第三章机械系统的载荷特性和动力机选择(new)
机械系统
机械设计学科
01 介绍
03 特性 05 系统集成
目录
02 组成 04 数学模型 06 工程应用
基本信息
机械系统是机电一体化系统的最基本要素，主要用于执行机构、传动机构和支承部件，以完成规定的动作， 传递功率、运动和信息，支承连接相关部件等。机械系统通常是微型计算机控制伺服系统的有机组成部分，因此 在机械系统设计时，除考虑一般机械设计要求外，还必须考虑机械结构因素与整个伺服系统的性能参数、电气参 数的匹配，以获得良好的伺服性能。
介绍
介绍
机械系统是研究在规定完成的任务情况下，进行机械元件的最佳综合，使系统的输入与输出保持某种因果关 系的学科。它属于机械设计学科的一个分支。由若干机械装置组成的一个特定系统，称为机械系统。机械零件和 构件是组成机械系统的基本要素，它们为完成一定的功能相互联系并分别组成了各个子系统。如数控机床和洗衣 机都是由若干装置、部件和零件组成的两种在功能和构造上各异的机械系统。它们都是由有确定的质量、刚度和 阻尼的物体组成并能完成特定功能的系统。
机械系统总体布局主要是围绕所设计的设备的功能进行的。为了实现设备的总功能，一般由若干分功能对应 的机械部件按工艺动作要求逐一集成在一起的。闪此，系统总体布局时，除需考虑设备造型、人机关系外，关键 是要考虑两个“协调”：一是各机械部件在空间位置上协调，如流水线工位的位置确定、相关工艺动作的相对空 间布置；二是各机械部件的运动执行构件在时间顺序上协调，如若干执行件动作的先后顺序设计、时间问隔设计 等，这样才能保证工艺运动协调，实现设备的总功能。
相关性
系统内部各子系统之间是有机联系的。它们之问相互作用、相互影响，形成了特定的关系，如系统的输入与 输出之间的关系、各子系统之间的层次联系、各子系统的性能与系统整体特定功能之间的联系等。取决于各子系 统在系统内部的相互作用和相互影响的有机联系。某一子系统性能的改变．将对整个系统的性能产生影响。
机械原动机的选择及传动系统设计
与 Y 系列相同
机，借以改变高频电动机的转速
结构与 Y 系列相似，为 具有运行可靠，使用安全，寿命长，维修方便，性能优良 ，
了满足防爆，适当加固 重量轻，体积小，转动惯量小和用料省等优点，适用于具
有爆炸危险性混合物的场所
有组合式和整体式两种 具有结构简单、可靠、速度调节均匀平滑，无失控区，使
第三章 机械原动机的选择及传动系统设计
§3—1 原动机的种类和选择
机械系统通常由原动机、传动装置、工作机和控制操纵部件及其它辅助零部件组成。工作 机是机械系统中的执行部分，原动机是机械系统中的驱动部分，传动装置则是把原动机和工作 机有机联系起来，实现能量传递和运动形式转换不可缺少的部分。原动机按能量转换性质的不 同分为第一类原动机和第二类原动机。第一类原动机包括蒸气机、柴油机、汽油机、水轮机和 燃气轮机；第二类原动机包括电动机、液动机（液压马达）和气动机（气动马达）。机械设计课 程设计中常选用的原动机为电动机，特性见表 3－1
带传动
取决 于材料的 接触强度 带轮直径大，带的寿命较长。
和抗磨损能力
普通 V 带 3500～5000h
(优质 V 带可达 20000h)
窄形 V 带 20000h
摩擦压力机、摩擦绞车、 金属切削机床、锻压机械、输
机械 无级变速 器以及各 送机、通风机、农业机械和纺
种仪器等
织机械等
齿轮传动
蜗杆传动
外廓尺寸小，效率高，传 外廓尺寸小，结构紧凑，传动
表 3－1 常用电动机的结构特征、优缺点及应用范围
类型
名称
结构特征
优缺点及应用范围
一 般 异 步 电 动 机
变速 异步 电动
第三章机械系统的载荷特性和动力机选择
缺点：因工作的可压缩性而使工作稳定性差，噪声 大，因工作压力较低，其输出的转矩不大。
通常适用于小型机械。
内燃机 优点：功率范围宽，操作简便，便于移动。
缺点：需用柴油或汽油做燃料，且要求较高，排气 污染环境，噪声大，多用于野外工作的机械，如 农用机械、工程机械和船舶车辆等。
液压马达 优点：可获得的转矩和机械力大，与电动机相比 较，在相同功率时尺寸小、重量轻，快速反应的 灵敏度高，容易实现无级调速，操作、控制简便 ，易于实现复杂的工艺动作。
缺点：需有高压油供给系统，液压元件的制造、 装配精度要求高，否则因漏油而影响工作效率、 运动精度并污染环境。
气动马达 优点：工作介质为空气，易获得，且排除的气体不
•工作机的负载特性
工作机在运行过程中其运动参数（速度、位移等 ）与动力参数（转矩、功率等）的变化规律称为 工作机的负载特性。
恒转矩负载特性：负载转矩于其转速无关
恒功率负载特性：转速变化时负载功率基本保持不变 负载转矩随转速变化而变化： 离心式鼓风机、水泵 负载转矩是行程或转角函数：如活塞式空气压缩机 、曲
•5 4 3 2 1 •载荷级数 Nhomakorabea•r
3 •r
•r
•r •r 2
1
4
7
•r
•r 6
5
•r
8
•时 间
