系为：的关系为：T= ：相位角：相位角 式中：式中： 由于余弦函数通过改变相位可转化为正弦函数，所以用余弦函数表示的载由于余弦函数通过改变相位可转化为正弦函数，所以用余弦函数表示的载 荷也是谐波载荷。荷也是谐波载荷。 1、简谐载荷（、简谐载荷（谐波载荷）谐波载荷） 以以正弦规律变化正弦规律变化的载荷，是最

14、简单的一种周期载荷。的载荷，是最简单的一种周期载荷。 简谐载荷可用数学公式和图象表示。简谐载荷可用数学公式和图象表示。 2、复杂周期载荷、复杂周期载荷 任何复杂的周期载荷，都可分解成无限个简谐载荷相叠加的形式任何复杂的周期载荷，都可分解成无限个简谐载荷相叠加的形式(傅里叶傅里叶 级数级数)。 0 00 1 ( )cos()sin() 2 nn n a x tantbnt , 3 , 2 , 1n 复杂载荷的数学表达式为：复杂载荷的数学表达式为： （3-1） )cos( 2 )( 0 1 0 n n n tnc a tx 式式(3-1)又可以表示为：又可以表示为： 式中：式中： )( n n a

15、 b n arctg 相位角相位角 )2, 1( 0 nn 谐波角频率谐波角频率 n a n b 0 、 见见(P453-1)式。式。 （3-2） 22 nnn bac辐值辐值 周期性载荷可表示为：均值为周期性载荷可表示为：均值为 的的静态分量静态分量和和无穷多个谐波无穷多个谐波分量分量： 2 0 a 相叠加的形式。相叠加的形式。 1 0 )cos( i nn tnc )cos( 2 )( 0 1 0 n n n tnc a tx 通常根据对精度的要求，谐波分量只取前通常根据对精度的要求，谐波分量只取前n项。如取项。如取n=3，周期载荷可表，周期载荷可表 示为：示为： 静态分量静态分量 一次分

16、量一次分量(谐波谐波) 二次分量二次分量(谐波谐波) 三次分量三次分量(谐波谐波) )3cos()2cos()cos( 2 )( 303202101 0 tctctc a tx 和和3个谐波分量相叠加的形式。个谐波分量相叠加的形式。 这样周期性载荷就表示为：静态分量这样周期性载荷就表示为：静态分量 2 0 a 各谐波分量与一次分量的频率比为正整数：各谐波分量与一次分量的频率比为正整数： 2 2 0 0 t t 3 3 0 0 t t ， 1、准周期载荷：、准周期载荷：是指若干个频率比是有理数的正弦量合成的载荷是指若干个频率比是有理数的正弦量合成的载荷,仍仍 可用数学公式表达。可用数学公式表达。

17、 (二二)非周期载荷非周期载荷 非周期载荷包括非周期载荷包括准周期载荷准周期载荷和和瞬变载荷瞬变载荷两类。两类。 2、瞬变载荷：、瞬变载荷：作用时间短、幅值变化大。可采用傅里叶变换建立载荷的作用时间短、幅值变化大。可采用傅里叶变换建立载荷的 时域函数和频域函数之间的一一对应关系。时域函数和频域函数之间的一一对应关系。 deFtx tj )( 2 1 )( dtetxF tj )()( (3-3) (3-4) 时域函数时域函数 频域函数频域函数 准周期载荷和瞬变载荷都是确定性载荷准周期载荷和瞬变载荷都是确定性载荷. . 时域函数时域函数x(t)是频域函数是频域函数F()的反付里叶变换；而的反付里

18、叶变换；而F()是是x(t)的正付里叶的正付里叶 变换。变换。 随机载荷是指载荷的幅值和频率随时间无规律变化的载荷，随机载荷随机载荷是指载荷的幅值和频率随时间无规律变化的载荷，随机载荷 不能直接用一个数学式确切地表示不能直接用一个数学式确切地表示。 (三三)随机载荷随机载荷 载荷随时间变化情况叫载荷随时间变化情况叫载荷历程载荷历程，随机载荷的载荷历程可见，随机载荷的载荷历程可见P46图图3-1。 在统计学上把采得的每一个纪录叫一个在统计学上把采得的每一个纪录叫一个子样子样，图，图3-1中采得了中采得了n个子样：个子样： x1(t)、x2(t)xn(t)。当子样个数。当子样个数n接近无穷多时，就

