淺議機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能基本原理的分析及應(yīng)用

1、淺議機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能基本原理的分析及應(yīng)用    摘要：本文通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)能、其他輸出力和無(wú)用損耗力所消耗功率的研究，得出機(jī)械節(jié)能的方法。 關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；節(jié)能 中圖分類(lèi)號(hào)：TE08文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1基于動(dòng)能的機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能方法證明 人們以往對(duì)系統(tǒng)動(dòng)能變化率對(duì)輸入功率的影響研究,主要對(duì)機(jī)器工作過(guò)程中經(jīng)過(guò)“起動(dòng)-工作(勻速)-減速”3個(gè)階段中的第1和第3階段進(jìn)行分析。雖然也對(duì)不勻速的第2階段進(jìn)行分析研究,但主要是針對(duì)機(jī)器周期性速度波動(dòng)和非周期性速度波動(dòng)的如何調(diào)節(jié),為提高使用壽命、工作精度進(jìn)行研究,很少涉及到功率問(wèn)題。所以,還應(yīng)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)能的變化率對(duì)輸

2、入功率的影響進(jìn)行分析研究。 機(jī)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在其內(nèi)部所有運(yùn)動(dòng)件均按設(shè)計(jì)要求作各自的運(yùn)動(dòng)(平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和平面運(yùn)動(dòng)等),故該系統(tǒng)動(dòng)能T可表示為 (1) 式中:Ici為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;i為角速度;mi為質(zhì)量;vci為速度。 對(duì)式(1)求導(dǎo),可得系統(tǒng)動(dòng)能變化率為 (2) 式中:i為角加速度;ci為加速度。分析式(1)可得出如下結(jié)論: 短時(shí)間內(nèi),系統(tǒng)動(dòng)能在最大范圍內(nèi)變化,或系統(tǒng)動(dòng)能在制動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有得到回收或轉(zhuǎn)換而白白浪費(fèi)等,均是系統(tǒng)動(dòng)能變化率引起輸入的功率較高和能量沒(méi)有得到充分利用的原因;若系統(tǒng)動(dòng)能為常量,則系統(tǒng)動(dòng)能的變化率所需輸入的功率為0,與速度的大小無(wú)關(guān)。 為了便于分析,將系統(tǒng)動(dòng)能表示為由多個(gè)用周期函數(shù)

3、表示的動(dòng)能的疊加組合,計(jì)算式為 (3) 則系統(tǒng)動(dòng)能變化率又可表示為 (4) 式中:為基頻;b0為待定常數(shù);t為時(shí)間;Bji為幅值;jib為相位角。 分析可得如下結(jié)論:系統(tǒng)動(dòng)能的變化率的大小取決于系統(tǒng)動(dòng)能變化的最大幅值B和變化時(shí)間t,在相同時(shí)間內(nèi)最大幅值B越小,則系統(tǒng)動(dòng)能的變化率越小;系統(tǒng)動(dòng)能變化的最大幅值由機(jī)器內(nèi)各部件的動(dòng)能的初相位決定;當(dāng)系統(tǒng)動(dòng)能的變化率呈周期性變化,在設(shè)計(jì)時(shí)既要滿(mǎn)足提高使用壽命、工作精度,還要達(dá)到節(jié)能要求,此時(shí),可配置一個(gè)相同系統(tǒng)動(dòng)能的變化率呈周期性變化機(jī)構(gòu),2個(gè)系統(tǒng)動(dòng)能的初相位相差角度。 綜上所述,歸納如下:引起系統(tǒng)動(dòng)能變化率較高和沒(méi)有得到充分利用的原因?yàn)?，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)動(dòng)

