吉林大学机械系统设计实例--第2章载荷与动力装置选择

①几何类比是在设计新机械时，首先需要确定 能表征该设备能力的几何尺寸，并根据现有这 类机械的尺寸与载荷之间的关系。
②动力类比是选择一种同类的机械，调查其实 际使用的动力机容量大小，如电动机的转矩、 功率等，然后用简单的类比关系确定所设计机 械的动力，以此作为依据来推算机械及其零部 件所受的载荷。
2．计算法
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
无配重时
不 带 副 臂 起 重 量 表
带 副 臂 起 重 量 表
用于自动生产线，行车制动系统等。
气压马达的动力机是气泵（空气压 缩机）。
三、工作机械的负载特性
选择动力机时，在确定类型后， 应确定其容量，容量大小是按照负 载大小确定的。即动力机的功率和 转矩应大于负载的功率和转矩，特 别是转矩必须有一定的储备系数。
功率 P=T· n
转矩
T=P/n
1．工作机械的负载特性
（2）起重机的自重
起重机的整机重力包括起重机所 有零部件和附属设备的重力。在设计 前，起重机的整机重力是个未知数。 此时，可以参照同类起重机进行类比 估计，在设计完成后再予以修正。整 机重力可按集中载荷或均布载荷处理。 W=∑mig= ∑ρiVig
（3）动载荷 起重机在起动或制动等不平稳运动状 态时，会引起振动载荷和惯性载荷。 起升动载荷 Fd1=KG 移动动载荷 Fd2=m· dv/dt 转动动载荷 Td=J·dω/dt （4）风载荷 在室外工作的起重机还需要考虑风力引 起的载荷。 Ff=C·f· p A
对于有调速要求的设备如电梯及某些机床等， 可选用笼型多速感应电动机。 绕线转子感应电动机可以限制起动电流，提 高起动转矩，多用于起重机和矿井提升机等， 它在转子中串接电阻后，可以进行小范围调速。 如果电动机的容量大于 100kw，又无调速要 求时，可采用交流同步电动机，它能提高功率 因数。
直流电动机具有调速性能好等优点，可用在 功率较大并要求调速范围较宽的机械上。
转矩与转速之间存在一定的函数关系。 例如离心式鼓风机、水泵等按离心力原 理工作的机械，其负载转矩随转速的增 大而增大。
4）转矩是行程或转角函数的负载特性 带有连杆机构的工作机械大多具有这 种特性，如活塞式空气压缩机、曲柄压 力机等。
5）恒转速负载特性
如冶金、矿山中常用的破碎机和 球磨机等，转速恒定，而转矩随时 间无规律的变化。
作为电动机的动力机是发电机， 因此还应将发电机作为原动机，有 水力发电机组、火力发电机组（汽 轮机组）、风力发电机组和核发电 机组。
3）液压马达
分类：按照能量转换机构的结构 形式，通常划分为摆线马达、柱塞马 达、叶片马达、齿轮马达等；按照输 出转矩和转速的大小，通常划分为低 速大转矩马达和高速马达两种类型。
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wenku.baidu.com 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。
特点：可以获得很大的机械力或 转矩，与电动机相比在相同功率时其 外形尺寸小、重量轻，因而运动件的 惯性小，快速响应的灵敏度高。
液压马达可以通过改变进油流量来调节 执行机构的速度，传动比大，低速稳定性 好，容易实现无级调速，操作和控制都比 较简单。
缺点：使用液压马达必须具有高压油的 供给系统，且对液压元件的制造和装配精 度要求较高，容易出现漏油现象而影响工 作效率及工作机械的运动精度。价格高。 液压马达的动力机是液压泵。
3.实测法
用实验分析的方法测定机械及其零件的 载荷。应变测试－得到应力，应变片、应 变仪。
三、动载荷的分析计算
动载荷包括惯性载荷、振动载荷和冲击 载荷 。 运动速度改变而引起的惯性载荷，振动 和冲击也是惯性载荷dv/dt(或dω/dt)。
第二节 动力装置概述
一、动力装置的组成 动力机又称原动机。是机械设备 中的驱动部分。动力机的输出转矩 与转速之间的关系称为机械特性或 输出特性。 常用的动力机有电动机、内燃机、 液压马达、气压马达等。
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。
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。
3) 持续时间
根据负载特性持续时间的长短对电 动机发热的影响，可分成连续、短时和 断续周期性三种工作制。
连续工作制电动机的工作时间很长， 温升可达稳定值。 短时工作制电动机的工作时间较短， 而间歇时间又相当长。我国设计制造的 这 类 电 动 机 的 工 作 时 间 为 15min 、 30min、60min、90min四种。