19、组成了接近无穷多时，就组成了被测载荷的总体被测载荷的总体-母母 体体。实际上子样个数。实际上子样个数n只能是有限个，只能通过这有限个子样，用统计学的只能是有限个，只能通过这有限个子样，用统计学的 方法得到能代表母体特性谱型。方法得到能代表母体特性谱型。 汽车、拖拉机、水轮机、飞机等在复杂条件下工作的机械，就承受随机汽车、拖拉机、水轮机、飞机等在复杂条件下工作的机械，就承受随机 载荷。由于外界条件变化无常，测量结果是不可确定的。载荷。由于外界条件变化无常，测量结果是不可确定的。 由于随机载荷具有不可确定性，所以不能应用随机载荷直接进行强度、由于随机载荷具有不可确定性，所以不能应用随机载荷直接进行

20、强度、 刚度等计算，刚度等计算，必须用必须用数理统计数理统计的方法，总结出随机载荷的统计规律，才能进的方法，总结出随机载荷的统计规律，才能进 行相应的计算行相应的计算。 随机载荷是由现场实测获得，这个过程叫随机载荷是由现场实测获得，这个过程叫采样采样。 以对载重汽车采样为例，在所得的一系列以对载重汽车采样为例，在所得的一系列“载荷载荷-时间历程时间历程”图中，每次图中，每次 采样得到的采样得到的“载荷载荷-时间历程时间历程”都不相同，从而表现出这种载荷的随机性。都不相同，从而表现出这种载荷的随机性。 随机变量随机变量 的均值为：的均值为：)(txi ), 3 , 2 , 1(ni )( 1 )

21、( 1 tx n tx n i i 均值均值又叫又叫数学期望数学期望值，它是表示随机变量概率分值，它是表示随机变量概率分布集中程度的尺度。布集中程度的尺度。 （3-5） (2)标准差标准差 ： 2 1 1 2 )()( 1 n i i txtx n 是随机变量是随机变量 与均值与均值 之差的均方根。之差的均方根。)(txi)(tx标准差标准差 (3-6) )(tx (1)均值均值 随机变量随机变量 的标准差为：的标准差为：)(txi ), 3 , 2 , 1(ni 具体在反映或表示随机载荷时，可以通过有限个子样求出一些数字特征具体在反映或表示随机载荷时，可以通过有限个子样求出一些数字特征 值来

22、描述母体的基本统计特征，这些值来描述母体的基本统计特征，这些数字特征值数字特征值包括：包括： (3)方差方差V(t) ： 方差方差V(t)是表示随机变量概率分布相对于均值分散程度的是表示随机变量概率分布相对于均值分散程度的 尺度。尺度。 n i i txtx n tV 1 2 )()( 1 )( 2 )(tV n i i tx n tV 1 2 )( 1 )( 对比对比(3-6)和和(3-7)式可得：式可得： (3-7) (3-8) (3-9) 随机变量随机变量 的方差为：的方差为：)(txi ), 3 , 2 , 1(ni 0)(tx的特例，的特例，(3-7)式可变为：式可变为：对于均值对于

23、均值 (4)自相关函数自相关函数R(t)：自相关函数：自相关函数R(t)表示随机变量在表示随机变量在t时刻的值与时刻的值与(t+)时刻时刻 数值乘积的平均值。数值乘积的平均值。 )()( 1 ),( 1 txtx n ttR i n i i(3-10) )(txi ), 3 , 2 , 1(ni 自相关函数自相关函数R(t，t+)为为 随机变量随机变量 非平稳随机过程：均值非平稳随机过程：均值 、方差、方差V(t)、自相关函数、自相关函数R(t)均与时刻均与时刻t有关。有关。 )(tx 平稳随机过程：均值平稳随机过程：均值 、方差、方差V(t)、自相关函数、自相关函数R(t)均与时刻均与时刻t

24、无关。无关。)(tx 对于一般的随机过程，理论上讲只有从无穷个样本中才能得出准确地反对于一般的随机过程，理论上讲只有从无穷个样本中才能得出准确地反 映随机过程特征的数字特征值，但增加样本个数具有一定的难度，只能对有映随机过程特征的数字特征值，但增加样本个数具有一定的难度，只能对有 限个样本进行分析处理，获得近似的载荷谱。但对于各态历经的随机过程，限个样本进行分析处理，获得近似的载荷谱。但对于各态历经的随机过程， 只要获得一个样本，就可以得到能代表整个随机过程的载荷谱。只要获得一个样本，就可以得到能代表整个随机过程的载荷谱。 (5)平稳随机过程与各态历经随机过程平稳随机过程与各态历经随机过程 各

25、态历程随机过程：平稳随机过程中，整个母体的概率分布与任一个样各态历程随机过程：平稳随机过程中，整个母体的概率分布与任一个样 本的概率分布相同。本的概率分布相同。 )()(Ktxtx ji 式中：式中： i、j-1，2，ij K-某一时间延迟步数。某一时间延迟步数。 二、载荷处理方法二、载荷处理方法 (一一)静载荷、周期载荷、非周期载荷的处理静载荷、周期载荷、非周期载荷的处理 在静载荷下对机械零件进行强度计算时，塑性材料制成的零件，取屈服在静载荷下对机械零件进行强度计算时，塑性材料制成的零件，取屈服 强度强度 作极限应力作极限应力 ；脆性材料制成的零件，取强度极限；脆性材料制成的零件，取强度极限

