第3章 机械系统的载荷特性和动力机的选择-2012-3.ppt

第三章第三章 机械系机械系统统的的载载荷特性和荷特性和动动力机力机选择选择 第一节第一节 工作机械工作机械(指执行系统指执行系统)的载荷和工作制的载荷和工作制 设计机械系统时，设计机械系统时，载荷的分析和确定载荷的分析和确定非常重要。分析的过程中应非常重要。分析的过程中应分清载分清载荷主次荷主次，对量值较小的载荷可忽略不计，对较复杂的载荷应进行适当的简化。，对量值较小的载荷可忽略不计，对较复杂的载荷应进行适当的简化。一、载荷类型一、载荷类型 作用在机械上的外力作用在机械上的外力称为载荷称为载荷。载荷的。载荷的种类很多种类很多，如起重机中提升物体，如起重机中提升物体的重量、变速运行的惯性力、机械本身的自重、作用在机械上的风力和落在的重量、变速运行的惯性力、机械本身的自重、作用在机械上的风力和落在机械上其他杂物的重量等等都是载荷。机械上其他杂物的重量等等都是载荷。载荷的类型和大小决定于对机械的功载荷的类型和大小决定于对机械的功能要求、工作环境和结构间的约束关系能要求、工作环境和结构间的约束关系。载荷的载荷的表示形式：表示形式：可用可用力、力矩或转矩力、力矩或转矩表示，也可用表示，也可用压力、功率、加速压力、功率、加速度度等形式表示。等形式表示。载荷是载荷是对机械及零部件进行强度、刚度、稳定性、可靠性和寿命计算的对机械及零部件进行强度、刚度、稳定性、可靠性和寿命计算的依据依据。也是进行机械系统动力机类型和容量选择时需要考虑因素之一。也是进行机械系统动力机类型和容量选择时需要考虑因素之一。工作机械工作机械就是机械系统的就是机械系统的执行系统执行系统。系统工作过程中。系统工作过程中转矩转矩M与转速与转速n的的关关系系M=f(n)(或力或力F和速度和速度V的关系的关系F=f(V)称为工作机械的称为工作机械的负载特性。负载特性。常见的负常见的负载特性有如下几种载特性有如下几种:1、工作机械的负载特性、工作机械的负载特性转转矩矩M与与转转速速n的大小无关的大小无关，转转速速n变变化，化，转转矩矩M不不变变。即。即恒恒转转矩矩负载负载特性又可分特性又可分为为两两类类：位能性位能性负载负载特性特性和和反抗性反抗性负载负载特性特性。（1）恒转矩负载特性恒转矩负载特性 由转矩由转矩M、转速、转速n和功率和功率P的关系可知，对于恒转矩负载特性，功率的关系可知，对于恒转矩负载特性，功率P与转与转速速n成正比，即成正比，即P=f(n)。线性关系，因为。线性关系，因为P=M*n位能性负载特性位能性负载特性CnMO 反抗性负载特性反抗性负载特性：转矩转矩M的方向随转向变化，但转矩的方向随转向变化，但转矩M的绝对值不变的绝对值不变。具有摩擦负载的皮带运输机、金属压延机床和造纸机等具有反抗性负载特性。具有摩擦负载的皮带运输机、金属压延机床和造纸机等具有反抗性负载特性。反抗性负载特性反抗性负载特性nMOC-C 位能性负载特性：位能性负载特性：转矩转矩M的方向不随转向变化的方向不随转向变化。如起重机的钢丝绳无。如起重机的钢丝绳无论向上或向下运动都受拉力。论向上或向下运动都受拉力。功率功率P与与转转速速n无关无关，转转速速n变变化，功率化，功率P不不变变，即，即P=C(常数常数)。由于功率由于功率P为为常数，常数，转转矩矩M与与转转速速n的乘的乘积变为积变为常数，即常数，即转转矩矩M与与转转速速n为为反比关系反比关系，即，即恒功率恒功率负载负载特性特性为为双曲双曲线线。（2）恒功率负载特性恒功率负载特性nMO 许多金属加工机床就具有恒功率负载特性，由于在加工过程中产生的切许多金属加工机床就具有恒功率负载特性，由于在加工过程中产生的切削力大，此时选择的切削速度削力大，此时选择的切削速度V就应小一些，以保证切削功率不变。就应小一些，以保证切削功率不变。例如磨粉机，转速例如磨粉机，转速n升高，喂入量加大，转矩升高，喂入量加大，转矩M成正比增加。成正比增加。nMOnMO 转矩转矩M与转速与转速n成某种函数关系成某种函数关系，转速，转速n变化，转矩变化，转矩M按某种规律变化。按某种规律变化。如转矩如转矩M与转速与转速n成线性关系，成线性关系，即即M=f(n)，则功率，则功率P与转速与转速n的平方成正比，的平方成正比，即即P=f(n2)。（3）转矩转矩M是转速是转速n函数的负载特性函数的负载特性 转矩转矩M与转速与转速n的平方成正比，的平方成正比，即即M=f(n2)，则功率，则功率P与转速与转速n的的3次方成次方成正比，即正比，即P=f(n3)。