吉林大学机械系统设计实例-第章载荷与动力装置选择

第一节机械系统的载荷分析

第二章载荷与动力装置选择一、载荷类型所有机械在工作中都会受到多种外力的作用，这些外力工程上称之为载荷。确定载荷类型、大小、变化规律是机械系统设计的重要内容。用以计算强度、刚度、稳定性、可靠性和寿命，选择动力机类型和容量。

1．按载荷的作用方式分类直接作用载荷——载荷以力或力矩的形式直接作用在机械上，如由工作阻力产生的载荷、惯性载荷、风载荷、驱动力、制动力等。间接作用载荷——以变形的形式间接作用在机械上，如温度、地震的作用引起的载荷。2.按零件发生变形的不同分

拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷和扭转载荷。3.按载荷是否随时间变化分静载荷—载荷的大小、作用位置和方向不随时间而变，如结构的自重。动载荷—载荷的大小和方向随时间而变。工程中大多数机械承受的都是动载荷。工程上常把动载荷的载荷值随时间变化的规律称为载荷－时间历程，或简称载荷历程。动载荷主要有：（1）周期载荷载荷大小是随时间作周期性变化，它可用幅值、频率和相位三个要素来描述。以正弦规律变化的载荷是最简单的一种周期载荷，又称简谐载荷。x(t)=x0sin(ωt+φ)复杂周期载荷可用傅里叶级数展开。参见书P42公式（2-2）。（2）冲击载荷

载荷作用时间短、幅值大。例如，锻锤在锤打坯料时所受的载荷就属于冲击载荷。（3）随机载荷

载荷的幅值和频率都是随时间而变化的，不确定。如汽车、拖拉机、装载机、挖掘机等的工作载荷都是无规则的随机载荷。由于随机载荷具有不确定性，因而只能应用数理统计方法才能获得它们的统计规律。一般对随机的载荷－时间历程要进行频谱分析，从幅值域、时间域和频率域三个方面分析它的统计规律。对于静载荷需要采用静强度判据，对于动载荷就需应用疲劳强度的计算方法。也可用名义载荷乘以动载系数近似动载荷计算。P44表2-3动载系数推荐值，通过实验得到。二、工作载荷的确定方法工作载荷可归纳为以下几种形式：1）摩擦力为主要工作载荷的机械，如带式运输机、汽车(牵引力)、装载机等；2）提升重物机械的工作载荷，如起重类机械；3）切削阻力，如各种切削机床、推土机；4）物质破碎产生的工作阻力，如各种破碎机、球磨机等；5）流体机械工作阻力，风机、水泵等；6）冲压机械工作阻力，变形阻力。

