第三章機(jī)械系統(tǒng)的載荷和動(dòng)力選擇1

第三章機(jī)械系統(tǒng)的載荷特性和動(dòng)力選擇§3-1工作機(jī)械的載荷和工作制一、載荷類型按使零件發(fā)生變形的不同，載荷可分為：拉伸（壓縮）載荷、彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷等。按載荷是否隨時(shí)間變化，載荷可分為：靜載荷和動(dòng)載荷。載荷--時(shí)間歷程（載荷歷程）：動(dòng)載荷的載荷值隨時(shí)間的變化規(guī)律。動(dòng)載荷主要有：周期載荷、非周期載荷、隨機(jī)載荷。確定性載荷（一）周期載荷周期載荷:載荷的大小隨時(shí)間作周期性變化。它可用幅值、頻率和相位角三個(gè)要素來描述。復(fù)雜周期載荷可用付里葉級(jí)數(shù)展開式表示：式中： ---角頻率（也稱圓頻率）；

---t時(shí)刻的載荷幅值；

---最大載荷幅值；---相位角；簡諧載荷的函數(shù)表達(dá)式：（3-1）(二)非周期載荷包括準(zhǔn)周期載荷和瞬變載荷兩類。準(zhǔn)周期載荷：由若干個(gè)頻率比是有理數(shù)的正弦量合成的載荷，仍可用周期載荷的處理方法。瞬變載荷：作用時(shí)間短、幅值變化大。(三)隨機(jī)載荷這種載荷的幅值和頻率都是隨時(shí)間變化的，它不可能用一個(gè)函數(shù)確切地進(jìn)行描述，見圖3—1d?？捎秒S機(jī)過程的一些數(shù)字特征來描述其基本統(tǒng)計(jì)特征：（5）平穩(wěn)隨機(jī)過程與各態(tài)歷經(jīng)隨機(jī)過程若隨機(jī)過程的統(tǒng)計(jì)特性不隨時(shí)間變化，則該隨機(jī)過程稱為平穩(wěn)隨機(jī)過程。反之，稱為非平穩(wěn)隨機(jī)過程。各態(tài)歷經(jīng)的隨機(jī)過程：整個(gè)母體的概率分布與任何一個(gè)樣本的概率分布相同的平穩(wěn)隨機(jī)過程。對于實(shí)際記錄的載荷大都是非平穩(wěn)的，為了簡化常把它們假設(shè)成平穩(wěn)的或各態(tài)歷經(jīng)的。對于各態(tài)歷經(jīng)的隨機(jī)過程，只要獲得一個(gè)樣本，即可反映隨機(jī)過程的特征。二、載荷的處理方法（一）靜載荷、周期載荷、非周期載荷的處理（1）靜載荷的處理方法：對于靜載荷需采用靜強(qiáng)度判據(jù)，對于動(dòng)載荷就需應(yīng)用疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法。（2）周期載荷和非周期載荷的處理方法：1）可對其進(jìn)行傅立葉展開和傅立葉變換以獲得它們的變化規(guī)律，再利用疲勞強(qiáng)度理論進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。2）采用名義載荷乘以大于1的動(dòng)載因數(shù)，將動(dòng)載荷轉(zhuǎn)化為靜載荷，仍用靜載菏的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算。下表列出了各種機(jī)械動(dòng)載系數(shù)的薦用值。