通风机、离心水泵就具有这种负载特性。通风机、离心水泵就具有这种负载特性。s,MO 例如活塞式空气例如活塞式空气压缩压缩机，曲柄机，曲柄压压力机，力机，轧钢轧钢厂的剪切机、升降厂的剪切机、升降摆动摆动台、台、翻翻钢钢机等工作机械都具有机等工作机械都具有这这种种负载负载特性。特性。转矩转矩M与行程与行程s或转角或转角成某种函数关系成某种函数关系，即，即M=f(s)或或M=f()。（4）转矩转矩M是行程是行程s或转角或转角的函数的函数tMO如破碎机，球磨机等工作机械都具有如破碎机，球磨机等工作机械都具有这这种种负载负载特性。特性。转矩转矩M在工作机械工作过程中，与工作时间在工作机械工作过程中，与工作时间t没有明显的函数关系没有明显的函数关系。（5）转矩转矩M随时间随时间t变化无规律变化无规律 转转矩矩M变变化，化，转转速速n保持不保持不变变，即，即n=C(常数常数)，则则功率功率P与与转转矩矩M成正比成正比，P=f(M)。nMOC 例如利用内燃机例如利用内燃机驱动驱动的的发电发电机，机，为为了保持交流了保持交流电频电频率不率不变变，在机，在机组组上利上利用用调调速器来保速器来保证发电证发电机在机在额额定定转转速下运速下运转转。（6）恒转速负载特性恒转速负载特性思考题：思考题：9、根据、根据P37图图2-11四种铣床布置说明如下问题：四种铣床布置说明如下问题：（1）被加工工件的重量、尺寸对铣床的布置有）被加工工件的重量、尺寸对铣床的布置有何影响何影响?（2）各自的驱动方式以及选用该驱动方式的理）各自的驱动方式以及选用该驱动方式的理由由?10、X62W卧式升降台铣床主轴转速卧式升降台铣床主轴转速nmin=30r/min，nmax=1500r/min，变速级数，变速级数Z=18，各级转速按照等比级数排列，确定相应，各级转速按照等比级数排列，确定相应的公比的公比和各级转速。和各级转速。第三章思考题第三章思考题1、什么是工作机械的负载特性？常见的工作、什么是工作机械的负载特性？常见的工作机负载特性有哪几种，试举例说明。机负载特性有哪几种，试举例说明。2.2.载荷的分类载荷的分类(按照载荷随时间变化的情况按照载荷随时间变化的情况)静载荷静载荷：是指：是指大小、方向和作用点都不随时间变化大小、方向和作用点都不随时间变化的载荷。如重力。的载荷。如重力。动载荷动载荷：三个要素中只要有一个要素随时间：三个要素中只要有一个要素随时间变化变化就叫动载荷。就叫动载荷。经常把经常把变化次数少的按静载荷处理。变化次数少的按静载荷处理。冲击载荷冲击载荷:短时间内短时间内变化很大的载荷变化很大的载荷.工程中大多数机械所承受的都是动载荷。但有时为了简化设计计算，可以工程中大多数机械所承受的都是动载荷。但有时为了简化设计计算，可以将动载荷简化处理转变成静载荷。将动载荷简化处理转变成静载荷。动载动载荷荷周期性周期性载载荷荷非周期性非周期性载载荷荷随机随机载载荷荷 确定确定载载荷荷：有一定变化规律，可用数学公式表示。有一定变化规律，可用数学公式表示。载载荷荷时间历时间历程程:载载荷随荷随时间时间t的的变变化情况化情况,简简称称载载荷荷历历程程.3.载荷载荷时间历程时间历程非确定载荷非确定载荷：没有规律，随机性没有规律，随机性,不重复、不能不重复、不能直接用数学公式表示，要用统计的办法处理。直接用数学公式表示，要用统计的办法处理。按载荷历程不同按载荷历程不同,动载荷分为动载荷分为:(一一)周期载荷周期载荷周期载荷周期载荷:即即载荷随时间作周期性载荷随时间作周期性的变化的变化,有周期性。有周期性。周期载荷可用周期载荷可用3 3个要素描述，即个要素描述，即幅值、谐波角频率和相位角幅值、谐波角频率和相位角。常见的周期性载荷又包括以下两种常见的周期性载荷又包括以下两种 简谐载荷；简谐载荷；复杂周期载荷；复杂周期载荷；：t时时刻的刻的载载荷幅荷幅值值；：最大的：最大的载载荷幅荷幅值值；：角：角频频率，角率，角频频率率与周期与周期T的关系的关系为为：T=：相位角：相位角 式中：式中：由于余弦函数通过改变相位可转化为正弦函数，所以用余弦函数表示的载由于余弦函数通过改变相位可转化为正弦函数，所以用余弦函数表示的载荷也是谐波载荷。荷也是谐波载荷。1、简谐载荷（、简谐载荷（谐波载荷）谐波载荷）以以正弦规律变化正弦规律变化的载荷，是最简单的一种周期载荷。的载荷，是最简单的一种周期载荷。