第3章 能量流系统设计

第3章能量流系统设计郑刚1§3.1概述一、能源传统性人工性来源传统能源新能源来自太阳来自地球天体引力自然能源（一次能源）再生能源植物燃料水能海水热能海浪能太阳能风能火山能地震能地热能潮汐能非再生能源天然气石油煤油页岩核能人工能源（二次能源）火药蒸气电能煤油汽油煤气石油液化气氢能沼气酒精2二、能量流（一）能量流及其支持系统能量流在能源和载体支持下，实现能量的供给、传递、转换及使用。能量流载体包括：能量传递装置、能量转换装置、能量使用装置及能量回收利用装置。3（二）能量流的分类提供含热能的物质，如燃料、蒸汽、热水等的利用热能。热能型能量流简称热能流。1.热能型能量流提供和利用物质运动能。物质运动可以是机械运动、电流、液流等，相应的能量称为机械能流、电能流及液压能流等。2.物质运动型能量流下面以机电能流和热能流为例说明。4切削机床进给驱动系统5炼铁高炉系统6炼铁高炉系统的能流图高炉是使用热能的生产设备，又是能量流的载体，焦炭和热空气在高炉内发生化学反应。其余能量转换装置有：热风机、发电站、炉顶透平-发电机。7三、能量流支持系统（一）机电一体化生产系统的能源机电一体化生产系统的能量流支持系统由能源、能量传递和转换装置、能量使用装置、余能回收利用装置等组成。1.电能方便转化、能流密度大、方便、污染小2.煤及石油制品能流密度大、污染大3.太阳能无污染、能流密度小、能流不稳定4.化学能用于蓄电池便于携带、能流小8能源种类来源能流密度转换机械能的难度载体占地对环境污染程度应用场合电能人工大较易较小小应用广泛，各种机电一体化生产系统直接使用电能，或转换成机械能，光能等使用燃料能煤及制品自然不再生大中等大很大用热量大、固定不运动的窑炉，火力发电系统石油制品自然不再生大稍难中等中等交通工具中的内燃机，要求体积紧凑的窑炉太阳能自然再生小中等小无太空航天器，远离城市无电力供应地区电池能人工小较易小较小交通运输工具中能源，备用电器机电一体化生产系统常用能源9（二）能量传递和转换装置能量是指对运动着物质的做功能力的量度。机电一体化生产系统中广泛使用的能量形态，借助能量转化装置，不同能量形态之间可以相互转换。有些能量转化效率接近100%，如电动机，电炉，变压器等等。而有些则只能转换一部分能量，如内燃机。能流传递条件：存在能量不平衡势，能量自发从高位传递到低位。10（三）能量使用装置生产过程的基本功能是制造产品，即使用能量对原料做功，使其转化成产品。对于自动化的或机电一体化的生产系统来说，还有一些重要的辅助功能，即为实现自动化生产过程，提供物料流和信息流。许多能量使用装置就是生产设备本身，有的能量使用装置又是能量转换装置。1112§3.2能量流分析一、能量能的数量简称能量，统指度量物质运动时做功能力的物理量。国际单位制：焦耳（J）工程上：千卡（kcal）热能单位千瓦小时（kW·h）电能单位换算关系式：1kcal=4186J1kW·h=3.6×106J单位：13二、能质能不但有数量之差，还有质量高低之分。能的质量简称能质。1.热能传递具有方向性。2.机械能可以百分之百的转换为热能，但不能逆向转换。理论基础：热力学第二定律（一）能质概念各种形态的能质可以归纳为三类：高级能，如机械势能和动能、电能等中级能，如热能、化学能低级能，如大气，海洋等环境拥有的能14任何能量都由两部分组成，该能量中可以转化为有用功的那部分能量，称为Exergie（火用）；其余不可以转化为有用功的那部分能量，称为Avergie（火无）。E=Ex+An（二）能级系数（火用）值，即有用功在能量中所占的比例，称为能级系数。用λ来表示，它是能质的评价指标。高级能：λ=1低级能：λ=0中级能：0<λ<115三、能分析法和（火用）分析法（一）能分析法E1=W+E2+QE1----输入系统，或由工质带入系统的能量；E2----输出系统，或由工质带出系统的能量；W----系统做出的有用功；Q----系统排向环境的能量损失。