第三章 動力系統(tǒng)設計

1、動力系統(tǒng)分類動力系統(tǒng)分類二次動力機二次動力機電動機電動機液壓馬達液壓馬達氣動馬達氣動馬達內(nèi)燃機內(nèi)燃機氣輪機氣輪機水輪機水輪機一次動力機一次動力機能源轉(zhuǎn)換性質(zhì)能源轉(zhuǎn)換性質(zhì)工作地點改變工作地點改變工作地點固定工作地點固定交流電動機交流電動機異步電動機異步電動機同步電動機同步電動機他勵直流電動機他勵直流電動機并勵直流電動機并勵直流電動機串勵直流電動機串勵直流電動機直流電動機直流電動機復勵直流電動機復勵直流電動機三相異步三相異步單相異步電動機單相異步電動機鼠籠式鼠籠式繞線式繞線式凸極式凸極式隱極式隱極式步進電動機步進電動機機械特性：機械特性：指電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩（電磁轉(zhuǎn)矩）指電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩（電磁轉(zhuǎn)矩）

2、T與其轉(zhuǎn)速與其轉(zhuǎn)速n之間之間的關(guān)系的關(guān)系 nf（T）。）。調(diào)速性能：調(diào)速性能：包括調(diào)速范圍、調(diào)速的平滑性、調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟性等。包括調(diào)速范圍、調(diào)速的平滑性、調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟性等。恒轉(zhuǎn)矩：恒轉(zhuǎn)矩：轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)，即轉(zhuǎn)速變化時，轉(zhuǎn)矩保持不變。轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)，即轉(zhuǎn)速變化時，轉(zhuǎn)矩保持不變。恒功率：恒功率：轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，而使功率保持不變。轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，而使功率保持不變。交流電動機交流電動機鼠籠式異步電機：鼠籠式異步電機：連續(xù)運行特性好，轉(zhuǎn)速受負載波動影響小，啟動轉(zhuǎn)矩連續(xù)運行特性好，轉(zhuǎn)速受負載波動影響小，啟動轉(zhuǎn)矩較大，適用于不調(diào)速連續(xù)運轉(zhuǎn)負載。較大，適用于不調(diào)速連續(xù)運轉(zhuǎn)負載。優(yōu)點：機械特性好、結(jié)構(gòu)簡單

3、、體積小、價格低。優(yōu)點：機械特性好、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價格低。缺點：啟動電流大，約為額定電流的缺點：啟動電流大，約為額定電流的57倍。倍。應用：泵、運輸機、一般運動機構(gòu)。應用：泵、運輸機、一般運動機構(gòu)。交流異步電動機交流異步電動機繞線式異步電機：繞線式異步電機：v優(yōu)點：機械特性硬，起動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速方法多，調(diào)速優(yōu)點：機械特性硬，起動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速方法多，調(diào)速 性能好。性能好。v缺點：結(jié)構(gòu)較復雜，價格較高。缺點：結(jié)構(gòu)較復雜，價格較高。v應用：空氣壓縮機、氣泵等不調(diào)速連續(xù)運轉(zhuǎn)大功率負應用：空氣壓縮機、氣泵等不調(diào)速連續(xù)運轉(zhuǎn)大功率負 載或電梯、卷揚機等起重機械。載或電梯、卷揚機等起重機械。交流同步電動機交

4、流同步電動機 在繞組內(nèi)通以交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，吸引轉(zhuǎn)子同在繞組內(nèi)通以交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，吸引轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)?？捎米冾l裝置通過交流電源的頻率變化實現(xiàn)變步旋轉(zhuǎn)?？捎米冾l裝置通過交流電源的頻率變化實現(xiàn)變速功能。有較寬的調(diào)速范圍和功率范圍。速功能。有較寬的調(diào)速范圍和功率范圍。優(yōu)點：機械特性硬，轉(zhuǎn)動慣量小，快速性好。精度高。優(yōu)點：機械特性硬，轉(zhuǎn)動慣量小，快速性好。精度高。缺點：結(jié)構(gòu)復雜、變頻裝置價格高、調(diào)速復雜。缺點：結(jié)構(gòu)復雜、變頻裝置價格高、調(diào)速復雜。應用：鼓風機、壓縮機、軋鋼機、球磨機等。應用：鼓風機、壓縮機、軋鋼機、球磨機等。直流電動機直流電動機工作原理：工作原理： 利用電刷和換相片，使通有直流

