第三章机械系统的载荷特性和动力机选择(new)
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机械系统
机械系统
机械设计学科
01 介绍
03 特性 05 系统集成
目录
02 组成 04 数学模型 06 工程应用
基本信息
机械系统是机电一体化系统的最基本要素，主要用于执行机构、传动机构和支承部件，以完成规定的动作， 传递功率、运动和信息，支承连接相关部件等。机械系统通常是微型计算机控制伺服系统的有机组成部分，因此 在机械系统设计时，除考虑一般机械设计要求外，还必须考虑机械结构因素与整个伺服系统的性能参数、电气参 数的匹配，以获得良好的伺服性能。
介绍
介绍
机械系统是研究在规定完成的任务情况下，进行机械元件的最佳综合，使系统的输入与输出保持某种因果关 系的学科。它属于机械设计学科的一个分支。由若干机械装置组成的一个特定系统，称为机械系统。机械零件和 构件是组成机械系统的基本要素，它们为完成一定的功能相互联系并分别组成了各个子系统。如数控机床和洗衣 机都是由若干装置、部件和零件组成的两种在功能和构造上各异的机械系统。它们都是由有确定的质量、刚度和 阻尼的物体组成并能完成特定功能的系统。
机械系统总体布局主要是围绕所设计的设备的功能进行的。为了实现设备的总功能，一般由若干分功能对应 的机械部件按工艺动作要求逐一集成在一起的。闪此，系统总体布局时，除需考虑设备造型、人机关系外，关键 是要考虑两个“协调”：一是各机械部件在空间位置上协调，如流水线工位的位置确定、相关工艺动作的相对空 间布置；二是各机械部件的运动执行构件在时间顺序上协调，如若干执行件动作的先后顺序设计、时间问隔设计 等，这样才能保证工艺运动协调，实现设备的总功能。
相关性
系统内部各子系统之间是有机联系的。它们之问相互作用、相互影响，形成了特定的关系，如系统的输入与 输出之间的关系、各子系统之间的层次联系、各子系统的性能与系统整体特定功能之间的联系等。取决于各子系 统在系统内部的相互作用和相互影响的有机联系。某一子系统性能的改变．将对整个系统的性能产生影响。
机械设计学科
01 介绍
03 特性 05 系统集成
目录
02 组成 04 数学模型 06 工程应用
基本信息
机械系统是机电一体化系统的最基本要素，主要用于执行机构、传动机构和支承部件，以完成规定的动作， 传递功率、运动和信息，支承连接相关部件等。机械系统通常是微型计算机控制伺服系统的有机组成部分，因此 在机械系统设计时，除考虑一般机械设计要求外，还必须考虑机械结构因素与整个伺服系统的性能参数、电气参 数的匹配，以获得良好的伺服性能。
介绍
介绍
机械系统是研究在规定完成的任务情况下，进行机械元件的最佳综合，使系统的输入与输出保持某种因果关 系的学科。它属于机械设计学科的一个分支。由若干机械装置组成的一个特定系统，称为机械系统。机械零件和 构件是组成机械系统的基本要素，它们为完成一定的功能相互联系并分别组成了各个子系统。如数控机床和洗衣 机都是由若干装置、部件和零件组成的两种在功能和构造上各异的机械系统。它们都是由有确定的质量、刚度和 阻尼的物体组成并能完成特定功能的系统。
机械系统总体布局主要是围绕所设计的设备的功能进行的。为了实现设备的总功能，一般由若干分功能对应 的机械部件按工艺动作要求逐一集成在一起的。闪此，系统总体布局时，除需考虑设备造型、人机关系外，关键 是要考虑两个“协调”：一是各机械部件在空间位置上协调，如流水线工位的位置确定、相关工艺动作的相对空 间布置；二是各机械部件的运动执行构件在时间顺序上协调，如若干执行件动作的先后顺序设计、时间问隔设计 等，这样才能保证工艺运动协调，实现设备的总功能。
