机械设计节能基本原理的分析与应用

张庆

【摘要】在能源高度紧张的当今社会需要对机械进行节能设计，本文通过各类函数公式对机械节能设计的原理进行了探究，证明了机械节能设计的可行性，还通过具体的机械设计，对节能的原理进行了应用。

【关键词】机械设计节能原理应用

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

一、机械设计节能基本原理

若要得到引起机器系统输入功率较高而功率没有充分利用的原因，应根据公式（1），对机器所输入的能量和输出的各种能量进行全面的分析研究，

式中：NM为机器输入功率；NCF为有势力消耗的功率；NSF为其他输出力消耗的功率；NR为无用功率；dT/dt为系统动能变化率。

1、基于势能的机械设计节能方法证明

由有势力和势能的性质可知：所有有势力消耗的功率NCF等于系统势能U对时间的导数的负值，计算式为：

由式(2)可知：系统有势力消耗功率NCF取决于系统势能U。而系统势能可看作由多个势能Vi的合成或多个周期函数表示的势能的叠加组合

现将势能Vi表示为任意周期函数，即

式中：ω为基频；a0、ai、aj均为待定常数；t为时间变量；Aj为幅值；φj为相位角。

则系统势能U可表示为

由式(4)可以看出，系统势能由两部分组成，即第一部分(常量)与第二部分(合成项)组成。将式(4)代入式(2)，则有

将式(4)、式(5)进行对比分析，可得出如下结论：①若势能为常量，则有势力所消耗的功率为0，与有势力的速度无关；②若势能为变量，有势力所消耗的功率与其速度有关；③若有势力所消耗的功率的最小值(常量)和最大值(变量)为

则引起有势力消耗的平均功率NCF为(NCFmax-NCFmin)/2。故变化幅值越大，则消耗功率越大。根据上述结论分析可得，机器在工作阶段，系统势能短时间内在最大范围内变化，或未将其在制动过程中回收或转换，是引起有势力消耗的功率较高和势能没有充分利用的根本原因；同时可得，若要使有势力消耗功率下降，系统势能应为常量或在最小范围内变化。

2、基于动能的机械设计节能方法证明

人们以往对系统动能变化率对输入功率的影响研究，主要对机器工作过程中经过“起动-工作(匀速)-减速”3个阶段中的第1和第3阶段进行分析。虽然也对变速的第2阶段进行分析研究，但主要是针对机器周期性速度波动和非周期性速度波动的如何调节，为提高使用寿命、工作精度进行研究，很少涉及到功率问题。所以，还应对系统动能的变化率对输入功率的影响进行分析研究。

机器系统结构复杂，在其内部所有运动件均按设计要求作各自的运动(平动、转动和平面运动等)，故该系统动能T可表示为

（7）

式中：Ici为转动惯量；ωi为角速度；mi为质量；vci为速度。

对式(7)求导，可得系统动能变化率为

（8）

式中：εi为角加速度；αci为加速度。

分析式(7)可得出如下结论：短时间内，系统动能在最大范围内变化，或系统动能在制动过程中没有得到回收或转换而白白浪费等，均是系统动能变化率引起输入的功率较高和能量没有得到充分利用的原因；若系统动能为常量，则系统动能的变化率所需输入的功率为0，与速度的大小无关。

为了便于分析，将系统动能表示为由多个用周期函数表示的动能的叠加组合，计算式为

（9）

则系统动能变化率又可表示为

（10）

式中：ω为基频；b0为待定常数；t为时间；Bji为幅值；φjib为相位角。

参照式(5)分析结果，对式(10)分析可得如下结论：系统动能的变化率的大小取决于系统动能变化的最大幅值B和变化时间t，在相同时间内最大幅值B越小，则系统动能的变化率越小；系统动能变化的最大幅值由机器内各部件的动能的初相位决定；当系统动能的变化率呈周期性变化，在设计时既要满足提高使用寿命、工作精度，还要达到节能要求，此时，可配置一个相同系统动能的变化率呈周期性变化机构，2个系统动能的初相位相差π角度。