简谐载荷可用数学公式和图象表示。简谐载荷可用数学公式和图象表示。2、复、复杂杂周期周期载载荷荷任何复任何复杂杂的周期的周期载载荷，都可分解成无限个荷，都可分解成无限个简谐载简谐载荷相叠加的形式荷相叠加的形式(傅里叶傅里叶级级数数)。复杂载荷的数学表达式为：复杂载荷的数学表达式为：（3-1）式式(3-1)又可以表示又可以表示为为：式中：式中：相位角相位角谐谐波角波角频频率率、见见(P453-1)式。式。（3-2）辐值辐值周期性周期性载载荷可表示荷可表示为为：均：均值为值为 的的静静态态分量分量和和无无穷穷多个多个谐谐波波分量分量：相叠加的形式。相叠加的形式。通常根据对精度的要求，谐波分量只取前通常根据对精度的要求，谐波分量只取前n项。如取项。如取n=3，周期载荷可表，周期载荷可表示为：示为：静态分量静态分量一一次次分分量量(谐谐波波)二次分量二次分量(谐波谐波)三次分量三次分量(谐波谐波)和和3个个谐谐波分量相叠加的形式。波分量相叠加的形式。这样这样周期性周期性载载荷就表示荷就表示为为：静：静态态分量分量各谐波分量与一次分量的频率比为正整数：各谐波分量与一次分量的频率比为正整数：，1、准周期载荷：、准周期载荷：是指若干个频率比是有理数的正弦量合成的载荷是指若干个频率比是有理数的正弦量合成的载荷,仍仍可用数学公式表达。可用数学公式表达。(二二)非周期载荷非周期载荷非周期载荷包括非周期载荷包括准周期载荷准周期载荷和和瞬变载荷瞬变载荷两类。两类。2、瞬变载荷：、瞬变载荷：作用时间短、幅值变化大。可采用傅里叶变换建立载荷的作用时间短、幅值变化大。可采用傅里叶变换建立载荷的时域函数和频域函数之间的一一对应关系。时域函数和频域函数之间的一一对应关系。(3-3)(3-4)时域函数时域函数频域函数频域函数 准周期载荷和瞬变载荷都是确定性载荷准周期载荷和瞬变载荷都是确定性载荷.时域函数时域函数x(t)是频域函数是频域函数F()的反付里叶变换；而的反付里叶变换；而F()是是x(t)的正付里叶的正付里叶变换。变换。随机随机载载荷是指荷是指载载荷的幅荷的幅值值和和频频率随率随时间时间无无规规律律变变化的化的载载荷，随机荷，随机载载荷荷不能直接用一个数学式确切地表示不能直接用一个数学式确切地表示。(三三)随机载荷随机载荷载荷随时间变化情况叫载荷随时间变化情况叫载荷历程载荷历程，随机载荷的载荷历程可见，随机载荷的载荷历程可见P46图图3-1。在在统计统计学上把采得的每一个学上把采得的每一个纪录纪录叫一个叫一个子子样样，图图3-1中采得了中采得了n个子个子样样：x1(t)、x2(t)xn(t)。当子。当子样样个数个数n接近无接近无穷穷多多时时，就，就组组成了成了被被测载测载荷的荷的总总体体-母母体体。实际实际上子上子样样个数个数n只能是有限个，只能通只能是有限个，只能通过这过这有限个子有限个子样样，用，用统计统计学的方学的方法得到能代表母体特性法得到能代表母体特性谱谱型。型。汽车、拖拉机、水轮机、飞机等在复杂条件下工作的机械，就承受随机汽车、拖拉机、水轮机、飞机等在复杂条件下工作的机械，就承受随机载荷。由于外界条件变化无常，测量结果是不可确定的。载荷。由于外界条件变化无常，测量结果是不可确定的。由于随机载荷具有不可确定性，所以不能应用随机载荷直接进行强度、由于随机载荷具有不可确定性，所以不能应用随机载荷直接进行强度、刚度等计算，刚度等计算，必须用必须用数理统计数理统计的方法，总结出随机载荷的统计规律，才能进的方法，总结出随机载荷的统计规律，才能进行相应的计算行相应的计算。随机载荷是由现场实测获得，这个过程叫随机载荷是由现场实测获得，这个过程叫采样采样。以对载重汽车采样为例，在所得的一系列以对载重汽车采样为例，在所得的一系列“载荷载荷-时间历程时间历程”图中，每次图中，每次采样得到的采样得到的“载荷载荷-时间历程时间历程”都不相同，从而表现出这种载荷的随机性。都不相同，从而表现出这种载荷的随机性。随机变量随机变量 的均值为：的均值为：均值均值又叫又叫数学期望数学期望值值，它是表示随机，它是表示随机变变量概率分量概率分布集中程度的尺度。布集中程度的尺度。（3-5）(2)标准差标准差 ：是随机是随机变变量量 与均与均值值 之差的均方根。之差的均方根。