•r1=4、r2=2、r3=3、r4=4、r5=2、 r6=1、r7=2、r8=4
•1 2 3 4 5 •载荷级数
•雨流计数法
原理： 取垂直向下的纵坐标表示时间，横坐标表示载荷，
这样载荷历程形同一座宝塔，雨点依次以峰值或谷值为起点向下 流动，根据雨点向下流动的轨迹确定出载荷循环，并计算出每个 循环的幅值大小。
机械系统设计 第三章机械系统的载荷特性与动力机选择
工作机械的负载特性是指工作机 械在运行过程中其功率、转矩和转 速或位移间的关系。选择动力机的 容量时，主要考虑工作机械在输入 动力端的转矩、功率和转速之间的 关系。Tz=f(n)，Pz=f(n)。
负载特性有 ： 1）恒转矩负载特性
恒转矩特性是指转矩与转速无关， 即当转速变化时，转矩保持常数。 如起重机起升机构负载特性。
计算法即根据机械的功率要求和结 构特点运用各种力学原理、经验公式 或图表等计算确定载荷的方法。
例如设计起重机时，要计算： （1）起重量(吊重)表
起升载荷包括起重机的额定起重力 和随货物一起升降的装置的重力 。
100吨全地面起重机配重28吨时起 重 量 表
带 副 臂 起 重 量 表
第三章 载荷与动力装置选择
第一节 机械系统的载荷分析
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。
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）。
使用类比法确定载荷一般需要一定的实际 经验，否则容易出现载荷过大或过小的情况。 应用类比法时常可采用相似原理进行推断，其 中常用的有：
机械系统的载荷特性和动力机选择(共69张PPT)
机械系统学第三章
0 F
a b a’ c
全循环: a- b-a’ 、 d-e-d’ 、 g-h-g’
f d d’ e
g
半循环: 0-a-a’-c 、 f-g-g’-i c-d-d’-f 、
h
g’
i
t
机械系统学第三章
（3）频率直方图和概率密度函数 把循环得到的一系列峰值或幅值数据分组，一般情 况下分成12祖，求出每一组峰值或幅值出现的频次mi、 12 相应的频率p=mi/N，其中 N m i
i 1
以载荷为横坐标、以频率为纵坐标，就可绘出频 率直方图。 当总数据量N足够大时，一般N≥106，用统计理论， 以一条光滑的曲线描述母体，该曲线称为概率密度曲 线，其表征的函数为概率密度函数。
机械系统学第三章 根据教材P50表3-2 载荷循环计数统计表所绘制的频率直方图
p
0.3
0.2
概率密度曲线
机械系统学第三章
二、载荷的处理方法
1静载荷、周期载荷、非周期载荷的处理 为了简化计算，常将名义载荷乘以动载系数，将 动载荷转化为静载荷进行近似的设计计算。 2 随机载荷的处理 （1） 载荷谱：
将原始记录的载荷-时间历程（机械的工作谱 ）， 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、具有统计特征的载荷—时间历程。
雨流计数法
机械系统学第三章
例：峰值计数法（全部峰谷值进行计数）
5 4 3 频 2 次 1 1 2 3 4 5 时间 载荷
载 荷
3
2 1
机械系统学第三章
例：穿级计数法
8
5 4
载 荷
3 2 1 时间
频 次 4
2
6
1 2 3 4 5 载荷
机械系统的动力学性能分析
机械系统的动力学性能分析机械系统的动力学性能分析是研究和评估机械系统在运动过程中的各项性能指标。
通过对机械系统的运动方程、力学特性和控制策略进行分析，可以帮助设计师和工程师优化机械系统的设计以及提高其工作效率和稳定性。
一、机械系统的运动方程机械系统的运动方程是机械系统动力学分析的基础。
一般来说，机械系统的运动方程可以通过多体动力学理论推导得出。
对于简单的机械系统，可以通过牛顿第二定律来建立运动方程。
而复杂的机械系统，则需要利用拉格朗日方程或哈密顿原理等方法建立运动方程。
二、机械系统的力学特性机械系统的力学特性包括质量、惯性、刚度和阻尼四个方面。
质量是指机械系统各个部件的质量集合，惯性则描述了机械系统对外力作用的抵抗能力。
刚度代表了机械系统的刚性程度，而阻尼则描述了机械系统内部的能量耗散情况。
在机械系统的动力学性能分析中，深入理解机械系统的力学特性对于准确评估其性能至关重要。
例如，在设计振动系统时，需要考虑振动系统的刚度和阻尼特性以保证系统的稳定性；在设计伺服系统时，需要考虑机械系统的惯性和负载特性以保证伺服系统的响应速度和稳定性。
三、机械系统的控制策略机械系统的控制策略是指通过对机械系统的输入信号进行调节以实现特定性能指标的方法和技术。
常见的控制策略包括开环控制和闭环控制。
在机械系统的动力学性能分析中，通过合理选择和设计控制策略可以有效的改善机械系统的性能，并满足特定的工程要求。
例如，在工业生产过程中，通过闭环控制技术可以实现对机械系统的位置、速度和力矩等参数的精确控制，进一步提高生产效率和产品质量。
