机械系统动力学

2024-09-14

机械系统动力学（共12篇）

机械系统动力学篇1

机械系统动力学是高等学校机械工程大类主要的专业课程之一, 它研究的对象包括几乎所有具有机械功能的系统, 其研究范围涵盖了这类系统的建模与仿真、动力学分析与设计、动力学控制、运行状态监测和故障诊断等。因此, 机械系统动力学的研究对整个机械学科有及其重要的意义, 对其的课堂教法也值得研究, 以便学生能够更好地学习该课程, 为今后的工作打下坚实的专业基础。

1 PPT与黑板板书相结合

如今的高等教育中, 幻灯片 (PPT) 已经成为教学过程中非常重要的手段, 它将教师从费力的黑板板书中解放出来, 有更多的时间放在对重要知识点的讲解上, 而且PPT图文并茂的方式多样, 也给学生以更好的视觉效果, 有助于提高学生学习兴趣。虽然PPT授课的方式有很多优点, 但是, 在实际教学过程中发现, 如果在整堂课中都采取PPT的方式授课, 学生会产生疲劳的感觉。在用PPT对知识的讲解过程中, 适当地通过黑板板书, 既可以对知识点做更全面的讲解, 也可以缓解学生对PPT产生的疲劳感觉, 提高学生课堂学习质量。

2 教师和学生互动

由于机械系统动力学属于专业中很重要的课程之一, 很多学生需要学习这门课程, 每次上课的学生人数较多, 课堂纪律也不好管理, 如何提高授课效果亟待解决。鉴于这种情况, 教师应该积极引导学生进入课堂角色, 让其能够跟随教师的思路认真听课。教师要在适当的时候提出问题让学生思考, 并且要学生回答问题, 这就给学生一种紧迫感, 也是一个学生展示自己的机会, 形成教师和学生之间的良好互动。教师和学生都以一种积极的姿态参与了整个教学过程, 教师的授课热情和学生的学习动力都得到感染, 这样也将会有更好的学习效果。

3 必要的实物展示

机械学科是一门十分贴近人们生活的科学, 机械系统动力学研究的大多数问题都来源于工程实际, 通过从工程中提炼出动力学问题及其模型, 然后运用并发展各种科学方法加以研究和解决。因此, 如果某些动力学问题能够给学生展现或部分展现实物, 让学生对问题能够有一个感性认识, 加深对问题的理解, 便于提炼动力学问题并建立模型, 这对学生的课堂学习是十分有益的辅助教学手段。例如在进行齿轮传动系统动力学讲解时, 可以给学生展示一套齿轮传动系统, 一是可以更形象地讲解齿轮副的动力学分析, 二是可以根据实物深入剖析齿轮-转子-轴承系统的动力学研究。

4 动力学仿真软件的运用

4.1 动力学仿真软件介绍

目前, 采用有限元进行机械零部件动力学分析的方法广泛应用, ANSYS、NASTRAN、ADAMS等动力学仿真软件已经商品化, 能够完成较多的动力学问题的分析与求解。其中, ANSYS可进行结构动力学分析, 包括瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析, 并且它还可以分析大型三维柔体运动, 即当运动的积累影响起主要作用时, 可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性, 并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。NASTRAN也具有动力学分析功能, 包括特征模态分析、直接复特征值分析、直接瞬态响应分析、模态瞬态响应分析、响应谱分析、模态复特征值分析、直接频率响应分析、模态频率响应分析、非线性瞬态分析、模态综合、动力灵敏度分析等。ADAMS软件可以实现多刚体系统动力学建模, 它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库, 创建完全参数化的机械系统几何模型, 其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法, 建立系统动力学方程, 对虚拟机械系统进行运动学和动力学等的分析。

4.2 仿真软件在机械系统动力学教学中的应用

在机械系统动力学教学过程中, 涉及到大量的工程问题, 如果都采取展现整套实物并完成试验过程的方式, 投入的资金巨大, 难以实现。同时, 要广泛组织学生观看物理试验也并不是一件容易的事情。由于ANSYS等动力学软件仿真功能强大, 并且很容易从网上免费下载具有相当多功能的软件版本, 因此, 将其应用于机械系统动力学教学过程易于实现。教学过程中, 教师可以将建好的动力学仿真模型展示出来, 并演示仿真结果, 加深学生对理论知识的理解。学生可以在课后建立机械系统动力学模型, 通过仿真软件实现, 增大学生学习的自主性。

5 结束语

总之, 通过以上的一系列方法, 以促进学生对机械系统动力学课程的学习兴趣, 提高学习效率, 改善教学质量。

摘要：机械系统动力学是一门研究工程实际问题的学科, 它涉及了机械工程领域的很多问题, 对其的学习具有十分重要的意义。因此, 在高等学校中, 对机械系统动力学课程的教学方法应给与高度重视, 需要做好教学中的各个环节, 力图在提高教学方法的基础上, 促进学生的学习兴趣, 提高课程教学质量。

关键词：机械系统动力学,教学方法,教学质量

参考文献

[1]余伟炜, 高炳军, 陈洪军等.ANSYS在机械与化工装备中的应用[M].北京:中国水利水电出版社, 2006.

[2]杨剑等.新编MD Nastran有限元实例教程[M].北京:机械工业出版社, 2008.

[3]赵武云, 刘艳妍, 吴建民等.ADAMS基础与应用实例教程[M].北京:清华大学出版社, 2012.

机械系统动力学篇2

近代机械发展的一个显著特点是，自动调节和控制装置日益成为机械不可缺少的组成部分。机械动力学的研究对象已扩展到包括不同特性的动力机和控制调节装置在内的整个机械系统，控制理论已渗入到机械动力学的研究领域。在高速、精密机械设计中，为了保证机械的精确度和稳定性，构件的弹性效应已成为设计中不容忽视的因素。一门把机构学、机械振动和弹性理论结合起来的新的学科——运动弹性体动力学正在形成，并在高速连杆机构和凸轮机构的研究中取得了一些成果。在某些机械的设计中，已提出变质量的机械动力学问题。各种模拟理论和方法以及运动和动力参数的测试方法，日益成为机械动力学研究的重要手段。

一、机械动力学研究的内容

任何机械，在存在运动的同时，都要受到力的作用。机械动力学时研究机械在力作用下的运动和机械在运动中产生的力，并从力与运动的相互作用的角度进行机械的设计和改进的科学。详细的机械动力学研究方向可以分为以下六点：

（1）在已知外力作用下，求具有确定惯性参量的机械系统的真实运动规律；分析机械运动过程中各构件之间的相互作用力；研究回转构件和机构平衡的理论和方法；机械振动的分析；以及机构的分析和综合等等。

为了简化问题，常把机械系统看作具有理想、稳定约束的刚体系统处理。对于单自由度的机械系统，用等效力和等效质量的概念，可以把刚体系统的动力学问题转化为单个刚体的动力学问题；对多自由度机械系统动力学问题一般用拉格朗日方程求解。机械系统动力学方程常常是多参量非线性微分方程，只在特殊条件下可直接求解，一般情况下需要用数值方法迭代求解许多机械动力学问题可借助电子计算机分析计算机根据输入的外力参量、构件的惯性参量和机械系统的结构信息，自动列出相应的微分方程并解出所要求的运动参量。（2）分析机械运动过程中各构件之间的相互作用力。这些力的大小和变化规律是设计运动副的结构、分析支承和构件的承载能力以及选择合理润滑方法的依据。在求出机械真实运动规律后可算出各构件的惯性力，再依据达朗伯原理用静力学方法求出构件间的相互作用力。（3）研究回转构件和机构平衡的理论和方法。平衡的目的是消除或减少作用在机械基础上周期变化的振颤力和振颤力矩。对于刚性转子的平衡已有较成熟的技术和方法：对于工作转速接近或超过转子自身固有频率的挠性转子平衡问题，不论是理论和方法都需要进一步研究。

平面或空间机构中包含有往复运动和平面或空间一般运动的构件。其质心沿一封闭曲线运动。根据机构的不同结构，可以应用附加配重或附加构件等方法全部或部分消除其振颤力但振颤力矩的全部平衡较难实现优化技术应用于机构平衡领域已经取得较好的成果。（4）研究机械运转过程中能量的平衡和分配关系。这包括：机械效率的计算和分析；调速器的理论和设计；飞轮的应用和设计等。

（5）机械振动的分析研究是机械动力学的基本内容之一。它已发展成为内容丰富、自成体系的一门学科。

（6）机构分析和机构综合一般是对机构的结构和运动而言，但随着机械运转速度的提高，机械动力学已成为分析和综合高速机构时不可缺少的内容.二、机械动力学的分类机械动力学的分析过程，按其功能的不同，可以分为两类问题：（1）动力学反问题：已知机构的运动状态和阻力（力矩），求解应施加于原动构件上的平衡力（平衡力矩），以及各种运动副中的反力，也就是已知运动，求力。

（2）动力学正问题：给定机器的输入力（力矩）和阻力的变化规律，求解机器的时间运动规律，也就是已知力，求运动。

以机器人为例加以详细说明。在机器人的分析中，首先要根据机器人手部应完成的工作，进行轨迹的规划，即给定机器人手部的运动路径以及路径上个点的速度和加速度。然后，通过求解动力学反问题，求出应施加于各主动关节的驱动力矩的变化规律。动力学反问题时机器人控制设计的基础。若已知各关节的驱动力矩，要求解手部的真实运动，则需要求解动力学正问题，它是机器人动态仿真的基础。

三、机械动力学在现代机械系统中的应用

从分析、仿真到设计和控制，机械动力学的研究范围在不断扩大，形成了许多的分支领域，如：机床动力学、车辆动力学、转子动力学、机器人动力学、弹性机构动力学等（1）机床动力学

对精密机床来说，加工精度时很重要的一个指标，而机床的震动则严重破坏了机床的加工精度。切削过程中产生的复杂的激振力，传动系统中的齿轮、滚动轴承等则是机床的内部振动源。机床动力学的研究内容为：机床的动力源分析、机床振动的动力学模型和振动分析，及机床的动态设计。（2）车辆动力学