标标准差准差 (3-6)(1)均值均值随机变量随机变量 的标准差为：的标准差为：具体在反映或表示随机载荷时，可以通过有限个子样求出一些数字特征具体在反映或表示随机载荷时，可以通过有限个子样求出一些数字特征值来描述母体的基本统计特征，这些值来描述母体的基本统计特征，这些数字特征值数字特征值包括：包括：(3)方差方差V(t)：方差方差V(t)是表示随机是表示随机变变量概率分布相量概率分布相对对于均于均值值分散程度的分散程度的尺度。尺度。对对比比(3-6)和和(3-7)式可得：式可得：(3-7)(3-8)(3-9)随机变量随机变量 的方差为：的方差为：的特例，的特例，(3-7)式可式可变为变为：对于均值对于均值 (4)自相关函数自相关函数R(t)：自相关函数：自相关函数R(t)表示随机表示随机变变量在量在t时时刻的刻的值值与与(t+)时时刻刻数数值值乘乘积积的平均的平均值值。(3-10)自相关函数自相关函数R(t，t+)为为随机变量随机变量 非平稳随机过程：均值非平稳随机过程：均值 、方差、方差V(t)、自相关函数、自相关函数R(t)均与时刻均与时刻t有关。有关。平稳随机过程：均值平稳随机过程：均值 、方差、方差V(t)、自相关函数、自相关函数R(t)均与时刻均与时刻t无关。无关。对对于一般的随机于一般的随机过过程，理程，理论论上上讲讲只有从无只有从无穷穷个个样样本中才能得出准确地反本中才能得出准确地反映随机映随机过过程特征的数字特征程特征的数字特征值值，但增加，但增加样样本个数具有一定的本个数具有一定的难难度，只能度，只能对对有有限个限个样样本本进进行分析行分析处处理，理，获获得近似的得近似的载载荷荷谱谱。但。但对对于各于各态历经态历经的随机的随机过过程，程，只要只要获获得一个得一个样样本，就可以得到能代表整个随机本，就可以得到能代表整个随机过过程的程的载载荷荷谱谱。(5)平稳随机过程与各态历经随机过程平稳随机过程与各态历经随机过程 各态历程随机过程：平稳随机过程中，整个母体的概率分布与任一个样各态历程随机过程：平稳随机过程中，整个母体的概率分布与任一个样本的概率分布相同。本的概率分布相同。式中：式中：i、j-1，2，ijK-某一时间延迟步数。某一时间延迟步数。二、二、载载荷荷处处理方法理方法(一一)静载荷、周期载荷、非周期载荷的处理静载荷、周期载荷、非周期载荷的处理 在静载荷下对机械零件进行强度计算时，塑性材料制成的零件，取屈服在静载荷下对机械零件进行强度计算时，塑性材料制成的零件，取屈服强度强度 作极限应力作极限应力 ；脆性材料制成的零件，取强度极限；脆性材料制成的零件，取强度极限 作极限应力作极限应力 ，选取安全系数，选取安全系数S后，就可决定许用应力后，就可决定许用应力 。用。用名义载荷名义载荷F与载荷与载荷系数系数K的乘积表示的乘积表示计算载荷计算载荷 ，即，即 ，这里载荷系数，这里载荷系数K是考虑载荷集是考虑载荷集中设定的。中设定的。1、静载荷、静载荷 应应用用强强度理度理论论由由计计算算载载荷荷 可求出计算应力可求出计算应力 ，按强度不等式，按强度不等式 来来进进行静行静强强度度计计算。算。也可采用简化计算法，引入也可采用简化计算法，引入载荷系数载荷系数K求得计算载荷求得计算载荷 FC=KF，然后再利，然后再利用强度理论进行强度校核。用强度理论进行强度校核。2、周期、周期载载荷和非周期荷和非周期载载荷荷 对周期载荷和非周期载荷，可应用数学方法，如付里叶展开和付里叶变对周期载荷和非周期载荷，可应用数学方法，如付里叶展开和付里叶变换，换，找到载荷变化的规律，然后利用疲劳强度的理论进行强度计算找到载荷变化的规律，然后利用疲劳强度的理论进行强度计算。决定载荷系数决定载荷系数K K时，既要考虑载荷集中，又要考虑动载荷。时，既要考虑载荷集中，又要考虑动载荷。例如例如:对齿轮进行疲劳强度：对齿轮进行疲劳强度：考虑有动载荷的系数：考虑有动载荷的系数：KA-使用系数；使用系数；KV-动载系数。动载系数。考虑载荷集中的系数：考虑载荷集中的系数：K-齿间载荷分配系数；齿间载荷分配系数；K-齿向载荷分布系数。齿向载荷分布系数。使用使用编编制的制的载载荷荷谱进谱进行疲行疲劳劳强强度度计计算或算或试验时试验时，得到的机械寿命，得到的机械寿命应应尽量接尽量接近机械的近机械的实际实际工作寿命；工作寿命；(二二)随机载荷的处理随机载荷的处理1、载载荷荷谱谱编谱是确定编谱是确定计算载荷计算载荷的一项重要工作，编谱时应注意下面的一项重要工作，编谱时应注意下面3点：点：选取的子样必须具有典型性和代表性；选取的子样必须具有典型性和代表性；整个编谱过程应能在计算机上进行，这样大量的计算过程就可由计算整个编谱过程应能在计算机上进行，这样大量的计算过程就可由计算机完成。