5、電的轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。利用電刷和換相片，使通有直流電的轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。 改變直流電壓，便可變換轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，這種方法稱為電改變直流電壓，便可變換轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，這種方法稱為電樞控制調(diào)速法。定子磁場強度不變，輸出轉(zhuǎn)矩可以達到樞控制調(diào)速法。定子磁場強度不變，輸出轉(zhuǎn)矩可以達到額定制，又稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速法。額定制，又稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速法。 通過改變定子繞組電壓來變換磁場強度，可實現(xiàn)恒功通過改變定子繞組電壓來變換磁場強度，可實現(xiàn)恒功率調(diào)速。率調(diào)速。直流電動機特點直流電動機特點v精度高、響應快、調(diào)速范圍寬。精度高、響應快、調(diào)速范圍寬。調(diào)速性能好。一般多用他勵直流電動機，只需改變調(diào)速性能好。一般多用他勵直流電動機，只需改變電樞電

6、壓，便可實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，而且機械特性較電樞電壓，便可實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，而且機械特性較硬，調(diào)速范圍大。硬，調(diào)速范圍大。如果采用恒功率調(diào)速，即降低勵磁電流，電動機轉(zhuǎn)如果采用恒功率調(diào)速，即降低勵磁電流，電動機轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)矩減小，則可實現(xiàn)比電動機額定轉(zhuǎn)速更速升高，轉(zhuǎn)矩減小，則可實現(xiàn)比電動機額定轉(zhuǎn)速更高范圍內(nèi)的調(diào)速。高范圍內(nèi)的調(diào)速。v結(jié)構(gòu)復雜，維護困難，價格高。結(jié)構(gòu)復雜，維護困難，價格高。v直流伺服電動機用于對執(zhí)行元件的位移精度或速度精直流伺服電動機用于對執(zhí)行元件的位移精度或速度精 度要求較高的場合。度要求較高的場合。v 根據(jù)負載的轉(zhuǎn)矩和功率：根據(jù)負載的轉(zhuǎn)矩和功率：當工藝或負載要求恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，選用電樞控

7、制調(diào)速；當工藝或負載要求恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，選用電樞控制調(diào)速；要求恒功率調(diào)速時，選用磁場控制調(diào)速法；要求恒功率調(diào)速時，選用磁場控制調(diào)速法；按轉(zhuǎn)速分段要求時，選用混合調(diào)速法。按轉(zhuǎn)速分段要求時，選用混合調(diào)速法。v 根據(jù)執(zhí)行元件的質(zhì)量：根據(jù)執(zhí)行元件的質(zhì)量：直流電動機按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為小慣量和大慣量電動機兩種。直流電動機按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為小慣量和大慣量電動機兩種。前者加速時間短，響應快，但散熱差，溫升高，導致功率前者加速時間短，響應快，但散熱差，溫升高，導致功率和轉(zhuǎn)矩小；和轉(zhuǎn)矩小；后者輸出轉(zhuǎn)矩大、功率大。后者輸出轉(zhuǎn)矩大、功率大。 直流電動機的選用直流電動機的選用步進電機步進電機功能：功能：將輸入的電脈沖信號轉(zhuǎn)換為相

8、應的角位移，其角位將輸入的電脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應的角位移，其角位移量與輸入脈沖數(shù)成正比，而步進電機的轉(zhuǎn)速與脈移量與輸入脈沖數(shù)成正比，而步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。容易用微機實現(xiàn)數(shù)字控制。沖頻率成正比。容易用微機實現(xiàn)數(shù)字控制。分類：分類：按轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理可分為反應式（可變磁阻型）、按轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理可分為反應式（可變磁阻型）、永磁式和混合式。永磁式和混合式。步進電機驅(qū)動的特點：步進電機驅(qū)動的特點：步進電機的工作狀態(tài)不易受干擾（電壓、電流、步進電機的工作狀態(tài)不易受干擾（電壓、電流、溫度等的變化）因素的影響；溫度等的變化）因素的影響；步進電機的角位移與輸入脈沖成正比；步進電機的角位移與輸入脈沖成正比