综上所述，归纳如下：①引起系统动能变化率较高和没有得到充分利用的原因为，短时间内系统动能在最大范围内变化；②系统动能在整个工作过程中没有得到回收或转换。

基于动能的机械设计节能方法，在设计机械系统时，只要使系统的动能为常量，或在最小范围内变化；若机器系统动能的变化率呈周期性变化，还可再设计一个与原周期变化相同的机构，使2个系统动能的初相位相差π角度；对于制动频繁的机器或工作装置，应设计一套将能量(动能、势能)储存或转换系统；则维持系统正常工作所需输入的功率将会降低和能量得到充分利用。系统的动能为常量和在最小范围内变化的必充条件是，各动能2个相邻的初始相位角的之差为π或在π附近。

二、机械设计节能的基本要求

1、尽量采用能再生利用的材料和资源

在各系统及部件设计中所选用的材料尽量是可回收、易分解、能再生而且在加工和使用过程中对环境无害的材料，特别是结构件的设计应尽可能采用比较容易装配和分解的大模块化结构和无毒材料，提高工程机械材料的再生率。

2、长寿命、低能耗及减轻重量的设计原则

通常来说，延长产品寿命就等于减少了机械的生产量和降低其报废量，降低产品能耗可减少对环境的污染，而减轻产品重量即可减少材料和资源的消耗。要从减少环境负荷的角度尽可以考虑各系列产品同类零部件的互换性和通用性。为此应在保持主机各项性能参数前提下，尽量减少主机和附属作业装置或机具的体积和重量，提高动力传动系统零部件的强度和耐久性能，实现液压系统的轻量化和高效率。

3、尽量采用低环境负荷材料

工程机械零部件设计中应尽可能不使用氟利昂（空调）、含氯橡胶、树脂及石棉等有害材料。如装载机驾驶室和内饰上使用难以自然分解且对环境有害的工程塑料及其它一些非金属材料都加重了资源浪费和环境污染；在仪表、散热器及蓄能电池等采购生产中，应尽可能减少或替代铅的使用量。因此在主机设计中一些附属零部件选用新型环保型材料很重要。

4、废弃零部件处理的污染最小化及综合成本最优化

工程机械产品在设计初始阶段就要考虑报废件处理简单、费用低和污染小，零部件要解体方便、破碎容易，能焚烧处理或可作为燃料回收。

三、机械节能在升降设计中的应用

在升降机械设计中的应用升降机械与其他机械相比，消耗功率的主要特征是货物和人的重量(有势力)在提升或下降的匀速运动过程中均要消耗功率。工程实践证明，以相同的速度提升质量相等的重物，按照电梯标准计算设计的曳引驱动机构所消耗的功率比传统卷扬驱动机构要小得多。

若按“系统势能为常量或在最小范围内变化”设计升降机械或电梯，可得平衡升降机和平衡电梯设计方案。在平衡升降机中，若用Q(t)表示提升物体的质量，用P表示自重不变的配重，用r1表示升降货物卷筒的半径，r2表示升降配重卷筒的半径，若要平衡升降机的系统势能为常量，则必须满足式(11)，即

（11）

此时虽然Q(t)为变量，但可采用自动变速机构改变传动比，可实现系统势能为常量。在平衡电梯中，若用Q(t)表示轿厢和水箱自重以及随人数变化载质量，P(t)表示配重和水箱自重(变量)，曳引轮与导向轮半径相等用r表示。平衡电梯在工作时，当进入轿厢人的质量为q1，轿厢下水箱里将有p1重的水进入配重下水箱。电梯空载时， Q(t) = Q P(t) = P，电梯工作时Q(t) = Q+q1-p1，P(t) = P+p1，将其代入式(11)，则可求得轿厢下水箱里水进入配重下水箱的质量。

p1= q1/2 (12)

可以看出由轿厢水箱进入配重水箱水的质量只是人质量的1/2。现对卷扬驱动机构、曳引驱动机构和平衡升降机或平衡电梯所需要的电机功率进行对比，可以看出平衡升降机或平衡电梯显然要比曳引驱动机构要小。同时还可以发现，卷扬驱动机构系统势能在最大范围内变化，曳引驱动机构系统势能在较小范围内变化，平衡升降机或平衡电梯的系统势能为常量或在最小范围变化。由此可知，当系统势能为常量时，该机构节能效果最为明显。

总结

本文通过对机械设计节能的基本原理简单的介绍，采用理论公式推导的方式说明了机械节能设计的可行性。在实际的机械设计的工作中需要结合相关的理论知识以及实际的工作经验与要求，对机械进行节能设计与优化。