動(dòng)載因數(shù)的薦用值1.載荷譜原始記錄的載荷--時(shí)間歷程稱為機(jī)械的工作譜或使用譜。它們經(jīng)用概率統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行處理后，得到能反映載荷隨時(shí)間變化的，并具有統(tǒng)計(jì)特征的載荷--時(shí)間歷程就稱為載荷譜。將工作譜處理成載荷譜的過程稱為編譜。常將這些隨機(jī)載荷近似看成是平穩(wěn)或各態(tài)歷經(jīng)過程。（二）隨機(jī)載荷的處理編譜的要求是:1）選取的載荷子樣必須具有典型性和代表性。2)使用編制的載荷譜進(jìn)行疲勞計(jì)算或試驗(yàn)時(shí)，所得的壽命應(yīng)該盡量接近實(shí)際機(jī)械的工作壽命。3)整個(gè)編譜過程可在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，使大量的計(jì)算工作由計(jì)算機(jī)來完成。2.編制載荷譜的方法對隨機(jī)裁荷的處理有兩種方法：功率譜法和循環(huán)計(jì)數(shù)法(簡稱計(jì)數(shù)法)。（1）功率譜法是借助于富氏變換將隨機(jī)載荷分解為無限多個(gè)具有各種頻率的簡諧載荷，得到功率譜密度函數(shù)。對于平穩(wěn)隨機(jī)載荷，使用功率譜法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析比較方便，但它的分析計(jì)算比較復(fù)雜。并需專門的頻譜分析設(shè)備，因而限制了功率譜法的廣泛應(yīng)用。（2）循環(huán)計(jì)數(shù)法循環(huán)計(jì)數(shù)法把載荷--時(shí)間歷程離散成一系列的峰值和谷值，然后計(jì)算載荷峰值或幅值變化的概率密度函數(shù)和概率分布函數(shù)等，繪制頻率直方圖，從而得到機(jī)械設(shè)計(jì)所需的載荷譜。主要缺點(diǎn)：不能給出載荷大小變化的先后次序和頻率分布，而這對疲勞壽命是具有一定影響的。常用的有峰值計(jì)數(shù)法、穿級(jí)計(jì)數(shù)法、雨流計(jì)數(shù)法等。使用循環(huán)計(jì)數(shù)法的編譜步驟是：1)測量實(shí)際的載荷--時(shí)間歷程。2)對實(shí)際載荷作離散化處理，只記取其峰值和谷值，并作適當(dāng)?shù)膲嚎s，壓縮后的載荷--時(shí)間歷程消去了一些小量值的或變化不大的載荷。3)使用循環(huán)計(jì)數(shù)法計(jì)算峰值或幅值。4)對記數(shù)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出在各載荷區(qū)間內(nèi)所具有的頻次、頻率和累積頻率等統(tǒng)計(jì)量。5)繪制載荷峰值或幅值變化的頻率直方圖和累積頻次曲線，確定設(shè)計(jì)用的典型載荷譜。1.峰值計(jì)數(shù)法峰值計(jì)數(shù)法是對載荷--時(shí)間歷程中的峰、谷值進(jìn)行計(jì)數(shù)以此作為載荷譜的特征量。首先在最大和最小載荷值之間分級(jí)(或稱劃分區(qū)間)，然后統(tǒng)計(jì)每一級(jí)載荷中出現(xiàn)載荷的峰值或谷值的頻次，據(jù)此繪出頻次直方圖。在峰值計(jì)數(shù)法中如果只對載荷歷程的峰值計(jì)數(shù)，就稱為正峰值計(jì)數(shù)法；如果只對谷值進(jìn)行計(jì)數(shù)，就稱為負(fù)峰值計(jì)數(shù)法；如果首先求出整個(gè)載荷--時(shí)間歷程的均值，然后分別對大于均值的峰值或小于均值的谷值進(jìn)行計(jì)數(shù)，就稱為跨均峰值計(jì)數(shù)法。2.穿級(jí)計(jì)數(shù)法簡單穿級(jí)計(jì)數(shù)法首先也是把載荷分成若干級(jí)，然后對實(shí)際載荷穿越過這些級(jí)時(shí)就進(jìn)行計(jì)數(shù)。3.幅程計(jì)數(shù)法幅程的定義是相鄰的峰值和谷值之間的差值，或是一次循環(huán)中最大載荷和最小載荷的差值。4．雨流計(jì)數(shù)法

該法首先把一個(gè)實(shí)際的載荷--時(shí)間歷程橫置，取垂直向下的縱坐標(biāo)軸表示時(shí)間，橫坐標(biāo)軸表示載荷，雨點(diǎn)依次以峰值或谷值為起點(diǎn)向下流動(dòng)，根據(jù)雨點(diǎn)向下流動(dòng)的跡線確定出載荷循環(huán)，并計(jì)算出每個(gè)循環(huán)的幅值大小。雨流法的計(jì)數(shù)規(guī)則是：

1)雨流的起點(diǎn)依次從每個(gè)峰值或谷值開始，并沿其內(nèi)側(cè)往下流。2)雨流在下一個(gè)峰值或谷值處落下，直到對面有一個(gè)比開始時(shí)的峰值更大或谷值更小的值時(shí)停止。3)當(dāng)遇到來自上面落下的雨點(diǎn)時(shí)雨流也停止。4)取出所有的全循環(huán)，把剩下的載荷峰谷值點(diǎn)連接成新的載荷歷程，并按雨流法的第二階段計(jì)數(shù)法計(jì)出循環(huán)數(shù)。對于計(jì)得的全部循環(huán)計(jì)算出它們的幅值。目前，雨流計(jì)數(shù)法是國內(nèi)外應(yīng)用廣泛的一種計(jì)數(shù)法，根據(jù)它進(jìn)行的疲勞壽命計(jì)算比較接近實(shí)際，但峰值計(jì)數(shù)法、穿級(jí)計(jì)數(shù)法和幅程計(jì)數(shù)法都具有簡單方便等優(yōu)點(diǎn)，若它們有與雨流法相近的結(jié)果時(shí)，則應(yīng)優(yōu)先選用。(三)頻率直方圖和累積頻次曲線首先把循環(huán)計(jì)數(shù)得到的一系列峰值和幅值數(shù)據(jù)分組(或稱區(qū)間)，一般情況分成12組左右。然后求出每組中載荷峰值或幅值出現(xiàn)的頻次n，及相應(yīng)的頻率P＝n／N。，累積頻次n和累積頻率P＝n／N，其中N為循環(huán)計(jì)數(shù)得到的總數(shù)據(jù)容量,一般N≥106。表3—2列出了一載荷--時(shí)間歷程經(jīng)峰值法計(jì)數(shù)后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值圖3—7稱為頻率直方圖，該圖提供了各載荷值所占據(jù)的百分比。圖中雙點(diǎn)劃線所示曲線，稱為概率密度曲線，其表征的函數(shù)稱為概率密度函數(shù)。