4、能在最大范圍內(nèi)變化;系統(tǒng)動(dòng)能在整個(gè)工作過(guò)程中沒(méi)有得到回收或轉(zhuǎn)換?；趧?dòng)能的機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能方法,在設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)時(shí),只要使系統(tǒng)的動(dòng)能為常量,或在最小范圍內(nèi)變化;若機(jī)器系統(tǒng)動(dòng)能的變化率呈周期性變化,還可再設(shè)計(jì)一個(gè)與原周期變化相同的機(jī)構(gòu),使2個(gè)系統(tǒng)動(dòng)能的初相位相差角度;對(duì)于制動(dòng)頻繁的機(jī)器或工作裝置,應(yīng)設(shè)計(jì)一套將能量(動(dòng)能、勢(shì)能)儲(chǔ)存或轉(zhuǎn)換系統(tǒng);則維持系統(tǒng)正常工作所需輸入的功率將會(huì)降低和能量得到充分利用。系統(tǒng)的動(dòng)能為常量和在最小范圍內(nèi)變化的必充條件是,各動(dòng)能2個(gè)相鄰的初始相位角的之差為或在附近。 2降低其他輸出力消耗功率NSF措施的論證 機(jī)器在工作過(guò)程中的輸出力,針對(duì)不同的工作對(duì)象便以不同的形式表示,如車(chē)

5、輛的輸出力,包括行駛阻力、坡道阻力、慣性阻力等;刨床的輸出力為刨刀的削力;振動(dòng)機(jī)械的輸出力還包括激振力;液壓機(jī)械的輸出力為推力或扭矩(與油壓和流量有關(guān))等。由此分析可得出,機(jī)器輸出力是由不同形式的力組成的。 除了重力外,其他輸出力在少數(shù)情況為常量,在多數(shù)工作狀態(tài)為變量,若將其中某一輸出力Fsi與其速度vsi的乘積可表示為某輸出力消耗功率NSFi,或?qū)⑵漭敵雠ぞ豈si與其角速度si的乘積可表示為某輸出力消耗功率NSF。則輸出力消耗功率NSF可表示為 (5) 根據(jù)機(jī)器檢測(cè)的數(shù)據(jù)結(jié)果,式(5)中每個(gè)輸出力Fsi、Msi的工作速度,仍然以周期性的變化顯示。根據(jù)周期函數(shù)的性質(zhì),周期函數(shù)無(wú)論是與常數(shù)還是其

6、他任意函數(shù)的乘積,其結(jié)果為周期函數(shù)和非周期函數(shù)2種。所以機(jī)器系統(tǒng)其他輸出力消耗功率NSF可以看作為多個(gè)周期函數(shù)和非周期函數(shù)的合成?，F(xiàn)將其以多個(gè)周期函數(shù)合成表示為 (6) 式中:為基頻;c0為待定常數(shù);Cji為幅值;jic為相位角。 分析結(jié)果可得:以周期函數(shù)和非周期函數(shù)表示的其他輸出力消耗功率在較大范圍內(nèi)變化時(shí)所需匹配的平均功率較大;其他輸出力消耗功率的變化與每個(gè)輸出力Fsi、Msi和其工作速度vsi、si有關(guān);當(dāng)其他輸出力消耗功率在較大范圍內(nèi)變化,則每個(gè)輸出力Fsi、Msi或系統(tǒng)動(dòng)能必然在較大范圍內(nèi)變化。若要將其他輸出力消耗功率降低,則以周期函數(shù)和非周期函數(shù)表示的其他輸出力消耗功率應(yīng)在較小范圍

7、內(nèi)變化,其充分必要條件是每個(gè)輸出力Fsi、Msi的工作速度vsi、si的乘積所表示的周期函數(shù)或非周期函數(shù)的相位應(yīng)相差。 綜上所述,歸納如下:引起其他輸出力消耗功率較高的原因?yàn)?短時(shí)間內(nèi)輸出力Fsi、Msi或系統(tǒng)動(dòng)能在最大范圍內(nèi)變化;降低其他輸出力消耗功率NSF的措施,在設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)時(shí),只要使以周期函數(shù)和非周期函數(shù)表示的其他輸出力消耗功率應(yīng)在較小范圍內(nèi)變化,則維持系統(tǒng)正常工作所需輸入其他輸出力消耗功率將會(huì)降低;在最小范圍內(nèi)變化的充要條件是每個(gè)周期函數(shù)相鄰的初始相位角之差為或在rad附近;針對(duì)某輸出力和工作速度的乘積所表示的周期函數(shù)就是機(jī)器系統(tǒng)的周期函數(shù),還想取得更佳的節(jié)能效果,應(yīng)再附加一個(gè)相同周