机完成。2、编编制制载载荷荷谱谱的方法（了解）的方法（了解）通过实测得到的子样所表示的通过实测得到的子样所表示的“载荷载荷-时间历程时间历程”叫叫工作谱或使用谱工作谱或使用谱。子。子样虽然是实际载荷，但由于自身的不可重复性和不可预测性，因此不能用某样虽然是实际载荷，但由于自身的不可重复性和不可预测性，因此不能用某个子样进行设计计算。个子样进行设计计算。如果把大量的子样经数理统计方法处理后，就可得到能反映载荷随时间如果把大量的子样经数理统计方法处理后，就可得到能反映载荷随时间变化规律，这种变化规律，这种具有统计特征的具有统计特征的“载荷载荷-时间历程时间历程”就称为就称为载荷谱载荷谱。把工作谱处理成载荷谱的过程叫把工作谱处理成载荷谱的过程叫编谱编谱。进行机械设计时，载荷的大小和性质应由设计者来确定。进行机械设计时，载荷的大小和性质应由设计者来确定。对于工作条件简单、确定的机械，载荷确定后，在设计过程中就不再变对于工作条件简单、确定的机械，载荷确定后，在设计过程中就不再变动动;而对工作条件复杂，影响因素较多的机械在设计过程中要调整载荷，甚至而对工作条件复杂，影响因素较多的机械在设计过程中要调整载荷，甚至有些机械，在制造出来后，才能通过实测最终确定载荷。有些机械，在制造出来后，才能通过实测最终确定载荷。对于对于系列生产的机械产品系列生产的机械产品，确定载荷时要考虑国家制订的规格、系列或标，确定载荷时要考虑国家制订的规格、系列或标准，例如对冲床的冲力、起重机的起重量都有准，例如对冲床的冲力、起重机的起重量都有系列公称值系列公称值。三、载荷的确定方法三、载荷的确定方法 有一些产品是以有一些产品是以某些表征设备能力的特征结构尺寸为系列公称值的某些表征设备能力的特征结构尺寸为系列公称值的，如，如谷物联合收获机以割台宽度、钢坯轧机以辗辊最大直径，挖掘机以铲斗容积谷物联合收获机以割台宽度、钢坯轧机以辗辊最大直径，挖掘机以铲斗容积为系列公称值。为系列公称值。载荷的确定通常有载荷的确定通常有3种方法：种方法：类比法、计算法和实测法类比法、计算法和实测法。（一）类比法（一）类比法 应用类比法确定载荷的应用类比法确定载荷的先决条件先决条件：具有与所设计机械同类型的或相近类具有与所设计机械同类型的或相近类型的机械产品型的机械产品，这些，这些机械产品被实践证明是成功的机械产品被实践证明是成功的，这时可根据经验或简单，这时可根据经验或简单计算就可以确定所设计机械的载荷。计算就可以确定所设计机械的载荷。类比法类比法不够精确不够精确，主要用在，主要用在载荷难以确定载荷难以确定的情况或的情况或初步设计阶段初步设计阶段，当样，当样机制造好后，再用实测法较精确地确定载荷，并对设计对象进行较精确地校机制造好后，再用实测法较精确地确定载荷，并对设计对象进行较精确地校核计算。核计算。对于对于受载不大，以传递运动为主的机械受载不大，以传递运动为主的机械，如印刷机、包装机、仪器仪表，如印刷机、包装机、仪器仪表等，也可用类比法最终确定载荷。等，也可用类比法最终确定载荷。动力类比动力类比:选择通过实践证实设计较成功的同一类型的机械作类比对象，调选择通过实践证实设计较成功的同一类型的机械作类比对象，调查该机械使用动力机的容量，如电动机的功率、转矩、转速等参数；再根据查该机械使用动力机的容量，如电动机的功率、转矩、转速等参数；再根据设计者的经验或通过简单地推算，确定设计对象所需要的动力，进而确定机设计者的经验或通过简单地推算，确定设计对象所需要的动力，进而确定机械及其零部件的载荷。械及其零部件的载荷。类比法有类比法有动力类比和几何尺寸类比动力类比和几何尺寸类比两种两种.（3-12）例如要设计一台例如要设计一台割台宽度为割台宽度为L1的自走式谷物联合收获机。现有的自走式谷物联合收获机。现有一台割台一台割台宽度为宽度为L2的同类机械的同类机械，它的动力机是功率为，它的动力机是功率为P2(KW)的柴油机。两台机械的作的柴油机。两台机械的作业对象、工作速度、滚筒、清粮装置及传动装置的类型基本相同，技术要求业对象、工作速度、滚筒、清粮装置及传动装置的类型基本相同，技术要求也基本相同，就可推算出设计对象的功率为：也基本相同，就可推算出设计对象的功率为：式中：式中：P=f(L)为为自走式谷物自走式谷物联联合收合收获获机功率与割台机功率与割台宽宽度的函数关系，可以度的函数关系，可以通通过对过对已有已有产产品品进进行行调查调查研究，建立研究，建立这这个函数关系。