圖3-5頻率直方圖圖3—8為累積頻次曲線圖。由該曲線完全可確定任何一載荷值出現(xiàn)的頻次以及所占的概率。

三、載荷的確定方法應(yīng)根據(jù)具體機(jī)械要完成的功能來確定工作載荷，優(yōu)先采用標(biāo)準(zhǔn)系列規(guī)定的載荷。確定載荷通常有三種方法：類比法、計(jì)算法和實(shí)測法。(一)類比法參照同類或相近的機(jī)械，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或簡單的計(jì)算確定所設(shè)計(jì)機(jī)械的載荷，這種方法稱為類比法。它主要應(yīng)用在載荷較難確定的情況或初步設(shè)計(jì)階段。還可以應(yīng)用在不需要精確確定載荷的情況，特別是設(shè)計(jì)一些以傳遞運(yùn)動(dòng)為主的機(jī)械。應(yīng)用類比法時(shí)?？刹捎孟嗨圃磉M(jìn)行推斷，其常用的有幾何尺寸類比和動(dòng)力類比等。幾何尺寸類比法，由下式確定設(shè)計(jì)載荷：（3-12）動(dòng)力類比是選擇一種類同的機(jī)械，調(diào)查其實(shí)際使用的動(dòng)力機(jī)容量大小，然后用簡單的類比關(guān)系確定所設(shè)計(jì)機(jī)械的動(dòng)力，以此作為依據(jù)再推算機(jī)械及其零部件所受的載荷。(二)計(jì)算法計(jì)算法即根據(jù)機(jī)械的功能要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)運(yùn)用各種力學(xué)原理、經(jīng)驗(yàn)公式或圖表等計(jì)算確定載荷的方法。例如設(shè)計(jì)起重機(jī)時(shí)，其承受的主要載荷大部分都可運(yùn)用計(jì)算法確定：1)起升載荷

起升載荷包括起重機(jī)的額定起重力和隨貨物一起升降的設(shè)備(如吊具、大起升高度的鋼絲繩等)的重力。2)起重機(jī)的整機(jī)重力

起重機(jī)的整機(jī)重力包括起重機(jī)全部零、部件和附屬設(shè)備的重力。在設(shè)計(jì)前起重機(jī)的整機(jī)重力可進(jìn)行類比初估，在設(shè)計(jì)完成后再予以修正：3)動(dòng)載荷起重機(jī)在起動(dòng)或制動(dòng)等不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，會(huì)引起振動(dòng)載荷和慣性載荷。如：在提升重物時(shí)由慣性引起的動(dòng)載荷Fd1為：由移動(dòng)部分零部件慣性引起的動(dòng)載荷Fd2為：由轉(zhuǎn)動(dòng)部分零部件慣性引起的動(dòng)轉(zhuǎn)矩Td為4)風(fēng)載荷在室外工作的起重機(jī)還需考慮風(fēng)力引起的載荷Fi。風(fēng)載荷一般可按下式計(jì)算：(三)實(shí)測法

實(shí)測法是指用實(shí)驗(yàn)分析的方法測定機(jī)械及其零件載荷的方法。電測法原理：測量參數(shù)的變化通過應(yīng)變計(jì)(又稱應(yīng)變片)的變形轉(zhuǎn)換為電阻的變化，再通過連接在傳感器上的電阻應(yīng)變儀和記錄儀，得到所需的參數(shù)。電測法的優(yōu)點(diǎn)：1）可將不同的被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成相同的電量參數(shù)，可以使用相同的測量和記錄儀。2）輸出的信號(hào)可以作遠(yuǎn)距離傳輸，有利于遠(yuǎn)距離操作和自動(dòng)控制；3）可以對變化的參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量；4）易于同許多后續(xù)的數(shù)據(jù)處理儀器聯(lián)用，從而對復(fù)雜的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和處理。1．電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器的主要元件是應(yīng)變計(jì)。應(yīng)變計(jì)的類型：金屬應(yīng)變計(jì)和半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)。