26、 作极限应作极限应 力力 ，选取安全系数，选取安全系数S后，就可决定许用应力后，就可决定许用应力 。用。用名义载荷名义载荷F 与载荷系数与载荷系数K的乘积表示的乘积表示计算载荷计算载荷 ，即，即 ，这里载荷系数，这里载荷系数K是考虑是考虑 载荷集中设定的。载荷集中设定的。 s lim B S/ lim C FKFFC lim 1、静载荷、静载荷 应用强度理论由计算载荷应用强度理论由计算载荷 可求出计算应力可求出计算应力 ，按强度不等式，按强度不等式 来进行静强度计算。来进行静强度计算。 C F C C 也可采用简化计算法，引入也可采用简化计算法，引入载荷系数载荷系数K求得计算载荷求得计算载荷

27、FC=KF ，然后再，然后再 利用强度理论进行强度校核。利用强度理论进行强度校核。 2、周期载荷和非周期载荷、周期载荷和非周期载荷 对周期载荷和非周期载荷，可应用数学方法，如付里叶展开和付里叶变对周期载荷和非周期载荷，可应用数学方法，如付里叶展开和付里叶变 换，换，找到载荷变化的规律，然后利用疲劳强度的理论进行强度计算找到载荷变化的规律，然后利用疲劳强度的理论进行强度计算。 KKKKK VA 决定载荷系数决定载荷系数K K时，既要考虑载荷集中，又要考虑动载荷。时，既要考虑载荷集中，又要考虑动载荷。 例如例如: 对齿轮进行疲劳强度：对齿轮进行疲劳强度： 考虑有动载荷的系数：考虑有动载荷的系数：

28、KA- 使用系数；使用系数； KV-动载系数。动载系数。 考虑载荷集中的系数：考虑载荷集中的系数： K-齿间载荷分配系数；齿间载荷分配系数； K-齿向载荷分布系数。齿向载荷分布系数。 使用编制的载荷谱进行疲劳强度计算或试验时，得到的机械寿命应尽量接使用编制的载荷谱进行疲劳强度计算或试验时，得到的机械寿命应尽量接 近机械的实际工作寿命；近机械的实际工作寿命； (二二)随机载荷的处理随机载荷的处理 1、载荷谱、载荷谱 编谱是确定编谱是确定计算载荷计算载荷的一项重要工作，编谱时应注意下面的一项重要工作，编谱时应注意下面3点：点： 选取的子样必须具有典型性和代表性；选取的子样必须具有典型性和代表性；

29、整个编谱过程应能在计算机上进行，这样大量的计算过程就可由计算整个编谱过程应能在计算机上进行，这样大量的计算过程就可由计算 机完成。机完成。 2、编制载荷谱的方法（了解）、编制载荷谱的方法（了解） 通过实测得到的子样所表示的通过实测得到的子样所表示的“载荷载荷-时间历程时间历程”叫叫工作谱或使用谱工作谱或使用谱。子。子 样虽然是实际载荷，但由于自身的不可重复性和不可预测性，因此不能用某样虽然是实际载荷，但由于自身的不可重复性和不可预测性，因此不能用某 个子样进行设计计算。个子样进行设计计算。 如果把大量的子样经数理统计方法处理后，就可得到能反映载荷随时间如果把大量的子样经数理统计方法处理后，就可

30、得到能反映载荷随时间 变化规律，这种变化规律，这种具有统计特征的具有统计特征的“载荷载荷-时间历程时间历程”就称为就称为载荷谱载荷谱。 把工作谱处理成载荷谱的过程叫把工作谱处理成载荷谱的过程叫编谱编谱。 进行机械设计时，载荷的大小和性质应由设计者来确定。进行机械设计时，载荷的大小和性质应由设计者来确定。 对于工作条件简单、确定的机械，载荷确定后，在设计过程中就不再变对于工作条件简单、确定的机械，载荷确定后，在设计过程中就不再变 动动;而对工作条件复杂，影响因素较多的机械在设计过程中要调整载荷，甚至而对工作条件复杂，影响因素较多的机械在设计过程中要调整载荷，甚至 有些机械，在制造出来后，才能通过

