机械系统设计-4.ppt

机械系统设计动力系统,掉,： 钟宇光,机电工程学院703教研室 钟宇光,动力参数是指电动机的额定功率、液压缸的牵引力、液压马达、气动马达、伺服电机或步进电机额定转矩等 由于执行系统及传动系统中的所有零、部件的参数（轴的直径、齿轮和涡轮的模数等等）都是根据动力参数来计算获得的 因此，动力机的动力参数选择是至关重要的按能量转换性质的不同，动力机可分为：一次动力机：把自然界的能源(一次能源-风能、水能、太阳能、核能、石油、煤)转变为机械能（二次能源）的机械，如内燃机、汽轮机、燃气轮机等二次动力机：把二次能源(如电能、液能、气能)转变成机械能的机械，如电动机、液压马达、气压马达等由于经济上的原因，动力机输出的运动通常为转动，而且转速较高4.1 载荷类型及其确定方法,4.1.1 工作机械的负载特性 4.1.2 载荷类型 1. 按载荷产生的来源分工作载荷：驱动载荷：起重机 制动载荷：制动器 阻力载荷：带式输送机、车辆的摩擦阻力，曲柄压力机的曲轴转矩动力载荷：惯性载荷 （弹性）振动载荷 冲击（振动）载荷自然载荷：自重载荷 风力载荷 水力载荷 温度载荷2. 按载荷表示的形式分力 力矩 转矩 压力 功率 加速度3. 按载荷是否随时间变化分静载荷：是指大小、方向和位置都不变的载荷(如自重)。

动载荷：是指大小、方向或位置随时间变化的载荷课题的目的,载荷历程：载荷时间历程的简称载荷随时间的变化4. 按动载荷的载荷历程分周期载荷: 载荷的幅值和频率在某一时域保持不变简谐载荷：以正弦规律变化的载荷是最简单的一种周期载荷冲击载荷：特点是作用时间短、幅值变化较大常按一般周期载荷来处理复杂周期载荷：可分解成无限个简谐载荷的叠加(即由许多正弦波组成的傅里叶级数)即可表示为均值为a0/2的静态分量与谐波分量的叠加形式，谐波分量用幅值cn、谐波角频率n0(其中0为基频)和相位角n三个要素来描述非周期载荷: 载荷的幅值和频率都随时间变化其变化有一定规律并可重复，可用一定的数学公式来表达准周期载荷：是由若干个频率比是有理数的正弦量合成的载荷，它仍可用周期载荷的处理方法(频率比是有理数的正弦载荷合成后仍是周期载荷)瞬变载荷：除准周期载荷之外的非周期载荷，对它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随机载荷: 是时间的函数，不可能用确定的数学关系来描述，其具有：不可重复性：其每次的观测结果都不一样不可预测性：不可能预测它未来某一时刻的精确值但在正常的使用条件下，对某一具体机械，它又具有统计规律，例：汽车、拖拉机、船舶等的工作载荷。

由于其不确定性，因而只能采用统计的方法来获得它们的统计规律5. 各种载荷的处理静载荷：它的处理较为简单，可用静强度判据来设计计算动载荷：为了简化计算，也采用名义载荷乘以大于1的动载因数的办法，将动载荷转化为静载荷进行近似的设计计算周期载荷和非周期载荷为确定性载荷，即可对周期载荷进行傅里叶展开，对非周期载荷进行傅里叶变换以获得它们的变化规律，从而利用疲劳强度理论进行设计计算随机载荷：是一种无规律的不重复的载荷，对它只能进行统计处理4.1.3 载荷的确定方法机械设计需根据机械的功能预先确定载荷在确定载荷时，有国家标准的应优先采用国家标准，没有国家标准的，则根据经验或参照其他设计确定确定载荷通常有三种方法：类比法，计算法，实测法对于一些复杂的难以确定的载荷，可以把上述几种方法结合起来使用 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它主要应用在载荷较难确定的场合或设计的初步阶段，也可用在不需精确确定载荷的情况应用类比法需要一定的实际经验，通常采用几何尺寸类比和动力类比等 几何尺寸类比关系式 动力类比关系式 或 式中F1、L1、P1、T1、现设计机械的载荷、尺寸； F2、L2、P2、T2、现有机械的载荷、尺寸；f(L)该类机械的尺寸L和载荷间的函数关系。