个函数关系。尺度类比法尺度类比法.假设现有机械的载荷和尺寸为假设现有机械的载荷和尺寸为F1和和 l1，它们的函数关系为，它们的函数关系为F=（l），应用相似原理可建立），应用相似原理可建立(3-12)式：式：通通过过(3-12)式就可用式就可用类类比法确定比法确定设计对设计对象的尺寸象的尺寸l2：例如例如设计传动轴设计传动轴，其，其类类比比对对象上象上轴轴所受所受转转矩矩为为T2，直径，直径为为d2；设计对设计对象上象上轴轴的的转转矩矩为为T1，直径，直径为为d1，两，两轴轴的材料和工作条件相同，的材料和工作条件相同，则则可写出：可写出：则则（二）计算法（二）计算法 应用计算法确定载荷的先决条件：应用计算法确定载荷的先决条件：计算所需的力学原理计算所需的力学原理,经验公式或图表经验公式或图表是已知的是已知的。函数关系函数关系F=（l）可以在力学中寻找。）可以在力学中寻找。据材料力学，-各零件的各零件的质质量；量；式中：式中：g-重力加速度。重力加速度。例如例如:要设计可移式起重机，用计算法确定起重机载荷的过程如下：要设计可移式起重机，用计算法确定起重机载荷的过程如下：1)确定起升载荷确定起升载荷G起升起升载载荷荷G是由两部分是由两部分组组成：成：G=G1+G2 G1-起重机的起重机的额额定起重力定起重力，包括正常工作条件下，物料重量和可取下的取，包括正常工作条件下，物料重量和可取下的取物装置的重量（如抓斗、物装置的重量（如抓斗、电电磁吸磁吸盘盘）等。）等。额额定起重量定起重量应应符合有关符合有关标标准准。G2-随物料一起升降的随物料一起升降的设备设备重量重量，如吊具、，如吊具、钢丝绳钢丝绳等不可取下物的重量。等不可取下物的重量。2)起重机的整机重力起重机的整机重力W 起重机的整机重力起重机的整机重力W包括：起重机全部零部件和附属设备的重力。包括：起重机全部零部件和附属设备的重力。初步设计时整机重力初步设计时整机重力W难以准确确定，可以用类比法确定。设计图纸出来难以准确确定，可以用类比法确定。设计图纸出来后，整机重力后，整机重力W可准确地计算出来。可准确地计算出来。整机重量为：整机重量为：-各零件材料的密度；各零件材料的密度；-各零件的体各零件的体积积；起重机在起起重机在起动动或制或制动动等不等不稳稳定运定运动动状状态时态时，会引起，会引起惯惯性性载载荷或振荷或振动载动载荷，荷，这这些些载载荷荷统统称称为动载为动载荷，具体有如下一些荷，具体有如下一些动载动载荷：荷：3)动载荷动载荷由起升时惯性力引起的动载荷：由起升时惯性力引起的动载荷：式中：式中：G-起升载荷；起升载荷；K-起升动力系数，由起重机类型及工况不同，可查资料决定。起升动力系数，由起重机类型及工况不同，可查资料决定。由移动零部件惯性引起的动载荷：由移动零部件惯性引起的动载荷：式中：式中：m-起重机移起重机移动动件的件的总质总质量；量；-移动件的加速度。移动件的加速度。-转动转动件的角加速度。件的角加速度。式中：式中：J-转动转动零部件的零部件的转动惯转动惯量；量；由转动零部件惯性力矩引起的动载荷：由转动零部件惯性力矩引起的动载荷：4)其它载荷：风载其它载荷：风载雪载等雪载等.除上述载荷外，有些工况下还应考虑起重机行走时的坡度阻力、货物的除上述载荷外，有些工况下还应考虑起重机行走时的坡度阻力、货物的偏摆载荷以及侧向力等。这些载荷在起重机的设计规范中都有详细的分析和偏摆载荷以及侧向力等。这些载荷在起重机的设计规范中都有详细的分析和计算方法。计算方法。用计算法确定载荷时，必须认真分析机械的作业特点、各种负载的状况用计算法确定载荷时，必须认真分析机械的作业特点、各种负载的状况及其影响因素，应用静力学和动力学计算方法确定整机的工作载荷，然后根及其影响因素，应用静力学和动力学计算方法确定整机的工作载荷，然后根据传递原理计算各零部件的载荷。据传递原理计算各零部件的载荷。（三）实测法（三）实测法应用实测法的条件：应用实测法的条件：已制造出样机或关键部件已制造出样机或关键部件。如要确定拖拉机变速箱各轴上的载荷，就应在拖拉机样机制造出来后，如要确定拖拉机变速箱各轴上的载荷，就应在拖拉机样机制造出来后，在变速箱各轴上贴上应变片。当拖拉机运行时，轴承受转矩而发生扭曲变形，在变速箱各轴上贴上应变片。