31、实测最终确定载荷。有些机械，在制造出来后，才能通过实测最终确定载荷。 对于对于系列生产的机械产品系列生产的机械产品，确定载荷时要考虑国家制订的规格、系列或标，确定载荷时要考虑国家制订的规格、系列或标 准，例如对冲床的冲力、起重机的起重量都有准，例如对冲床的冲力、起重机的起重量都有系列公称值系列公称值。 三、载荷的确定方法三、载荷的确定方法 有一些产品是以有一些产品是以某些表征设备能力的特征结构尺寸为系列公称值的某些表征设备能力的特征结构尺寸为系列公称值的，如，如 谷物联合收获机以割台宽度、钢坯轧机以辗辊最大直径，挖掘机以铲斗容积谷物联合收获机以割台宽度、钢坯轧机以辗辊最大直径，挖掘机以铲斗容积

32、 为系列公称值。为系列公称值。 载荷的确定通常有载荷的确定通常有3种方法：种方法：类比法、计算法和实测法类比法、计算法和实测法。 （一）类比法（一）类比法 应用类比法确定载荷的应用类比法确定载荷的先决条件先决条件：具有与所设计机械同类型的或相近类具有与所设计机械同类型的或相近类 型的机械产品型的机械产品，这些，这些机械产品被实践证明是成功的机械产品被实践证明是成功的，这时可根据经验或简单，这时可根据经验或简单 计算就可以确定所设计机械的载荷。计算就可以确定所设计机械的载荷。 类比法类比法不够精确不够精确，主要用在，主要用在载荷难以确定载荷难以确定的情况或的情况或初步设计阶段初步设计阶段，当样，

33、当样 机制造好后，再用实测法较精确地确定载荷，并对设计对象进行较精确地校机制造好后，再用实测法较精确地确定载荷，并对设计对象进行较精确地校 核计算。核计算。 对于对于受载不大，以传递运动为主的机械受载不大，以传递运动为主的机械，如印刷机、包装机、仪器仪表，如印刷机、包装机、仪器仪表 等，也可用类比法最终确定载荷。等，也可用类比法最终确定载荷。 动力类比动力类比: : 选择通过实践证实设计较成功的同一类型的机械作类比对象，调选择通过实践证实设计较成功的同一类型的机械作类比对象，调 查该机械使用动力机的容量，如电动机的功率、转矩、转速等参数；再根据查该机械使用动力机的容量，如电动机的功率、转矩、转

34、速等参数；再根据 设计者的经验或通过简单地推算，确定设计对象所需要的动力，进而确定机设计者的经验或通过简单地推算，确定设计对象所需要的动力，进而确定机 械及其零部件的载荷。械及其零部件的载荷。 )( )( 2 1 21 Lf Lf PP )( )( 2 1 2 1 l l F F （3-12） 例如要设计一台例如要设计一台割台宽度为割台宽度为L1的自走式谷物联合收获机。现有的自走式谷物联合收获机。现有一台割台一台割台 宽度为宽度为L2的同类机械的同类机械，它的动力机是功率为，它的动力机是功率为P2(KW)的柴油机。两台机械的作的柴油机。两台机械的作 业对象、工作速度、滚筒、清粮装置及传动装置的

35、类型基本相同，技术要求业对象、工作速度、滚筒、清粮装置及传动装置的类型基本相同，技术要求 也基本相同，就可推算出设计对象的功率为：也基本相同，就可推算出设计对象的功率为： 式中：式中： P=f(L)为自走式谷物联合收获机功率与割台宽度的函数关系，可以为自走式谷物联合收获机功率与割台宽度的函数关系，可以 通过对已有产品进行调查研究，建立这个函数关系。通过对已有产品进行调查研究，建立这个函数关系。 尺度类比法尺度类比法. 假设现有机械的载荷和尺寸为假设现有机械的载荷和尺寸为F1和和 l1 ，它们的函数关系为，它们的函数关系为F= （l），应用相似原理可建立），应用相似原理可建立 (3-12)式：式

36、： 通过通过(3-12)式就可用类比法确定设计对象的尺寸式就可用类比法确定设计对象的尺寸l2 ： 2 21 1 ( )( ) F ll F 3 2 3 1 2 1 d d T T 2 3 2 1 1 d T T d 例如设计传动轴，其类比对象上轴所受转矩为例如设计传动轴，其类比对象上轴所受转矩为T2，直径为，直径为d2；设计对象上；设计对象上 轴的转矩为轴的转矩为T1，直径为，直径为d1，两轴的材料和工作条件相同，则可写出：，两轴的材料和工作条件相同，则可写出： 则则 （二）计算法（二）计算法 应用计算法确定载荷的先决条件：应用计算法确定载荷的先决条件：计算所需的力学原理计算所需的力学原理,经