T=FD/2 Nm，P= Tn/9549kW，P= Fv/1000= T/1000 kW,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它主要应用在载荷较难确定的场合或设计的初步阶段，也可用在不需精确确定载荷的情况应用类比法需要一定的实际经验，通常采用几何尺寸类比和动力类比等 几何尺寸类比关系式 动力类比关系式 或 式中F1、L1、P1、T1、现设计机械的载荷、尺寸；F2、L2、P2、T2、现有机械的载荷、尺寸；f(L)该类机械的尺寸L和载荷间的函数关系T=FD/2 Nm，P= Tn/9549kW，P= Fv/1000= T/1000 kW,2. 计算法根据机械的功能要求和结构特点，运用静力学、动力学、经验公式或图表等计算确定载荷的方法例如：重力载荷mg(m为物体的质量，g为重力加速度)；移动部分的惯性载荷Fma(m为物体的质量，a为物体的加速度)；物体所受的摩擦载荷FFn(为摩擦因数，Fn为正压力)等3. 实测法用实验分析测定载荷的方法如果所设计的机械属于创新或研制，无可借鉴和参考，且载荷的确定较重要时，则需通过模型或原型由实测法精确确定当表征载荷的参数难以直接测量时，必须将它们转换为其他参数，对转换后的参数进行测量。

目前广泛采用的方法是将各种非电量的被测参数转化成电量参数进行测量(常称非电量的电测法)，这种方法具有以下优点：可将不同的被测参数转换成相同的电量参数，因此可以使用相同的测量和记录仪器；输出的信号可以作远距离传输，有利于远距离操作和自动控制；采用电测法可对变化中的参数进行动态测量，可测量和记录其瞬时值及变化过程； 易于同许多后续的数据处理仪器联用，从而能够对复杂的结果进行计算和处理1.1.3 机械系统的组成,4. 工作机械的工作制机械工作的持续状况，如连续、断续、短时工作等不同机械对工作制的表示形式有所不同，有的机械根据工艺需要或工程实践用载荷时间特性曲线表示；标准减速器、通用机械等用每天工作小时数或每天几班制工作的形式，在使用因数(或工况因数)KA中考虑一般用负载持续率FC表示 FC tw/(tw+ t0)100% 式中 tw机械工作时间；t0机械停歇时间载荷类型反映载荷在数值上随时间变化的特性，工作制反映负载持续状况，二者对机械零部件的承载能力和动力机的选择都有影响4.2 随机载荷的处理4.2.1 随机载荷的简化1. 几个概念随机变量: 不能用确定的数学关系来描述的变量采样：由现场实测获得随机载荷。

子样：每一次采样得到的一个样本函数图4-2随机过程：由n个样本函数的集合所形成一般，任何有限多个样本函数都无法恰当地代表一个随机过程2. 描述随机过程的基本统计特征均值：也称数学期望，随机变量概率分布集中程度的尺度n个随机变量的均值为 标准偏差：随机变量与均值之差的均方根值n个随机变量的标准偏差为方差：随机变量概率分布相对于均值分散程度的尺度n个随机变量的方差为 自相关函数：随机变量在时刻t时的值与时刻时的值的乘积的平均值n个随机变量的自相关函数为,3. 随机过程的类型平稳随机过程：随机过程的统计特性不随时间变化，即其均值、方差及自相关函数均与时刻t无关简称平稳过程或稳态过程非平稳随机过程：随机过程的统计特性随时间变化，即其均值、方差及自相关函数均与时刻t有关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率分布相同的平稳随机过程，即一个平稳随机过程在任何时刻得到的样本都与在另一时刻得到的另一样本相同 数学上可表示为xi(t)= xj(t-K)， i、j=1，2，ij 式中K某一时间延迟步数各态历经的随机过程必然是平稳随机过程，但此话不可逆理论上：应为无穷多个样本才能充分反映随机过程的特征。