相关性
系统内部各子系统之间是有机联系的。它们之问相互作用、相互影响，形成了特定的关系，如系统的输入与 输出之间的关系、各子系统之间的层次联系、各子系统的性能与系统整体特定功能之间的联系等。取决于各子系 统在系统内部的相互作用和相互影响的有机联系。某一子系统性能的改变．将对整个系统的性能产生影响。
机械原动机的选择及传动系统设计
等需要多级调速传动的装置，还可驱动高频发电
与 Y 系列相同
机，借以改变高频电动机的转速
结构与 Y 系列相似，为 具有运行可靠，使用安全，寿命长，维修方便，性能优良 ，
了满足防爆，适当加固 重量轻，体积小，转动惯量小和用料省等优点，适用于具
有爆炸危险性混合物的场所
有组合式和整体式两种 具有结构简单、可靠、速度调节均匀平滑，无失控区，使
第三章 机械原动机的选择及传动系统设计
§3—1 原动机的种类和选择
机械系统通常由原动机、传动装置、工作机和控制操纵部件及其它辅助零部件组成。工作 机是机械系统中的执行部分，原动机是机械系统中的驱动部分，传动装置则是把原动机和工作 机有机联系起来，实现能量传递和运动形式转换不可缺少的部分。原动机按能量转换性质的不 同分为第一类原动机和第二类原动机。第一类原动机包括蒸气机、柴油机、汽油机、水轮机和 燃气轮机；第二类原动机包括电动机、液动机（液压马达）和气动机（气动马达）。机械设计课 程设计中常选用的原动机为电动机，特性见表 3－1
带传动
取决 于材料的 接触强度 带轮直径大，带的寿命较长。
和抗磨损能力
普通 V 带 3500～5000h
(优质 V 带可达 20000h)
窄形 V 带 20000h
摩擦压力机、摩擦绞车、 金属切削机床、锻压机械、输
机械 无级变速 器以及各 送机、通风机、农业机械和纺
种仪器等
织机械等
齿轮传动
蜗杆传动
外廓尺寸小，效率高，传 外廓尺寸小，结构紧凑，传动
表 3－1 常用电动机的结构特征、优缺点及应用范围
类型
名称
结构特征
优缺点及应用范围
一 般 异 步 电 动 机
变速 异步 电动
与 Y 系列相同
机，借以改变高频电动机的转速
结构与 Y 系列相似，为 具有运行可靠，使用安全，寿命长，维修方便，性能优良 ，
了满足防爆，适当加固 重量轻，体积小，转动惯量小和用料省等优点，适用于具
有爆炸危险性混合物的场所
有组合式和整体式两种 具有结构简单、可靠、速度调节均匀平滑，无失控区，使
第三章 机械原动机的选择及传动系统设计
§3—1 原动机的种类和选择
机械系统通常由原动机、传动装置、工作机和控制操纵部件及其它辅助零部件组成。工作 机是机械系统中的执行部分，原动机是机械系统中的驱动部分，传动装置则是把原动机和工作 机有机联系起来，实现能量传递和运动形式转换不可缺少的部分。原动机按能量转换性质的不 同分为第一类原动机和第二类原动机。第一类原动机包括蒸气机、柴油机、汽油机、水轮机和 燃气轮机；第二类原动机包括电动机、液动机（液压马达）和气动机（气动马达）。机械设计课 程设计中常选用的原动机为电动机，特性见表 3－1
带传动
取决 于材料的 接触强度 带轮直径大，带的寿命较长。
和抗磨损能力
普通 V 带 3500～5000h
(优质 V 带可达 20000h)
窄形 V 带 20000h
摩擦压力机、摩擦绞车、 金属切削机床、锻压机械、输
机械 无级变速 器以及各 送机、通风机、农业机械和纺
种仪器等
织机械等
齿轮传动
蜗杆传动
外廓尺寸小，效率高，传 外廓尺寸小，结构紧凑，传动
表 3－1 常用电动机的结构特征、优缺点及应用范围
类型
名称
结构特征
优缺点及应用范围
一 般 异 步 电 动 机
变速 异步 电动
第三章机械系统的载荷特性和动力机选择
