第三章 机械系统的载荷和动力选择2

第三章 机械系统的载荷特性和动 力选择
§3-1 工作机械的载荷和工作制 一、载荷类型 按使零件发生变形的不同，载荷可分为： 拉伸（压缩）载荷、弯曲载荷和扭转载 荷等。 按载荷是否随时间变化，载荷可分为： 静载荷和动载荷。
载荷--时间历程（载荷历程）：动载荷的载 荷值随时间的变化规律。 动载荷主要有：周期载荷、非周期载荷、随 机载荷。 确定性载荷 （一）周期载荷 周期载荷:载荷的大小随时间作周期性 变化。它可用幅值、频率和相位角三个 要素来描述。
（5）直线异步电动机
能作直线运动 3.直流电动机的种类及其机械特性
直流电动机需使用直流电源，与交流电 动机相比，它具有调速性能好，调速范 围宽，起动转矩大等特点。 因此直流电动机按励磁方式不同可为： 他励、并励、串励和复励四种不同的形 式。
使用循环计数法的编谱步骤是：
1)测量实际的载荷--时间历程。 2)对实际载荷作离散化处理，只记取其峰值 和谷值，并作适当的压缩，压缩后的载荷-时间历程消去了一些小量值的或变化不大的 载荷。 3)使用循环计数法计算峰值或幅值。 4)对记数结果进行统计，计算出在各载荷区 间内所具有的频次、频率和累积频率等统计 量。 5)绘制载荷峰值或幅值变化的频率直方图和 累积频次曲线，确定设计用的典型载荷谱。
雨流法的计数规则是：
1)雨流的起点依次从每个峰值或谷值开 始，并沿其内侧往下流。 2)雨流在下一个峰值或谷值处落下，直 到对面有一个比开始时的峰值更大或谷 值更小的值时停止。 3)当遇到来自上面落下的雨点时雨流也 停止。 4)取出所有的全循环，把剩下的载荷峰 谷值点连接成新的载荷历程，并按雨流 法的第二阶段计数法计出循环数。对于 计得的全部循环计算出它们的幅值。
通常把最大转矩与额定转矩之比称为电动 机的过载倍数λm。λm反映了电动机短时过 载能力的大小。 一般笼型异步电动机的过载倍数 λm=1.6~2.2，绕线型异步电动机λm=2.2~2.8。 对于异步电动机当负载转矩TL＜TN时，机 械特性近似为直线，称为工作部分特性， 此时电动机不论带动何种负载均能稳定运 行；
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K - -某一时间延迟步数。
对于各态历经的随机过程，只要获得一个样 本，即可反映随机过程的特征。 对于实际记录的载荷大都是非平稳的，为了 简化常把它们假设成平稳的或各态历经的。
二、载荷的处理方法 （一）静载荷、周期载荷、非周期载荷的处 理 （1）静载荷的处理方法： 对于静载荷需采用静强度判据。 （2）周期载荷和非周期载荷的处理方法： 1）可对其进行傅立叶展开和傅立叶变换以获 得它们的变化规律，再利用疲劳强度理论进 行设计计算。
绕线型电动机： 特点：结构较复杂、维护较麻烦、价格稍贵， 但起动转矩大，起动时功率因数较高，可进行 小范围调速，且调速控制简单。 应用场合：广泛用于起动次数较多、起动负载 较大或小范围调速的机械。 (2)按外壳结构形式分类 根据外壳结构形式三相异步电动机可分为开启 式、防护式、封闭式和隔爆式。
(3)按安装型式分类 按不同的安装型式三相异步电动机可分为立式、 卧式及机座带底脚或端盖有凸缘或既有底脚又 有凸缘等型式。
2）采用名义载荷乘以大于1的动载因数， 将动载荷转化为静载荷，仍用静载荷的 设计方法进行计算。
（二）随机载荷的处理
1.载荷谱 原始记录的载荷--时间历程称为机械的 工作谱或使用谱。 它们经用概率统计的方法进行处理后， 得到能反映载荷随时间变化的，并具有 统计特征的载荷--时间历程就称为载荷 谱。 将工作谱处理成载荷谱的过程称为编谱。 常将这些随机载荷近似看成是平稳或各 态历经过程。
图3—12c为定子电路串接对称电阻的人 为机械特性。 一般用于笼型异步电动机的降压起动。 图3—12d为转子电路接入并联电阻的人 为机械特性。 该法适用于绕线型异步电动机需限制起 动电流时，可减少起动级数，并保证电 动机平滑加速。
2.其他类型交流电动机的种类及其机 械特性 （1）单相异步电动机 起动特点：电动机不转时，因起动转 矩为0而不能起动，需借助其他办法才 能起动。 按起动方法不同分为： 1）分相式单相电动机：起动转矩大， 起动电流小，应用较广。
式中 t W 机械工作时间； t0 机械停歇时间。
§3—2 动力机的种类、机械特性 及其选择
动力机的机械特性（输出特性）：动力机的 输出转矩与转速之间的关系。 选择动力机时，需考虑的问题： 1）分析工作机械的负载特性，包括其载荷 性质、工作制、作业环境、结构布局等； 2）分析动力机本身的机械特性，选择与工 作机械相匹配的动力机； 3）动力机容量计算，通常是指计算动力机 功率的大小。
编谱的要求是:
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，所得的寿命应该尽量接近实际机 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。
2.编制载荷谱的方法 对随机裁荷的处理有两种方法：功率谱法和 循环计数法(简称计数法)。 （1）功率谱法 是借助于富氏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，得到功率谱密 度函数。 对于平稳随机载荷，使用功率谱法分析计算 比较复杂，并需专门的频谱分析设备，因而 限制了功率谱法的广泛应用。