四、机械系统性能的评估指标机械系统性能的评估指标是衡量机械系统性能的重要依据。
常用的评估指标包括系统的稳定性、响应速度、振动特性、能量效率等。
对于稳定性评估，可以通过系统的频率响应曲线和根轨迹等方法来分析系统的稳定性边界。
对于响应速度评估，可以通过分析系统的阶跃响应和脉冲响应来评估系统的响应速度。
对于振动特性评估，可以通过频率响应曲线和模态分析来评估系统的振动特性。
第3章 机械系统的载荷特性和动力机的选择
M
M
O
n
O
n
例如磨粉机，转速n升高，喂入量加大，转矩M成正比增加。
转矩M与转速n的平方成正比，即M=f(n2) ，则功率P与转速n的3次方成 正比，即P=f(n3) 。通风机、离心水泵就具有这种负载特性。
（4）转矩M是行程s或转角θ的函数 转矩M与行程s或转角θ成某种函数关系，即M=f(s)或M=f(θ)。
二、载荷处理方法
(一)静载荷、周期载荷、非周期载荷的处理 1、静载荷 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 s 作极限应力 lim ；脆性材料制成的零件，取强度极限 B作极限应 力 lim ，选取安全系数S后，就可决定许用应力 [ ] lim / S 。用名义载荷F 与载荷系数K的乘积表示计算载荷 FC ，即 FC KF ，这里载荷系数K是考虑 载荷集中设定的。 应用强度理论由计算载荷 FC 可求出计算应力 C ，按强度不等式 C [ ] 来进行静强度计算。
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。
xi (t ) x j (t K )
式中： i、j-----1，2，…，i≠j K-某一时间延迟步数。 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 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。
M
O
C
n
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。
思考题：
9、根据P37图2-11四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 何影响? （2）各自的驱动方式以及选用该驱动方式的理 由? 10、X62W卧式升降台铣床主轴转速
第三章_机械系统的载荷和动力选择1.
（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、幅程计 数法、雨流计数法等。
数学上可表示为： xi (t ) x j (t K ) 式中 i、j - -1 ， 2， ，i j;
(3 - 11)
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。
T 2 T 2
（3-1）
2 T an 2T x(t ) cos n0tdt T 2 2 0 T
2 bn x(t )1）也可表示成如下形式 ： a0 x(t ) cn cos(n0t n ) 2 n 1 式中 cn a n b
1)起升载荷 起升载荷包括起重机的额定起重力和随货 物一起升降的设备(如吊具、大起升高度 的钢丝绳等)的重力。 2)起重机的整机重力 起重机的整机重力包括起重机全部零、部 件和附属设备的重力。 在设计前起重机的整机重力可进行类比初 估，在设计完成后再予以修正：
3)动载荷 起重机在起动或制动等不稳定运动状态 时，会引起振动载荷和惯性载荷。 如：在提升重物时由惯性引起的动载荷 Fd1为：
简谐载荷的函数表达式：
x(t ) x0 sin(t )
式中：
x(t ) ---t时刻的载荷幅值；
x0
---最大载荷幅值；
--- 角频率（也称圆频率）；
3载荷特性与动力机的选择(第3章)
1、三相异步电动机的种类和机械特 性
（5）P’点--回馈制动最大转矩点：n’=nm’ M’=Mm’,s’=sm’, (nm’、 Mm’、 sm’ 表示当回 馈制动转矩最大时的转速、转矩和转差率）。
三相异步电动机特性曲线的特点：
当负载转矩在0～额定转矩MN之间工作时，三相异步电 机特性曲线近似为直线（工作部分特性），运行稳定。 直线斜率反映转速随负载的变化而变化的速率。转差 率小（斜率大，陡），称为硬特性；转差率大（斜率 小，坡） ，称为软特性； 当s>sm时，机械特性曲线为曲线，运行不稳定，非工 作部分。
调速性能好、启动力矩大。按励磁绕组和电枢绕组 的关系、励磁方式分为：他励、并励、复励、串励 等。 他励：励磁绕组接在独立的励磁电源上； 并励：励磁绕组并联在电枢绕组上； 串励：励磁绕组串联在电枢绕组上； 复励：同时使用并联和串联两套励磁绕组。
3、直流电动机的种类及机械特性
他励直流电机的 机械特性：
前言
机械系统的能量流
机械系统的能量流