金屬絲式應(yīng)變計(jì)一般做成柵狀。特點(diǎn)：價(jià)格便宜、粘貼方便。但具有橫向效應(yīng)，影響測量精度。由于感受橫向應(yīng)變而使電阻變化率降低從而降低靈敏度的現(xiàn)象。箔式應(yīng)變計(jì)：金屬箔片光刻腐蝕而成柵狀。特點(diǎn)：工藝性好、靈敏度高、測量數(shù)據(jù)的重復(fù)性好、壽命長等。半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)：由硅、鍺等單晶潘和膠膜襯底、引線等組成。特點(diǎn)：靈敏度高、頻率相應(yīng)高、體積小。但穩(wěn)定性差，非線性大。電阻應(yīng)變計(jì)工作原理是導(dǎo)體的電阻值隨其本身伸長率的變化而變化。2．電阻應(yīng)變儀（3-13）圖3-7四臂測量電橋U0UU=U=U0U零件受載后，電橋的輸出端電壓為：根據(jù)測量應(yīng)變或載荷的性質(zhì)，電阻應(yīng)變儀分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩大類。3.記錄和分析儀器

筆式記錄儀多用于變化頻率較低的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量．如載荷變化頻率較高，可用光線示波器。U=U0常用的紀(jì)錄儀：（1）光線振子示波器（2）函數(shù)記錄儀（3）磁帶記錄儀常用的分析儀器：（1）模擬式分析儀（2）數(shù)字分析儀（3）模擬數(shù)字分析儀四、工作機(jī)械的工作制§3—2動(dòng)力機(jī)的種類、機(jī)械特性及其選擇動(dòng)力機(jī)的機(jī)械特性（輸出特性）：動(dòng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。選擇動(dòng)力機(jī)時(shí)，需考慮的問題：1）分析工作機(jī)械的負(fù)載特性，包括其載荷性質(zhì)、工作制、作業(yè)環(huán)境、結(jié)構(gòu)布局等；2）分析動(dòng)力機(jī)本身的機(jī)械特性，選擇與工作機(jī)械相匹配的動(dòng)力機(jī)；3）動(dòng)力機(jī)容量計(jì)算，通常是指計(jì)算動(dòng)力機(jī)功率的大小。4）進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析；5）作業(yè)環(huán)境的要求。一、電動(dòng)機(jī)的種類、機(jī)械特性及其選擇電動(dòng)機(jī)是一種最常用的動(dòng)力機(jī)。（一）電動(dòng)機(jī)的種類及其機(jī)械特性按不同的使用電源可分為交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)兩大類。直流電動(dòng)機(jī)根據(jù)勵(lì)磁方式分為他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì)等型式。交流電動(dòng)機(jī)根據(jù)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速是否相同分為同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)兩種。電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性：是指在額定電壓和額定頻率下（直流電動(dòng)機(jī)的頻率為0），用規(guī)定的接線方法，定子和轉(zhuǎn)子電路不串接任何電阻或阻抗時(shí)的機(jī)械特性。電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性：是指改變電動(dòng)機(jī)的某些參數(shù)時(shí)所獲得的機(jī)械特性。1.三相異步電動(dòng)機(jī)的種類及其機(jī)械特性主要分類如下：(1)按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分類

根據(jù)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)型式三相異步電動(dòng)機(jī)分為籠型電動(dòng)機(jī)和繞線型電動(dòng)機(jī)?；\型電動(dòng)機(jī)：特點(diǎn)：籠型電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、耐用、易維護(hù)、價(jià)格低,特性硬，但起動(dòng)和調(diào)速性能差，輕載時(shí)功率因數(shù)較低。應(yīng)用場合：廣泛用于無調(diào)速要求的機(jī)械。繞線型電動(dòng)機(jī)：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、維護(hù)較麻煩、價(jià)格稍貴，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)時(shí)功率因數(shù)較高，可進(jìn)行小范圍調(diào)速，且調(diào)速控制簡單。應(yīng)用場合：廣泛用于起動(dòng)次數(shù)較多、起動(dòng)負(fù)載較大或小范圍調(diào)速的機(jī)械。(2)按外殼結(jié)構(gòu)形式分類

