机械系统的载荷特性及动力机选择原则
本章介绍机械系统的载荷特性及动力机选择，掌握机械系统的载荷特性及动力机选择原则
26.1.1工作机械的载荷
载荷类型机械设计中载荷的组合及其类别工作载荷的确定方法1）按作用形式分
直接作用载荷--载荷以力或力矩形式直接作用在机器上；如由工作阻力产生的载荷、惯性载荷、风载荷、驱动力、制动力等。

间接作用载荷--以变形的形式间接作用在机器上；如温度、地震的作用引起的载荷。

对于绝大多数的机器来说，直接作用的载荷是主要的。

2）按照载荷产生的来源分
(1) 工作载荷由机器工作阻力产生的载荷。

工作载荷是各种机器最重要最基本的载荷。

(2) 动力载荷动力载荷包括惯性载荷、振动载荷和冲击载荷。

当机器或机器的某机构运动速度的大小或方向发生变化时(如起动或制动)将产生惯性载荷。

(3) 自重载荷设备自身重量产生的载荷。

(4) 风载荷具有一定质量的空气以一定速度流动被结构物表面阻挡时，对结构物产生压力。

(5) 温度载荷温度变化使构件热胀冷缩，当构件的胀缩受到约束时，在构件中产生附加力。

(6) 水力载荷水对构件产生的压力和流动阻力等。

3）按载荷是否随时间变化分
静载荷指大小，位置和方向不变的载荷。

在工程中大多数机械承受的都是变载荷，严格意义的静载荷是很少见的，但在设计上常把变化不大或变化速度缓慢的载荷，近似地作为静载荷来处理
变载荷指随时间有显著变化的载荷。

一般机械承受的变载荷主要有周期载荷，冲击载荷和随机载荷等几种。

a）周期载荷
载荷的大小是随时间作周期性变化的，它可用幅值、频率和相位角三个要素来描
述。

b）冲击载荷
载荷作用时间短，而且幅值较大，例如，锻锤在锤打坯料时所受的载荷就属于冲击载荷。

在设计中对于数值较小，频率较高的多次冲击载荷，常按一般的周期载荷来处理。

c）随机载荷
载荷的幅值和频率都是随时间变化的，且变化规律不能用一个函数确切地进行描述，只能应用数理统计方法才能获得它们的统计规律。

26.1.2 动力机的种类及其机械特性
电动机液压马达气动马达内燃机
电动机在额定电压和额定频率下工作，并按规定的接线方法，定子和转子电路中不外接电阻，此时获得的机械特性称为电动机的固有机械特性。

右图是电动机的机械特性曲线。

根据转矩增加使电动机转速下降的程度不同，电动机的机械特性分为硬特性和软特性两类。

同步电动机、一般交流异步电动机和直流并激电动机属于硬特性，即其负载转矩在允许范围内变化时，电动机转速变化不大，而且同步电动机的转速可保持恒定。

转子回路串电阻的交流绕线型异步电动机和直流串激电动机则属于软特性，即随负载转矩的增加，电动机的转速显著下降，但是它们的起动转矩比较大。

电动机改变某些参数时获得的机械特性称为人为机械特性。

可通过降低供电电压、在转子或定子电路内串接对称电阻及在转于电路接入并联电阻等方法，获得人为机械特性。

交流电动机根据电动机的转速与旋转磁场的转速是否相同，分为同步电动机和异步电动机两种。

同步电动机是一种用交流电流励磁建立旋转的电枢磁场，用直流电流励磁构成旋转的转子磁极，依靠电磁力的作用旋转磁场牵着旋转磁极同步旋转的电动
机。

同步电动机的最大优点是能在功率因数为1的状态下运行，不需从电网吸收无功功率。

三相异步电动机使用三相交流电源，是生产中广泛应用的一种电动机，它的品种很多，主要分类如下：
(1)按转子结构型式分类根据转子的结构型式可分为笼型电动机和绕线型电动机。

(2)按外壳结构形式分类根据外壳结构形式可分为开启式、防护式、封闭式和防爆式。

(3)按安装型式分类按不同的安装型式可分为立式、卧式及带有特殊安装结构等型式，以适应各种不同的安装需要。

此外，还有齿轮减速异步电动机，电磁调速异步电动机、异步整流子变速电动机等多种类型。

直流电动机需使用直流电源，与交流电动机相比，它具有调速性能好、调速范围宽，起转矩大等特点。

26.1.3 动力机的选择
电动机作为动力机时具有以下特点：
1、较其他动力机有较高的驱动效率。

2、与被驱动的工作机械联接简便。

3、种类和型号较多，并具有各种运行特性，可满足不同类型机械的工作要求。

4、电动机还具有良好的调速性能，起动、制动，反向和调速的控制简便，可以实现远距离的测量和控制，便于集中管理和实现生产过程的自动化。

5、但使用电动机必须具备相应的电源，对野外工作的机械及移动式机械常因缺乏所需电源而不能选用。

液压马达作为动力机时具有以下特点：
1、可以获得很大的机械力或转矩。

2、与电动机相比在相同功率时的外形尺寸小、重量轻，因而运动件的惯性
小，快速响应的灵敏度高。

3、液压马达可以通过改变油量来调节执行机构的速度，传动比较大，低速性能好，容易实现无级调速，操作和控制都比较简便，易于实现复杂工艺过程的动作并满足其性能要求。

4、但使用液压马达必须具有高压油的供给系统，应使液压系统元件有必要的制造和装配精度，否则容易漏油，这不仅影响工作效率，而且还影响：工作机械的运动精度。

使用气动马达作为动力机时具有以下特点：
1、与液压马达相比较，因用空气作为工作介质，容易获得，用后的空气可直接排入大气而无污染，压缩空气还可以进行集中供给和远距离输送。

2、气动马达动作迅速、反应快、维护简单、成本比较低，对易燃，易爆、多尘和振动等恶劣工作环境的适应性较好。

3、但因空气具有可压缩性，因此气动马达的工作稳定性差，气动系统的噪声较大，又因工作压力较低，输出的转矩不可能很大，一般只适用于小型和轻型的工作机械。

使用内燃机作为动力机时具有以下特点：
1、具有功率范围宽，操作简便，起动迅速和便于移动等优点，大多用于野外作业的工程机械、农业机械以及船舶，车辆等。

2、主要缺点是需要柴油或汽油作为燃札通常对燃料的要求也比较高，特别是高速内燃机需使用洁净度高的汽油和轻质柴油，内燃机的排气污染和噪声都较大，在结构上也比较复杂，而且对零部件的加工精度要求较高。

在设计机械系统时，应选用何种形式的动力机，主要应从以下三个方面进行分析比较：
1）分析工作机械的负载特性和要求，包括工作机械的载荷特性、工作制度，结构布置和工作环境等。

2)分析动力机本身的机械特性，包括动力机的功率、转矩、转速等特性，以及动力机所能适应的工作环境。

应使动力机的机械特性与工作机械的负载特性相匹配。

3)进行经济性的比较，当同时可用多种类型的动力机进行驱动时，经济性的分析是必不可少的，包括能源的供应和消耗，动力机的制造，运行和维修成本的
对比等。

除上述三方面外，有些动力机的选择还要考虑对环境的污染，其中包括空气污染和噪声污染等。

例如，室内工作的机械使用内燃机作为动力机就不很合适。

根据各类动力机的特点，选择时可进行各种方案的比较，首先确定动力机的类型，然后根据工作机械的负载特性计算动力机的容量。

有时也可先预选动力机，在产品设计出来后再进行校核。