污染环境，动作迅速，成本低，对易燃、易爆、 多尘等恶劣工作环境的适应性好。
缺点：因工作的可压缩性而使工作稳定性差，噪声 大，因工作压力较低，其输出的转矩不大。
通常适用于小型机械。
内燃机 优点：功率范围宽，操作简便，便于移动。
缺点：需用柴油或汽油做燃料，且要求较高，排气 污染环境，噪声大，多用于野外工作的机械，如 农用机械、工程机械和船舶车辆等。
液压马达 优点：可获得的转矩和机械力大，与电动机相比 较，在相同功率时尺寸小、重量轻，快速反应的 灵敏度高，容易实现无级调速，操作、控制简便 ，易于实现复杂的工艺动作。
缺点：需有高压油供给系统，液压元件的制造、 装配精度要求高，否则因漏油而影响工作效率、 运动精度并污染环境。
气动马达 优点：工作介质为空气，易获得，且排除的气体不
•工作机的负载特性
工作机在运行过程中其运动参数（速度、位移等 ）与动力参数（转矩、功率等）的变化规律称为 工作机的负载特性。
恒转矩负载特性：负载转矩于其转速无关
恒功率负载特性：转速变化时负载功率基本保持不变 负载转矩随转速变化而变化： 离心式鼓风机、水泵 负载转矩是行程或转角函数：如活塞式空气压缩机 、曲
•5 4 3 2 1 •载荷级数 Nhomakorabea•r
3 •r
•r
•r •r 2
1
4
7
•r
•r 6
5
•r
8
•时 间
•r1=4、r2=2、r3=3、r4=4、r5=2、 r6=1、r7=2、r8=4
•1 2 3 4 5 •载荷级数
•雨流计数法
原理： 取垂直向下的纵坐标表示时间，横坐标表示载荷，
这样载荷历程形同一座宝塔，雨点依次以峰值或谷值为起点向下 流动，根据雨点向下流动的轨迹确定出载荷循环，并计算出每个 循环的幅值大小。
缺点：因工作的可压缩性而使工作稳定性差，噪声 大，因工作压力较低，其输出的转矩不大。
通常适用于小型机械。
内燃机 优点：功率范围宽，操作简便，便于移动。
缺点：需用柴油或汽油做燃料，且要求较高，排气 污染环境，噪声大，多用于野外工作的机械，如 农用机械、工程机械和船舶车辆等。
液压马达 优点：可获得的转矩和机械力大，与电动机相比 较，在相同功率时尺寸小、重量轻，快速反应的 灵敏度高，容易实现无级调速，操作、控制简便 ，易于实现复杂的工艺动作。
缺点：需有高压油供给系统，液压元件的制造、 装配精度要求高，否则因漏油而影响工作效率、 运动精度并污染环境。
气动马达 优点：工作介质为空气，易获得，且排除的气体不
•工作机的负载特性
工作机在运行过程中其运动参数（速度、位移等 ）与动力参数（转矩、功率等）的变化规律称为 工作机的负载特性。
恒转矩负载特性：负载转矩于其转速无关
恒功率负载特性：转速变化时负载功率基本保持不变 负载转矩随转速变化而变化： 离心式鼓风机、水泵 负载转矩是行程或转角函数：如活塞式空气压缩机 、曲
•5 4 3 2 1 •载荷级数 Nhomakorabea•r
3 •r
•r
•r •r 2
1
4
7
•r
•r 6
5
•r
8
•时 间
•r1=4、r2=2、r3=3、r4=4、r5=2、 r6=1、r7=2、r8=4
•1 2 3 4 5 •载荷级数
•雨流计数法
原理： 取垂直向下的纵坐标表示时间，横坐标表示载荷，
这样载荷历程形同一座宝塔，雨点依次以峰值或谷值为起点向下 流动，根据雨点向下流动的轨迹确定出载荷循环，并计算出每个 循环的幅值大小。
机械系统设计 第三章机械系统的载荷特性与动力机选择
工作机械的负载特性是指工作机 械在运行过程中其功率、转矩和转 速或位移间的关系。选择动力机的 容量时，主要考虑工作机械在输入 动力端的转矩、功率和转速之间的 关系。Tz=f(n)，Pz=f(n)。
负载特性有 ： 1）恒转矩负载特性