PI---输入功率 PC---输出功率 PS---储存和释放功率之和 PL---损耗功率.包括空载损 耗功率(鼓风、搅油） 和附加损耗功率（轴 承润滑、齿轮润滑）。 PI=PC+PS+PL
前言
机械系统的能量流
研究的内容：
1、电动机类型及结构型式的选择
（1）电动机类型的选择
一般原则：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饶线型电动机； 专用电动机优选于通用电动机。 1）启动制动调速无特殊要求，如水泵、机床、风机、 运输机械、农业机械，优先选用交流异步电动机。 2）恒转矩负载特性：选用硬特性的电动机； 3）对于需调速但调速平滑性无要求、可有级调速的机 械，如起重机、低速电梯、某些机床等，采用YD系列 变极变速三相交流异步电动机。 4）要求起动力矩大（平带运输机、压缩机等）时可选 用YH系列高转差率、高启动转矩的三相交流异步电动 机；
国家开放大学《机器人技术及应用》章节测试参考答案
国家开放大学《机器人技术及应用》章节测试参考答案第一章机器人技术与应用一、判断1.机器人是在科研或工业生产中用来代替人工作的机械装置。
（√）2.19世纪60年代和20世纪70年代是机器人发展最快、最好的时期，这期间的各项研究发明有效地推动了机器人技术的发展和推广。
（×）3.对于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。
（√）4.所谓特种机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。
（×）5.机器人机械本体结构的动作是依靠关节机器人的关节驱动，而大多数机器人是基于开环控制原理进行的。
（×）6.机器人各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后，在各采样周期给出，由主计算机根据示教点参考坐标的空间位置、方位及速度，通过运动学逆运算把数据转变为关节的指令值。
（√）7.为了与周边系统及相应操作进行联系与应答，机器人还应有各种通信接口和人机通信装置。
（√）8.轮式机器人对于沟壑、台阶等障碍的通过能力较高。
（×）9.为提高轮式移动机器人的移动能力，研究者设计出了可实现原地转的全向轮。
（√）10.履带式机器人是在轮式机器人的基础上发展起来的，是一类具有良好越障能力的移动机构，对于野外环境中的复杂地形具有很强的适应能力。
（√）11.腿式（也称步行或者足式）机构的研究最早可以追溯到中国春秋时期鲁班设计的木车马。
（√）12.机器人定义的标准是统一的，不同国家、不同领域的学者给出的机器人定义都是相同的。
（×）13.球形机器人是一种具有球形或近似球形的外壳，通过其内部的驱动装置实现整体滚动的特殊移动机器人。
（√）14.可编程机器人可以根据操作员所编的程序，完成一些简单的重复性操作，目前在工业界已不再应用。
（×）15.感知机器人，即自适应机器人，它是在第一代机器人的基础上发展起来的，具有不同程度的“感知”能力。
机械系统结构动力特性分析与参数优化
机械系统结构动力特性分析与参数优化一、引言机械系统作为一种复杂的工程系统，其结构设计和参数选择对其动力特性具有重要影响。
因此，对机械系统的结构动力特性进行分析和参数优化是提高机械系统性能的关键。
本文将以一种通用的机械系统为例，详细探讨机械系统结构动力特性分析与参数优化的方法和技术。
二、机械系统结构动力特性分析机械系统结构动力特性的分析是评估机械系统性能的重要步骤。
首先，我们需要建立机械系统的数学模型。
根据机械系统的实际情况，可以采用多种建模方法，如基于质量、弹簧和阻尼元件的模型、基于振动系统的模型等。
通过分析机械系统的结构和工作原理，我们可以得到机械系统的运动微分方程或状态空间方程。
在得到机械系统的数学模型后，我们可以通过数值计算方法对其进行求解。
常用的数值计算方法包括有限元方法、求解微分方程的数值方法等。
这些方法可以帮助我们得到机械系统在不同工况下的运动响应，并进一步分析机械系统的动力特性。
机械系统的动力特性主要包括振动模态、频率响应和稳定性等。
振动模态是指机械系统在固有频率下的振动形态，可以通过模态分析得到。
频率响应是指机械系统在受到外部激励时的响应情况，可以通过频谱分析和传递函数法进行研究。
稳定性是指机械系统在某些特定工况下是否能保持平衡状态，可以通过线性稳定性分析和非线性稳定性分析进行评估。
三、机械系统参数优化方法在进行机械系统参数优化时，我们需要明确优化的目标和约束条件。
优化的目标可以是提高机械系统的性能、减小振动或噪音、降低能耗等。
约束条件可以包括材料力学性能、现有设备的限制、成本等。
根据不同的优化目标和约束条件，我们可以选择不同的参数优化方法。
一种常用的机械系统参数优化方法是基于数值模拟的试验-分析优化法。
首先，我们可以使用有限元分析或其他数值模拟方法对机械系统进行分析和设计。
然后，通过分析分析结果，我们可以确定机械系统中影响动力特性和性能的关键参数。
