机电一体化在工程机械中的应用及仿真分析

2018-12-21王玉荣

机电信息 2018年36期

王玉荣

（上海中侨职业技术学院，上海201500）

0 引言

机电一体化技术交叉融合了多种学科技术，如机械技术、电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术等，但并不是各种技术的简单叠加，而是根据现代化生产和生活的需要进行融合的一种技术集成方式。机电一体化技术对人们的生活和工作都产生了相对较大的影响，也在很大程度上促进了科学技术的发展。

机电一体化技术的应用目标主要由两部分组成，一是要更好地发挥系统的作用，使系统发挥出最大的使用价值；二是要有效改善系统结构，促进物质的有效传递，实现不同信息的准确对接。

机电一体化技术在应用过程中也遇到了较多的麻烦，由于系统的构成较为复杂，如果不能有效地进行维护和管理，很容易出现机器故障。为了保证机电一体化技术在工程机械中更好地应用，除遵从科学的设计规则外，还需要配备专业的维修工程师进行定期保养。

1 机电一体化在工程机械中的功能划分

1.1 优化功能

机电一体化在工程机械中应用的优化功能主要体现在提高工程机械的利用效率方面，在过去使用工程机械的过程中，总会出现工程任务量与工程机械数量不匹配的现象，若工程任务较轻松，采购较少的工程机械设备就可以满足要求，一旦工程任务量加大，工程机械设备就无法满足使用需求，若是购置较多的工程机械设备，在工程任务量较少时，就容易出现机械设备闲置的现象。而机电一体化技术在工程机械中的良好应用，可以起到科学合理分配的作用，使整个生产建设达到最优化分配。

1.2 监控功能

机电一体化在工程机械中应用的监控功能主要体现在机械部分与电气部分的融合方面，通过对机电一体化技术的运用，可以清楚地监控到机械设备在工作过程中的使用情况，能够及时发现机械故障、产品损坏、生产效率降低等各种问题，并及时报告给作业人员，保证工程机械设备的高效运转。

1.3 作业功能

机电一体化在工程机械中应用的作业功能主要体现在工作质量方面，工程机械的显著特点就是对作业精准度的要求过高，一旦无法保证机械设备的作业精准度，就很难生产出合格的产品，而机电一体化技术由于具有强大的计算机控制技术，能够有效解决工程机械精准度不高的问题。

2 机电一体化工程机械的有限元仿真分析

2.1 模型的建立

机电一体化技术融合交叉多种学科技术，本文主要以工程机械电气控制板为研究对象，分析机械结构对电气控制板发热率和工作可靠性的影响。为了有效节约计算机的运行空间，在能较为真实反映电气控制板主要元件发热情况的前提下，对电气控制板进行了简化处理，然后通过SolidWorks绘制如图1所示的三维模型，其主要尺寸为：200 mm×150 mm×3 mm。

图1 电气控制板模型

2.2 边界条件的设定

本文假设在空气自然对流状态下换热系数的大小是4 W/（m2·℃），电气控制板的其他发热量较小的元件忽略不计，将上节建立好的三维模型导入ANSYS中，通过meshing对模型进行网格划分，网格划分完成后设计需要的边界条件，首先分别输入环境温度为302 K、315 K，模拟电流为0.2 A和0.8 A。假设当工程机械设备电气控制板流过电流时，电气控制板的各部分电流密度都相等，并且生热速率一致。依据上述假设，在直角坐标系下的三维热效应模型可以简化为：

式中，ρ为电气控制板材料的密度；Cp为电气控制板材料的比热容；q为电气控制板材料的生热速率。

根据牛顿冷却公式，电气控制板的热效应模型的边界条件确定为：

式中，λx、λy和λz分别为电气控制板在x、y、z正交方向上的热导率；α为表面传热系数；T为电气控制板壁面的温度；T∞为环境温度；l、b和h分别为电气控制板的的长度、高度和宽度。

2.3 仿真结果分析

第一步，针对工程机械工作环境温度为302 K、通电电流为0.2 A时的电气控制板进行有限元仿真模拟，仿真结果如图2所示。

图2 302 K时0.2 A电气控制板温度云图

通过图2可以看出，电气控制板的最高温度为312 K，最低温度为311 K，最高温度低于330 K，最高温度出现在右侧，即电阻较大的一侧，在此种工作条件下，工程机械的电气控制板不会出现热失效的风险，工程机械能够保证正常作业。

第二步，针对工作环境温度为302 K、通电电流为0.8 A时的电气控制板的发热情况进行仿真模拟，模拟结果如图3所示。

图3 302 K时0.8 A电气控制板温度云图

通过仿真结果可以看出，电气控制板的最高温度为328 K，最低温度为327 K，最高温度低于330 K，但也较为接近330 K，因此认为当大电流通过电气控制板时，尽管环境温度不是很高，但是依然存在发生热失控的风险，只是尚没有达到热失控的程度，最高温度同样出现在右侧，即电阻较大的地区。经过与图2对比可以发现，温度上升较为明显，说明电流的大小对温度的升高有较大影响。

第三步，针对工作环境温度为315 K、通电电流为0.2 A时的电气控制板的发热情况进行仿真模拟，模拟结果如图4所示。

通过仿真结果可以看出，电气控制板的最高温度为322 K，最低温度为321 K，最高温度低于330 K，距离330 K还有一定的差距，尚没有达到热失控的程度。通过与图2的对比可以发现，当环境温度升高时，电气控制板的温度也随之升高，因此工程机械设备在高温环境下作业时，尽管工作电流不大，但同样需要做好散热措施，最高温度同样出现在电阻较大的地区。

第四步，针对工作环境温度为315 K、通电电流为0.8 A时的电气控制板的发热情况进行仿真模拟，模拟结果如图5所示。

图4 315 K时0.2 A电气控制板温度云图

图5 315 K时0.8 A电气控制板温度云图

通过仿真结果可以看出，电气控制板的最高温度为335 K，高于330 K，最高温度同样出现在电阻较大的地区，此时已经达到了热失控的程度。通过与图3的对比可以发现，当环境温度升高并且工程机械处于电流较大的工作状态时，电气控制板的温度会急剧升高，因此工程机械设备在高温、大电流的情况下作业时，必须做好散热措施，这样才能使机电一体化技术在工程机械中的应用起到积极的作用。