根據(jù)外殼結(jié)構(gòu)形式三相異步電動(dòng)機(jī)可分為開啟式、防護(hù)式、封閉式和隔爆式。(3)按安裝型式分類按不同的安裝型式三相異步電動(dòng)機(jī)可分為立式、臥式及機(jī)座帶底腳或端蓋有凸緣或既有底腳又有凸緣等型式。轉(zhuǎn)差率：n：三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n0：旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)差率s空載時(shí)在0.5％以下，滿載時(shí)在5％以下。三相異步電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性，見圖3—8。定子繞組可接成星形或三角形。（3-18）圖3-8三相異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)λst:起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比。它反映了電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)能力。通常把最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比稱為電動(dòng)機(jī)的過載倍數(shù)λm。λm反映了電動(dòng)機(jī)短時(shí)過載能力的大小。一般籠型異步電動(dòng)機(jī)的過載倍數(shù)λm=1.6~2.2，繞線型異步電動(dòng)機(jī)λm=2.2~2.8。對于異步電動(dòng)機(jī)當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL＜TN時(shí)，機(jī)械特性近似為直線，稱為工作部分特性，此時(shí)電動(dòng)機(jī)不論帶動(dòng)何種負(fù)載均能穩(wěn)定運(yùn)行；該線段的斜率反映了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨負(fù)載增加而下降的程度。斜率小則轉(zhuǎn)速下降少，轉(zhuǎn)差率s小，常稱電動(dòng)機(jī)的特性硬。當(dāng)s＞sm時(shí)，機(jī)械特性為一曲線，稱為非工作部分特性，電動(dòng)機(jī)若處在這段曲線工作，電力拖動(dòng)系統(tǒng)就處于不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。圖3-12a為降低供電電壓時(shí)的人為機(jī)械特性。若負(fù)載額定值保持不變，降壓運(yùn)行會(huì)使電動(dòng)機(jī)的電流大于額定值，電動(dòng)機(jī)在此情況下長期運(yùn)行就容易燒壞。圖3-12b為在繞線型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電路內(nèi)串接對稱電阻的人為機(jī)械特性。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩開始時(shí)隨著串接電阻的增大而增大?？捎糜诶@線型異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和小范圍調(diào)速。

圖3—12c為定子電路串接對稱電阻的人為機(jī)械特性。一般用于籠型異步電動(dòng)機(jī)的降壓起動(dòng)。

圖3—12d為轉(zhuǎn)子電路接入并聯(lián)電阻的人為機(jī)械特性。該法適用于繞線型異步電動(dòng)機(jī)需限止起動(dòng)電流時(shí)，可減少起動(dòng)級(jí)數(shù)，并保證電動(dòng)機(jī)平滑加速。2.其他類型交流電動(dòng)機(jī)的種類及其機(jī)械特性（1）單相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)特點(diǎn)：電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)，因起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為0而不能起動(dòng)，需借助其他辦法才能起動(dòng)。按起動(dòng)方法不同分為：1）分相式單相電動(dòng)機(jī)：起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)電流小，應(yīng)用較廣。2）罩極式單相電動(dòng)機(jī)：主要用于小風(fēng)扇、電唱機(jī)、錄音機(jī)中。單向異步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：電動(dòng)機(jī)的效率和功率因素較低，過載能力較差，容量很少超過0.6kw，適用于小型機(jī)械設(shè)備和家用電器。(2)同步電動(dòng)機(jī)

同步電動(dòng)機(jī)是一種用交流電流勵(lì)磁在定子中建立旋轉(zhuǎn)磁場，用直流電流勵(lì)磁在轉(zhuǎn)子中構(gòu)成旋轉(zhuǎn)磁極，依靠電磁力的作用旋轉(zhuǎn)磁場牽著旋轉(zhuǎn)磁極同步旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)自己不能起動(dòng)，目前大多采用異步起動(dòng)法。優(yōu)點(diǎn)：能在功率因數(shù)cosφ＝1的狀態(tài)下運(yùn)行。缺點(diǎn)：同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)較異步電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，造價(jià)較高，而且其轉(zhuǎn)速是不能調(diào)節(jié)的。應(yīng)用場合：長期連續(xù)工作而無需變速的大型機(jī)械。（3）三相交流換向器電動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)：可以在調(diào)速范圍小于3的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，能補(bǔ)償功率因數(shù)。缺點(diǎn)：但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)較高、換向困難。應(yīng)用場合：紡織、造紙機(jī)械。4）無換向器電動(dòng)機(jī)（無整流子調(diào)速電動(dòng)機(jī)）具有交、直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，調(diào)速性能好，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，能在惡劣條件下工作。3.直流電動(dòng)機(jī)的種類及其機(jī)械特性直流電動(dòng)機(jī)需使用直流電源，與交流電動(dòng)機(jī)相比，它具有調(diào)速性能好，調(diào)速范圍寬，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)。因此直流電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式不同可為：他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)四種不同的形式。