随着车辆的高速化，安全性和舒适性变得十分重要。而出现了许多独有的动力学问题，例如:带有锥度的车轮子铁轨上的振动会导致列车的蛇形运动，它会激发车辆的横向运动；高速列车在大区率弯道上的运动时涉及车辆安全的重大课题；为提高轿车的舒适性，最新的研究趋向时车架振动的主动控制，即根据每时刻的路面激励情况和运动状态，随时调整振动系统元件的参数，使其永远处于最佳的减震状态。（3）转子动力学

汽轮机、发电机、电动机、离心机等旋转机械，转子时其工作的主体。为了提高机械的工作效率和容量，这类机械的转速日益提高。抑制转子系统的振动时关键问题。特别是大型汽轮发电机组转子，由于振动造成的破坏会给国民经济造成重大损失。20世纪80年代，我国两台20万千万汽轮发电机组就曾因振动引起严重的短轴事件。转子动力学研究转子及其支撑系统的振动及其对策。它以早期的轴和轴系的振动研究为基础，但汽轮发电机组轴的工作转速超过了临界转速，而且包含着更复杂的多的振动现象，从而形成了机械动力学的一个重要分支。

（4）机器人动力学

20世纪60年代，机器人学诞生并迅速地发展起来，它是机构学、机械电子学、计算机学和信息科学等多学科综合而成的前沿学科。各种工业机器人已经越来越广泛的应用于喷漆、搬运、焊接和装配等工业生产线上，各种特种机器人则应用于海洋探测、外空探测等领域。机器人机构学成为机构学中异常活跃的一个分支。为了提高机器人的速度，高速、柔性机器人已经出现。机器人机构的复杂性远远超过了一般的平面机构，而且机器人的动力学必须考虑控制。

（5）弹性机构动力学

早期的机械研究当中认为只有机构与原动机和工作机连在一起时才有动力学问题，孤立的一个机构没有动力学问题。刚体机构的平衡问题，就是一个机构的动力学问题。二战以后，在凸轮机构、连杆机构、和齿轮机构的动力学研究中先后涉及了构件的弹性。在弹性机构中的分析中可以不涉及原动机特性，仍假定主动构件等速回转，也不考虑工作机负载，只研究在构件自身惯性力作用下的振动。正是随着高速弹性机构的研究，才有了弹性机构动力学。

弹性机构是典型的多体动力学系统。随着机构部件日趋轻柔、其弹性振动与刚体运动相耦合，致使数学模型成为具有时变系数、复杂非线性项的高维微分方程组微分代数方程组，这给弹性机构的动力学分析带来很大的困难。

目前，对弹性连杆机构动力学分析的KED 法已比较成熟。近年来，不少研究开始涉及动力稳定性、主共振、分数共振、主参激共振、内共振等非线性动力学问题。由于高维非线性动力学问题的难度，这些研究的对象主要是最简单的四连杆曲柄连杆机构，对具有共性的弹性多杆或组合机构动力学的研究还很少。与弹性连杆机构相比，弹性凸轮系统的动力学研究进展逊色许多。在多数研究中，将从动件简化为线性时不变系统，讨论其动响应及其优化问题。近期，一些研究开始涉及到动力稳定性、参激振动等问题。由于非线性动力学理论未能足够地渗入到该领域，其研究的深度与广度仍显不足，理论成果与工程要求仍有相当距离。

近年来，已有不少关于弹性机构振动主动控制的研究。研究的典型问题是：引入模态控制等结构控制中的方法，采用压电陶瓷片为驱动器，对平面四连杆机构的弹性振动进行主动控制。这些研究尚在实验室阶段，到实际工程应用尚有距离。（6）微机电系统动力学

近年来，微机电系统（简称MEMS: Micro E ectro-Mechanica System）正走出实验室，成为21世纪初的新兴产业。仅从国防科技工业领域看，MEMS 技术将用于各种微型武器系统，形成具有新的竞争力的“智能军火”。西方发达国家正在积极研制用于军事目的的微型航空器、重量在1kg 级、甚至0.1kg 级的纳米卫星等。而它们的实现必须借助各种微发动机、微惯导仪器、微传感器、微执行机构。

与传统机械和结构相比，MEMS 的研制过程更具有设计与制造一体化的特征。目前，对MEMS 的设计多还在器件水平。除了少数二维器件的设计外，多数设计借助于ANSYS 等商品化软件进行试凑；除了一些微加速度计的设计外，多数设计尚属于结构静强度机构运动学范畴。可以预见，随着MEMS 的实用化，其动力学问题将日益引起人们的关注。例如，微发动机中的运动部件、微惯导仪器必须从动力学角度去进行分析和设计。这方面的研究尚处于起步阶段。

机床、车辆、转子和机器人的动力学，其重点在于这类机械的个性问题。而各类机械中都包含着机构，各类机械又都是由原动机、传动装置和工作机组成的系统。因此，机构动力学和机械系统动力学研究各种机械在动力学方面的共性问题。

四、机械动力学的未来展望

近代机械发展的一个显著特点是，自动调节和控制装置日益成为机械不可缺少的组成部分。机械动力学的研究对象已扩展到包括不同特性的动力机和控制调节装置在内的整个机械系统，控制理论已渗入到机械动力学的研究领域。

在高速、精密机械设计中，为了保证机械的精确度和稳定性，构件的弹性效应已成为设计中不容忽视的因素。一门把机构学、机械振动和弹性理论结合起来的新的学科——运动弹性体动力学正在形成，并在高速连杆机构和凸轮机构的研究中取得了一些成果。

在某些机械的设计中，已提出变质量的机械动力学问题。各种模拟理论和方法以及运动和动力参数的测试方法，日益成为机械动力学研究的重要手段。

浅谈热能动力机械问题篇3

关键词：热能动力;环境;技术;锅炉;机械

随着世界经济水平的不断提升及环境问题的进一步加剧，许多国家在能源开发中热衷于各种新能源的研究，但也不乏对传统能源利用方式的创新。热能作为当今社会发展的主要动力能源，它的研究越来越被人们重视，通常都是利用内燃机、机械学、计算机一级信息技术等学科进行融合，从而让更多的资源高效、环保的利用在热能领域，为社会经济的稳定、持续、环保发展奠定了基础。

一、热能动力现状

热能动力工程是一种以热能交换为基础的现代化技术学科，它是通过对热能、机械能进行转换研究的方式，目前已经逐渐渗透到国家科研领域的每一个环节，甚至许多部门和院校采用了众多机械能技术对其进行研究。随着各种大型热能动力设备的不断出现，各种系统复杂的热能动力设备越拉越常见，这些设备在应用中包含了电子技术、信息技术、智能技术、自动技术等多种不同的学科，因此自动化程度也非常高。从生产的角度对这些设备进行分析，它在运行中基本上都实现了远程操作、无人监控、无人管理的高度自动化控制要求，也可以说全计算机控制方式是未来热能装置发展的必经之路。

1、我国热能动力工程内涵

我国的热能动力工程研究最早出现于上个世纪五十年代，当时主要从苏联引入各种锅炉、内燃机以及供热通风系统等，但受到我国当时经济体制的限制，众多热能工程研究都未曾深入开展，一直到改革开放之后才逐渐形成了众多的研专业。热能动力作为热能与动力两种不同的研究内容，它除了要深入了解热能相关的物理知识之外，还要掌握众多的机械基础知识、动力基础知识。目前，随着我国市场经济体制的逐步完善和成熟，社会需求、市场经济以及科技发展趋势都为热能动力工程的进一步发展做出了积极贡献，为热能动力工程的进一步促进提供了技术保障。

2、当前经常用到的热能动力机械分析

动力机械也就是将各种基础能源通过一定的装置转变成为热能，然后再利用热能装置将这些热能转换成机械能的一个系统过程，其中热能在向机械能转化的过程中所使用的各种设备统称为热能动力机械。目前我们常见的热能动力机械主要包含了燃气轮机、蒸汽机以及内燃机三种。燃气轮机作为当今采用较多的一种，它有着运行平稳、机动性良好以及污染小的特征，因此我们可以预计在未来社会发展中这种热能动力机械必然会得到更进一步的发展和利用，它在提高能源利用效率、降低能源污染方面有着重要意义，因此被广泛的使，甚至成为未来机械加工、汽车工业等产业发展的主流方向。其次，蒸汽机，这种动力机械是最早的一种热能动力机械，也是被人们最为熟悉的一种设备，但由于这种装置本身体积庞大、笨重且能源利用效率低的特点，自进入新世纪之后这种设备逐渐比内燃机和燃气轮机所替代。但蒸汽机在过去两个世纪的发展中占据主导地位，它的作用和历史地位不容忽视，也正是因为这一工业装置的出现才让世界经济呈现出大跨度发展态势。最后内燃机，这种机械设备是将化學能转化为机械能的一种特殊装置，它是各种燃料在机械内部燃烧然后形成机械能的一种装置，它是以气候、柴油作为燃料的，虽然效率较高但由此引发的能源损耗和环境污染问题也不小，因此我们可以预计在未来发展中它必然会朝着节能减排、清洁燃料的方向进一步迈进。

二、热能动力机械带来的环境问题和解决方法

动力设备所引起的环境问题主要包含有温室效应、热污染、噪音污染以及空气污染等方面，热污染和温室效应可谓是一个内容，这些污染因素都是因为工业、生活以及车辆运行的过程中能量在燃烧之后以热的形式排放到环境中，从而造成环境中空气、水出现污染，让整个环境温度上升。目前这种污染问题的发生抓哟是以发电厂、核电站、造纸厂等产业构成的，这些产业在工作生产中会引发众多的垃圾和废气、废水，从而造成严重的陆地生态系统破坏，因此为了更好的实现节能环保工作理念，就必须要在工作中充分重视预热的利用，有效落实可持续发展战略需求。