确定工作载荷的方法：成熟的理论、经验、实验。创新产品可通过模拟（计算机模拟或模型实验）。在确定载荷时必须考虑国家对该产品制订的规格、系列或标准；还有一些机械产品是以某些表征设备能力的特征结构尺寸作为系列标准，这些结构尺寸实际上决定了工作载荷的大小。所以，设计人员在设计产品时，应优先采用标准系列规定的载荷。确定载荷通常有三种方法：类比法、计算法和实测法。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所设计机械的载荷，这种方法称为类比法。它主要应用在载荷较难确定的情况或初步设计阶段。仿造（测绘）。使用类比比法确定定载荷一一般需要要一定的的实际经经验，否否则容易易出现载载荷过大大或过小小的情况况。应用用类比法法时常可可采用相相似原理理进行推推断，其其中常用用的有：：①几何类类比是在在设计新新机械时时，首先先需要确确定能表表征该设设备能力力的几何何尺寸，，并根据据现有这这类机械械的尺寸寸与载荷荷之间的的关系。。②动力类类比是选选择一种种同类的的机械，，调查其其实际使使用的动动力机容容量大小小，如电电动机的的转矩、、功率等等，然后后用简单单的类比比关系确确定所设设计机械械的动力力，以此此作为依依据来推推算机械械及其零零部件所所受的载载荷。2．计算算法计算法即即根据机机械的功功率要求求和结构构特点运运用各种种力学原原理、经经验公式式或图表表等计算算确定载载荷的方方法。例如设计计起重机机时，要要计算：：（1）起起重量(吊重)表起升载荷荷包括起起重机的的额定起起重力和和随货物物一起升升降的装装置的重重力。。100吨吨全地面面起重机机配重28吨时时起重量量表无配重时时不带副臂臂起重量量表带副臂起起重量表表（2）起起重机的的自重起重机的的整机重重力包括括起重机机所有零零部件和和附属设设备的重重力。在在设计前前，起重重机的整整机重力力是个未未知数。。此时，，可以参参照同类类起重机机进行类类比估计计，在设设计完成成后再予予以修正正。整机机重力可可按集中中载荷或或均布载载荷处理理。W=∑mig=∑∑ρiVig（3）动动载荷起重机在在起动或或制动等等不平稳稳运动状状态时，，会引起起振动载载荷和惯惯性载荷荷。起升动载载荷Fd1=KG移动动载载荷Fd2=m·dv/dt转动动载载荷Td=J·dω/dt（4）风风载荷在室外工工作的起起重机还还需要考考虑风力力引起的的载荷。。Ff=C·pf·A3.实测测法用实验分分析的方方法测定定机械及及其零件件的载荷荷。应变变测试－－得到应应力，应应变片、、应变仪仪。三、动载载荷的分分析计算算动载荷包包括惯性性载荷、、振动载载荷和冲冲击载荷荷。运动速度度改变而而引起的的惯性载载荷，振振动和冲冲击也是是惯性载载荷dv/dt(或dω/dt)。。第二节动力装置置概述一、动力力装置的的组成动力机又又称原动动机。是是机械设设备中的的驱动部部分。动动力机的的输出转转矩与转转速之间间的关系系称为机机械特性性或输出出特性。。常用的动动力机有有电动机机、内燃燃机、液液压马达达、气压压马达等等。在设计机机械系统统时，选选用何种种形式的的动力机机，主要要从以下下几个方方面考虑虑：1）分析析工作机机械的负负载特性性和要求求，包括括工作机机械的载载荷特性性、工作作制度、、结构布布局和工工作环境境等。2）分析析动力机机本身的的机械特特性，包包括动力力机的功功率、转转矩、转转速等特特性，以以及动力力机所能能适应的的工作环环境。使使动力机机的机械械特性与与工作机机械的负负载特性性相匹配配。3）进行行经济性性比较，，当同时时可用多多种类型型的动力力机进行行驱动时时，经济济性的分分析是必必不可少少的，包包括能量量的供应应和消耗耗，动力力机的制制造、运运行和维维修成本本的对比比等。除上述三三方面外外，有些些动力机机的选择择还要考考虑对环环境的影影响，如如空气和和噪声污污染等。。例如：叉车有：：内燃叉叉车和电电平叉车车，按照照使用场场合来选选定的。。井下运输输车辆、、特殊工工作间的的起重机机都要求求：防爆爆，只能能用防爆爆电动机机和加装装防爆装装置的内内燃机。。铁路运输输：有内内燃机车车和电力力机车牵牵引，以以前还有有蒸汽机机车。二、典型型动力装装置特点点1）内燃燃机：分类：按按照不同同的分类类方法，，内燃机机可以分分为多种种不同的的类型。。通常情情况下，，按照燃燃料类型型和燃烧烧方式，，分为汽汽油机和和柴油机机。优点：功功率范围围宽，操操作简单单，启动动迅速，，便于移移动，用用于野外外，无法法使用电电力的时时候使用用。缺点：污污染环境境，消耗耗自然资资源。2)电动动机分类：直直流电动动机和交交流电动动机。