37、验公式或图表经验公式或图表 是已知的是已知的。 函数关系函数关系F=（l）可以在力学中寻找。）可以在力学中寻找。 据材料力学， 3 16 1 dWT gvgmW iii -各零件的质量；各零件的质量； i m式中：式中： g -重力加速度。重力加速度。 例如例如:要设计可移式起重机，用计算法确定起重机载荷的过程如下：要设计可移式起重机，用计算法确定起重机载荷的过程如下： 1)确定起升载荷确定起升载荷G 起升载荷起升载荷G是由两部分组成：是由两部分组成：G=G1+G2 G1-起重机的额定起重力起重机的额定起重力，包括正常工作条件下，物料重量和可取下的取，包括正常工作条件下，物料重量和可取下的取

38、物装置的重量（如抓斗、电磁吸盘）等。额定起重量物装置的重量（如抓斗、电磁吸盘）等。额定起重量应符合有关标准应符合有关标准。 G2-随物料一起升降的设备重量随物料一起升降的设备重量，如吊具、钢丝绳等不可取下物的重量。，如吊具、钢丝绳等不可取下物的重量。 2)起重机的整机重力起重机的整机重力W 起重机的整机重力起重机的整机重力W包括：起重机全部零部件和附属设备的重力。包括：起重机全部零部件和附属设备的重力。 初步设计时整机重力初步设计时整机重力W难以准确确定，可以用类比法确定。设计图纸出难以准确确定，可以用类比法确定。设计图纸出 来后，整机重力来后，整机重力W可准确地计算出来。可准确地计算出来。

39、整机重量为：整机重量为： i -各零件材料的密度；各零件材料的密度； i v-各零件的体积；各零件的体积； 起重机在起动或制动等不稳定运动状态时，会引起惯性载荷或振动载荷，起重机在起动或制动等不稳定运动状态时，会引起惯性载荷或振动载荷， 这些载荷统称为动载荷，具体有如下一些动载荷：这些载荷统称为动载荷，具体有如下一些动载荷： 3)动载荷动载荷 由起升时惯性力引起的动载荷：由起升时惯性力引起的动载荷： KGFd 1 式中：式中：G-起升载荷；起升载荷； K-起升动力系数，由起重机类型及工况不同，可查资料决定。起升动力系数，由起重机类型及工况不同，可查资料决定。 由移动零部件惯性引起的动载荷：由移

40、动零部件惯性引起的动载荷： dt dv mFd 2 式中：式中：m-起重机移动件的总质量；起重机移动件的总质量； dt dv -移动件的加速度。移动件的加速度。 dt dw JTd -转动件的角加速度。转动件的角加速度。 dt d 式中：式中：J-转动零部件的转动惯量；转动零部件的转动惯量； 由转动零部件惯性力矩引起的动载荷：由转动零部件惯性力矩引起的动载荷： 4)其它载荷：风载其它载荷：风载雪载等雪载等. 除上述载荷外，有些工况下还应考虑起重机行走时的坡度阻力、货物的除上述载荷外，有些工况下还应考虑起重机行走时的坡度阻力、货物的 偏摆载荷以及侧向力等。这些载荷在起重机的设计规范中都有详细的分

41、析和偏摆载荷以及侧向力等。这些载荷在起重机的设计规范中都有详细的分析和 计算方法。计算方法。 用计算法确定载荷时，必须认真分析机械的作业特点、各种负载的状况用计算法确定载荷时，必须认真分析机械的作业特点、各种负载的状况 及其影响因素，应用静力学和动力学计算方法确定整机的工作载荷，然后根及其影响因素，应用静力学和动力学计算方法确定整机的工作载荷，然后根 据传递原理计算各零部件的载荷。据传递原理计算各零部件的载荷。 （三）实测法（三）实测法 应用实测法的条件：应用实测法的条件：已制造出样机或关键部件已制造出样机或关键部件。 如要确定拖拉机变速箱各轴上的载荷，就应在拖拉机样机制造出来后，如要确定拖拉

42、机变速箱各轴上的载荷，就应在拖拉机样机制造出来后， 在变速箱各轴上贴上应变片。当拖拉机运行时，轴承受转矩而发生扭曲变形，在变速箱各轴上贴上应变片。当拖拉机运行时，轴承受转矩而发生扭曲变形， 使得应变片的电阻发生变化，经电阻应变仪中的测量电桥，把电阻值的变化使得应变片的电阻发生变化，经电阻应变仪中的测量电桥，把电阻值的变化 转化成电压信号的变化，最后由记录仪记录出与载荷成比例变化的曲线，通转化成电压信号的变化，最后由记录仪记录出与载荷成比例变化的曲线，通 过标定后就可测出转矩的大小及变化情况。如果能够测出轴的转速过标定后就可测出转矩的大小及变化情况。如果能够测出轴的转速n，就可计，就可计 算出各