1、空气污染也叫大气污染

从近年来的全国雾霾天气可以看出，空气质量与人们生活息息相关。空气污染直接影响了人们的出行。大气污染源来自于工业废气、汽车尾气、居民生活供暖设备等。在大城市中，汽车、火车是不可或缺的交通工具，但它们消耗煤或石油产生的直接排放进空气的废气，是雾霾天气的主要“凶手”。而且近几年的许多极端天气也是因大气污染引起的。空气污染的防治要靠全国人民的共同努力，调整能源结构，植树造林等都是目前比较流行的办法。

2、噪声污染

动力机械等设备运行时由于机械振动而形成噪声。噪声污染短期内或许没有太大伤害，但处于这样的环境一段时期后就会使生物的听力受损，严重的还会诱发多种疾病。因此，防治噪声也是刻不容缓的事情。对污染源来说需要降低声源噪音，控制噪音传播。而对于人们来说，可以采用吸音设备来阻挡噪声的传播。

三、热能动力工程的发展方向

我国能源动力类热能与动力工程专业形成于20世纪50年代。当时受苏联教育体制的影响，专业分割很细。在热能与动力工程专业中就先后包括锅炉、电厂热能、内燃机、涡轮机、风机、压缩机、制冷、低温、供热通风与空调工程、冷冻与冷藏、水能动力工程、水电站动力装置、水电站动力设备、水能动力及其自动化、机电排灌工程、水能动力与提水工程以及工程热物理等几十个小专业，形成了以工业产品生产引导高等学校人才培养目标的基本格局，一定程度上与我国当时的发展相互适应。

1、热能动力及控制工程方向（含能源环境工程方向）

主要掌握热能与动力测试技术、锅炉原理、汽轮机原理、燃烧污染与环境、动力机械设计、热力发电厂、热工自动控制、传热传质数值计算、流体机械等知识。

2、热力发动机及汽车工程方向

掌握内燃机（或透平机）原理、结构，设计，测试，燃料和燃烧，热力发动机排放与环境工程，能源工程概论，内燃机电子控制，热力发动机传热和热负荷，汽车工程概论等方面的知识。

3、制冷低温工程与流体机械方向

掌握制冷、低温原理、人工环境自动化、暖通空调系统、低温技术学、热工过程自动化、流体机械原理、流体机械系统仿真与控制等方面的知识。使学生掌握该方向所涉及的制冷空调系统、低温系统，制冷空调与低温各种设备和装置，各种轴流式、离心式压缩机和各种容积式压缩机的基本理论和知识。

四、结束语

热能动力工程是社会生产力发展的一个重要组成部分，它推动了人类从人力劳动向机械生产的“进化”。作为国民生产的动力，能源已经成为了每家每户的必需品。其中，热能是能量传递和动力机械领域中使用得最多的一种能源形式之一。而现在随着热能转化装置以及动力机械的广泛应用，已经出现了许多全球化的问题。本文针对热能动力工程的相关设备和环境保护做一些基本介绍，仅供参考。

参考文献：

[1]黄益军.浅谈热能动力设计研究〔J〕.城市建设理论研究（电子版），2013（28）.

[2]陈希章，吴晓峰，龚华俊，等.煤化工热能动力多联产系统的评价方法探讨〔J〕.化学工业，2013，31（4）：1-9.

机械系统动力学篇4

关键词：机枪发射系统,发射动力学,联合仿真,枪口响应

0 引言

伴随陆军装备信息化建设的逐步深入,武器发射平台将向车载受控化方向发展。目前,通用机枪作为班组火力支援武器均属于非受控系统,在发射载荷作用下,机枪系统产生振动,后续射弹在此发射环境的影响下命中精度降低,这是机枪射击精度较低的主要原因之一。为了保证一定的射击精度,往往采用增加射击时间间隔的方法,为发射平台留出足够的振动衰减时间,导致火力密度降低。

文中提出采用车载机枪系统高低和方向伺服随动系统实时控制机枪枪管指向,从而控制发射响应,运用发射动力学与控制耦合分析方法,建立遥控武器站瞬态强冲击下的响应控制仿真分析模型,进行遥控车载机枪系统的发射响应控制可行性分析,对研制现代化受控机枪平台具有重要的理论意义和应用价值。

1 发射动力学模型

将UG中根据实际情况进行装配及简化后的机枪系统和多功能突击车三维模型导入ADAMS中,定义材料属性,添加约束和运动,建立车载机枪系统的虚拟样机模型。为了使仿真过程更接近于实际情况,采用柔体动力学仿真,将枪管及轮胎建立为柔性体,这样机枪在射击过程中枪管及车轮将产生变形,使结果更贴近实际情况［1－2］。

可将模型分为4 个部分,分别为机枪系统、转塔部分( 包含高低机构和方向机构) 、车体以及车轮。车体与车轮的链接以平行于垂直轴的弹簧阻尼器表示,车轮与地面间的运动以弹簧阻尼形体表示。回转机构和俯仰机构与车体使用柔性铰链接,枪架固定连接在高低和方向机构上。

模型的拓扑结构可由图1 表示。ADAMS模型共有40 个部件,23 个自由度。

2 控制系统模型

伺服系统包括驱动机、电机、减速器、机构、旋转变压器、控制器、供电模块以及传感器等［3］。伺服系统电机采用的是永磁同步伺服电机( PMSM) 。

PMSM位置伺服系统包含电流环、速度环和位置环三个闭环结构。电流环和速度环是系统的内环,位置环是系统的外环。电流环能够提高伺服系统控制精度和响应速度,改善控制性能。PMSM位置伺服系统要求电流环具有响应速度快、输出电流谐波分量小等性能。PMSM位置伺服系统的电流环必须满足内环控制所需要的控制响应速度,能精确控制随转速变化的交流电流频率。速度环的作用是增强系统负载扰动能力,抑制速度波动。位置环的作用是保证系统的静态精度和动态跟踪性能［4－7］。

PMSM控制系统方框图如图2［6］。

其中: Kθ、Kω、Ki———位置控制器、速度控制器、电流控制器的系数;

KT———转矩系数电机产生的电磁转矩与转矩分量电流的比值;

KE———电势系数速度电势与转子角速度的比值。对于同步电机,KE与KT一致;

TE———电气时间常数堵转电机,并给电机施加某一定值时,转矩分量电流从0 上升到其饱和值的63% 所需要的时间。

3含控制环的车载机枪系统联合仿真

3. 1 定义ADAMS模型的输入和输出

ADAMS的输入输出是与MATLAB设计的控制系统进行数据通信的接口。ADAMS中的输出变量是进入控制系统的输入变量; 控制系统的输出变量是返回到ADAMS的输入变量,从而完成了包括从ADAMS和MATLAB的一个闭环控制,如图3。实际上,ADAMS中的输入变量相当于要求的控制量,输出变量相当于虚拟传感器的测量。

3. 2 联合仿真

在MATLAB打开Control_Plant. m文件,系统将显示模型的输入输出函数,再键入adams_sys命令,系统将弹出adams_sub模块,如图4 所示,其中S_Function方框表示ADAMS的非线性模型,即进行动力学计算的模型,State_Space表示ADAMS模型的线性化模型,在adams _sub包含有非线性方程,也包含许多有用的变量。点击adams_sub模块,将会出现控制框图5。

双击图5 中的ADAMS Plant模块,设置仿真分析模式为continuous,在动画显示栏选择batch,这样在仿真过程中不会启动ADAMS/View动态显示仿真结果,设置仿真交换步长之后就可以进行仿真［8］。

在Simulink中打开建立好的控制器模型,将Adams_sys模块拖入其中,即完成仿真模型的建立,最终得到联合仿真模型如图6,其中的参数根据伺服系统的参数计算得出。

4 仿真结果

文中对车载机枪系统进行5 连发动力学与控制联合仿真。得到枪机及枪机框的运动特性曲线及枪口响应情况,如图7-图8 所示。由图7 可知,枪机框的位移行程为169. 5 mm,枪机的位移行程为157. 2 mm。

由图8 可知,在无控制状态首发射时,自动机在待发射位置。0.058 s时,自动机复进到位,枪机撞击枪管尾部,枪口开始出现振动。之后火药气体作用力开始作用,膛内压力瞬间上升,火药气体进入导气管后,冲击活塞带动枪机框开始开锁动作,与此同时火药气体对导气室前壁产生作用力,枪口振动增大,在这个过程中枪口纵向( z轴) 的振幅为1. 408 mm。此后振动衰减,直至0. 094 3 s,枪机框后坐到位,产生后坐力,在后坐力的作用下,枪口形成第二次振动,其纵向振幅( z轴) 为2. 012 mm。到第二发发射时枪口纵向( z轴) 振动还未衰减到0,在枪机的撞击下枪口再次振动。由内弹道学计算得,弹丸在枪膛内的运动时间为1. 334 ms。由图8 可知,第二发弹丸出膛口时枪口纵向( z轴) 的振动比首发时的要大。由以上分析可知,在连发发射时,枪口的振动将对机枪的射击精度产生影响。

图8 中的虚线为伺服系统控制状态发射响应情况,由于伺服控制系统的作用,枪口z轴方向振动迅速衰减,在下一发弹丸发射时,枪口z轴方向的振动衰减接近为零。

从发射动力学与控制联合仿真结果与不施加控制的仿真结果对比可以看出,机枪系统的枪口响应振幅更小,振动衰减时间更短,可以有效提高机枪系统的射击精度。

5 结语

机械系统动力学篇5

机械多体系统动力学模型数值算法与违约修正

首先简要介绍了多体系统动力学的建模方法,总结了几种常用的动力学方程;其次,重点阐述了动力学模型数值求解算法及违约修正的最新研究进展;最后展望了多体系统动力学今后的发展方向.