恒转矩特性是指转矩与转速无关， 即当转速变化时，转矩保持常数。 如起重机起升机构负载特性。
计算法即根据机械的功率要求和结 构特点运用各种力学原理、经验公式 或图表等计算确定载荷的方法。
例如设计起重机时，要计算： （1）起重量(吊重)表
起升载荷包括起重机的额定起重力 和随货物一起升降的装置的重力 。
100吨全地面起重机配重28吨时起 重 量 表
带 副 臂 起 重 量 表
第三章 载荷与动力装置选择
第一节 机械系统的载荷分析
一、载荷类型
所有机械在工作中都会受到多种外 力的作用，这些外力工程上称之为载 荷。确定载荷类型、大小、变化规律 是机械系统设计的重要内容。用以计 算强度、刚度、稳定性、可靠性和寿 命，选择动力机类型和容量。
1．按载荷的作用方式分类 直接作用载荷——载荷以力或力矩的形 式直接作用在机械上，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 用在机械上，如温度、地震的作用引起的 载荷。 2.按零件发生变形的不同分 拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷和扭转 载荷。
确定载荷通常有三种方法：类比 法、计算法和实测法。 1．类比法
参照同类或相近的机械，根据经验 或简单的计算确定所设计机械的载荷， 这种方法称为类比法。它主要应用在 载荷较难确定的情况或初步设计阶段。 仿造（测绘）。
使用类比法确定载荷一般需要一定的实际 经验，否则容易出现载荷过大或过小的情况。 应用类比法时常可采用相似原理进行推断，其 中常用的有：
机械系统的载荷特性和动力机选择(共69张PPT)
机械系统学第三章
0 F
a b a’ c
全循环: a- b-a’ 、 d-e-d’ 、 g-h-g’
f d d’ e
g
半循环: 0-a-a’-c 、 f-g-g’-i c-d-d’-f 、
h
g’
i
t
机械系统学第三章
（3）频率直方图和概率密度函数 把循环得到的一系列峰值或幅值数据分组，一般情 况下分成12祖，求出每一组峰值或幅值出现的频次mi、 12 相应的频率p=mi/N，其中 N m i
i 1
以载荷为横坐标、以频率为纵坐标，就可绘出频 率直方图。 当总数据量N足够大时，一般N≥106，用统计理论， 以一条光滑的曲线描述母体，该曲线称为概率密度曲 线，其表征的函数为概率密度函数。
机械系统学第三章 根据教材P50表3-2 载荷循环计数统计表所绘制的频率直方图
p
0.3
0.2
概率密度曲线
机械系统学第三章
二、载荷的处理方法
1静载荷、周期载荷、非周期载荷的处理 为了简化计算，常将名义载荷乘以动载系数，将 动载荷转化为静载荷进行近似的设计计算。 2 随机载荷的处理 （1） 载荷谱：
将原始记录的载荷-时间历程（机械的工作谱 ）， 用概率统计的方法进行处理后，得到能反映载荷随 时间变化的、具有统计特征的载荷—时间历程。
雨流计数法
机械系统学第三章
例：峰值计数法（全部峰谷值进行计数）
5 4 3 频 2 次 1 1 2 3 4 5 时间 载荷
载 荷
3
2 1
机械系统学第三章
例：穿级计数法
8
5 4
载 荷
3 2 1 时间
频 次 4
2
6
1 2 3 4 5 载荷
机械系统的动力学性能分析
机械系统的动力学性能分析机械系统的动力学性能分析是研究和评估机械系统在运动过程中的各项性能指标。
通过对机械系统的运动方程、力学特性和控制策略进行分析，可以帮助设计师和工程师优化机械系统的设计以及提高其工作效率和稳定性。
一、机械系统的运动方程机械系统的运动方程是机械系统动力学分析的基础。
一般来说，机械系统的运动方程可以通过多体动力学理论推导得出。