最后，我们可以使用优化算法（如遗传算法、粒子群优化算法等）对这些关键参数进行求解，从而达到优化的目标。
机械系统的机械特性分析与优化设计
机械系统的机械特性分析与优化设计一、引言机械系统是由多个机械构件组成的复杂系统，其性能与机械特性密切相关。
本文将对机械系统的机械特性进行分析与优化设计，以提高机械系统的工作效率和可靠性。
二、机械特性分析1. 动力学特性机械系统的动力学特性是指系统在受到外力作用下产生的运动和力学响应。
对于多自由度的机械系统，可以采用拉格朗日方程或牛顿方程对其进行建模和分析。
通过分析系统的动力学特性，可以确定系统的固有频率、振动模态和临界稳定性等信息，有助于理解和优化系统的运动行为。
2. 热力学特性机械系统的热力学特性是指在工作过程中产生的热能和热耗散。
热力学特性对于热机系统、热处理设备等具有重要意义。
通过分析系统的热力学特性，可以确定系统的热转化效率、热容量和热损耗等指标，为系统的优化设计提供依据。
3. 结构特性机械系统的结构特性是指系统的形状、材料和刚度等参数对其性能的影响。
结构特性对于机械系统的强度、稳定性和振动特性等具有重要影响。
通过分析系统的结构特性，可以确定系统的最大承载能力、刚性要求和几何形状等因素，为系统的优化设计提供指导。
三、机械特性优化设计1. 材料选择与优化在机械系统的设计过程中，材料的选择与优化是关键的一步。
合理选择材料可以降低系统的质量、提高系统的强度和刚度，以满足系统在工作过程中的载荷和振动要求。
同时，还需要对材料的性能进行全面评估，以确保系统的可靠性和耐久性。
2. 结构参数优化机械系统的结构参数优化是指通过调整系统的几何形状和结构参数，以提高系统的性能和效率。
通过结构参数的优化设计，可以降低系统的重量、减小系统的体积和提高系统的刚度。
优化设计可以使用数值计算和仿真分析等方法，通过对设计变量的搜索和优化，找到系统性能的最佳解。
3. 运动控制策略优化机械系统的运动控制策略优化是指通过调整系统的控制参数和控制策略，以实现系统的稳定性和精确度要求。
不同的运动控制策略可以对系统的动力学特性产生不同的影响，通过优化运动控制策略，可以提高系统的工作效率和运动精度。
机械系统动力学特性分析与优化
机械系统动力学特性分析与优化引言机械系统的动力学特性是指系统在运动过程中所表现出的力学性质和行为。
对于工程师来说，了解和分析机械系统的动力学特性是至关重要的，可以帮助他们设计更加可靠和高效的机械系统。
本文将探讨机械系统动力学特性的分析与优化方法，以及如何应用这些方法来改进机械系统的性能。
一、基本概念与原理在开始讨论机械系统的动力学特性之前，我们首先需要了解一些基本概念和原理。
动力学是研究物体运动和力的学科，而机械系统的动力学则是研究机械系统在运动中所受到的力和力的效果。
其中，动力学方程是研究机械系统运动过程的基本工具，它描述了系统的运动和受力关系。
二、动力学特性的分析方法1. 数值模拟法数值模拟法是一种常用的机械系统动力学特性分析方法。
它通过使用计算机模拟机械系统的运动过程，从而得到系统的力学性质和行为。
数值模拟法的基本思想是将机械系统的运动过程离散化，然后使用数值方法求解离散化的运动方程。
在求解过程中，需要考虑系统的初始条件、边界条件和外部激励等因素。
2. 动力学参数的试验测量法另一种常用的机械系统动力学特性分析方法是动力学参数的试验测量法。
这种方法通过对机械系统的动力学参数进行试验测量，从而得到系统的力学性质和行为。
动力学参数包括质量、惯性矩、刚度和阻尼等，它们对机械系统的动力学特性具有重要影响。
三、动力学特性的优化方法1. 结构优化机械系统的结构优化是指通过改变系统的结构参数，从而优化系统的动力学特性。
结构优化的核心是找到适合系统的最佳结构参数，以使系统达到最佳性能。
常用的结构优化方法包括拓扑优化、材料优化和几何优化等。
2. 控制优化除了结构优化，控制优化也是改进机械系统动力学特性的有效方法。
控制优化是通过设计控制策略和参数，从而优化系统的响应和性能。
控制优化方法包括PID 控制、自适应控制和优化控制等。
通过合理选择控制策略和优化参数，可以显著改善机械系统的动力学特性。
四、实例分析与应用为了更好地理解机械系统的动力学特性分析与优化方法，我们将以一个实际的案例进行分析。
03第三章机械系统的载荷特性和动力机的选择
驱 维持各环节或子系统的运动
执
动
行
装
部
置 通过传递、损耗、储存、转化等有关过程，
件
完成机械系统的有关功能
驱 动 装
电力驱动（电动机） 液压驱动（液压泵、液压马达） 气压驱动（气压马达）
合适的驱动装置 （动力机）
置 热机（内燃机、汽轮机等）
进行能量流设计应解决四个方面的问题： （1）机械系统中能量流动状况和特征分析； （2）工作机械的载荷计算； （3）驱动装置的选择； （4）系统能量匹配与设计。
⑵动力载荷：①惯性载荷 ②（弹性）振动载荷 ③冲击（振动）载荷
⑶自然载荷：①自重载荷 ②风力载荷 ③水力载荷 ④温度载荷