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。
二、电动机容量的选择计算
电动机功率的确定主要应考虑电动机的 发热、允许的过载能力和起动能力三个因 素，其中发热问题最为重要。 选择电动机容量的步骤 ： 1）预选电动机容量：按照工作机械的负 载特性绘制工作负载图，即转矩负载图或 功率负载图，据此可初步估算电动机功率， 并预选电动机。
2）绘制电动机的负载图：根据工作机械 的负载图和预选的电动机特性绘制电动 机的负载图，其中包括转矩负载图、电 流负载图或功率负载图 。
优点：技术较为成熟，驱动效率 高，与被驱动的工作机械连接简便 （可用标准联轴器）；有多品种和 规格，可满足不同类型机械的工作 要求；具有良好的调速性能，启动、 制动、反向和调速的控制简单可靠， 可以实现远距离的测量和控制，便 于集中管理和实现生产过程的自动 化。价格较低。
缺点：必须具备相应的电源，对 野外工作的机械及移动式机械常因 缺乏电源而不能选用。
4）气动马达：
分类：通常按照能量转换机构的 结构形式划分为柱塞马达、叶片马 达等。
特点：使用空气作为工作介质， 容易获得；用后可以直接排入大气 而无污染，压缩空气可以进行集中 供给和远距离输送；动作迅速，反 应快，维护简单，成本低；对易燃、 易爆、多尘和振动等恶劣工作环境 的适应性较好。
缺点：因空气具有可压缩性，气动 马达的工作稳定性较差，气动系统的 噪声大；工作压力受到一定的限制不 能太高，输出的转矩不能太大，一般 只适用于小型和轻型的工作机械。
四、工作机械负载图
负载图是表示功率、转矩与时间的关 系图线。若这种关系表示的是工作机械 的情况，称为工作机械负载图。
下图为起重机卷扬机构的负载图。
驱动转矩计算公式为： T-Tz=J· dω/dt
T－驱动转矩，Tz－负载，J－等效转动惯量， ω－角速度。
第三节 动力装置的选择
一、电动机的选择
选择电动机包括类型、结构、容 量、转速、绝缘等级和安全防护等 内容。
2）恒功率负载特性
功率基本保持不变的特性称为恒功率 负载特性。许多加工机床均属于这种负 载特性，粗加工时切削量较大，采用低 速运行，精加工时切削量较小，采用高 速运行。土方机械也属于这类负载特性， 如推土机，工作负载大时转速低，工作 负载小时转速高，因此，负载转矩与转 速成反比。
3）转矩是转速函数的负载特性
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)
1)按负载特性
对恒转矩负载特性的机械，应选 用机械特性为硬特性的电动机；对 恒功率负载特性的机械，应选用变 速直流电动机或可调速的交流异步 电动机。
2)交流和直流
当交直流电机都能满足要求时，因交 流电供电方便，应优先选用交流电动机； 如选用直流电动机则需增设直流电源或 整流设备，费用较高。 交流电动机适用于不需要频繁起动、 制动、反转以及在宽广范围内平滑调速 的机械，其中笼型感应电动机具有价格 便宜、结构简单和维修方便等优点，应 优先选用，其中Y系列应用最多。
在设计机械系统时，选用何种形式的 动力机，主要从以下几个方面考虑： 1）分析工作机械的负载特性和要求， 包括工作机械的载荷特性、工作制度、结 构布局和工作环境等。 2）分析动力机本身的机械特性，包括 动力机的功率、转矩、转速等特性，以及 动力机所能适应的工作环境。使动力机的 机械特性与工作机械的负载特性相匹配。
第二章 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。
二、典型动力装置特点 1）内燃机：
分类：按照不同的分类方法，内燃机可以 分为多种不同的类型。通常情况下，按照燃料 类型和燃烧方式，分为汽油机和柴油机。 优点：功率范围宽，操作简单，启动迅速， 便于移动，用于野外，无法使用电力的时候使 用。 缺点：污染环境，消耗自然资源。
2)电动机
分类：直流电动机和交流电动机。
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：
3）进行经济性比较，当同时可 用多种类型的动力机进行驱动时，经 济性的分析是必不可少的，包括能量 的供应和消耗，动力机的制造、运行 和维修成本的对比等。
除上述三方面外，有些动力机的 选择还要考虑对环境的影响，如空气 和噪声污染等。
例如：
叉车有：内燃叉车和电平叉车，按照 使用场合来选定的。 井下运输车辆、特殊工作间的起重机 都要求：防爆，只能用防爆电动机和 加装防爆装置的内燃机。 铁路运输：有内燃机车和电力机车牵 引，以前还有蒸汽机车。