对于简单的机械系统，可以通过牛顿第二定律来建立运动方程。
而复杂的机械系统，则需要利用拉格朗日方程或哈密顿原理等方法建立运动方程。
二、机械系统的力学特性机械系统的力学特性包括质量、惯性、刚度和阻尼四个方面。
质量是指机械系统各个部件的质量集合，惯性则描述了机械系统对外力作用的抵抗能力。
刚度代表了机械系统的刚性程度，而阻尼则描述了机械系统内部的能量耗散情况。
在机械系统的动力学性能分析中，深入理解机械系统的力学特性对于准确评估其性能至关重要。
例如，在设计振动系统时，需要考虑振动系统的刚度和阻尼特性以保证系统的稳定性；在设计伺服系统时，需要考虑机械系统的惯性和负载特性以保证伺服系统的响应速度和稳定性。
三、机械系统的控制策略机械系统的控制策略是指通过对机械系统的输入信号进行调节以实现特定性能指标的方法和技术。
常见的控制策略包括开环控制和闭环控制。
在机械系统的动力学性能分析中，通过合理选择和设计控制策略可以有效的改善机械系统的性能，并满足特定的工程要求。
例如，在工业生产过程中，通过闭环控制技术可以实现对机械系统的位置、速度和力矩等参数的精确控制，进一步提高生产效率和产品质量。
四、机械系统性能的评估指标机械系统性能的评估指标是衡量机械系统性能的重要依据。
常用的评估指标包括系统的稳定性、响应速度、振动特性、能量效率等。
对于稳定性评估，可以通过系统的频率响应曲线和根轨迹等方法来分析系统的稳定性边界。
对于响应速度评估，可以通过分析系统的阶跃响应和脉冲响应来评估系统的响应速度。
对于振动特性评估，可以通过频率响应曲线和模态分析来评估系统的振动特性。
第3章 机械系统的载荷特性和动力机的选择
M
M
O
n
O
n
例如磨粉机，转速n升高，喂入量加大，转矩M成正比增加。
转矩M与转速n的平方成正比，即M=f(n2) ，则功率P与转速n的3次方成 正比，即P=f(n3) 。通风机、离心水泵就具有这种负载特性。
（4）转矩M是行程s或转角θ的函数 转矩M与行程s或转角θ成某种函数关系，即M=f(s)或M=f(θ)。
二、载荷处理方法
(一)静载荷、周期载荷、非周期载荷的处理 1、静载荷 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 s 作极限应力 lim ；脆性材料制成的零件，取强度极限 B作极限应 力 lim ，选取安全系数S后，就可决定许用应力 [ ] lim / S 。用名义载荷F 与载荷系数K的乘积表示计算载荷 FC ，即 FC KF ，这里载荷系数K是考虑 载荷集中设定的。 应用强度理论由计算载荷 FC 可求出计算应力 C ，按强度不等式 C [ ] 来进行静强度计算。
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。
xi (t ) x j (t K )
式中： i、j-----1，2，…，i≠j K-某一时间延迟步数。 对于一般的随机过程，理论上讲只有从无穷个样本中才能得出准确地反 映随机过程特征的数字特征值，但增加样本个数具有一定的难度，只能对有 限个样本进行分析处理，获得近似的载荷谱。但对于各态历经的随机过程， 只要获得一个样本，就可以得到能代表整个随机过程的载荷谱。
M
O
C
n
例如利用内燃机驱动的发电机，为了保持交流电频率不变，在机组上利 用调速器来保证发电机在额定转速下运转。
思考题：
9、根据P37图2-11四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 何影响? （2）各自的驱动方式以及选用该驱动方式的理 由? 10、X62W卧式升降台铣床主轴转速
第三章_机械系统的载荷和动力选择1.