9、；步進電機的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比；步進電機的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比；步進電機具有自鎖功能；步進電機具有自鎖功能；步進電機的步距角有誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)后，步進電機的步距角有誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)后，累積誤差為零。累積誤差為零。步進電機的驅(qū)動電源比較復雜、價格高。步進電機的驅(qū)動電源比較復雜、價格高?？刂菩阅芎??？刂菩阅芎谩２竭M電機選用步進電機選用v 最大靜轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax；v 運行矩頻特性；運行矩頻特性；v 最高啟動頻率；最高啟動頻率；v 角位移分辨力；角位移分辨力；v 靜態(tài)步距角誤差。靜態(tài)步距角誤差。應用舉例：應用舉例：中小型設備和儀器、儀表等。中小型設備和儀器、儀表等。電動機的選擇

10、電動機的選擇 工作機械的工藝特點；工作機械的工藝特點； 電動機自身所具有的特點電動機自身所具有的特點: 兩方面內(nèi)容：兩方面內(nèi)容： 電動機的機械特性；電動機的機械特性； 調(diào)速性能；調(diào)速性能； 結(jié)構(gòu)型式、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速、工作方式。結(jié)構(gòu)型式、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速、工作方式。預選預選校校驗驗YN電動機容量計算（電動機容量計算（1）1、連續(xù)恒負載運行、連續(xù)恒負載運行9550T nP 2、連續(xù)周期性變化負載、連續(xù)周期性變化負載211neiiiTT tTLdynTTT5.1.5 電動機容量計算（電動機容量計算（2）3、短時工作制的電動機、短時工作制的電動機考慮過載能力的情況下，校驗啟動轉(zhuǎn)矩。考慮過載能力的

11、情況下，校驗啟動轉(zhuǎn)矩。4、斷續(xù)周期工作制的電動機、斷續(xù)周期工作制的電動機以負載持續(xù)率（以負載持續(xù)率（FC）來標定它的額定功率。）來標定它的額定功率。電動機的調(diào)速方式電動機的調(diào)速方式交流電動機：交流電動機：直流電動機：直流電動機：電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速串極調(diào)速串極調(diào)速變極調(diào)速變極調(diào)速轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速改變電樞電壓調(diào)速改變電樞電壓調(diào)速電樞串電阻調(diào)速電樞串電阻調(diào)速PWM直流調(diào)整系統(tǒng)直流調(diào)整系統(tǒng)變頻調(diào)速變頻調(diào)速雙閉環(huán)直流調(diào)速雙閉環(huán)直流調(diào)速數(shù)字式直流調(diào)速數(shù)字式直流調(diào)速改變勵磁的恒功率調(diào)速改變勵磁的恒功率調(diào)速160(1)fnsp2eemURnTCC C電電動動機機調(diào)調(diào)速速方方式式比

12、比較較液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動 液壓傳動系統(tǒng)主要由作為動力源的液壓泵、液壓傳動系統(tǒng)主要由作為動力源的液壓泵、執(zhí)行元件的液壓缸或者液壓馬達以及用作控制元執(zhí)行元件的液壓缸或者液壓馬達以及用作控制元件的各種液壓閥組成。件的各種液壓閥組成。 特別適用于重載、高速的場合。例如各種工特別適用于重載、高速的場合。例如各種工程機械、機床、輸送設備等。近年來，高精度控程機械、機床、輸送設備等。近年來，高精度控制液壓元器件的應用也日益增加。制液壓元器件的應用也日益增加。液壓泵液壓泵 液壓泵是將機械能轉(zhuǎn)化為液壓能的裝置，是液壓液壓泵是將機械能轉(zhuǎn)化為液壓能的裝置，是液壓系統(tǒng)的動力源。系統(tǒng)的動力源。工作原理：工作原理： 利用轉(zhuǎn)

13、子的轉(zhuǎn)動在泵進油口處形成局部真空，在大利用轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動在泵進油口處形成局部真空，在大氣壓的作用下將液壓油壓入泵，然后泵再將液壓油壓入氣壓的作用下將液壓油壓入泵，然后泵再將液壓油壓入液壓工作系統(tǒng)。分為非容積泵（動壓泵）和容積泵（靜液壓工作系統(tǒng)。分為非容積泵（動壓泵）和容積泵（靜壓泵）。壓泵）。 非容積泵包括葉輪式離心泵和螺旋漿式軸流泵。一非容積泵包括葉輪式離心泵和螺旋漿式軸流泵。一般用于低壓、大流量、小功率場合。般用于低壓、大流量、小功率場合。 容積泵包括齒輪泵、葉片泵、柱塞泵等。尺寸小、容積泵包括齒輪泵、葉片泵、柱塞泵等。尺寸小、壓力高、容積效率高。壓力高、容積效率高。液壓馬達液壓馬達 液壓馬達