作者：高海涛张志胜史金飞 GAO Hai-tao ZHANG Zhi-sheng SHI Jin-fei 作者单位：东南大学,机械工程学院,江苏,南京,211189刊名：中国制造业信息化 ISTIC英文刊名：MANUFACTURING INFORMATION ENGINEERING OF CHINA年，卷(期)：200938(11)分类号：O313关键词：多体系统数值算法违约修正进展

机械系统动力学篇6

关键词：船舶；动力机械；螺旋桨；状态监测；推进器文献标识码：A

中图分类号：U672 文章编号：1009-2374（2015）15-0108-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.15.056

1 船舶动力机械中螺旋桨概述

船舶动力机械中的螺旋桨是船舶上普遍使用的一种推进器，就是推动船舶运动的一个装备，通过将船舶动力机械发出的功率转化为推动力，从而保证船舶的航行。螺旋桨作为船舶行驶的重要组成部分，其主要包括桨叶和桨毂，根据两者嵌合的形式，螺旋桨有整体式和组合式的划分。整体式的螺旋桨，桨叶和桨毂是铸成一体的，因此为整体式。而组合式螺旋桨，桨叶和桨毂是分别进行铸造，然后通过螺栓将两者相互连接，发挥螺旋桨的整体作用。两种形式的螺旋桨在螺距上有一定的差别，根据不同需要，桨叶的数目也存在差异，一般为3～6个。螺旋桨形状是比较复杂的，由于其尺寸和重量都比较大，因此螺旋桨的加工和制造也具有一定的难度。其中桨叶需要采用多种工具进行加工，包括砂轮、风铲等，多为手工槽子，生产效率也比较低。船舶螺旋桨桨叶和桨毂连接好后，还需要与尾轴也就是螺旋桨转动时的轴相连接，才能保证螺旋桨的顺利运行。该种连接主要有三种方式，首先是较传统的一种方式，即机械连接，也就是用传动键将两者连接起来。该种方法虽然容易引起裂纹或者断轴，但也是一种沿用至今的方法。其次就是环氧树脂胶黏剂连接，是采用有键环氧树脂胶黏剂进行胶合连接，该种方法主要应用中、小型船舶。最后是油压无键套合连接，也就是将桨毂锥孔内表面直接嵌装在螺旋桨尾轴上，该种方法比较可靠，且拆装较为方便。

2 船舶动力机械中螺旋桨的检修

船舶动力机械中螺旋桨的重要性显而易见，因此对其进行维护和检修也是进坞检查时日常船舶维护中不可缺少的部分。船舶动力机械螺旋桨常出现的故障一般发生在桨叶，主要表现有桨叶面的腐蚀、断裂、裂纹以及变形等，这些异常故障的发生不仅影响螺旋桨的寿命，还会引发船舶安全故障。因此，船舶动力机械中的螺旋桨需要定期进行检查和修理，检查的内容主要包括：首先是螺旋桨桨叶的表面检查，主要观察桨叶是否有裂缝、锯齿或者缺陷等，当发现有缺损，需要马上进行修复，一般是原地修复或者拆下修复。其次要检查螺旋桨拆下后的锥孔接触面。保证修复好的桨叶能够重新安装。最后还要注意桨叶面的螺距、厚度以及尺寸等是否满足船舶行驶中的要求。检查好螺旋桨后，就需要对螺旋桨进行焊补修理，记录修理的具体情况，提交修理文件和检验文件。综上为螺旋桨检修的整个过程，下面将对螺旋桨的修理进行具体的阐述，主要包括四大部分：

2.1 螺旋桨桨叶片裂纹的修理

螺旋桨桨叶片裂纹的修理主要采用的是补焊的方法，但是对于该方法的采用也有一定的原则，也就是说，叶片的裂纹需要满足可补焊的裂纹程度，当裂纹过大或者过长，都不能采用补焊的方法。因此，当桨叶片的裂纹较为严重且出现断叶的现象，则需要进行叶片的换新，这样才能保障螺旋桨的安全性能。对于满足补焊条件的叶片，进行修理时需要根据叶片的材料选择补焊的方法。如铜质螺旋桨就需要用铜焊丝来进行气焊法焊补。需要注意的是，在焊补后，要将叶片凿平磨光，将焊补留下来的夹渣等去除，并仔细进行检查，确保无裂纹。

2.2 螺旋桨桨叶片变形的修理

螺旋桨桨叶长期使用过程中，由于材料的物理性质和环境的变化，很容易出现桨叶片变形的状况，因此在螺旋桨的修理中，叶片弯曲的修理也是较为常见的现象。修理主要是对叶片进行矫正，采用的方法有冷态矫正和热态矫正。冷态矫正适用于桨叶尖和桨叶边缘厚度较小的部位，将温度加热到205℃以下进行矫正。而热态矫正则比较适用于任何情况。矫正的方法主要有：在一定温度下，采用重锤敲打、压力机矫正、平板上用压板矫正、多压板矫正以及叉形撬棒矫正等方法。

2.3 螺旋桨桨叶边缘腐蚀和锯齿的修理

螺旋桨桨叶边缘腐蚀和锯齿的修理主要采用的是修复的手段，在可修复范围内，对叶片腐蚀部位和锯齿部位进行补焊和填补的方法来进行修复，具体的方法需要根据腐蚀的程度、部位以及扩散的范围等来进行处理。

2.4 螺旋桨桨叶片局部挖补的修理

螺旋桨桨叶片局部如叶片的叶梢部分出现磨损，利用以上方法是无法进行修复的，因此需要采取镶配的方法来处理，也就是说，将磨损部位的尺寸等进行大致范围的确定，并设计图纸按照尺寸设计出木模，然后进行镶配，最后进行焊接固定。

3 船舶动力机械中螺旋桨的养护

船舶动力机械中的螺旋桨工作的条件是比较差的，因此也比较容易出现故障，在平时的使用和保存中需要加强对其的养护管理。除了定期的进坞检查，平时的养护也是至关重要的。主要可以通过以下三个方面来展开养护工作：（1）螺旋桨安装时的清理养护。在对螺旋桨进行进坞检查时，安装时要注意螺旋桨轴管内进入污物，并且进行油封处理，保证螺旋桨桨毂内孔和尾轴进行很好的贴合。由于船舶的螺旋桨的工作环境多为潮湿，因此安装时还要保证各个部件相互结合的螺帽旋紧并符合规定；（2）定期的抽轴检验。螺旋桨除了桨叶的维护，桨轴也是维护的重点。一般来说，船级检验对螺旋桨采用的是5年或者5年内进行一次抽轴检验，除此之外，还需要加大针对性和准确性，才能确保检验的有效性和可靠性，保证其安全；（3）实现设备的状态监测。对螺旋桨进行状态监测是目前较为新型的养护手段，主要是对螺旋桨的运行状态实现实时监控，并且自动记录下螺旋桨运行的参数，当参数出现异常时，自动报警的一种监测方式。该种方式省去了大量维修人力和费用，对于螺旋桨的养护起到至关重要的作用。

4 结语

螺旋桨是船舶动力机械中的重要组成部分，是保证船舶安全行驶远航的关键设备。螺旋桨在船舶业中是比较广泛运用的推进装置，对于其的维修和养护是船级检验的重要程序。在日常的螺旋桨应用中，经常出现螺旋桨故障问题，如叶片变形、产生裂纹、锯齿等现象，不仅影响了螺旋桨的推进能力，还会导致船舶在航行过程发生安全事故，因此，必须要加强螺旋桨的日常维修和养护。

参考文献

[1] 王希民.船舶螺旋桨几起事故分析[J].世界海运，2011，34（7）.

[2] 张建国，岳金，宋春生，等.碳纤维复合材料螺旋桨铺层角度研究[J].武汉理工大学学报（信息与管理工程版），2014，（2）.

[3] 杨兆军.某型定距螺旋桨故障分析及修理[J].西部大开发（中旬刊），2011，（2）.

[4] 王吉江.船舶动力机械中螺旋桨的维修与养护[J].中国化工贸易，2014，（34）.

作者简介：薛海（1986-），男，山东烟台人，烟台中集来福士海洋工程有限公司工程师。

机械系统动力学篇7

机油消耗量过大,致发动机功率下降、油底壳机油平面下降较快及排气冒蓝烟,一般由油封或衬垫处的渗漏或汽缸壁磨损过度而烧机油引起。主要原因:①活塞与汽缸间隙过大;②活塞环特别是油环弹性差;③缸套、活塞环过度磨损,活塞环被粘住、对口或扭曲环装反;④活塞环与环槽边隙和侧隙过大或活塞上油环回油孔被积炭阻塞;⑤增压柴油机涡轮增压器弹力密封装置失效;⑥气门杆与导管配合间隙过大或过小致使油封失效。

2 机油变质过快

一般柴油机运转500h应更换机油一次,但有时没用多长时间就出现机油变稀、杂质增多,无法继续使用。

(1)机油牌号不对、质量达不到要求。一般增压和标定转速大于2 000r/min的柴油机应选用cc级以上的机油。

(2)柴油机技术状况不好,如因配合间隙过大或油温过高而出现窜气、窜油等。

(3)柴油机经常在低温、低负荷、低速下运转,燃烧不完全,有柴油沿缸壁进入油底壳使机油稀释变质。

(4)废气进入油底壳凝结成水和酸性物质,使机油变质。

(5)机油滤芯不清洁,未经滤清的脏机油进入润滑部位,加速零件磨损。

(6)滤芯密封圈破裂发生内漏,一部分机油未经滤芯过滤而直接通过滤清器进入油底壳造成机油变质。

3 油水混合

冷却水进入机油内使机油变质,呈乳白色,粘度降低至失去机油功能造成润滑不良。机油也会进入冷却水中与水垢及其他杂质混合,在水箱上部形成粘稠状混合物。

(1)机油冷却器管破裂或冷却器芯管两端的密封圈失效,使机油和水在冷却器内混合。

(2)缸套外壁水道胶圈老化变质失去密封作用,缸套周围的冷却水进入油底壳。

(3)汽缸垫上的水封圈或油封圈失效。

(4)汽缸体或缸盖有裂纹,水漏入油底壳。

4 机油压力不正常

柴油机主油道的机油压力一般应在0).20～0.4MPa之间,当低于0.05MPa时,则难以保证各机件的有效润滑。油压不正常主要表现为油压过低和过高。

(1)油压过低的原因。①机油粘度过低,润滑部位泄漏量大。②机件配合间隙过大,机油泄漏量增加。如曲轴主轴承间隙每增加0.01mm,机油压力大致降低约0.01MPa。③调压阀调整不适当。④细滤器滤芯密封圈失效,机油旁通量增大。⑤机油冷却器发生故障,机油渗入水中。⑥油底壳中油量少,吸油泵吸入空气。⑦管路泄漏。