当拖拉机运行时，轴承受转矩而发生扭曲变形，使得应变片的电阻发生变化，经电阻应变仪中的测量电桥，把电阻值的变化使得应变片的电阻发生变化，经电阻应变仪中的测量电桥，把电阻值的变化转化成电压信号的变化，最后由记录仪记录出与载荷成比例变化的曲线，通转化成电压信号的变化，最后由记录仪记录出与载荷成比例变化的曲线，通过标定后就可测出转矩的大小及变化情况。如果能够测出轴的转速过标定后就可测出转矩的大小及变化情况。如果能够测出轴的转速n，就可计，就可计算出各轴上的功率算出各轴上的功率P。同样，在设计谷物联合收获机之前，将脱粒滚筒制造出来，进行脱粒的同样，在设计谷物联合收获机之前，将脱粒滚筒制造出来，进行脱粒的台架试验，就可以测出各种喂入量下，脱粒滚筒消耗的功率。台架试验，就可以测出各种喂入量下，脱粒滚筒消耗的功率。对于有一些机械产品，载荷复杂且难以确定，往往联合使用上述三种方对于有一些机械产品，载荷复杂且难以确定，往往联合使用上述三种方法来进行实际载荷的确定。法来进行实际载荷的确定。四、工作机械四、工作机械(执行系统执行系统)的工作制的工作制 不同机械在运行时工作的持续状况不同，如抽水用的水泵是不同机械在运行时工作的持续状况不同，如抽水用的水泵是连续工作连续工作，车床的主轴箱是车床的主轴箱是断续工作断续工作，而龙门吊车的大车是，而龙门吊车的大车是短时工作短时工作，机械工作的持续，机械工作的持续状况可以状况可以通过工作制来反映通过工作制来反映。机械工作的持续情况就是工作机械的工作制。机械工作的持续情况就是工作机械的工作制。工作制有不同的表示形式：工作制有不同的表示形式：用用“载荷载荷-时间时间”特性曲线表示特性曲线表示M1M2M3起重机的载荷起重机的载荷-时间特性曲线时间特性曲线MtTt0t3t2t1M1M2M3起重机的载荷起重机的载荷时间特性曲线时间特性曲线MtTt0t3t2t1 图中图中M1、M2、M3分别表示起动加速、匀速工作、减速制动时卷筒上的转分别表示起动加速、匀速工作、减速制动时卷筒上的转矩；矩；t1、t2、t3分别表示一个周期里上述分别表示一个周期里上述3个工况的运行时间；若用个工况的运行时间；若用tw表示一个表示一个周期里起重机的工作时间，周期里起重机的工作时间，tw=t1+t2+t3；t0表示一个周期里起重机不工作的表示一个周期里起重机不工作的时间；时间；T表示起重机的一个工作周期，表示起重机的一个工作周期，T=tw+t0。工作制反映载荷持续情况。工作制反映载荷持续情况。（3-15）用每年工作多少天，每天工作多少班，每班工作多少小用每年工作多少天，每天工作多少班，每班工作多少小时时,折旧期等表示折旧期等表示.用负荷持续率用负荷持续率FC表示工作制表示工作制认为机械连续工作；认为机械连续工作；认为机械断续工作；认为机械断续工作；表示机械短时工作。表示机械短时工作。工作时间占总时间的百分比工作时间占总时间的百分比.2、动动力机的机械特性力机的机械特性：应应与工作机的与工作机的负载负载特性相匹配；特性相匹配；3-2 3-2 动动力机种力机种类类、机械特性及其、机械特性及其选择选择 机械产品的动力机机械产品的动力机一般选用定型的动力机产品一般选用定型的动力机产品，电动机、内燃机、液压，电动机、内燃机、液压马达、气动马达，都可供设计者选择。只有当现有系列产品不适用需要时，马达、气动马达，都可供设计者选择。只有当现有系列产品不适用需要时，才专门设计动力机。设计动力机是专门设计人员的工作才专门设计动力机。设计动力机是专门设计人员的工作.各种定型的动力机有不同的各种定型的动力机有不同的机械特性机械特性。动动力机的力机的机械特性机械特性是指是指输输出出转转矩矩M与与输输出出转转速速n间间的关系的关系M=f(n)，动动力机力机的机械特性又叫的机械特性又叫输输出特性出特性。了解动力机的机械特性对动力机的选择很有用。了解动力机的机械特性对动力机的选择很有用。选择动力机的类型时，应考虑如下一些因素：选择动力机的类型时，应考虑如下一些因素：1、工作机的负载特性工作机的负载特性：包括载荷性质、工作制以及对起动、制动、正反：包括载荷性质、工作制以及对起动、制动、正反转及调速的要求；转及调速的要求；3、动力机的容量动力机的容量：动力机的容量以动力机的容量以额定功率额定功率PN(KW)表示表示。要满足机械系统的工作要求。(3-16)由由(3-16)可得：可得：(3-17)式中：式中：MN动动力机的力机的额额定定转转矩，矩，Nm；nN动动力机的力机的额额定定转转速，速，r/min。