43、轴上的功率算出各轴上的功率P。 同样，在设计谷物联合收获机之前，将脱粒滚筒制造出来，进行脱粒的同样，在设计谷物联合收获机之前，将脱粒滚筒制造出来，进行脱粒的 台架试验，就可以测出各种喂入量下，脱粒滚筒消耗的功率。台架试验，就可以测出各种喂入量下，脱粒滚筒消耗的功率。 对于有一些机械产品，载荷复杂且难以确定，往往联合使用上述三种方对于有一些机械产品，载荷复杂且难以确定，往往联合使用上述三种方 法来进行实际载荷的确定。法来进行实际载荷的确定。 四、工作机械四、工作机械( (执行系统执行系统) )的工作制的工作制 不同机械在运行时工作的持续状况不同，如抽水用的水泵是不同机械在运行时工作的持续状况不同

44、，如抽水用的水泵是连续工作连续工作， 车床的主轴箱是车床的主轴箱是断续工作断续工作，而龙门吊车的大车是，而龙门吊车的大车是短时工作短时工作，机械工作的持续，机械工作的持续 状况可以状况可以通过工作制来反映通过工作制来反映。 机械工作的持续情况就是工作机械的工作制。机械工作的持续情况就是工作机械的工作制。 工作制有不同的表示形式：工作制有不同的表示形式： 用用“载荷载荷-时间时间”特性曲线表示特性曲线表示 M1 M2 M3 起重机的载荷起重机的载荷-时间特性曲线时间特性曲线 M t T t0 t3t2t1 M1 M2 M3 起重机的载荷起重机的载荷时间特性曲线时间特性曲线 M t T t0 t3

45、t2t1 图中图中M1、M2、M3分别表示起动加速、匀速工作、减速制动时卷筒上的转分别表示起动加速、匀速工作、减速制动时卷筒上的转 矩；矩；t1、t2、t3分别表示一个周期里上述分别表示一个周期里上述3个工况的运行时间；若用个工况的运行时间；若用tw表示一个表示一个 周期里起重机的工作时间，周期里起重机的工作时间，tw= t1+t2+t3；t0表示一个周期里起重机不工作的表示一个周期里起重机不工作的 时间；时间；T表示起重机的一个工作周期，表示起重机的一个工作周期，T=tw+ t0。 %100 0 tt t FC W W %60FC %60%15FC %15FC 工作制反映载荷持续情况。工作制

46、反映载荷持续情况。 （3-15） 用每年工作多少天，每天工作多少班，每班工作多少小时用每年工作多少天，每天工作多少班，每班工作多少小时,折旧期等表示折旧期等表示. 用负荷持续率用负荷持续率FC表示工作制表示工作制 认为机械连续工作；认为机械连续工作； 认为机械断续工作；认为机械断续工作； 表示机械短时工作。表示机械短时工作。 工作时间占总时间的百分比工作时间占总时间的百分比. . 2、动力机的机械特性动力机的机械特性：应与工作机的负载特性相匹配；：应与工作机的负载特性相匹配； 3-2 3-2 动力机种类、机械特性及其选择动力机种类、机械特性及其选择 机械产品的动力机机械产品的动力机一般选用定型

47、的动力机产品一般选用定型的动力机产品，电动机、内燃机、液压，电动机、内燃机、液压 马达、气动马达，都可供设计者选择。只有当现有系列产品不适用需要时，马达、气动马达，都可供设计者选择。只有当现有系列产品不适用需要时， 才专门设计动力机。设计动力机是专门设计人员的工作才专门设计动力机。设计动力机是专门设计人员的工作. 各种定型的动力机有不同的各种定型的动力机有不同的机械特性机械特性。 动力机的动力机的机械特性机械特性是指是指输出转矩输出转矩M与输出转速与输出转速n间的关系间的关系M=f(n)，动力机，动力机 的机械特性又叫的机械特性又叫输出特性输出特性。 了解动力机的机械特性对动力机的选择很有用。

48、了解动力机的机械特性对动力机的选择很有用。 选择动力机的类型时，应考虑如下一些因素：选择动力机的类型时，应考虑如下一些因素： 1、工作机的负载特性工作机的负载特性：包括载荷性质、工作制以及对起动、制动、正反：包括载荷性质、工作制以及对起动、制动、正反 转及调速的要求；转及调速的要求； 3、动力机的容量动力机的容量： 动力机的容量以动力机的容量以额定功率额定功率PN(KW)表示表示。 要满足机械系统的工作要求。 9549 NN N nM P (3-16) 由由(3-16)可得：可得： N N N n P M9549(3-17) 式中：式中： MN动力机的额定转矩，动力机的额定转矩，Nm； nN动