(2)油压过高的原因。①油道堵塞,可能造成有些部位无润滑油供给。②机油粘度过大,流通不畅,流量不足。③细滤器不清洁,旁通油量过小。④调压阀压力调整不当或堵塞、卡死。

5 机油温度不正常

柴油机正常的机油温度应该是90～110℃,油温过低则使机油粘度增大,流动性差,摩擦阻力增加,使发动机功率损失加大;油温过高使机油粘度降低,油压下降,无法形成良好油膜。

(1)油温过低的原因。①冷却系统温度过低。②溢流阀压力过高,从油泵出来的油全部经冷却器冷却。③柴油机长时间低负荷运行。

机械系统动力学篇8

关键词：机械系统,参数化CAD,动力学

1 引言

在机械设计中, 常常遇到较为复杂的动力学和运动学问题。传统处理方式一般是对该机械系统进行简化, 然后按照动力学条件或者几何条件给出相关约束, 建立机械系统动力学方程组, 通过求解该方程组, 最终得到所需结果。这种方法虽然能够精确地求解出机械系统的动力学解析结果, 但是需要对系统进行几何和动力学建模及求解, 过程较为复杂繁琐, 容易出错, 而且需要花费较多的时间和精力。随着CAE技术的进步, 出现了以MSC/ADAMS为代表的动力学软件, 可对机械系统进行动力学可视化建模及求解[1], 但由于其高昂的费用阻碍了软件广泛使用, 且其求解过程也较为繁琐, 对设计人员的能力要求较高。

本文提出了一种简单、可靠的替代方法, 能够通过使用设计人员所熟悉的参数化CAD软件, 解决机械系统的动力学问题。参数化CAD软件自1980年代初提出以来, 得到了十分迅猛发展, 现已成为人们常用的设计工具和手段。参数化CAD软件的核心是其内置的几何求解器, 设计人员通过在程序界面对几何元素施加可视化约束 (如共点) , 程序自动地将几何约束转化成非线性方程组, 并调用内核求解器, 最终求得所需的结果[2]。参数化CAD软件的这种工作机理为其进行机械系统的动力学求解提供了可能:可以通过对动力学系统进行几何建模, 然后调用CAD系统的求解器, 求解出所需的结果。

基于上述思路, 本文以偏心轮式步进梁为例, 在SolidEdge环境中对其进行动力学模型的几何建模, 分别对步进梁升降液压缸的受力及步进梁动梁的升降速度进行了分析, 为其结构设计及电气控制提供了数据支撑。

2 偏心轮式步进梁结构及功能描述

步进梁为十分常见的冶金设备, 主要用于钢卷的运输及存放。而偏心轮式步进梁由于其结构紧凑, 运行稳定, 维护简单, 得到了广泛的应用。图1为偏心轮式步进梁结构示意图。

步进梁主要由横移液压缸、动梁、升降液压缸、偏心轮和车轮五大部分组成。其中升降液压缸承载能力大, 其运行速度决定了动梁升降速度, 所以需要对其进行详细分析。对步进梁机构进行简化, 可建立图2所示步进梁运动机构简图。步进梁横移液压缸尾部与地面铰接, 铰接点为P1;横移液压缸头部与动梁铰接, 铰接点为P2;升降液压缸尾部与动梁铰接点为P3;升降液压缸头部与偏心轮铰接点为P4;偏心轮与车轮铰接点为P5;偏心轮与动梁铰接点为P6。

步进梁上升的动作过程为:升降液压缸 (HYC2) 伸出, P4点沿X方向运动, P2、P3、P6点沿Y方向运动 (步进梁上升) ;由于横移液压缸没有动作 (亦即其长度没有变化) , 所以导致P2点绕P1点上升。P5点水平运行状态未知。

3 偏心轮式步进梁几何建模

步进梁机构在参数化CAD软件中的几何建模十分方便, 本文根据某工程项目中步进梁的实际结构尺寸, 在SolidEdge的草图模块中进行几何建模 (需要特别指出的是, 在任何参数化CAD中进行该几何建模均可) , 如图3所示。由于在步进梁升降的过程中, 横移液压缸没有动作, 因此将横移液压缸长度固定, 施加长度尺寸约束 (2552) 。铰接点P1与地面固定, 所以将其固定于坐标原点。各铰接点处施加共点约束。铰接点P2、P3、P6均在动梁上, 只有平行运动而无旋转运动, 分别施加P2、P3坐标差值约束 (445, 3448) 和P3、P6坐标差值约束 (470, 2302) 。偏心轮铰接点P4、P5、P6为一体, 由于偏心轮有旋转运动, 施加P4、P6两点之间的长度约束 (460) 和P5、P6两点之间的长度约束 (110) 以及直线P4P6和P5P6间角度约束 (85°) 。P5只能水平移动, 且高度固定, 对该点施加Y轴坐标约束 (915) 。升降液压缸长度作为输入变量, 从最小长度变化至最大值 (1919~2759) 。至此, 偏心轮式步进梁的几何模型建立完成。

4 偏心轮式步进梁液压缸在升降过程中的受力分析

偏心轮式步进梁在升降过程中, 由于升降液压缸作用力臂的长度不断变化, 且重力作用的力臂也不断变化, 因此在结构设计时, 需要求出液压缸最大作用以作其设计选型依据。对偏心轮进行受力分析, 将P6点视为支点, 则升降液压缸输出力Fc与车轮支反力Fn力矩代数和为零, 如图4所示。

对P6点作力矩平衡, 有

其中Fn在动梁接触钢卷前为动梁自重, 在动梁接触钢卷后为步进梁和钢卷的重力和。

在SolidEdge几何模型中, 新增用户变量Fc, 其值定义为Ln/Lc。通过给定不同的升降液压缸长度, 最终求得不同的Fc/Fn值, 将结果整理得如图5所示曲线。可见, 当液压缸长度小于2000mm时, 随着液压缸长度的增加其受力急剧减小, 其长度在2000~2700mm区间, 其受力波动较为平缓;之后, 其受力变化又较快。当液压缸长度最小时, 其比值最大, 为0.626, 但由于此时仅为步进梁自重, 所以液压缸实际输出力并不大。

5 液压缸运动速度与步进梁升降速度的关系

步进梁的升降速度是步进梁运动学设计的关键参数之一, 因为其升降速度过大会导致动梁接触钢卷时造成冲击;其升降速度过小又会影响生产节奏。步进梁升降的速度又取决于升降液压缸的动作速度, 因此需要找出两者的关联关系, 然后通过控制升降液压缸的动作速度来实现对步进梁升降速度的控制。

通过上述的几何建模, 分别给出不同的升降液压缸长度求得P6点的高度, 然后对该高度值进行简单的数据处理, 即可得到在不同液压缸长度位置下动梁的升降速度, 或者液压缸动作速度与动梁升降速度的比值, 如图6所示。

6 升降过程中车轮的波动

如前所述, 步进梁在升降过程中, P5点会有水平方向移动, 通过求得其X轴方向坐标值可以得到移动的具体情况, 如图7所示。

7 结语

本文通过在SolidEdge软件中对偏心轮式步进梁进行几何参数化建模, 然后调用SolidEdge内置的几何求解器, 分别求解出步进梁在升降过程中升降液压缸受力、步进梁动梁升降速度与液压缸长度的变化关系。通过这个工程实例, 介绍了通过参数化CAD软件进行机械系统的动力学模型的几何建模及求解过程。作为动力学CAE软件的替代方法, 这是一种低成本的方法, 具有直观高效、简单易学等特点, 特别适合于工程技术人员在设计前期进行机械系统的动力学问题分析, 亦可广泛应用于机构优化设计等其他领域。

参考文献

[1]陈立平, 张云清, 等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京:清华大学出版社, 2005.

机械系统动力学篇9

1 先进的电机控制理论和控制方法

1.1 高性能矢量控制

异步感应电机和永磁同步电机的核心控制算法均采用高性能矢量控制方法, 实现了电机转矩及磁场的准确定向控制, 其中交流异步感应电机采用基于转子磁链定向的矢量控制方法, 实现了准确的转子磁链辨识和转矩控制。

为进一步提高动力总成的效率, 开展优化空间矢量脉宽调制方法 (SVPWM) ———不连续脉宽调制方法的研究, 该方法的基本思想是通过在调制波中加入零序分量, 使得调制波在一段时间内等于三角载波的正峰值或负峰值, 从而使三角波和调制波没有交点, 于是开关状态将保持不变。

利用该方法产生的PWM脉冲是不连续的, 在每个周期内有三分之一的时间开关不动作, 与常规正弦脉宽调制方式SPWM相比, 优化SVPWM调制策略使直流电压的利用率提高了15.47%, 在相同的开关频率下, 开关损耗减少了三分之一。

1.2 SVPWM过调制算法, 扩展恒功率区直流电压利用率

对于车用Y接驱动电机, 其电机线电压基波有效值最大为0.707Udc, 电机的基速受到控制器输出电压限制, 提高直流母线的电压利用率有利于扩大电机的调速范围。

利用SVPWM过调制控制技术可使电机控制器输出的最大线电压基波有效值为正弦调制时输出最大线电压基波有效值的1.1倍, 当工程机械在恒功率区域运行时, 驱动电机的端电压可在较宽的范围内接近电机控制器能输出的最高电压, 电机将在相同转速条件下得到更大的输出转矩和功率。