按载荷表示的形式分
⑴力 ⑵力矩 ⑶转矩 ⑷压力 ⑸功率 ⑹加速度
按载荷作用的形式分： (1)拉伸或压缩载荷 (2)弯曲载荷 (3)扭转载荷 按载荷是否随时间变化分：静载荷、动载荷
GD2与扭矩M、转速n（或角速度ω）、时间t 之间的关系
d GD2 d
M J dt 4g dt
或
d
dt
4g GD 2
M
M为常数
4g GD2 Mdt
4g GD 2
Mt
C
t 0 ＝0
加减速时 所需的时间
4g GD 2
Mt
0
2n 60
加减速时 所需的扭矩
t GD2 n n0 375 M
H1
H2
1 2
D1 D2
2
n1 n2
2
Q1 Q2
D1 D2
3
n1 n2
5
3
N1
N
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机械系统的载荷特性及动力机的选择
机械系统的载荷特性及动力机选择原则本章介绍机械系统的载荷特性及动力机选择，掌握机械系统的载荷特性及动力机选择原则26.1.1工作机械的载荷载荷类型机械设计中载荷的组合及其类别工作载荷的确定方法1）按作用形式分直接作用载荷--载荷以力或力矩形式直接作用在机器上；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器上；如温度、地震的作用引起的载荷。
对于绝大多数的机器来说，直接作用的载荷是主要的。
2）按照载荷产生的来源分(1) 工作载荷由机器工作阻力产生的载荷。
工作载荷是各种机器最重要最基本的载荷。
(2) 动力载荷动力载荷包括惯性载荷、振动载荷和冲击载荷。
当机器或机器的某机构运动速度的大小或方向发生变化时(如起动或制动)将产生惯性载荷。
(3) 自重载荷设备自身重量产生的载荷。
(4) 风载荷具有一定质量的空气以一定速度流动被结构物表面阻挡时，对结构物产生压力。
(5) 温度载荷温度变化使构件热胀冷缩，当构件的胀缩受到约束时，在构件中产生附加力。
(6) 水力载荷水对构件产生的压力和流动阻力等。
3）按载荷是否随时间变化分静载荷指大小，位置和方向不变的载荷。
在工程中大多数机械承受的都是变载荷，严格意义的静载荷是很少见的，但在设计上常把变化不大或变化速度缓慢的载荷，近似地作为静载荷来处理变载荷指随时间有显著变化的载荷。
一般机械承受的变载荷主要有周期载荷，冲击载荷和随机载荷等几种。
a）周期载荷载荷的大小是随时间作周期性变化的，它可用幅值、频率和相位角三个要素来描述。
b）冲击载荷载荷作用时间短，而且幅值较大，例如，锻锤在锤打坯料时所受的载荷就属于冲击载荷。
在设计中对于数值较小，频率较高的多次冲击载荷，常按一般的周期载荷来处理。
c）随机载荷载荷的幅值和频率都是随时间变化的，且变化规律不能用一个函数确切地进行描述，只能应用数理统计方法才能获得它们的统计规律。
26.1.2 动力机的种类及其机械特性电动机液压马达气动马达内燃机电动机在额定电压和额定频率下工作，并按规定的接线方法，定子和转子电路中不外接电阻，此时获得的机械特性称为电动机的固有机械特性。
机械动力特性
机械动力特性机械动力特性是指机械系统在运动时所表现出来的力的性质和规律。
机械系统的动力特性是研究机械系统在运动时各种力量和参数的变化规律，以便更好地了解机械系统的运行状态，从而设计更好的机械系统。
机械系统的动力特性包括加速度、速度和位移等，还包括能量、功率、效率等。
其中，加速度、速度和位移是描述运动状态的主要参数。
它们之间的关系可以通过牛顿运动定律和运动方程等来进行描述。
动力学的基本原理是质点来描述物体的运动状态，运动状态由位置、速度和加速度三个量描述；动力学描述的对象为物体在运动中所受的力和运动学描述的量之间的关系。
也就是说，动力学研究的是物体受到的力量对其运动状态的影响。
同时，机械系统的动力特性还包括能量、功率和效率等参数。
机械系统的能量包括动能和势能，动能是由于物体运动而具有的能力，而势能则是由于物体在某个场合中所具有的位置而具有的能力。
机械功率是机械系统在做功时所消耗的时间。
因此，效率是机械系统功率和机械能力比值的大小。
机械动力特性在机械系统的设计和优化中起着至关重要的作用。
机械系统的设计者需要了解机械系统在运动时的力学特性，并且根据这些特性来进行机械设计。
在机械系统的优化过程中，机械设计者需要通过优化机械传动系统来提升机械系统的效率和性能。
例如，机械设计者可以通过合适的选择轴承、减速机和传动链等来使机械系统的动力特性得到优化。
在工业制造领域，机械动力特性在机械加工和机械维护中也起着重要的作用。
在机械加工领域，机械操作者需要了解机械系统的动力特性，以便更好地控制机械的加工过程。
在机械维护领域，机械操作者也需要了解机械系统的动力特性，以便及时发现并解决机械设备的故障。
总之，机械动力特性在机械系统的设计、优化和维护中都起着重要的作用。
机械设计者和机械操作者都需要了解机械系统的动力特性，以便更好地控制机械设备的运行状态。