（2）循环计数法 循环计数法把载荷--时间历程离散成一系列 的峰值和谷值，然后计算载荷峰值或幅值变 化的概率密度函数和概率分布函数等，绘制 频率直方图，从而得到机械设计所需的载荷 谱。 主要缺点： 不能给出载荷大小变化的先后次序和频率分 布，而这对疲劳寿命是具有一定影响的。 常用的有峰值计数法、穿级计数法、幅程计 数法、雨流计数法等。
数学上可表示为： xi (t ) x j (t K ) 式中 i、j - -1 ， 2， ，i j;
(3 - 11)
K - -某一时间延迟步数。
对于各态历经的随机过程，只要获得一个样 本，即可反映随机过程的特征。 对于实际记录的载荷大都是非平稳的，为了 简化常把它们假设成平稳的或各态历经的。
T 2 T 2
（3-1）
2 T an 2T x(t ) cos n0tdt T 2 2 0 T
2 bn x(t )1）也可表示成如下形式 ： a0 x(t ) cn cos(n0t n ) 2 n 1 式中 cn a n b
1)起升载荷 起升载荷包括起重机的额定起重力和随货 物一起升降的设备(如吊具、大起升高度 的钢丝绳等)的重力。 2)起重机的整机重力 起重机的整机重力包括起重机全部零、部 件和附属设备的重力。 在设计前起重机的整机重力可进行类比初 估，在设计完成后再予以修正：
3)动载荷 起重机在起动或制动等不稳定运动状态 时，会引起振动载荷和惯性载荷。 如：在提升重物时由惯性引起的动载荷 Fd1为：
简谐载荷的函数表达式：
x(t ) x0 sin(t )
式中：
x(t ) ---t时刻的载荷幅值；
x0
---最大载荷幅值；
--- 角频率（也称圆频率）；
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N入 N入
W = t 电动机平均输入功率（ — 电动机平均输入功率（ KW）
W — t小时内输入总功（ KW ⋅ h） 小时内输入总功（ t — 测量时间（ h） 测量时间（ 由此得出电动机的输出 功率 N = N 入η电
机械系统学第三章 （2）计算法 ） 主运动电机功率： N = N 主运动电机功率： 其中： 其中：
载 荷 级 数
5 4 3 2 1
r1 r2
r3 r4 r5 r6
r7
频 3 次 2
r8
1
1 2 3 4 5 时间 载荷级数
r1=4、r2=2、r3=3、r4=4、r5=2、 r6=1、r7=2、r8=4
机械系统学第三章
雨流计数法
原理： 取垂直向下的纵坐标表示时间，横坐标表示载荷， 原理： 取垂直向下的纵坐标表示时间，横坐标表示载荷，
机械系统学第三章
第三章
机械系统的载荷特性 和动力机选择
3.1
工作机械的载荷和工作制
动力机的类型、 3.2 动力机的类型、机械特性及其选用
机械系统学第三章
3.1 工作机械的载荷和工作制
任何机械系统都要承受各种外力的作用，这些外力称为载荷。 任何机械系统都要承受各种外力的作用，这些外力称为载荷 载荷。 载荷不仅是计算强度和刚度的重要依据，而且也是进行动力计 算和选用动力系统的主要依据之一。载荷通常用力、力矩、压 力、功率等参量表示。
机械系统学第三章
准周期性载荷： 准周期性载荷：指由若干频率比是有理数的简谐载荷 的合成，它可用周期载荷的处理方法来表示。 瞬变载荷： 瞬变载荷：指作用时间短、幅值变化较大的载荷。
瞬变载荷常采用傅里叶变换建立载荷的时间函数和频率 函数之间的一一对应关系。 函数之间的一一对应关系。 冲击载荷是一种比较典型的瞬变载荷。 冲击载荷是一种比较典型的瞬变载荷。
Pn1 P11 P21 Cp = = =L= P P22 Pn 2 12
原型系统承受的载荷 设计系统对应原型系统个位置 上所作用的载荷