1.3 最大转矩电流比控制及弱磁控制

永磁同步电机在矢量控制的基础上, 采用最大转矩电流比控制方法 (MTPA) , 实现了同样电流输出条件下的最大转矩输出, 提高了系统的输出容量;采用基于电压控制的弱磁控制方法, 满足了永磁同步电机的宽范围转速运行要求 (1∶3以上) 。

此外, 为了满足混合动力工程机械用电机驱动系统的宽范围转速运行要求, 实现系统准确的转速及转矩控制以及整车复杂工况的控制要求, 通过同步电角度补偿、转矩补偿、动态解耦控制、温度补偿等附加算法, 极大提高了系统性能, 对不同的电机参数均具有良好的鲁棒性和动静态特性。

2 功率管理和故障处理功能

混合动力工程机械电机驱动系统能够结合混合动力工程机械的应用工况, 根据直流母线电压的动态变化及不同工作温度自动调节系统的功率输出, 实现电动及发电两种运行模式下的功率控制管理, 满足混合动力工程机械全天候、全工况运行对电机系统的可靠性要求。

电机控制器内设保护功能, 利用CPLD硬件系统的强大逻辑管理能力和完备的控制算法, 实现了对故障信息的分级管理, 建立系统内部软件及硬件两级处理模式以及报警和保护的不同响应模式。

报警状态包括制动故障、蓄电池电压低和电子热敏继电器保护, 在上述报警状态出现时, 电机控制器只做报警处理, 并不采取进一步的措施。

故障状态包括开关逻辑故障、静止返回空档故障、触点故障、直流母线过电压、控制电源欠电压、控制器输出过电流、驱动电路欠电压、功率器件故障和电机飞车故障, 在上述故障出现时, 电机控制器在向驾乘人员提示报警的同时, 将封锁电机控制器的输出, 断开主接触器, 此时系统必须经过复位才能消除故障, 重新运行。

3 高集成度系统设计

电机控制器拓扑结构采用三相桥式主回路, 应用高集成度的6合1智能功率模块IPM, 低电感叠层母排设计, 以DSP和CPLD为核心的控制回路及可靠的驱动电路设计, 重点关注以下要求:

1) 通用化的速度/位置信号处理电路:该接口电路可兼容光电码盘及旋转变压器的速度/位置信号检测, 转换简易可靠。在位置信号采集方面使用了新型的旋转变压器/数字转换芯片AD2S1200, 该芯片内部集成了一个在线可编程正弦波振荡电路, 用来为解码器提供正弦波触发, 提高了位置采样的精度, 拓宽了转速采集范围, 同时简化了控制电路, 提高了可靠性, 进一步增强了电机控制器的集成度与性能。

2) 电机控制器内集成了电流传感器、温度传感器, 电压采样等信号处理电路, 并结合CPLD和程序文件形成完整的在线和离线故障处理系统, 提高了电机控制器的可靠性。

3) 专用水冷散热器水道通路的优化设计:通过在设计参数的基础上进行热流体分析, 可在满足控制器热容的基础上提高整体散热效率, 使功率模块, 电容等发热元件均工作在合理的温度范围内, 不仅提高了系统的工作效率, 同时也优化了控制器的性能。

4 设计实例

永磁同步电机相比于异步电机其他电机控制系统, 具有体积小、重量轻、功率密度高等优点, 现有的永磁同步电机功率密度甚至可以超过1.4 W/g。以某混合动力工程机械为例, 系统选择的永磁同步电机的技术指标为峰值功率为35kW, 额定功率为18.kW。电机系统的控制原理框图如图1, 其外特性如图2所示。该电机系统已在某混合动力液压挖掘机上部回转机构动能回收系统中得到成功应用。

5 结语

混合动力工程机械电机驱动系统是以系统性能可靠, 结构紧凑, 效率高为基础, 向高集成化和全数字化方向发展。本文介绍了混合动力工程机械电机驱动系统的关键共性技术, 为实际系统的设计提供了依据。

摘要：分析了混合动力工程机械所采用的电机系统控制关键技术及研究现状, 以最具有应用前景的永磁同步电机系统为例进行了电机驱动系统的控制系统设计, 并进行了试验研究。

关键词：混合动力工程机械,驱动电机,永磁同步电机系统

参考文献

[1]金如麟, 李川等.21世纪的电动机控制与电子技术展望.电气时代, 2001.

[2]王宏华.开关型磁阻电动机调速控制技术[M].北京:机械工业出版社, 1998.

[3]Hyun-Soo Song, Jin-Woo Ahn, Seok-Gyu Oh, Sung-Jun Park.AN APPLICATION OF5KW SR M FOR LSEV DR IVE[C/CD].EVS-19CD.Korea, 2002.

[4]冯江华, 桂卫华, 许俊峰.考虑参数变化的永磁同步电动机弱磁控制研究[J].微电机, 2008.

机械系统动力学篇10

旋转机械是工业生产中的主要设备之一, 其传动系统的运行稳定状态影响整个生产过程。随着生产速度和生产规模的逐步提高, 传动系统中的扭振问题也日益突出。目前, 对旋转机械传动系统的扭振研究一般集中在求解系统固有频率以及传动系统轴系的扭矩动态响应上。在传统动力学模型中, 通常采用离散化方法将整个传动系统分割成由多个集中质量和弹簧连接而成的弹簧-质量系统[1,2,3,4,5]。这种集中质量模型虽然能够较准确地描述轴系的低阶、高阶扭振特性, 但当传动系统中存在质量较大而刚度又较小的传动部件时, 通过离散简化容易造成较大误差。文献[6]采用传递矩阵法建立了含连续质量的单轴动力学方程, 得到了连续传动轴的频响函数。文献[7]采用拉格朗日方程建立了单个连续轴的动力学方程, 并得到了该轴在各种外力作用下的响应曲线。

本文在考虑旋转机械传动系统的连续分布质量的基础上, 将单个连续轴动力学方程进行拓展, 基于拉格朗日方程建立了旋转机械传动系统连续动力学模型。然后采用传递函数法推导出了传动系统中任意轴段上的扭振响应公式, 同时研究了存在间隙时的传动系统连续动力学模型。最后以轧机传动系统为例, 与离散模型进行了比较, 表明了该连续模型能很好反映出传动系统的扭振特性, 为分析旋转机械传动系统扭振提供了一种新的途径。

1 旋转机械传动系统连续动力学建模

为更精确地分析旋转机械传动系统的扭振特性, 可将传动系统等效为由多个粗细不同的连续弹性转轴连接而成的系统。弹性转轴一般通过两个端面建立与其他零件的连接关系, 因此当建立了单个弹性转轴的两端面动力学方程后, 依次可将整个传动系统的动力学方程也建立起来。

1.1单个弹性转轴连续动力学模型

设一均匀弹性转轴的长度为l, 轴的单位长度转动惯量为Jp, 某一截面p处的角位移为θp, 则整个轴的动能为

$E = \int_{0}^{l} \frac{1}{2} J_{p} \dot{θ}_{p}^{2} d x$ (1)

设轴的扭转变形沿轴向是线性变化的, 截面p处的变形为

$α_{p} = \frac{x}{l} α$ (2)

α=θ2-θ1

式中, x为截面p与轴端的距离;θ1和θ2为传动轴两端扭转角度。

则

$θ_{p} = θ_{1} + α_{p} = θ_{1} + \frac{x}{l} (θ_{2} - θ_{1})$ (3)

对式 (3) 求一阶时间导数, 得

$\dot{θ}_{p} = \dot{θ}_{1} + \frac{x}{l} (\dot{θ}_{2} - \dot{θ}_{1})$ (4)

将式 (4) 代入式 (1) , 可得到轴的动能为

$\begin{array}{l} E = \frac{1}{2} \int_{0}^{l} J_{p} [\dot{θ}_{1} + \frac{x}{l} (\dot{θ}_{2} - \dot{θ}_{1})]^{2} d x = \frac{1}{2} J_{p} l [\frac{1}{3} \dot{θ}_{1}^{2} + \\ \frac{1}{3} \dot{θ}_{1} \dot{θ}_{2} + \frac{1}{3} \dot{θ}_{2}^{2}] = \frac{1}{6} J (\dot{θ}_{1}^{2} + \dot{θ}_{1} \dot{θ}_{2} + \dot{θ}_{2}^{2}) (5) \end{array}$

式中, J为整个弹性转轴的转动惯量。

式 (5) 即为单个连续弹性轴的能量方程。同时, 可得弹性转轴中的势能为

$U = \frac{1}{2} Κ (θ_{2} - θ_{1})^{2}$ (6)

式中, K为弹性轴的扭转刚度。

考虑传动系统中存在结构阻尼力矩

$Μ^{c} = - C (\dot{θ}_{1} - \dot{θ}_{2})$ (7)

式中, C为弹性轴的结构阻尼。

则存在耗散阻尼的弹性轴两端面上的广义力矩分别为

$Q_{1} = Τ_{1} - C (\dot{θ}_{1} - \dot{θ}_{2})$ (8)

$Q_{2} = Τ_{2} - C (\dot{θ}_{2} - \dot{θ}_{1})$ (9)

式中, T1、T2分别为轴两端受到的外部力矩。

将式 (5) 、式 (6) 、式 (8) 和式 (9) 代入以下拉格朗日方程:

$\frac{d}{d t} \frac{\partial E}{\partial \dot{θ}_{r}} - \frac{\partial E}{\partial θ_{r}} + \frac{\partial U}{\partial θ_{r}} = Q_{r} r = 1, 2, \dots, k$ (10)

得

式 (11) 即为考虑连续分布质量的单个弹性轴连续动力学方程。

1.2传动系统连续动力学模型

假设旋转机械传动系统由n个轴段组成 (图1) ,

由式 (5) 可得整个传动系统中的动能为n个轴的动能之和, 表示如下:

$E = \frac{1}{6} \sum_{i = 1}^{n} J_{i} (\dot{θ}_{i}^{2} + \dot{θ}_{i} \dot{θ}_{i + 1} + \dot{θ}_{i + 1}^{2})$ (12)

由式 (6) 可知, 整个传动系统的势能为n个弹性轴的势能之和, 可表示为

$U = \frac{1}{2} \sum_{i = 1}^{n} Κ_{i} (θ_{i + 1} - θ_{i})^{2}$ (13)

式中, Ki为第i个弹性轴的扭转刚度。

由式 (8) 、式 (9) 可知, 每个轴端面处的广义力矩为

$Q_{i} = Τ_{i} + C_{i - 1} (\dot{θ}_{i - 1} - \dot{θ}_{i}) - C_{i + 1} (\dot{θ}_{i} - \dot{θ}_{i + 1})$ (14)

将式 (12) 、式 (13) 和式 (14) 代入拉格朗日方程, 可得

式 (15) 即为考虑整个传动系统连续分布质量以及包含结构阻尼及外扰的传动系统连续动力学方程。

2 传动系统连续模型扭振求解

传动系统扭振响应影响着整个传动系统的运行性能和稳定性。因此求解传动系统扭振响应能更深入了解扭振对传动系统的影响。

为了分析传动系统中的扭振响应, 将式 (15) 写为

$J \ddot{θ} + C \dot{θ} + Κ θ = Τ$ (16)

式中, J、C、K分别为传动系统的转动惯量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。

对式 (16) 进行拉普拉斯变换得

Js2θ (s) +Csθ (s) +Kθ (s) =T (s) (17)

可得

θ (s) = (Js2+Cs+K) -1T (s) (18)

令φ1=θ1-θ2, φ2=θ2-θ3, …, φn-1=θn-1-θn。其中, φ1, φ2, …, φn+1依次为传动系统中轴端的扭转角度。

则式 (18) 可转换为

φ (s) =s1 (Js2+Cs+K) -1T (s) (19)

$s_{1} = [\begin{matrix} 1 & - 1 & 0 & \dots & 0 & 0 \\ 0 & 1 & - 1 & \dots & 0 & 0 \\ ⋮ & ⋮ & ⋮ & ⋮ & ⋮ \\ 0 & 0 & 0 & \dots & - 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & \dots & 1 & - 1 \end{matrix}]_{(n - 1) \times n}$

令

G (s) =s1 (Js2+Cs+K) -1 (20)

显然

$G (s) = [\begin{matrix} G_{11} & G_{12} & \dots & G_{1 n} \\ G_{21} & G_{22} & \dots & G_{2 n} \\ ⋮ & ⋮ & ⋮ \\ G_{(n - 1) 1} & G_{(n - 1) 2} & \dots & G_{(n - 1) n} \end{matrix}]_{(n - 1) \times n}$

G (s) 中的每一项Gij (i=1, 2, …, n-1;j=1, 2, …, n) 可表示如下[8]:

$G_{i j} = \frac{b_{2 m - 1} s^{2 m - 1} + b_{2 m - 2} s^{2 m - 2} + \dots + b_{1} s + b_{0}}{s^{2 m} + a_{2 m - 1} s^{2 m - 1} + \dots + a_{1} s + a_{0}} (21)$

其中, a0、a1、…、a2m-1, b0、b1、…、b2m-1是与系统结构有关的参数。

当第i个轴上的刚度为Ki时, 传动轴上的扭矩为Kiφi, 则式 (19) 可写为

M (s) =K′G (s) T (s) (22)

M (s) =[M1 (s) M2 (s) … Mn (s) ]T

K′=diag (K1, K2, …, Kn)

式中, M1 (s) 、M2 (s) 、…、Mn (s) 依次为各个轴段上的扭矩。

由式 (22) 可求得第i个传动轴段的扭矩为

$Μ_{i} (s) = Κ_{i} φ_{i} = \sum_{k = 1}^{n} G_{i k} (s) Τ_{k} (s)$ (23)

式 (23) 经拉普拉斯反变换后可表示为多个衰减的正弦项之和。由式 (23) 可知, 每段转轴上的扭矩是多个输入力矩影响下动态扭矩的叠加响应。

3 含间隙时传动系统连续模型

传动系统中的间隙是不可避免的, 存在于传动系统的很多环节中。在连续模型中, 间隙存在于两转轴的连接处, 此时连接处的两个轴段将不再保持相同扭转角度, 由于间隙影响将出现不同的扭转角度。令两转轴连接处的扭转角度分别为θi和θ′i, 设连接处的间隙最大值为2Δ, 当第i个连接端面上存在间隙时, 式 (15) 中第i个方程可写为

由式 (24) 可知:当有间隙产生时, 两个轴段的连接处脱落, 系统化为两个独立的连续传动系统, 见式 (24) 的第一个子方程组, 此时, Ti=T′i+T″i;当间隙闭合时, 系统重新变为一个系统, 见式 (24) 的第二个方程和第三个方程。

4 数值仿真

以某厂1780轧机F1机架传动系统为例, 采用本文的方法将传动系统中传动部件和传动轴都考虑为转动惯量和刚度并存的轴段进行数值仿真, 仿真模型由17根轴组成, 其计算参数和离散模型的计算参数见表1。其中, 传动轴的阻尼系数为0.008[9]。

可得如式 (16) 所示的连续模型的动力学方程, 其中

$\begin{array}{l} J = \\ [\begin{matrix} \frac{1}{3} J_{1} & \frac{1}{6} J_{1} & 0 \\ \frac{1}{6} J_{1} & \frac{1}{3} (J_{1} + J_{2}) & \frac{1}{6} J_{2} \\ ⋱ & ⋱ & ⋱ \\ \frac{1}{6} J_{16} & \frac{1}{3} (J_{16} + J_{17}) & \frac{1}{6} J_{17} \\ 0 & \frac{1}{6} J_{17} & \frac{1}{3} J_{17} \end{matrix}]_{18 \times 18} \end{array}$

$C = [\begin{matrix} c_{1} & c_{1} & 0 \\ c_{1} & c_{1} + c_{2} & c_{2} \\ ⋱ & ⋱ & ⋱ \\ c_{16} & c_{16} + c_{17} & c_{17} \\ 0 & c_{17} & c_{17} \end{matrix}]_{18 \times 18}$

$Κ = [\begin{matrix} k_{1} & k_{1} & 0 \\ k_{1} & k_{1} + k_{2} & k_{2} \\ ⋱ & ⋱ & ⋱ \\ k_{16} & k_{16} + k_{17} & k_{17} \\ 0 & k_{17} & k_{17} \end{matrix}]_{18 \times 18}$

可见, 连续模型考虑了传动部件和传动轴的刚度和惯量, 因此比离散模型的自由度要高。通过MATLAB编制相应的计算程序, 可得传动系统的固有频率 (表2) 。由表2可看出, 采用离散模型由于忽略系统中一些质量较大而刚度较小的部件, 简化造成较大误差, 因而计算出的系统固有频率较高。而采用了连续模型, 充分考虑了系统的连续质量和刚度, 因而计算结果较准确。同时, 采用本文连续模型计算出的低阶固有频率不会随着系统中轴的数目的增多 (即系统的自由度) 而发生明显变化。可见采用连续模型计算可有效减小人为划分系统自由度对系统低阶固有频率的影响。

因轧机传动系统接轴最为薄弱, 因此本文对接轴在不同轧制工况下的扭矩响应进行研究。这里离散模型中的接轴为第7根轴, 其扭矩用M′7表示, 连续模型中接轴为第15根轴, 其扭矩用M15表示。图2所示为模拟轧机启动时, 离散模型和本文连续模型的扭振响应比较曲线。图3所示为模拟轧机咬钢时的轧机传动系统上扭振响应曲线比较。可以看出, 采用连续模型与离散模型的模拟曲线有着相同的响应趋势, 这说明本文连续模型是有效的。同时还可看出, 采用连续轴段模型的响应曲线的扭振信息更丰富, 能反映出系统中较高频率的扭振特性。

取传动系统接轴间隙值为0.4mm, 可得传动系统含间隙时扭振响应曲线 (图4、图5) 。其中, 图4所示为模拟轧机启动时传动系统扭矩响应曲线比较, 图5所示为模拟轧机咬钢时模拟曲线。由图4可知, 间隙的存在使系统中扭振波动加剧, 使得系统的扭振变得比较复杂。而咬钢状态下 (图5) , 由于加载力矩较大, 而间隙较小, 间隙对传动系统扭振的影响不太明显。

图6所示为传动系统中的间隙取较大值1mm时接轴中的扭振响应曲线。可见, 间隙的增大使系统的扭振响应变得剧烈起来。

由上述几组曲线可以看出, 本文所提出的连续模型, 无论是对无间隙还是有间隙的传动系统, 都可以很好地模拟系统中的扭振响应, 与离散模型取得了很好的一致性。与集中质量法相比, 两者的计算时间相差不大, 但本文连续模型计算结果有较高精度。同时还可看出, 采用连续轴段模型的扭振振幅响应更丰富, 能够反映出传动系统中较高频率的振幅特性, 更真实地反映出传动系统中的振动变化特性。

5 结束语

考虑旋转机械传动系统的连续分布质量, 本文提出了旋转机械传动系统连续扭振动力学模型。该模型能有效地计算出系统的固有频率, 并能够减小建模过程中人为划分自由度对系统基频的影响, 减小了计算误差。同时对无间隙和有间隙的连续动力学模型进行了仿真研究, 与传统离散方法比较, 该连续模型能够有效地反映传动轴上的扭振响应, 与离散模型保持很好的一致性, 而且表现的扭振形态更丰富, 为更准确地分析旋转机械传动系统的扭振特性提供了一种新的参考途径。

参考文献

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[3]Wu J S, Yang I H.Computer Method for Torsional and Flexure Coupled Forced Vibration of Shafting System with Damping[J].Journal of Sound and Vi-bration, 1995, 180 (3) :417-435.

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[5]诸德超, 邢誉峰.工程振动基础[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2004.