（5）直線異步電動(dòng)機(jī)能作直線運(yùn)動(dòng)他勵(lì)：固有機(jī)械特性表明轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增大而降低。他勵(lì)電動(dòng)機(jī)在沒有電樞外接電阻時(shí)機(jī)械特性比較硬．并勵(lì)：并勵(lì)和他勵(lì)兩種類型直流電動(dòng)機(jī)無本質(zhì)的區(qū)別，因而它們的機(jī)械特性相類同。串勵(lì)：復(fù)勵(lì)：在設(shè)計(jì)中選擇何種勵(lì)磁方式的電動(dòng)機(jī)及其機(jī)械特性，應(yīng)根據(jù)工作機(jī)械的載荷特性以及對起動(dòng)、調(diào)速、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)等要求進(jìn)行全面分析。（二）電動(dòng)機(jī)的選擇和計(jì)算選擇步驟：1）按工作機(jī)負(fù)載圖，計(jì)算所需的電動(dòng)機(jī)的功率，選擇電動(dòng)機(jī)。2）進(jìn)行發(fā)熱、過載能力、起動(dòng)能力的校核。1.電動(dòng)機(jī)類型及結(jié)構(gòu)型式的選擇（1）電動(dòng)機(jī)類型的選擇選擇原則：在滿足使用要求的前提下，交流電動(dòng)機(jī)優(yōu)選于直流電動(dòng)機(jī)，籠型電動(dòng)機(jī)優(yōu)選于繞線型電動(dòng)機(jī)，專用電動(dòng)機(jī)優(yōu)選于通用電動(dòng)機(jī)。1）一般情況下，對起動(dòng)、制動(dòng)及調(diào)速無特殊要求的前提下，應(yīng)盡量選用如Y系列籠型三相交流電動(dòng)機(jī)；2）對恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性的機(jī)械，應(yīng)選用機(jī)械特性硬的電動(dòng)機(jī)；對調(diào)速范圍很大且恒功率負(fù)載特性的機(jī)械，應(yīng)選用變速直流電動(dòng)機(jī)或帶機(jī)械變速的交流異步電動(dòng)機(jī)或無換向器電動(dòng)機(jī)。3）對于需調(diào)速但調(diào)速平滑性無要求、可有級(jí)調(diào)速的機(jī)械，可選用如YD系列變極變速三相交流電動(dòng)機(jī)。4）對于無調(diào)速要求但需高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的機(jī)械，可選用如YH系列高轉(zhuǎn)差率三相交流異步電動(dòng)機(jī)。如還需小范圍調(diào)速（R<3）的機(jī)械，可選用如YR系列繞線型三相交流異步電動(dòng)機(jī)。5）對于斷續(xù)工作制、頻繁起動(dòng)制動(dòng)及反向、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的機(jī)械，應(yīng)選用冶金用YZ系列籠型或YZR系列繞線型三相交流異步電動(dòng)機(jī)。6）對于功率較大、負(fù)載較平穩(wěn)、無調(diào)速要求且長期運(yùn)行的機(jī)械，應(yīng)選用如T、TD、TDG等系列三相交流同步電動(dòng)機(jī)。對于功率不大，轉(zhuǎn)速較低的長期運(yùn)行機(jī)械，可選用如YM、TK、TZ等系列三相交流低速同步電動(dòng)機(jī)。7）對于調(diào)速范圍大（R>3），且要求調(diào)速平滑、需準(zhǔn)確進(jìn)行位置控制的中小功率機(jī)械，可選用直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)。對還要求起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的機(jī)械，易用直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)。8）對工作環(huán)境有易爆氣體及塵埃較多的機(jī)械，應(yīng)選用如YB系列隔爆型三相交流異步電動(dòng)機(jī)或YA系列增安型三相交流異步電動(dòng)機(jī)或YW系列無火花型三相異步電動(dòng)機(jī)。9）有專用電動(dòng)機(jī)的機(jī)械，應(yīng)選用專用電動(dòng)機(jī)。（2）電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)型式的選擇選擇電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)型式包括確定安裝方式、外殼防護(hù)形式等。1）一般情況下多選用臥式安裝的電動(dòng)機(jī)。2）根據(jù)工作環(huán)境選擇不同防護(hù)形式的電動(dòng)機(jī)。3）特殊情況下電動(dòng)機(jī)可制成兩端軸伸形式。2.電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的選擇電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的選擇應(yīng)兼顧電動(dòng)機(jī)與機(jī)械部分的經(jīng)濟(jì)性，綜合考慮機(jī)械的工作要求等因素。3.電動(dòng)機(jī)額定電壓的選擇電動(dòng)機(jī)額定電壓應(yīng)與電網(wǎng)供電電壓一致。4.