机械系统学第三章 实测法——通过实验分析测定载荷。 实测法 载荷的确定较重要时，可通过模型或原型由实测法精确确定。 电阻应变式传感器 电阻应变仪和记录分析仪
计算法——根据系统的功能要求和结构，运用力学原理、经 计算法 验公式、手册、图表等计算确定载荷。 计算法主要包括静态设计法和动态设计法。
机械系统学第三章
（2） 编制载荷谱的方法 ） 功率普法 将一个随机载荷的子样经专用的谱分析仪器， 将一个随机载荷的子样经专用的谱分析仪器， 获得功率谱密度函数。 获得功率谱密度函数。 循环计数法 循环计数法首先把一个随机载荷—时间历程离散 循环计数法首先把一个随机载荷 时间历程离散 成一系列的峰值和谷值， 成一系列的峰值和谷值，并根据不同的计数规则 峰值计数法 计算出峰值和幅值发生的频次和频率， 计算出峰值和幅值发生的频次和频率，然后再按 穿级计数法 照数理统计的方法确定峰值和幅值变化的概率密 幅程计数法 度函数和概率分布函数。 度函数和概率分布函数。 雨流计数法
机械系统学第三章
几种常见载荷的确定方法
1. 以摩擦阻力为主的工作载荷
F = Fn µ0 其中： Fn — 正压力
µ0 — 摩擦系数
机械系统学第三章
2. 以切削力为主的机床载荷
（1）实测法：选一台在传动和结构上同所设计机床相近似 ）实测法： 的机床，进行特定或典型的工序， 的机床，进行特定或典型的工序，测出电动机在一定时 间内的输入功，则可算出其平均功率： 间内的输入功，则可算出其平均功率：
机械系统学第三章
一、载荷类型
按载荷与时间关系分： 按载荷与时间关系分：
静载荷：大小、方向和位置都不变的载荷； 静载荷：大小、方向和位置都不变的载荷； 动载荷：大小、方向和位置随时间而变化的载荷。 动载荷：大小、方向和位置随时间而变化的载荷。 载荷历程： 载荷历程：工程上常把载荷值随时间变化的规律称为载 荷—时间历程 时间历程
一、工作载荷类型 二、工作载荷的处理方法 三、工作载荷的确定 四、工作机械的工作制
机械系统学第三章
一、载荷类型
按载荷作用的形式分： 按载荷作用的形式分：
拉伸或压缩载荷、弯曲载荷和扭转载荷，常用力、 拉伸或压缩载荷、弯曲载荷和扭转载荷，常用力、力矩 或扭矩的形式来表示，也可以用压力、功率、 或扭矩的形式来表示，也可以用压力、功率、加速度等 形式来表示。 形式来表示。
N = N切
η总
η 总 为机床总效率
对主运动为回转运动的 机床 η 总 = 0 .7 − 0 .85 对主运动为直线运动的 机床 η 总 = 0 .6 − 0 .7
电动机的额定功率： 电动机的额定功率： N
额定
N = K
K---电机超载系数（对连续工作机床K=1.0 , 电机超载系数（对连续工作机床 电机超载系数 对间断工作机床K=1.1~1.25) 对间断工作机床
这样载荷历程形同一座宝塔， 这样载荷历程形同一座宝塔，雨点依次以峰值或谷值为起点向下 流动，根据雨点向下流动的轨迹确定出载荷循环， 流动，根据雨点向下流动的轨迹确定出载荷循环，并计算出每个 循环的幅值大小。 循环的幅值大小。
计数规则： 计数规则：
① 雨点的起点依次从每个峰值或谷值开始并沿其内侧往下流动； 雨点的起点依次从每个峰值或谷值开始并沿其内侧往下流动； ② 雨流在下一个峰值或谷值处落下，直到对面有一个比开始时的 雨流在下一个峰值或谷值处落下， 峰值更大或谷值更小的值时停止； 峰值更大或谷值更小的值时停止； 当遇到来自上面的雨点时雨流也停止； ③ 当遇到来自上面的雨点时雨流也停止； 取出所有的全循环， ④ 取出所有的全循环，把剩下的载荷峰谷值点连接成新的载荷历 并按雨流法的第二阶段计数法计出循环数。 程，并按雨流法的第二阶段计数法计出循环数。 对于计得的全循环计算出它们的幅值。 ⑤ 对于计得的全循环计算出它们的幅值。