优点：技技术较为为成熟，，驱动效效率高，，与被驱驱动的工工作机械械连接简简便（可可用标准准联轴器器）；有有多品种种和规格格，可满满足不同同类型机机械的工工作要求求；具有有良好的的调速性性能，启启动、制制动、反反向和调调速的控控制简单单可靠，，可以实实现远距距离的测测量和控控制，便便于集中中管理和和实现生生产过程程的自动动化。价价格较低低。缺点点：：必必须须具具备备相相应应的的电电源源，，对对野野外外工工作作的的机机械械及及移移动动式式机机械械常常因因缺缺乏乏电电源源而而不不能能选选用用。。作为为电电动动机机的的动动力力机机是是发发电电机机，，因因此此还还应应将将发发电电机机作作为为原原动动机机，，有有水水力力发发电电机机组组、、火火力力发发电电机机组组（（汽汽轮轮机机组组））、、风风力力发发电电机机组组和和核核发发电电机机组组。。3））液液压压马马达达分类类：：按按照照能能量量转转换换机机构构的的结结构构形形式式，，通通常常划划分分为为摆摆线线马马达达、、柱柱塞塞马马达达、、叶叶片片马马达达、、齿齿轮轮马马达达等等；；按按照照输输出出转转矩矩和和转转速速的的大大小小，，通通常常划划分分为为低低速速大大转转矩矩马马达达和和高高速速马马达达两两种种类类型型。。特点点：：可可以以获获得得很很大大的的机机械械力力或或转转矩矩，，与与电电动动机机相相比比在在相相同同功功率率时时其其外外形形尺尺寸寸小小、、重重量量轻轻，，因因而而运运动动件件的的惯惯性性小小，，快快速速响响应应的的灵灵敏敏度度高高。。液压压马马达达可可以以通通过过改改变变进进油油流流量量来来调调节节执执行行机机构构的的速速度度，，传传动动比比大大，，低低速速稳稳定定性性好好，，容容易易实实现现无无级级调调速速，，操操作作和和控控制制都都比比较较简简单单。。缺点点：：使使用用液液压压马马达达必必须须具具有有高高压压油油的的供供给给系系统统，，且且对对液液压压元元件件的的制制造造和和装装配配精精度度要要求求较较高高，，容容易易出出现现漏漏油油现现象象而而影影响响工工作作效效率率及及工工作作机机械械的的运运动动精精度度。。价价格格高高。。液压压马马达达的的动动力力机机是是液液压压泵泵。。4））气气动动马马达达：：分类类：：通通常常按按照照能能量量转转换换机机构构的的结结构构形形式式划划分分为为柱柱塞塞马马达达、、叶叶片片马马达达等等。。特点：使用用空气作为为工作介质质，容易获获得；用后后可以直接接排入大气气而无污染染，压缩空空气可以进进行集中供供给和远距距离输送；；动作迅速速，反应快快，维护简简单，成本本低；对易易燃、易爆爆、多尘和和振动等恶恶劣工作环环境的适应应性较好。。缺点：因空空气具有可可压缩性，，气动马达达的工作稳稳定性较差差，气动系系统的噪声声大；工作作压力受到到一定的限限制不能太太高，输出出的转矩不不能太大，，一般只适适用于小型型和轻型的的工作机械械。用于自动生生产线，行行车制动系系统等。气压马达的的动力机是是气泵（空空气压缩机机）。三、工作机机械的负载载特性选择动力机机时，在确确定类型后后，应确定定其容量，，容量大小小是按照负负载大小确确定的。即即动力机的的功率和转转矩应大于于负载的功功率和转矩矩，特别是是转矩必须须有一定的的储备系数数。功率P=T··n转矩T=P/n1．工作机机械的负载载特性工作机械的的负载特性性是指工作作机械在运运行过程中中其功率、、转矩和转转速或位移移间的关系系。选择动动力机的容容量时，主主要考虑工工作机械在在输入动力力端的转矩矩、功率和和转速之间间的关系。。Tz=f(n)，，Pz=f(n)。。负载特性有有：1）恒转矩矩负载特性性恒转矩特性性是指转矩矩与转速无无关，即当当转速变化化时，转矩矩保持常数数。如起重重机起升机机构负载特特性。2）恒功率率负载特性性功率基本保保持不变的的特性称为为恒功率负负载特性。。许多加工工机床均属属于这种负负载特性，，粗加工时时切削量较较大，采用用低速运行行，精加工工时切削量量较小，采采用高速运运行。土方方机械也属属于这类负负载特性，，如推土机机，工作负负载大时转转速低，工工作负载小小时转速高高，因此，，负载转矩矩与转速成成反比。3）转矩是是转速函数数的负载特特性转矩与转速速之间存在在一定的函函数关系。。例如离心心式鼓风机机、水泵等等按离心力力原理工作作的机械，，其负载转转矩随转速速的增大而而增大。4）转矩是是行程或转转角函数的的负载特性性带有连杆机机构的工作作机械大多多具有这种种特性，如如活塞式空空气压缩机机、曲柄压压力机等。。5）恒转速速负载特性性如冶金、矿矿山中常用用的破碎机机和球磨机机等，转速速恒定，而而转矩随时时间无规律律的变化。。四、工作机机械负载图图负载图是表表示功率、、转矩与时时间的关系系图线。若若这种关系系表示的是是工作机械械的情况，，称为工作作机械负载载图。