相信在未来，随着科技的不断进步，机械动力特性的研究也将越来越深入，机械系统的效率、性能和稳定性也将得到更大的提升。
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N入 N入
W = t 电动机平均输入功率（ — 电动机平均输入功率（ KW）
W — t小时内输入总功（ KW ⋅ h） 小时内输入总功（ t — 测量时间（ h） 测量时间（ 由此得出电动机的输出 功率 N = N 入η电
机械系统学第三章 （2）计算法 ） 主运动电机功率： N = N 主运动电机功率： 其中： 其中：
载 荷 级 数
5 4 3 2 1
r1 r2
r3 r4 r5 r6
r7
频 3 次 2
r8
1
1 2 3 4 5 时间 载荷级数
r1=4、r2=2、r3=3、r4=4、r5=2、 r6=1、r7=2、r8=4
机械系统学第三章
雨流计数法
原理： 取垂直向下的纵坐标表示时间，横坐标表示载荷， 原理： 取垂直向下的纵坐标表示时间，横坐标表示载荷，
机械系统学第三章
第三章
机械系统的载荷特性 和动力机选择
3.1
工作机械的载荷和工作制
动力机的类型、 3.2 动力机的类型、机械特性及其选用
机械系统学第三章
3.1 工作机械的载荷和工作制
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。 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。 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、压 力、功率等参量表示。
机械系统学第三章
准周期性载荷： 准周期性载荷：指由若干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： 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。 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。 冲击载荷是一种比较典型的瞬变载荷。
Pn1 P11 P21 Cp = = =L= P P22 Pn 2 12
原型系统承受的载荷 设计系统对应原型系统个位置 上所作用的载荷
机械系统学第三章 实测法——通过实验分析测定载荷。 实测法 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。 电阻应变式传感器 电阻应变仪和记录分析仪
计算法——根据系统的功能要求和结构，运用力学原理、经 计算法 验公式、手册、图表等计算确定载荷。 计算法主要包括静态设计法和动态设计法。
机械系统学第三章
（2） 编制载荷谱的方法 ） 功率普法 将一个随机载荷的子样经专用的谱分析仪器， 将一个随机载荷的子样经专用的谱分析仪器， 获得功率谱密度函数。 获得功率谱密度函数。 循环计数法 循环计数法首先把一个随机载荷—时间历程离散 循环计数法首先把一个随机载荷 时间历程离散 成一系列的峰值和谷值， 成一系列的峰值和谷值，并根据不同的计数规则 峰值计数法 计算出峰值和幅值发生的频次和频率， 计算出峰值和幅值发生的频次和频率，然后再按 穿级计数法 照数理统计的方法确定峰值和幅值变化的概率密 幅程计数法 度函数和概率分布函数。 度函数和概率分布函数。 雨流计数法
机械系统学第三章
几种常见载荷的确定方法
1. 以摩擦阻力为主的工作载荷
F = Fn µ0 其中： Fn — 正压力
µ0 — 摩擦系数
机械系统学第三章
2. 以切削力为主的机床载荷
（1）实测法：选一台在传动和结构上同所设计机床相近似 ）实测法： 的机床，进行特定或典型的工序， 的机床，进行特定或典型的工序，测出电动机在一定时 间内的输入功，则可算出其平均功率： 间内的输入功，则可算出其平均功率：
机械系统学第三章
一、载荷类型
按载荷与时间关系分： 按载荷与时间关系分：
静载荷：大小、方向和位置都不变的载荷； 静载荷：大小、方向和位置都不变的载荷； 动载荷：大小、方向和位置随时间而变化的载荷。 动载荷：大小、方向和位置随时间而变化的载荷。 载荷历程： 载荷历程：工程上常把载荷值随时间变化的规律称为载 荷—时间历程 时间历程
一、工作载荷类型 二、工作载荷的处理方法 三、工作载荷的确定 四、工作机械的工作制
机械系统学第三章
一、载荷类型
按载荷作用的形式分： 按载荷作用的形式分：
拉伸或压缩载荷、弯曲载荷和扭转载荷，常用力、 拉伸或压缩载荷、弯曲载荷和扭转载荷，常用力、力矩 或扭矩的形式来表示，也可以用压力、功率、 或扭矩的形式来表示，也可以用压力、功率、加速度等 形式来表示。 形式来表示。
N = N切
η总
η 总 为机床总效率
对主运动为回转运动的 机床 η 总 = 0 .7 − 0 .85 对主运动为直线运动的 机床 η 总 = 0 .6 − 0 .7