（2）循环计数法 循环计数法把载荷--时间历程离散成一系列 的峰值和谷值，然后计算载荷峰值或幅值变 化的概率密度函数和概率分布函数等，绘制 频率直方图，从而得到机械设计所需的载荷 谱。 主要缺点： 不能给出载荷大小变化的先后次序和频率分 布，而这对疲劳寿命是具有一定影响的。 常用的有峰值计数法、穿级计数法、雨流计 数法等。
(二)非周期载荷 包括准周期载荷和瞬变载荷两类。 准周期载荷：由若干个频率比是有理数的正 弦量合成的载荷，仍可用周期载荷的处理方 法。 瞬变载荷：作用时间短、幅值变化大。
(三)随机载荷 这种载荷的幅值和频率都是随时间变化的， 它不可能用一个函数确切地进行描述，见 图3—1d。 可用随机过程的一些数字特征来描述其基 本统计特征：
目前，雨流计数法是国内外应用广泛的 一种计数法，根据它进行的疲劳寿命计 算比较接近实际，但峰值计数法、穿级 计数法和幅程计数法都具有简单方便等 优点，若它们有与雨流法相近的结果时， 则应优先选用。
(三)频率直方图和累积频次曲线
首先把循环计数得到的一系列峰值和幅 值数据分组(或称区间)，一般情况分成 12组左右。然后求出每组中载荷峰值或 幅值出现的频次n，及相应的频率P＝n／ N。，累积频次n和累积频率P＝n／N，其 中N为循环计数得到的总数据容量,一般 N≥106。 表3—2列出了一载荷--时间历程经峰值 法计数后的数据统计值
（5）平稳随机过程与各态历经随机过程 若随机过程的统计特性不随时间变化，则 该随机过程称为平稳随机过程。反之，称 为非平稳随机过程。 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 x j (t K ) 式中 i、j - -1 ， 2， ，i j;
M N nN PN 9549 PN 或 M N 9549 nN
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式中 PN－－动力机的额定功率 （KW )； M N－－动力机的额定转矩 （N .m）； nN－－动力机的额定转速 （r / min ).
4）进行经济性分析； 5）作业环境的要求。
该线段的斜率反映了电动机的转速随负载增 加而下降的程度。 斜率小则转速下降少，转差率s小，常称电动 机的特性硬。 当s＞sm时，机械特性为一曲线，称为非工作 部分特性，电动机若处在这段曲线工作，电 力拖动系统就处于不稳定运行状态。
图3-12a为降低供电电压时的人为机械特性。 若负载额定值保持不变，降压运行会使电动 机的电流大于额定值，电动机在此情况下长 期运行就容易烧坏。 图3-12b为在绕线型异步电动机的转子电路内 串接对称电阻的人为机械特性。 起动转矩开始时随着串接电阻的增大而增大。 可用于绕线型异步电动机的起动和小范围调 速。
优点：能在功率因数cosφ＝1的状态 下运行。 缺点：同步电动机的结构较异步电动 机复杂，造价较高，而且其转速是不 能调节的。 应用场合：长期连续工作而无需变速 的大型机械。 （3）三相交流换向器电动机
优点：可以在调速范围小于3的范围内 实现无极调速，能补偿功率因数。 缺点：但结构复杂、造价较高、换向困 难。 应用场合：纺织、造纸机械。 4）无换向器电动机（无整流子调速电 动机） 具有交、直流电动机的优点，调速性能 好，结构简单，维修方便，能在恶劣条 件下工作。
1.峰值计数法 峰值计数法是对载荷--时间历程中的峰、 谷值进行计数以此作为载荷谱的特征量。 首先在最大和最小载荷值之间分级(或称 划分区间)，然后统计每一级载荷中出现 载荷的峰值或谷值的频次，据此绘出频 次直方图。
在峰值计数法中如果只对载荷历程的峰 值计数，就称为正峰值计数法； 如果只对谷值进行计数，就称为负峰值 计数法； 如果首先求出整个载荷--时间历程的均 值，然后分别对大于均值的峰值或小于 均值的谷值进行计数，就称为跨均峰值 计数法。
2）罩极式单相电动机：主要用于小 风扇、电唱机、录音机中。 单向异步电动机的特点：电动机的 效率和功率因数较低，过载能力较 差，容量很少超过0.6kw，适用于小 型机械设备和家用电器。
(2)同步电动机
同步电动机是一种用交流电流励磁在定 子中建立旋转磁场，用直流电流励磁在 转子中构成旋转磁极，依靠电磁力的作 用旋转磁场牵着旋转磁极同步旋转的电 动机。 同步电动机自己不能起动，目前大多采 用异步起动法。
图3—7称为频率直方图，该图提供了各载荷值所占 据的百分比。图中双点划线所示曲线，称为概率密 度曲线，其表征的函数称为概率密度函数。
图3-5 频率直方图
图3—8为累积频次曲线图。由该曲线完全 可确定任何一载荷值出现的频次以及所占 的概率。
四、工作机械的工作制
一般用负载持续率 FC表示 tW FC 100 tW t0 (3 - 15)
电动机的固有机械特性： 是指在额定电压和额定频率下（直流电 动机的频率为0），用规定的接线方法， 定子和转子电路不串接任何电阻或阻抗 时的机械特性。 电动机的人为机械特性： 是指改变电动机的某些参数时所获得的 机械特性。