实际上：对测得的有限多个随机载荷样本进行处理，以获得能进行疲劳强度计算和试验的载荷谱而对各态历经的随机过程则要简单得多，只要获得一个样本即可由于载荷处理的需要，同时也为了简化处理过程，常把随机载荷近似看成各态历经的随机过程4.2.2 载荷谱的编制1. 载荷谱与编谱要求工作谱：或称使用谱原始记录的载荷时间历程载荷谱：能反映载荷随时间变化的、具有统计特征的载荷时间历程编谱：将工作谱处理成载荷谱的过程对编谱有下述要求：选取的载荷子样必须具有典型性和代表性；使用编制的载荷谱进行疲劳计算或试验时，所得寿命能尽量接近实际机械的工作寿命；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. 编谱的两种方法(1)功率谱法：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原理：借助于傅里叶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，从幅值和频率两个方面的变化比较全面地反映了随机载荷的统计规律特点：它的分析计算比较复杂，需要专门的谱分析仪器，限制了它的广泛应用2)循环计数法：是一种比较简便的随机载荷处理方法原理：把载荷时间历程离散成一系列的峰值和谷值，然后计算载荷的峰值和谷值，运用不同的计数规则，计算峰值或幅值发生的频次和频率，再利用数理统计的方法确定峰值或幅值变化的概率密度函数、概率分布函数等，绘制载荷变化的频率直方图，由此得到进行机械设计(尤其是零部件疲劳强度计算)所需要的载荷谱。

特点：方法比较简单 它具有充分的力学根据，考虑了造成疲劳损伤的主要因素载荷幅值的变化，国内外应用广泛 由此进行的疲劳寿命计算比较接近实际但不能给出载荷变化的先后顺序和频率分布，对疲劳计算结果有一定的影响3. 循环计数法的编谱步骤：测量实际的载荷时间历程对实际的载荷时间历程作离散化处理，只记取起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使用循环计数法计算峰值或幅值对计数结果进行统计，计算出各载荷区间内所具有频次、频率、累积频次和累积频率等统计量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4. 常用的循环计数法峰值计数法穿级计数法幅程计数法雨流计数法使用不同的循环计数方法会得到不同的结果4.2.3 雨流计数法由M.Matsuishi和T.Endo提出1. 计数原理图4-3c这样表示的载荷历程形同一座宝塔，雨点依次向下流动，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每个载荷循环如采用在疲劳寿命计算时，就是相应于一个应力循环2. 计数规则 (不同于教材)重新安排载荷历程，以最高峰值或最低谷值为雨流的起点(视二者的绝对值哪一个更大而定)；雨流依次从每个峰值或谷值的内侧往下流，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；当雨流遇到来自上面屋顶流下的雨流时即行停止；取出所有的全循环，并记录下各自的幅值和均值。

4.2.4 频率直方图和累积频次曲线 对以上的计数结果利用数理统计的方法进行处理，可以得到机械设计所需的载荷谱，而频率直方图和概率密度函数被广泛应用，可根据设计需要选取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组左右，求出每一组中峰值或幅值出现的频次n，累积频次Ni，相应的频率pini/Ns及累积频率PiNi /Ns其中，Ns为计数得到的总数据量，即ni的和；ni为某一范围载荷值所出现的累积频次式中，ki各项评价指标的总分；n 评价指标数4.3 动力机的选择动力机：又称原动机，是机械设备中的驱动部分动力机的机械特性或输出特性：动力机的输出转矩与转速之间的关系4.2.1 选用动力机的依据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、结构布置等；分析动力机本身的机械特性，以确定与工作机械相匹配的动力机类型；动力机容量计算：容量：动力机功率的大小功率与转矩、转速间的关系为 Pn= Tn nn /9549 或 Tn =9549Pn/nn 式中，Pn动力机的额定功率，kW；Tn动力机的额定转矩，Nm；nn动力机的额定转速,r/min进行经济性分析包括能源的供应和消耗，动。