14、是將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能，并帶動負載旋液壓馬達是將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能，并帶動負載旋轉(zhuǎn)的液壓部件。包括齒輪馬達、葉片馬達、柱塞馬達、轉(zhuǎn)的液壓部件。包括齒輪馬達、葉片馬達、柱塞馬達、擺線齒輪馬達以及擺動液壓馬達等。擺線齒輪馬達以及擺動液壓馬達等。 選擇時，需要考慮工作壓力、轉(zhuǎn)速范圍、運行扭矩、選擇時，需要考慮工作壓力、轉(zhuǎn)速范圍、運行扭矩、總效率、容積效率、滑差率以及安裝條件等因素?？傂省⑷莘e效率、滑差率以及安裝條件等因素。 1）首先根據(jù)使用條件和要求確定馬達的種類，并）首先根據(jù)使用條件和要求確定馬達的種類，并根據(jù)系統(tǒng)所需的轉(zhuǎn)速和扭矩以及馬達的特性曲線確定壓根據(jù)系統(tǒng)所需的轉(zhuǎn)速和扭矩以及馬達的特性曲線

15、確定壓力降、流量和總效率。力降、流量和總效率。 2）然后確定其它管路配件和附件。）然后確定其它管路配件和附件。液壓缸液壓缸 液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能，并輸出直線運動液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能，并輸出直線運動的能量轉(zhuǎn)換裝置。的能量轉(zhuǎn)換裝置。 選擇時，要根據(jù)缸速和負載大小來初步確定液壓缸選擇時，要根據(jù)缸速和負載大小來初步確定液壓缸的內(nèi)徑和工作壓力。的內(nèi)徑和工作壓力。 1）一般使用雙作用液壓缸；）一般使用雙作用液壓缸； 2）考慮負載運動距離，并依次確定液壓缸行程；）考慮負載運動距離，并依次確定液壓缸行程； 3）根據(jù)使用場合確定液壓缸結(jié)構(gòu)；）根據(jù)使用場合確定液壓缸結(jié)構(gòu)； 4）根據(jù)負載特性和運動形

16、式考慮合）根據(jù)負載特性和運動形式考慮合 適的安裝方式。適的安裝方式。液壓傳動的優(yōu)缺點液壓傳動的優(yōu)缺點優(yōu)點：優(yōu)點：易于把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線往復運動；易于把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線往復運動；容易實現(xiàn)無級變速；容易實現(xiàn)無級變速；可以和電液結(jié)合使用，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)和自動控制?？梢院碗娨航Y(jié)合使用，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)和自動控制。缺點：缺點： 容易泄漏，污染環(huán)境容易泄漏，污染環(huán)境液壓系統(tǒng)的設計液壓系統(tǒng)的設計常用壓力的確定：常用壓力的確定： 操作系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)。操作系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)。擬定液壓系統(tǒng)原理圖；擬定液壓系統(tǒng)原理圖；確定液壓系統(tǒng)流量；確定液壓系統(tǒng)流量；選擇合適的執(zhí)行元件；選擇合適的執(zhí)行元件；液壓系統(tǒng)

17、的校核。液壓系統(tǒng)的校核。 發(fā)熱量計算、管路壓力損失發(fā)熱量計算、管路壓力損失氣動驅(qū)動氣動驅(qū)動 氣動系統(tǒng)按照功能可分為傳動系統(tǒng)和邏輯系氣動系統(tǒng)按照功能可分為傳動系統(tǒng)和邏輯系統(tǒng)。一般包括氣壓發(fā)生部、控制部、執(zhí)行部、輔統(tǒng)。一般包括氣壓發(fā)生部、控制部、執(zhí)行部、輔助部等。助部等。 氣動系統(tǒng)特點是在氣源上有一個過濾器調(diào)氣動系統(tǒng)特點是在氣源上有一個過濾器調(diào)壓閥油霧器組合元件，在調(diào)節(jié)壓縮氣體壓力的壓閥油霧器組合元件，在調(diào)節(jié)壓縮氣體壓力的同時過濾氣體，并在氣體中加入足量的潤滑劑，同時過濾氣體，并在氣體中加入足量的潤滑劑，減少對元件的磨損。減少對元件的磨損。 氣體執(zhí)行件主要包括氣缸和氣馬達。氣體執(zhí)行件主要包括氣缸和