電動(dòng)機(jī)工作制的選擇連續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)短時(shí)工作制電動(dòng)機(jī)P15>P30>P60>P90斷續(xù)工作制電動(dòng)機(jī)其工作特點(diǎn)可用負(fù)載持續(xù)率FC表示：FC=tw/(tw+t0)×℅重復(fù)周期小于10min。同一型號(hào)電動(dòng)機(jī)：P15>P25>P40>P605.電動(dòng)機(jī)功率的選擇與計(jì)算（1）決定電動(dòng)機(jī)功率的因素電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱、允許的過載能力和起動(dòng)能力三個(gè)因素，其中發(fā)熱問題最重要。對瞬時(shí)最大負(fù)載需進(jìn)行過載能力的校核。電動(dòng)機(jī)過載能力的計(jì)算公式：平均起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Msa的計(jì)算直流電動(dòng)機(jī)Msa=(1.3~1.4）MN(3-19)同步電動(dòng)機(jī)當(dāng)Mst≥Mpi時(shí)Msa=0.5(Mst+Mpi)(3-23)Mst≤Mpi時(shí)Msa=(1.0~1.1）Mst(3-23)一般籠型電動(dòng)機(jī)Msa=(0.45~0.5）(Mst+Mm)(3-25)冶金起重機(jī)械Msa=0.9Mst(3-26)冶金起重用繞線型電動(dòng)機(jī)Msa=(1.0~2.0)Mn,25式中Msa—平均起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；MN—額定轉(zhuǎn)矩；Mst—初始起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；Mpi—牽入轉(zhuǎn)矩；Mm—電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩；Mn,25—FC=25℅時(shí)的額定轉(zhuǎn)矩。一般規(guī)定異步電動(dòng)機(jī)的功率小于7.5KW時(shí)允許直接起動(dòng)，可按下式校驗(yàn)：K2UkminMN≥ksMrs(3-27)式中MN—電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；Mrs—起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)軸上的靜阻轉(zhuǎn)矩；kU—最小起動(dòng)電壓與額定電壓之比，一般取0.85；kmin—電動(dòng)機(jī)最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比；ks—起動(dòng)加速因數(shù)，一般取ks=1.2~1.5。（2）電動(dòng)機(jī)負(fù)載圖電動(dòng)機(jī)負(fù)載圖是根據(jù)工作機(jī)的負(fù)載變化繪制的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、功率或電流與時(shí)間的關(guān)系曲線。是校驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的容量、過載能力和發(fā)熱的依據(jù)。（3）電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱計(jì)算電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱計(jì)算針對變負(fù)載情況。常用等效法（均方根法）。1）周期性變化負(fù)載長期運(yùn)行等效電流法適用于各類電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱校驗(yàn)；等效轉(zhuǎn)矩法適用于轉(zhuǎn)矩與電流成比例的場合；等效功率法在額定電壓和額定轉(zhuǎn)速下，功率與電流成正比時(shí)應(yīng)用。2）周期性變化負(fù)載斷續(xù)運(yùn)行變動(dòng)負(fù)載下長期工作制電動(dòng)機(jī)功率選擇的一般步驟：1）繪制生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載圖；2）預(yù)選電動(dòng)機(jī)功率。利用生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載圖，求出負(fù)載的平均功率PLm或平均轉(zhuǎn)矩TLm；3）電動(dòng)機(jī)的額定功率按下式預(yù)選：4）作出電動(dòng)機(jī)的負(fù)載圖；5）進(jìn)行發(fā)熱校驗(yàn)；6）進(jìn)行過載能力校驗(yàn)，必要時(shí)進(jìn)行起動(dòng)能力校驗(yàn)。一般，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載圖與生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載圖是不同的。只有在絕對硬的機(jī)械特性（如同步電動(dòng)機(jī)），系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為零，dn/dt=0時(shí)，二者才會(huì)一樣。其中TLm--負(fù)載轉(zhuǎn)矩；