[6]毛海军, 孙庆鸿, 陈南, 等.基于分布质量的Riccati传递矩阵法模型与轴系频响函数计算方法研究[J].东南大学学报 (自然科学版) , 2000, 30 (6) :34-38.

[7]董全林, 刘彬.在伽利略坐标变换下的二端面弹性转轴的相似动力学方程[J].物理学报, 2002, 51 (10) :2191-2196.

[8]鄢景华.自动控制原理[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 1996.

机械系统动力学篇11

关键词电力机械行业的发展

中图分类号： [TK-9] 文献标识码：A

近年来，中国市场的规模和特点都出现了很大的变化，企业的发展，从过去单一的目标，向系统化，科学化管理转变。

西部大开发和基础设施建设，为普通机械制造业提供了广阔的市场。加入世界贸易组织后，普通机械制造业为吸引外国投资和扩大出口创造了良好的机会。

进入新世纪，新一轮的市场需求增加，使中国的装备制造产业得到发展，为中国的经济建设提供动力，如石化，电力，冶金等行业。城市基础设施的建设对制造业的发展提出了更高的要求。通用机械行业的发展带来了历史上最好的市场机会：如石油化工、煤化学工业、电力工业、冶金工业、石油和天然气管道等大规模的基础设施建设。我们必须以科学发展观为指导，认真贯彻落实国家的政策方向，不断完善机械产品的设计和制造水平。

随着该行业的快速发展，中国通用机械行业的改革和创新要改变原有的想法，要以“解放头脑，开拓进取，团结，合作”为方针，促进发展通用机械行业。要转变观念，提高服务意识，意识是一个行业的灵魂。国内行业和企业与国外品牌相比，仍然有差距，生产制造能力不强，产品质量仍然有待进一步提高。作为高新技术产业的重要载体，装备制造业的振兴将大力促进信息技术、空间技术的发展，对大国崛起具有十分重要的意义。中国的高科技要是不依靠自主创新，将处于非常被動的位置。为了有效地解决这个问题，我们必须加强自主创新。

要加强管理，加强产业技术创新，加快建设产业为主体，以市场为导向的技术创新机制和创新体系，有效地提高自主创新能力，并逐步掌握具有独立知识产权的核心技术，提高核心竞争力。要加强组织领导，完善激励机制，靠典型引路，推广先进的方法，侧重于信息化的手段，提高培训效果，加强队伍建设，促进行业的发展，使通用机械行业，成为行业中的佼佼者，成为国家的支柱产业。要把握好经济发展的周期，分析国家宏观政策的方向，运用科学的方法和模型，帮助企业掌握市场动向。在企业的经营和管理中遇到问题时，要有针对性的分析思路和方法，提出有效的解决方案，为企业解决困难。制定正确的发展规划，及时调整发展战略。

总之，要加快产业转型，使其接近或达到发达国家水平，对于技术含量相对较低的要淘汰，满足广泛的产品市场需求，进一步提高产品质量，降低成本，继续发挥其价格优势，巩固市场份额，花大力气改善和建立营销及售后的服务体系，以满足市场的需求，为客户提供优质的服务，以诚信为本，创造一个良好的行业形象。最后，要加快产业后备人员的招聘和培训，以提高企业的核心竞争，为行业的可持续发展奠定坚实的基础。

参考文献

[1] 李多英.2007年通用机械行业发展概况[J]. 通用机械， 2008.

[2] 中国通用机械工业“十一五”发展规划[J]. 通用机械， 2005.

机械系统动力学篇12

当车辆处于高负荷运行情景时, 液力变矩器的传动效率会大大减低甚至失去效用, 那么在这样的情况下, 大功率输出要求不能实现, 反而因为功率的积压不能释放, 从而导致油温迅速升高, 造成机械的运行环境出现恶化情况。这样的弊病导致液力传动系统性能受到很大的影响。近年来, 有关研究者通过设计双涡轮和双导轮以及反转导轮结构试图提升液力变矩器的工作效率, 虽然这样的措施取得了一定的效果, 但是从整体上讲仍然不够理想, 因而没有解决根本问题。鉴于此, 本文将重点分析液力传功系统的动力性问题, 对其改善措施提供一定的参考依据。

2 液力传动系统的改善措施

通过上文的阐释我们知道, 传统的液力传功系统存在功率输出不足的问题, 这样的问题严重影响着机械的实际性能。因此为了提高机械的性能, 就应该着力解决液力传功系统的动力性问题, 下文将对此问题做具体的论述。

2.1 换挡变速箱的设计问题及解决策略

通过研究发现, 影响液力传动系统性能的主要原因之一是变速箱设计问题, 传统的变速箱设计没有参考机械作业的与作业操作的实际情况, 前进档位与后退档位设计比较复杂, 使得作业操作也变得比价繁复。而经过改善的液力传动系统的变速箱设计往往采用前二后一方案, 这样的结构设计使得机械在作业过程中变速箱的档位可以保持在一个位置, 在实际操作中, 操作人员只需要掌控方向即可, 这样就可以使得司机可以集中精力进行作业。以此就可以有效提高作业效率。这样的改善措施其科学性也得到了诸多实际证明, 譬如杭州齿轮箱设计生产的ZL4和ZL50这两个型号的变速箱, 就采取了前二后一的变速档位设计, 前进档为2111和51508, 而后退档为11577两种。如此设计有效的解决了传统液力传动系统, 档位置换存在的问题, 极大的提高了传动效率。

2.2 变矩问题分析及解决措施

采用前二后一档位设置的变速箱设计, 为了提高其性能, 就需要同时使用双涡轮变矩器 (如Z50D) 配合。因为一般的三元件液力变矩器的高效范围比较逼仄, 除此之外其变矩范围也比较低, 这样的不利因素严重的制约了传动效用的发挥。而采用双涡轮变矩器能够有效拓宽高效范围同时也能够增加变矩范围。这样就能够有效提高液力传动系统的传动性能。同时为了减低传动系统故障率, 可以通过增加变速箱的档位数加以改善。因为使用档变速箱能够在变矩器负荷增加时, 变矩器的传动效率有可能会降低到高效区外, 在这样的情况下变速器的效率就得不到应有的保障, 为了改变这样的窘境, 采用多档位变速器能够通过降低档位操作, 就能够提高变矩器的工作效率, 并且这样的设计也能够保证机械的牵引力不会降低。这样的方案的主要特点是利用换挡机制, 有效对抗高负荷运行情况下的变矩器效率低于高效区变化以此提高变矩器的适应能力。但是如果在负荷变化范围不大的情况下, 使用三元件变矩器也能满足这样的要求, 因此在具体情况下应该辩证的采用适当的变矩器。

3 计算比较

为了克服传统设计方案的弊病提高液力传动系统的工作效率, 就需要进行一定改善措施, 且为了保证改善措施具有科学性也需要通过计算比较进行佐证。

传统液力传动系统的弊病在于传动效率低且耗油较高, 为了克服这样的缺点徐州装载机厂对传统的装载机进行了改善, 他们将ZL50D装载改进成了ZL50E.具体的改善措施是将ZL50D采用的双涡轮变矩器YJSW315并配有一个前进档和两个后退档的变速器, 改进成了使用三元件变矩器并配置了四个前进档和四个后退档。通过这样的改进发现, 两个方案的全负荷速度特性有了很大的改变, 除此之外其调速特性也出现了很大的改善。

通过对两个方案的测试数据研究我们发现, 新方案的高效区一般都稳定在低速行驶的情况下, 而旧方案的高效区一般处在中速行驶情况。除此之外, 通过分析转载机的牵引特性我们发现, 在牵引力相同情况下, 新方案的变矩器传动效率要远远高于旧方案。并且在低速段运行机制下新方案的装载机稳定性很高, 这就保证了在相同牵引力情况下, 新方案的工作效率就等到了很大的提升。

正是由于这新方案具有以上的优越性, 我国工程车辆大多采用的多档变速配合三元件液力变矩器, 增加档位提高工程车辆的运行效率。但是通过研究发现, 国外的工程车辆除了增加档位外, 还采取了自动换档抑或是自动半档的技术。因为采取增加档位的改革方案后, 随着档位的增加, 就需要操作人员不断的切换档位, 但是诸如此类的操作就会极大的分散操作人员的注意力, 自然就会降低操作的效率。因此为了配合新方案的实施, 也必须同时采用自动换档措施, 只有这样才能够有效提升液力传动系统的工作效率。

4 结束语

我国在工程车辆设计中一直采用的双涡轮前二后一变速器运行机制, 严重影响了传动系统的工作效率。因为这样的设计方案仅仅依靠变矩器的适应性去应对高负载运行情况下的传动性变化, 这样显然就会极大的降低其运行效率。而采用三元件变矩器并配合多档变速箱, 能够提高工程车辆在高负载的传动性能。因此在相同的牵引力和相同阻力的运行情况下, 采取多档变速箱能够提高车辆工程的运作速度。但是在采取这样的设计措施时, 需要配合自动换档措施, 这样才能减少因档位增多而增加的换档操作, 以此保证改革措施的实效性, 总而言之, 通过增加档位并结合三元件变矩器, 能够有效解决传统传动系统的动力性问题。

摘要：当工程车辆在高负载运行情景下, 为了有效增强其适应能力可以采用液力机械传动系统。本文主要分析了现目前工程车辆采用的液力传动系统动力性问题, 并结合有关实际研究, 提出了相关改进策略如设置自动换挡、增加变速箱档位、简化变矩器等。这些改进方案为传统液力机械传动系统的改进提供了一定的思路。

关键词：动力性,机械,动力系统,液力,车辆

参考文献

[1]赵丁选, 马铸, 杨力夫等.工程车辆液力机械传动系统的动力性分析[J].中国机械工程, 2001, 12 (8) :948-950.

[2]姚怀新.工程车辆牵引动力学概述及其研究回顾 (2) [J].筑路机械与施工机械化, 2005, 22 (4) :62-64.

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