电动机的额定功率： 电动机的额定功率： N
额定
N = K
K---电机超载系数（对连续工作机床K=1.0 , 电机超载系数（对连续工作机床 电机超载系数 对间断工作机床K=1.1~1.25) 对间断工作机床
这样载荷历程形同一座宝塔， 这样载荷历程形同一座宝塔，雨点依次以峰值或谷值为起点向下 流动，根据雨点向下流动的轨迹确定出载荷循环， 流动，根据雨点向下流动的轨迹确定出载荷循环，并计算出每个 循环的幅值大小。 循环的幅值大小。
计数规则： 计数规则：
① 雨点的起点依次从每个峰值或谷值开始并沿其内侧往下流动； 雨点的起点依次从每个峰值或谷值开始并沿其内侧往下流动； 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 雨流在下一个峰值或谷值处落下， 峰值更大或谷值更小的值时停止； 峰值更大或谷值更小的值时停止； 当遇到来自上面的雨点时雨流也停止； ③ 当遇到来自上面的雨点时雨流也停止； 取出所有的全循环， 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 并按雨流法的第二阶段计数法计出循环数。 程，并按雨流法的第二阶段计数法计出循环数。 对于计得的全循环计算出它们的幅值。 ⑤ 对于计得的全循环计算出它们的幅值。
机械系统学第三章
0 F
a b a’ c
全循环: 全循环 a- b-a’ 、 d-e-d’ 、 g-h-g’
f d d’ e
g
半循环: 半循环: 0-a-a’-c 、 f-g-g’-i c-d-d’-f 、
h
g’ i
t
机械系统学第三章
（3）频率直方图和概率密度函数 ） 把循环得到的一系列峰值或幅值数据分组，一般情 况下分成12祖，求出每一组峰值或幅值出现的频次 i、 频次m 频次 12 相应的频率p=mi/N，其中 N = ∑ m i 相应的频率
机械系统学第三章
随机载荷 随机载荷是一种无规则的、不能重复的载荷，对它 只能进行统计描述。 随机载荷通常由现场实测（即采样）获得，每一次 采样可以得到一个样本函数（也称子样）x(t)。在相同 的条件下，进行重复采样，就可以得到互不相同的许 多样本函数x1(t),x2(t),…,xn(t)，n个样本函数的集合形 成了随即过程。 用随机过程的一些数字特征如均值、方差、自相 均值、方差、 均值 关函数等来描述其基本统计特征。 关函数
i =1
以载荷为横坐标、以频率为纵坐标，就可绘出频 以载荷为横坐标、以频率为纵坐标，就可绘出频 率直方图。 率直方图。 当总数据量N足够大时，一般N≥106，用统计理论， 以一条光滑的曲线描述母体，该曲线称为概率密度曲 线，其表征的函数为概率密度函数 概率密度函数。 概率密度函数
机械系统学第三章 根据教材P50表3-2 载荷循环计数统计表所绘制的频率直方图 载荷循环计数统计表 频率直方图
N切 =
切
+ N
空
+ N
附
Pz v 磨工序） （车、铣、磨工序） 6120× 7.8
= N
切 ∑
N切 =
nM k (钻、扩工序) 钻 扩工序 9750× 7.8
N
附
η
− N
切
加切削载荷后所增加 的传动件摩擦功率
机床主运动电机的功率为
N
=
N
切 ∑
η
+ N
空
传动链的机械效率
机械系统学第三章 当空载功率实测困难时， 当空载功率实测困难时，可按下式粗略计算：
p
0.3
0.2
概率密度曲线
0.1
0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
F/kN
机械系统学第三章
三、 工作载荷的确定
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。 对于没有国家标准的，则根据经验或参照 其他涉及来确定。
机械系统学第三章
二、载荷的处理方法
1静载荷、周期载荷、非周期载荷的处理 静载荷、周期载荷、 静载荷 为了简化计算，常将名义载荷乘以动载系数，将 为了简化计算，常将名义载荷乘以动载系数， 动载荷转化为静载荷进行近似的设计计算。 动载荷转化为静载荷进行近似的设计计算。 2 随机载荷的处理 （1） 载荷谱： ） 载荷谱： 将原始记录的载荷-时间历程（ 将原始记录的载荷 时间历程（机械的工作谱 ）， 时间历程 用概率统计的方法进行处理后， 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、具有统计特征的载荷—时间历程 时间历程。 时间变化的、具有统计特征的载荷 时间历程。
机械系统学第三章
工作谱
编谱
载荷谱
编谱的要求： 编谱的要求： 1 选取的载荷子样必须具有典型性和代表性； 选取的载荷子样必须具有典型性和代表性； 2 使用载荷谱进行疲劳计算或实验时，所得寿命 使用载荷谱进行疲劳计算或实验时， 能尽量接近实际机械的工作寿命； 能尽量接近实际机械的工作寿命； 3 整个编谱过程的计算工作由计算机完成。 整个编谱过程的计算工作由计算机完成。