下图为起重重机卷扬机机构的负载载图。驱动转矩计计算公式为为：T-Tz=J·dω/dtT－驱动转转矩，Tz－负载，，J－等效效转动惯量量，ω－角角速度。一、电动机机的选择第三节动动力装置的的选择选择电动机机包括类型型、结构、、容量、转转速、绝缘缘等级和安安全防护等等内容。1)按负载载特性对恒转矩负负载特性的的机械，应应选用机械械特性为硬硬特性的电电动机；对对恒功率负负载特性的的机械，应应选用变速速直流电动动机或可调调速的交流流异步电动动机。2)交流和和直流当交直流电电机都能满满足要求时时，因交流流电供电方方便，应优优先选用交交流电动机机；如选用用直流电动动机则需增增设直流电电源或整流流设备，费费用较高。。交流电动机机适用于不不需要频繁繁起动、制制动、反转转以及在宽宽广范围内内平滑调速速的机械，，其中笼型型感应电动动机具有价价格便宜、、结构简单单和维修方方便等优点点，应优先先选用，其其中Y系列列应用最多多。对于有调速速要求的设设备如电梯梯及某些机机床等，可可选用笼型型多速感应应电动机。。绕线转子感感应电动机机可以限制制起动电流流，提高起起动转矩，，多用于起起重机和矿矿井提升机机等，它在在转子中串串接电阻后后，可以进进行小范围围调速。如果电动机机的容量大大于100kw，，又无调速速要求时，，可采用交交流同步电电动机，它它能提高功功率因数。。直流电动机机具有调速速性能好等等优点，可可用在功率率较大并要要求调速范范围较宽的的机械上。。3)持持续时间根据负载特特性持续时时间的长短短对电动机机发热的影影响，可分分成连续、、短时和断断续周期性性三种工作作制。连续工工作制制电动动机的的工作作时间间很长长，温温升可可达稳稳定值值。短时工工作制制电动动机的的工作作时间间较短短，而而间歇歇时间间又相相当长长。我我国设设计制制造的的这类类电动动机的的工作作时间间为15min、、30min、、60min、、90min四四种。。二、电电动机机容量量的选选择计计算电动机机功率率的确确定主主要应应考虑虑电动动机的的发热热、允允许的的过载载能力力和起起动能能力三三个因因素，，其中中发热热问题题最为为重要要。选择电电动机机容量量的步步骤：：1）预预选电电动机机容量量：按按照工工作机机械的的负载载特性性绘制制工作作负载载图，，即转转矩负负载图图或功功率负负载图图，据据此可可初步步估算算电动动机功功率，，并预预选电电动机机。2）绘绘制电电动机机的负负载图图：根根据工工作机机械的的负载载图和和预选选的电电动机机特性性绘制制电动动机的的负载载图，，其中中包括括转矩矩负载载图、、电流流负载载图或或功率率负载载图。。3）过过载能能力计计算：：对于于负载载图中中的瞬瞬时最最大负负载需需进行行瞬时时过载载能力力的校校验。。不同形形式的的电动动机其其过载载能力力计算算公式式不一一样：：直流电电动机机Imax≤KλIIN异步电电动机机Tmax≤KKU2λTTN同步电电动机机Tmax≤KλTTNλ是过过载倍倍数，，KU电压波波动系系数0.85，，K是是余量量系数数，交交流取取0.9。。4）电电动机机的发发热校校核电动机机运转转过程程中，，内部部会产产生电电能损损耗并并转换换为热热能，，使电电动机机的温温度升升高。。在电电动机机中耐耐热最最差的的是绕绕组的的绝缘缘材料料，它它的最最高允允许温温度限限制了了电动动机带带动负负载的的能力力。电电动机机的额额定功功率是是指环环境温温度为为40℃时时，使使最高高温升升限制制在允允许范范围内内的情情况下下，能能带动动额定定负载载长期期连续续工作作的能能力。。发热校校核通通常采采用等等效电电流、、等效效转矩矩、等等效功功率三三种等等效法法计算算。公公式见见P53（（2-29））－（（2-39）。。5）电电动机机的平平均起起动转转矩校校核笼形感感应电电动机机和同同步电电动机机采用用异步步启动动时，，启动动过程程中的的机械械特性性是非非线性性的，，因此此平均均启动动转矩矩要根根据电电动机机的机机械特特性计计算。。见P54（（2-40））～（（2-46）。。举例：：选某某卷扬扬机的的电动动机。。卷筒筒直径径D=4m，起起重量量W＝＝6××104N，吊吊具重重W1=5××104N，提提升速速度v=720m/min，，启动动加速速时间间tst=10s，，稳速速提升升时间间ts=50s，，制动动减速速时间间tb=12s，，停歇歇时间间t0=10s，，卷扬扬机效效率ηη＝0.96。。假设设钢丝丝绳质质量、、摩擦擦阻力力、空空气阻阻力忽忽略不不计。。传动动系统统折算算到卷卷筒上上的总总转动动惯量量J=1.02×105kg.m2。三、液液压马马达的的选择择液压马马达一一般分分为高高速小小转矩矩液压压马达达和低低速大大转矩矩液压压马达达两大大类。。高速小转转矩液压压马达