机械系统学第三章
0 F
a b a’ c
全循环: 全循环 a- b-a’ 、 d-e-d’ 、 g-h-g’
f d d’ e
g
半循环: 半循环: 0-a-a’-c 、 f-g-g’-i c-d-d’-f 、
h
g’ i
t
机械系统学第三章
（3）频率直方图和概率密度函数 ） 把循环得到的一系列峰值或幅值数据分组，一般情 况下分成12祖，求出每一组峰值或幅值出现的频次 i、 频次m 频次 12 相应的频率p=mi/N，其中 N = ∑ m i 相应的频率
机械系统学第三章
随机载荷 随机载荷是一种无规则的、不能重复的载荷，对它 只能进行统计描述。 随机载荷通常由现场实测（即采样）获得，每一次 采样可以得到一个样本函数（也称子样）x(t)。在相同 的条件下，进行重复采样，就可以得到互不相同的许 多样本函数x1(t),x2(t),…,xn(t)，n个样本函数的集合形 成了随即过程。 用随机过程的一些数字特征如均值、方差、自相 均值、方差、 均值 关函数等来描述其基本统计特征。 关函数
i =1
以载荷为横坐标、以频率为纵坐标，就可绘出频 以载荷为横坐标、以频率为纵坐标，就可绘出频 率直方图。 率直方图。 当总数据量N足够大时，一般N≥106，用统计理论， 以一条光滑的曲线描述母体，该曲线称为概率密度曲 线，其表征的函数为概率密度函数 概率密度函数。 概率密度函数
机械系统学第三章 根据教材P50表3-2 载荷循环计数统计表所绘制的频率直方图 载荷循环计数统计表 频率直方图
N切 =
切
+ N
空
+ N
附
Pz v 磨工序） （车、铣、磨工序） 6120× 7.8
= N
切 ∑
N切 =
nM k (钻、扩工序) 钻 扩工序 9750× 7.8
N
附
η
− N
切
加切削载荷后所增加 的传动件摩擦功率
机床主运动电机的功率为
N
=
N
切 ∑
η
+ N
空
传动链的机械效率
机械系统学第三章 当空载功率实测困难时， 当空载功率实测困难时，可按下式粗略计算：
p
0.3
0.2
概率密度曲线
0.1
0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
F/kN
机械系统学第三章
三、 工作载荷的确定
在进行机械系统设计时，一般须先给定载荷。它 可以由设计者自行确定，也可以由需方提供。 在确定载荷时，应优先考虑国家对该产品制定的 有关规格、系列或标准，如压力机械规定了压力 的系列标准，起重机械规定了其重量的系列标准 等，它们直接规定了设计载荷的大小。 对于没有国家标准的，则根据经验或参照 其他涉及来确定。
机械系统学第三章
二、载荷的处理方法
1静载荷、周期载荷、非周期载荷的处理 静载荷、周期载荷、 静载荷 为了简化计算，常将名义载荷乘以动载系数，将 为了简化计算，常将名义载荷乘以动载系数， 动载荷转化为静载荷进行近似的设计计算。 动载荷转化为静载荷进行近似的设计计算。 2 随机载荷的处理 （1） 载荷谱： ） 载荷谱： 将原始记录的载荷-时间历程（ 将原始记录的载荷 时间历程（机械的工作谱 ）， 时间历程 用概率统计的方法进行处理后， 用概率统计的方法进行处理后，得到能反映载荷随 时间变化的、具有统计特征的载荷—时间历程 时间历程。 时间变化的、具有统计特征的载荷 时间历程。
机械系统学第三章
工作谱
编谱
载荷谱
编谱的要求： 编谱的要求： 1 选取的载荷子样必须具有典型性和代表性； 选取的载荷子样必须具有典型性和代表性； 2 使用载荷谱进行疲劳计算或实验时，所得寿命 使用载荷谱进行疲劳计算或实验时， 能尽量接近实际机械的工作寿命； 能尽量接近实际机械的工作寿命； 3 整个编谱过程的计算工作由计算机完成。 整个编谱过程的计算工作由计算机完成。