动力机的功率、转矩、转速间关系为：动力机的功率、转矩、转速间关系为：PN动力机的额定功率，动力机的额定功率，KW；4、机械产品的经济性：、机械产品的经济性：应从能源供应、使用与维护费用、动力机购置费应从能源供应、使用与维护费用、动力机购置费用等方面分析经济性；用等方面分析经济性；5、作、作业环业环境：境：从机械从机械产产品是品是户户外使用外使用还还是是户户内使用、内使用、环环境温度、湿度、境温度、湿度、粉粉尘尘及通及通风风条件，有无防爆要求，机械条件，有无防爆要求，机械产产品是固定工作品是固定工作还还是是经经常移常移动动，以及，以及环环保要求等方面考保要求等方面考虑虑。但是，选择电动机的一个重要前提是必须具备相应的电源，对于在但是，选择电动机的一个重要前提是必须具备相应的电源，对于在野外野外工作工作或者或者移动式的机械移动式的机械，由于没有电源，不能选用电动机作动力机。，由于没有电源，不能选用电动机作动力机。一、电动机的种类、机械特性及其选择一、电动机的种类、机械特性及其选择 电动机是机械产品最经常选用的动力机，与其它动力机相比较，它有下电动机是机械产品最经常选用的动力机，与其它动力机相比较，它有下面一些面一些优点优点：驱动效率较高；驱动效率较高；种类、型号较多；种类、型号较多；与工作机连接方便；与工作机连接方便；调速、起动、制动、反向控制性能好；调速、起动、制动、反向控制性能好；易于实现远距离自动控制；易于实现远距离自动控制；不污染工作环境。不污染工作环境。首选电动机的原因首选电动机的原因（一）电动机的种类及其机械特性（一）电动机的种类及其机械特性电动机可以采用多种分类方法：电动机可以采用多种分类方法：按电源不同，电动机分为按电源不同，电动机分为交流电动机交流电动机和和直流电动机直流电动机。按按转子转速和旋转磁场转速转子转速和旋转磁场转速是否相同，交流电动机可分为是否相同，交流电动机可分为同步电动机同步电动机和和异步电动机异步电动机。按励磁方式不同，直流电动机可分为：按励磁方式不同，直流电动机可分为：他励他励、并励并励、串励串励、复励复励等形式。等形式。电动机的机械特性电动机的机械特性电动机的机械特性可分为电动机的机械特性可分为固有机械特性固有机械特性和和人为机械特性人为机械特性。固有机械特性固有机械特性：在额定电压、额定频率下用规定的方法接线，定子和转：在额定电压、额定频率下用规定的方法接线，定子和转子电路中不接入任何电阻和阻抗时测得的机械特性。子电路中不接入任何电阻和阻抗时测得的机械特性。人为机械特性人为机械特性：改变电动机的某些参数如改变电压或频率，在定子或转：改变电动机的某些参数如改变电压或频率，在定子或转子电路中接入电阻或阻抗所测得的机械特性。子电路中接入电阻或阻抗所测得的机械特性。1、三相异步交流电动机的种类及其机械特性、三相异步交流电动机的种类及其机械特性 三相异步交流三相异步交流电动电动机的分机的分类类 三相异步交流电动机使用三相交流电三相异步交流电动机使用三相交流电，是应用最广泛的电动机。，是应用最广泛的电动机。这种电动机种类较多，主要有下面一些类型：这种电动机种类较多，主要有下面一些类型：三相异步电动机可分为三相异步电动机可分为笼型电动机笼型电动机和和绕线型电动机绕线型电动机。按转子结构分类按转子结构分类 笼型电动机笼型电动机:结构简单、耐用、易维护、价格低、载荷变化时转速变化较结构简单、耐用、易维护、价格低、载荷变化时转速变化较小（特性硬）；但其起动电流较大、起动力矩较小、调速性能差（范围小、小（特性硬）；但其起动电流较大、起动力矩较小、调速性能差（范围小、不稳定）、轻载时功率因数较低。（不稳定）、轻载时功率因数较低。（起动性能差、调速性能差起动性能差、调速性能差）对于对于没有调速要求，起动力矩不太大的机械没有调速要求，起动力矩不太大的机械，如水泵、机床、一些农业，如水泵、机床、一些农业机械等，广泛选用笼型三相异步电动机作动力机。机械等，广泛选用笼型三相异步电动机作动力机。Y系列电动机系列电动机是最常见的笼型三相异步电动机。是最常见的笼型三相异步电动机。Y系列电动机按照定子的转数可以分为：系列电动机按照定子的转数可以分为：2级级-同步转速同步转速3000r/min；4级级-同同步转速步转速1500r/min；6级级-同步转速同步转速1000r/min；8级级-同步转速同步转速750r/min。有一种可以通过改变定子极数的有一种可以通过改变定子极数的变速笼型电动机变速笼型电动机（变极变速三相交流异（变极变速三相交流异