E2回收利用时E2不回收利用时16（二）（火用）分析法Ex1----输入系统，或由工质带入系统的（火用）值；Ex2----输出系统，或由工质带出系统的（火用）值；W----系统做出的有用功，即（火用）值；Qx----系统向环境排放能量中所含的（火用）值，它退化为（火无）；----系统内部各种不可逆的能传递和转换所造成的（火用）损失总合。E2回收利用时E2不回收利用时17四、节能能分析法仅研究能量的外部损失，如摩擦损失、散热等等。而（火用）分析法不仅研究外部（火用）损失，而且还研究系统内部各种不可逆传递、转换过程所造成的（火用）损失，因此（火用）分析法更加全面和深入。节能是指完全地、充分地利用能源，以最少的能源，取得最大的经济效益和社会效益。181、节电2、工业窑炉节能3、工业锅炉节能4、大力开发再生能源，取代非再生能源5、管理途径节能提高效率和功率因数，回收利用能源，加强科学管理。19§3.3机械能流支持系统设计一、概述在机电一体化生产系统中，广泛采用机械能来完成机械运动，做机械功。机械运动按照其轨迹可分为三类：直线运动、回转运动和组合运动。（一）机械有效能（二）机械能流支持系统的组成能源动力元件传动元件执行元件机械有效能20（三）对机械能流支持系统的要求1、有效能及运动参数2、自动化功能3、机械运动精度4、变速响应性能二、动力元件动力元件是一种获取机械能的能量转换装置。动力元件的主要类型：回转运动型动力元件、直线运动型动力元件和发力型动力元件。21（一）回转运动型动力元件1、步进电机2、直流伺服电机3、交流伺服电机（二）直线运动型动力元件1、直线电机222、电液步进缸233、电液伺服液压缸系统244、数字控制气缸255、带位置检测传感器的气缸26（三）发力型动力元件发力型动力元件分三类：电磁铁、液压缸、气缸。2728

电磁铁液压缸汽缸输出力小大小工作行程小大大对环境的影响清洁油污环境有噪声体积小大中结构简单复杂已有气源时简单成本低高低发力型动力元件比较性能发力元件29（一）传动元件的基本要求1、精度高2、刚度大3、摩擦系数小三、传动元件（二）滚珠丝杠螺母副1、传动精度高2、传动效率高3、刚性好4、运动具有可逆性5、不能自锁6、价格较高特点：3031（三）同步传送带同步传送带传动综合了三角带传动和链传动的优点，是一种新型的传动方式，在小能流场合应用十分广泛。同步传送带由强力层、带齿和带背组成，带轮结构有梯形齿和圆弧齿两种。32（四）齿轮传动传动比恒定、传动精度高、效率高、能量从极小到巨大均适合，结构紧凑。齿轮传动主要有直齿传动、斜齿轮传动、锥齿传动等形式。提高齿轮传动精度需消除齿轮传动的侧隙，主要方式有：1、刚性调整法：包括调整中心距法、选择装配法、带锥度齿轮法、斜齿轮法；2、柔性调整法：主要通过在双齿间加入弹性元件，使双齿分别贴紧与其啮合齿轮齿的两侧，以消除啮合间隙。333435（一）导轨的基本要求四、执行元件导向精度：工作台导轨运动的直线度或圆度。主要受导轨的几何精度、接触精度、结构形式、刚度、热变形、装配质量以及液体动压和静压导轨的油膜厚度、油膜刚度等影响。耐磨性：导轨长期使用过程中能否保持一定的导向精度。刚度：导轨受力变形会影响导轨导向精度及部件之间的相对位置，因此要求导轨有足够刚度。低速运动平稳性：低速运动的平稳性与导轨的结构和润滑，动、静摩擦系数的差值，以及导轨的刚度等有关。结构工艺性：结构简单，工艺性及经济性好。36（二）滚动导轨两导轨间放置滚动体，从而实现滚动摩擦，其优点是：摩擦因数小；动静摩擦因数基本相同，不会产生爬行；可以实现预紧、精度高，刚度也高；磨损小、寿命长，精度保持性好。缺点：滚动体与导轨接触面小，抗震性差，接触应力大，对导轨表面硬度、形状精度、滚动体尺寸精度要求高，结构复杂，制造困难，成本高，对赃物比较敏感，