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

1、淺議機(jī)械設(shè)計節(jié)能基本原理的分析及應(yīng)用    摘要：本文通過對系統(tǒng)的動能、其他輸出力和無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；節(jié)能 中圖分類號：TE08文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1基于動能的機(jī)械設(shè)計節(jié)能方法證明 人們以往對系統(tǒng)動能變化率對輸入功率的影響研究,主要對機(jī)器工作過程中經(jīng)過“起動-工作(勻速)-減速”3個階段中的第1和第3階段進(jìn)行分析。雖然也對不勻速的第2階段進(jìn)行分析研究,但主要是針對機(jī)器周期性速度波動和非周期性速度波動的如何調(diào)節(jié),為提高使用壽命、工作精度進(jìn)行研究,很少涉及到功率問題。所以,還應(yīng)對系統(tǒng)動能的變化率對輸

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)動件均按設(shè)計要求作各自的運(yùn)動(平動、轉(zhuǎn)動和平面運(yùn)動等),故該系統(tǒng)動能T可表示為 (1) 式中:Ici為轉(zhuǎn)動慣量;i為角速度;mi為質(zhì)量;vci為速度。 對式(1)求導(dǎo),可得系統(tǒng)動能變化率為 (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: 短時間內(nèi),系統(tǒng)動能在最大范圍內(nèi)變化,或系統(tǒng)動能在制動過程中沒有得到回收或轉(zhuǎn)換而白白浪費(fèi)等,均是系統(tǒng)動能變化率引起輸入的功率較高和能量沒有得到充分利用的原因;若系統(tǒng)動能為常量,則系統(tǒng)動能的變化率所需輸入的功率為0,與速度的大小無關(guān)。 為了便于分析,將系統(tǒng)動能表示為由多個用周期函數(shù)

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

4、能在最大范圍內(nèi)變化;系統(tǒng)動能在整個工作過程中沒有得到回收或轉(zhuǎn)換?；趧幽艿臋C(jī)械設(shè)計節(jié)能方法,在設(shè)計機(jī)械系統(tǒng)時,只要使系統(tǒng)的動能為常量,或在最小范圍內(nèi)變化;若機(jī)器系統(tǒng)動能的變化率呈周期性變化,還可再設(shè)計一個與原周期變化相同的機(jī)構(gòu),使2個系統(tǒng)動能的初相位相差角度;對于制動頻繁的機(jī)器或工作裝置,應(yīng)設(shè)計一套將能量(動能、勢能)儲存或轉(zhuǎn)換系統(tǒng);則維持系統(tǒng)正常工作所需輸入的功率將會降低和能量得到充分利用。系統(tǒng)的動能為常量和在最小范圍內(nèi)變化的必充條件是,各動能2個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)器在工作過程中的輸出力,針對不同的工作對象便以不同的形式表示,如車

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)器檢測的數(shù)據(jù)結(jié)果,式(5)中每個輸出力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可以看作為多個周期函數(shù)和非周期函數(shù)的合成?，F(xiàn)將其以多個周期函數(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,則每個輸出力Fsi、Msi或系統(tǒng)動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)?短時間內(nèi)輸出力Fsi、Msi或系統(tǒng)動能在最大范圍內(nèi)變化;降低其他輸出力消耗功率NSF的措施,在設(shè)計機(jī)械系統(tǒng)時,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降低;在最小范圍內(nèi)變化的充要條件是每個周期函數(shù)相鄰的初始相位角之差為或在rad附近;針對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)再附加一個相同周

8、期函數(shù)機(jī)構(gòu),2個相同周期函數(shù)機(jī)構(gòu)初相位應(yīng)相差。 3降低無用功率NR措施的論證 機(jī)器在將能量傳送到工作裝置和作用,并與工作對象(或介質(zhì))在工作過程中,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,即無用功率。雖然其量與機(jī)器的傳動方式、制造精度、潤滑條件等有關(guān),但對損耗功率的發(fā)聲、彈性、塑性變形現(xiàn)象進(jìn)行動力學(xué)分析,可知產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是,部件運(yùn)動過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)的動能或勢能在較大范圍內(nèi)變化。 動摩擦因數(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滑動的速度大小有關(guān),動摩擦因數(shù)隨相對滑動速度

9、的增大而減小;若系統(tǒng)的動能或勢能在較大范圍內(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。同時鑒于機(jī)器發(fā)聲、彈性變形也基本都是周期性的,故無用功率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)表示的無用功率,可得:當(dāng)以周期函數(shù)表示的無用功率在較大范圍內(nèi)變化時,所需匹配的平均功率較大;當(dāng)無用功率的變化主要與每個無用輸出力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,則無用輸出力Fsi、Msi或系統(tǒng)動能必然在較大范圍內(nèi)變化

10、。 引起無用功率較高的原因是,短時間內(nèi)以周期函數(shù)表示的無用功率在較大范圍內(nèi)變化。降低無用功率NR措施:在設(shè)計機(jī)械系統(tǒng)時,只要使以周期函數(shù)表示的無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用功率將會降低。 4機(jī)械設(shè)計節(jié)能基本原理的歸納整理 將基于動能的機(jī)械設(shè)計節(jié)能方法,降低其他輸出力消耗功率的措施,降低無用功率的措施歸納為機(jī)械設(shè)計節(jié)能基本原理。在設(shè)計機(jī)械系統(tǒng)時,只要使系統(tǒng)動能為常量,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、無用功率在較小范圍內(nèi)變化;調(diào)整系統(tǒng)動能變化率、其他輸出力消耗功率、無用功率3個函數(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儲存或轉(zhuǎn)換系統(tǒng);則維持系統(tǒng)正常工作所需輸入功率將會降低,系統(tǒng)能量將得到充分