18、氣馬達。氣動系統(tǒng)的優(yōu)缺點氣動系統(tǒng)的優(yōu)缺點結(jié)構(gòu)簡單、易于維護；結(jié)構(gòu)簡單、易于維護；適應性好，可在惡劣的條件下可靠工作；適應性好，可在惡劣的條件下可靠工作；工作壽命長，運行成本低；工作壽命長，運行成本低；工作介質(zhì)容易獲得，無污染，可遠距離和集中供氣；工作介質(zhì)容易獲得，無污染，可遠距離和集中供氣；執(zhí)行元件輸出速度較高；執(zhí)行元件輸出速度較高；具有過載保護功能。具有過載保護功能。由于空氣的可壓縮性，使得工作的穩(wěn)定性較差；由于空氣的可壓縮性，使得工作的穩(wěn)定性較差；噪聲大，在高速排氣時要設置相應的消聲裝置；噪聲大，在高速排氣時要設置相應的消聲裝置；缺點：缺點：5.3.2 氣動系統(tǒng)的設計氣動系統(tǒng)的設計選定執(zhí)行

19、器；選定執(zhí)行器；確定回路壓力；確定回路壓力；確定循環(huán)時間；確定循環(huán)時間；確定元件和配管尺寸；確定元件和配管尺寸；控制方式的選擇：連續(xù)、電氣、氣動、程序器控制?？刂品绞降倪x擇：連續(xù)、電氣、氣動、程序器控制。設計氣動回路，同時考慮安全措施；設計氣動回路，同時考慮安全措施；設計氣源：氣罐容積，壓縮機容量、壓力和數(shù)量。設計氣源：氣罐容積，壓縮機容量、壓力和數(shù)量。其它措施。其它措施。n三種方法：類比法、計算法和實測法。三種方法：類比法、計算法和實測法。1 1類比法類比法 參照同類或相近的機械，根據(jù)經(jīng)驗或簡單的計算參照同類或相近的機械，根據(jù)經(jīng)驗或簡單的計算確定所設計機械的載荷，這種方法稱為類比法。它確定所

20、設計機械的載荷，這種方法稱為類比法。它主要應用在載荷較難確定的情況或初步設計階段。主要應用在載荷較難確定的情況或初步設計階段。仿造（測繪）仿造（測繪） 使用類比法確定載荷一般需要一定的實際經(jīng)驗，使用類比法確定載荷一般需要一定的實際經(jīng)驗，否則容易出現(xiàn)載荷過大或過小的情況。應用類否則容易出現(xiàn)載荷過大或過小的情況。應用類比法時?？刹捎孟嗨圃磉M行推斷，其中常用比法時?？刹捎孟嗨圃磉M行推斷，其中常用的有：的有： 幾何類比幾何類比 是在設計新機械時，首先需要確是在設計新機械時，首先需要確定能表征該設備能力的幾何尺寸，并根據(jù)現(xiàn)有定能表征該設備能力的幾何尺寸，并根據(jù)現(xiàn)有這類機械的尺寸與載荷之間的關(guān)系。這類

21、機械的尺寸與載荷之間的關(guān)系。 動力類比動力類比 是選擇一種同類的機械，調(diào)查其實是選擇一種同類的機械，調(diào)查其實際使用的動力機容量大小，如電動機的轉(zhuǎn)矩、際使用的動力機容量大小，如電動機的轉(zhuǎn)矩、功率等，然后用簡單的類比關(guān)系確定所設計機功率等，然后用簡單的類比關(guān)系確定所設計機械的動力，以此作為依據(jù)來推算機械及其零部械的動力，以此作為依據(jù)來推算機械及其零部件所受的載荷。件所受的載荷。 2. 實測法實測法 用實驗分析的方法測定機械及其零件的載荷。用實驗分析的方法測定機械及其零件的載荷。應變測試得到應力，應變片、應變儀應變測試得到應力，應變片、應變儀 3計算法計算法 計算法即根據(jù)機械的功率要求和結(jié)構(gòu)特點運用計算法即根據(jù)機械的功率要求和結(jié)構(gòu)特點運用各種力學原理、經(jīng)驗公式或圖表等計算確定載各種力學原理、經(jīng)驗公式或圖表等計算確定載荷的方法。荷的方法。 飛輪矩：回轉(zhuǎn)體的重量飛輪矩：回轉(zhuǎn)體的重量G和當量回轉(zhuǎn)直徑和當量回轉(zhuǎn)直徑D平方平方的乘積，即的乘積，即GD2 。 它是一種考慮機械運動慣性的動力學計算方法，它是一種考慮機