49、力机的额定转速，动力机的额定转速，r/min。 动力机的功率、转矩、转速间关系为：动力机的功率、转矩、转速间关系为： PN动力机的额定功率，动力机的额定功率，KW； 4、机械产品的经济性：、机械产品的经济性：应从能源供应、使用与维护费用、动力机购置应从能源供应、使用与维护费用、动力机购置 费用等方面分析经济性；费用等方面分析经济性； 5、作业环境：、作业环境：从机械产品是户外使用还是户内使用、环境温度、湿度、从机械产品是户外使用还是户内使用、环境温度、湿度、 粉尘及通风条件，有无防爆要求，机械产品是固定工作还是经常移动，以及粉尘及通风条件，有无防爆要求，机械产品是固定工作还是经常移动，以及 环

50、保要求等方面考虑。环保要求等方面考虑。 但是，选择电动机的一个重要前提是必须具备相应的电源，对于在但是，选择电动机的一个重要前提是必须具备相应的电源，对于在野外野外 工作工作或者或者移动式的机械移动式的机械，由于没有电源，不能选用电动机作动力机。，由于没有电源，不能选用电动机作动力机。 一、电动机的种类、机械特性及其选择一、电动机的种类、机械特性及其选择 电动机是机械产品最经常选用的动力机，与其它动力机相比较，它有下电动机是机械产品最经常选用的动力机，与其它动力机相比较，它有下 面一些面一些优点优点： 驱动效率较高；驱动效率较高； 种类、型号较多；种类、型号较多； 与工作机连接方便；与工作机连

51、接方便； 调速、起动、制动、反向控制性能好；调速、起动、制动、反向控制性能好； 易于实现远距离自动控制；易于实现远距离自动控制； 不污染工作环境。不污染工作环境。 首选电动机的原因首选电动机的原因 （一）电动机的种类及其机械特性（一）电动机的种类及其机械特性 电动机可以采用多种分类方法：电动机可以采用多种分类方法： 按电源不同，电动机分为按电源不同，电动机分为交流电动机交流电动机和和直流电动机直流电动机。 按按转子转速和旋转磁场转速转子转速和旋转磁场转速是否相同，交流电动机可分为是否相同，交流电动机可分为同步电动机同步电动机和和 异步电动机异步电动机。 按励磁方式不同，直流电动机可分为：按励磁

52、方式不同，直流电动机可分为：他励他励、并励并励、串励串励、复励复励等形式。等形式。 电动机的机械特性电动机的机械特性 电动机的机械特性可分为电动机的机械特性可分为固有机械特性固有机械特性和和人为机械特性人为机械特性。 固有机械特性固有机械特性：在额定电压、额定频率下用规定的方法接线，定子和转：在额定电压、额定频率下用规定的方法接线，定子和转 子电路中不接入任何电阻和阻抗时测得的机械特性。子电路中不接入任何电阻和阻抗时测得的机械特性。 人为机械特性人为机械特性：改变电动机的某些参数如改变电压或频率，在定子或转：改变电动机的某些参数如改变电压或频率，在定子或转 子电路中接入电阻或阻抗所测得的机械特

53、性。子电路中接入电阻或阻抗所测得的机械特性。 1、三相异步交流电动机的种类及其机械特性、三相异步交流电动机的种类及其机械特性 三相异步交流电动机的分类三相异步交流电动机的分类 三相异步交流电动机使用三相交流电三相异步交流电动机使用三相交流电，是应用最广泛的电动机。，是应用最广泛的电动机。 这种电动机种类较多，主要有下面一些类型：这种电动机种类较多，主要有下面一些类型： 三相异步电动机可分为三相异步电动机可分为笼型电动机笼型电动机和和绕线型电动机绕线型电动机。 按转子结构分类按转子结构分类 笼型电动机笼型电动机: :结构简单、耐用、易维护、价格低、载荷变化时转速变化较结构简单、耐用、易维护、价格

54、低、载荷变化时转速变化较 小（特性硬）；但其起动电流较大、起动力矩较小、调速性能差（范围小、小（特性硬）；但其起动电流较大、起动力矩较小、调速性能差（范围小、 不稳定）、轻载时功率因数较低。（不稳定）、轻载时功率因数较低。（起动性能差、调速性能差起动性能差、调速性能差） 对于对于没有调速要求，起动力矩不太大的机械没有调速要求，起动力矩不太大的机械，如水泵、机床、一些农业，如水泵、机床、一些农业 机械等，广泛选用笼型三相异步电动机作动力机。机械等，广泛选用笼型三相异步电动机作动力机。 Y系列电动机系列电动机是最常见的笼型三相异步电动机。是最常见的笼型三相异步电动机。 Y系列电动机按照定子的转数可