8、期函數(shù)機(jī)構(gòu),2個(gè)相同周期函數(shù)機(jī)構(gòu)初相位應(yīng)相差。 3降低無(wú)用功率NR措施的論證 機(jī)器在將能量傳送到工作裝置和作用,并與工作對(duì)象(或介質(zhì))在工作過(guò)程中,由于摩擦發(fā)熱、發(fā)聲、以及彈性、塑性變形等,要損耗掉一部分功率,即無(wú)用功率。雖然其量與機(jī)器的傳動(dòng)方式、制造精度、潤(rùn)滑條件等有關(guān),但對(duì)損耗功率的發(fā)聲、彈性、塑性變形現(xiàn)象進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,可知產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是,部件運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的慣性作用使其受力不均勻、變化較大。從能量分析可得出,部件受力不均勻、變化較大的原因是,系統(tǒng)的動(dòng)能或勢(shì)能在較大范圍內(nèi)變化。 動(dòng)摩擦因數(shù)不僅與接觸物體的材料和表面有關(guān),而且與接觸物體間相對(duì)滑動(dòng)的速度大小有關(guān),動(dòng)摩擦因數(shù)隨相對(duì)滑動(dòng)速度

9、的增大而減小;若系統(tǒng)的動(dòng)能或勢(shì)能在較大范圍內(nèi)變化,即使部件的接觸表面的摩擦因數(shù)不變,但接觸表面的正壓力則呈周期變化,所以摩擦力與摩擦力損耗功率呈周期變化。同時(shí)鑒于機(jī)器發(fā)聲、彈性變形也基本都是周期性的,故無(wú)用功率NR可用周期函數(shù)表示為 (7) 式中:為基頻;d0為待定常數(shù);t為時(shí)間;Dji為幅值;j為相位角。 分析以周期函數(shù)和非周期函數(shù)表示的無(wú)用功率,可得:當(dāng)以周期函數(shù)表示的無(wú)用功率在較大范圍內(nèi)變化時(shí),所需匹配的平均功率較大;當(dāng)無(wú)用功率的變化主要與每個(gè)無(wú)用輸出力Fsi、Msi的工作速度vsi、si有關(guān),若其他輸出力消耗功率在較大范圍內(nèi)變化,則無(wú)用輸出力Fsi、Msi或系統(tǒng)動(dòng)能必然在較大范圍內(nèi)變化

10、。 引起無(wú)用功率較高的原因是,短時(shí)間內(nèi)以周期函數(shù)表示的無(wú)用功率在較大范圍內(nèi)變化。降低無(wú)用功率NR措施:在設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)時(shí),只要使以周期函數(shù)表示的無(wú)用功率在較小范圍內(nèi)變化,則維持系統(tǒng)正常工作所需輸入無(wú)用功率將會(huì)降低。 4機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能基本原理的歸納整理 將基于動(dòng)能的機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能方法,降低其他輸出力消耗功率的措施,降低無(wú)用功率的措施歸納為機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能基本原理。在設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)時(shí),只要使系統(tǒng)動(dòng)能為常量,或使其能量在最小范圍內(nèi)變化;只要使以周期函數(shù)和非周期函數(shù)表示的其他輸出力消耗功率、無(wú)用功率在較小范圍內(nèi)變化;調(diào)整系統(tǒng)動(dòng)能變化率、其他輸出力消耗功率、無(wú)用功率3個(gè)函數(shù)初相位,使輸入功率函數(shù)幅值在最小范圍內(nèi)變化;若機(jī)器或工作裝置使輸入功率函數(shù)幅值在較大范圍內(nèi)變化,應(yīng)再配置一個(gè)與輸入功率相同周期函數(shù)的工作裝置,使新的合成輸入功率函數(shù)幅值在較小范圍內(nèi)變化,或直接配置一套能量?jī)?chǔ)存或轉(zhuǎn)換系統(tǒng);則維持系統(tǒng)正常工作所需輸入功率將會(huì)降低,系統(tǒng)能量將得到充分