Td--動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J與飛輪矩GD2的區(qū)別：

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=M×ρ2，其單位是kgm2

飛輪力矩=G×D2，其單位是Nm2

其中，G代表旋轉(zhuǎn)物體的質(zhì)量；ρ表示基于轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)半徑；D表示基于轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)，直徑D=2ρ。因此GD2=4g×J

TLm不變載荷下連續(xù)運(yùn)行電動(dòng)機(jī)功率的選擇：對于連續(xù)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，先算出生產(chǎn)機(jī)械的功率，所選用的電動(dòng)機(jī)的額定功率等于或大于生產(chǎn)機(jī)械的功率即可。式中

P1為車床的切削功率；F為切削力（N）；v為切削速度（m/min）;η1為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率。例如，帶動(dòng)車床切削的電動(dòng)機(jī)功率為:選電機(jī)容量時(shí)，只要即可。因是直接啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，所以卷揚(yáng)機(jī)計(jì)算繪制電動(dòng)機(jī)負(fù)載圖計(jì)算所需功率5．電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的確定可認(rèn)為電動(dòng)機(jī)在周期性變化負(fù)載下長期運(yùn)行。6．選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)選YR系列大型三相繞線型異步電動(dòng)機(jī)YR1600-8/1430，其二、內(nèi)燃機(jī)的種類、機(jī)械特性及其選擇（一）內(nèi)燃機(jī)的種類往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的種類：按燃料種類分為柴油機(jī)、汽油機(jī)。內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)組成：主要包括機(jī)體、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、燃油供給系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及啟動(dòng)系統(tǒng)。（二）內(nèi)燃機(jī)的主要性能（1）有效功率Pe

內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際輸出功率稱為有效功率：Pe=Men/9549其中Me—輸出轉(zhuǎn)矩（N.m）；n—曲軸轉(zhuǎn)速(r/min)；（2）平均有效壓力pe單位汽缸工作容積所做的有效功稱為有效壓力。pe=30τPe/(niVh)其中τ—每一循環(huán)的沖程數(shù)；i—汽缸總數(shù)；Vh—汽缸的工作容積（m3）；n—曲軸的轉(zhuǎn)速（r/min）；Pe—有效功率。（3）標(biāo)定功率Peb銘牌上規(guī)定的功率為標(biāo)定功率，與其對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為標(biāo)定轉(zhuǎn)速。（4）升功率PL汽缸每升工作容積所發(fā)出的有效功率稱為升功率（kW/L)。PL=Pe/iVh=pen/(30τ)(5)有效燃油消耗率ge單位有效功率每小時(shí)的耗油量稱為有效燃油消耗率。ge=mf×103/Pe（6）機(jī)械效率ηm有效功率與指示功率之比稱為機(jī)械效率。（三）內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械特性1.負(fù)載特性負(fù)載特性：在轉(zhuǎn)速不變的情況下，其性能參數(shù)隨有效功率Pe變化的規(guī)律稱為負(fù)載特性。2.速度特性速度特性：當(dāng)噴油泵的調(diào)節(jié)挺桿限定在標(biāo)定功率循環(huán)供油位置時(shí)，柴油機(jī)的性能參數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律稱為速度特性。轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)備系數(shù)μM=(Memax-Me)Me

×100

%其中Memax—標(biāo)定工況下速度特性曲線上的最大轉(zhuǎn)矩值；Me—標(biāo)定工況下的轉(zhuǎn)矩值。μM值大說明柴油機(jī)克服短期超負(fù)荷和適應(yīng)阻力波動(dòng)的能力強(qiáng)。3.萬有特性萬有特性：表示柴油機(jī)各主要性能參數(shù)之間關(guān)系的綜合特性稱為萬有特性。（四）內(nèi)燃機(jī)的選擇1.固定式工況內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速基本不變，功率則隨工作機(jī)的負(fù)載大小變化。2.螺旋槳工況內(nèi)燃機(jī)的功率Pe與曲軸轉(zhuǎn)速n接近呈3次冪的函數(shù)。即Pe=Kn33.車用工況內(nèi)燃機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速都可獨(dú)立地在很大范圍內(nèi)變化。根據(jù)不同工況選擇不同用途的內(nèi)燃機(jī)。車用柴油機(jī)標(biāo)定的循環(huán)供油量一般限制在冒煙界限處。工程機(jī)械、拖拉機(jī)等經(jīng)常接近滿負(fù)荷工作的柴油機(jī)，要求其有效燃油消耗率ge曲線隨負(fù)荷的變化比較平坦。對于車用柴油機(jī)，希望其最經(jīng)濟(jì)區(qū)能在萬有特性的中間位置，要求等燃油消耗率曲線沿橫坐標(biāo)長些。汽油機(jī)和柴油機(jī)相比：克服短期超負(fù)荷的能力較強(qiáng)，工作比柴油機(jī)穩(wěn)定。但其在負(fù)載變化范圍較大時(shí)，經(jīng)濟(jì)性比柴油機(jī)差。二、液壓馬達(dá)的種類、機(jī)械特性及其選擇(一)液壓馬達(dá)的種類液壓馬達(dá)按輸出轉(zhuǎn)矩的大小和轉(zhuǎn)速高低可以分為兩類:

高速小轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)；低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)。

液壓馬達(dá)報(bào)據(jù)其結(jié)構(gòu)型式不同又有如下分類:高速小轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)多采用齒輪式、葉片式和軸向柱塞式等結(jié)構(gòu)型式，而低速大轉(zhuǎn)矩液