55、以分为：系列电动机按照定子的转数可以分为：2级级-同步转速同步转速3000r/min；4级级-同同 步转速步转速1500r/min；6级级-同步转速同步转速1000r/min；8级级-同步转速同步转速750r/min。 有一种可以通过改变定子极数的有一种可以通过改变定子极数的变速笼型电动机变速笼型电动机（变极变速三相交流异（变极变速三相交流异 步电动机），可用于小功率的有级变速传动，可实现两速、三速或四速。但步电动机），可用于小功率的有级变速传动，可实现两速、三速或四速。但 与与Y系列笼型电动机相比，体积较大，价格较贵。系列笼型电动机相比，体积较大，价格较贵。 绕线型电动机绕线型电动机: :起

56、动力矩较大、起动时功率因数较高起动力矩较大、起动时功率因数较高, ,可实现小范围内的可实现小范围内的 调速，且调速控制简单；但与笼型电动机相比，结构复杂、维护较麻烦、价调速，且调速控制简单；但与笼型电动机相比，结构复杂、维护较麻烦、价 格较贵。格较贵。 绕线型电动机广泛用于绕线型电动机广泛用于起动次数较多起动次数较多，起动时负载较大起动时负载较大、或、或需要小范围需要小范围 调速调速的机械。如起重机、提升机、轧钢机等。的机械。如起重机、提升机、轧钢机等。 YZR系列冶金系列冶金及及起重三相异步电动机起重三相异步电动机是最简单的绕线型电动机。是最简单的绕线型电动机。 说明：说明：功率因数功率因数

57、每种电机系统均消耗两大功率，分别是真正的有用每种电机系统均消耗两大功率，分别是真正的有用 功及电抗性的无用功。功及电抗性的无用功。功率因数功率因数是有用功与总功率间的比率。功率因数越是有用功与总功率间的比率。功率因数越 高，有用功与总功率间的比率便越高，系统运行则更有效率。高，有用功与总功率间的比率便越高，系统运行则更有效率。 按外壳结构型式分类按外壳结构型式分类 三相异步电动机按外壳结构型式可分为：三相异步电动机按外壳结构型式可分为：开启式开启式、防护式防护式、封闭式封闭式和和防防 爆式爆式。 开启式电动机开启式电动机：外壳无专门的防护结构，水滴、灰尘等杂物易侵入电动机外壳无专门的防护结构，

58、水滴、灰尘等杂物易侵入电动机 内部，但散热性能较好，只能用于环境清洁、干燥的室内。端盖有开口，从外内部，但散热性能较好，只能用于环境清洁、干燥的室内。端盖有开口，从外 部能看到内部。部能看到内部。 防护式电动机防护式电动机：上部有防护罩，可防止各种杂物从上部浸入电动机，适上部有防护罩，可防止各种杂物从上部浸入电动机，适 用于较清洁的环境。用于较清洁的环境。 封闭式电动机封闭式电动机：电机端盖完全密封，可防止各类杂物从任意方向侵入电电机端盖完全密封，可防止各类杂物从任意方向侵入电 动机内部，适用于多尘、风沙较多的环境。动机内部，适用于多尘、风沙较多的环境。 Y系列电动机属于全封闭电动机。系列电动

59、机属于全封闭电动机。 防爆式电动机防爆式电动机：可防止杂物侵入，用于环境有可燃气体容易引起爆炸危可防止杂物侵入，用于环境有可燃气体容易引起爆炸危 险如矿井等特殊环境的场所里。主要用于煤矿、是有、天然气、石油化工等。险如矿井等特殊环境的场所里。主要用于煤矿、是有、天然气、石油化工等。 采用隔爆外壳把可能产生火花、电弧、和危险温度的电气部分与周围爆炸性采用隔爆外壳把可能产生火花、电弧、和危险温度的电气部分与周围爆炸性 气体隔开。气体隔开。 按安装型式分类按安装型式分类 三相异步电动机可分为三相异步电动机可分为卧式卧式和和立式立式； 又可分为又可分为机体带底脚机体带底脚、端盖有凸缘端盖有凸缘，既有底

60、脚又有凸缘既有底脚又有凸缘等型式。等型式。 此外，还有此外，还有齿轮减速异步电动机齿轮减速异步电动机（电动机上带齿轮减速器，输出减速后的（电动机上带齿轮减速器，输出减速后的 转矩和转速，在减速器分类时又叫联体式减速器。）、转矩和转速，在减速器分类时又叫联体式减速器。）、电磁调速异步电动机电磁调速异步电动机、异异 步整流子变速电动机步整流子变速电动机，后两种电动机可输出在一定范围里变化的转速。，后两种电动机可输出在一定范围里变化的转速。 nn 0 三相三相异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性 A.三相异步电动机的转差率三相异步电动机的转差率S 设三相异步电动机设三相异步电动机转子转速（输出转