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机械系统稳定工作的条件: wusaite 2019-7-30 10:40; 机械系统稳定工作的条件伍赛特 1 动力机械和工作机的工作点图 1 中特性曲线 1 为工作机或执行机构的特性曲线，特性曲线 2 为动力机械的特性曲线，特性曲线 3 为动力机械和传动变速系统的共同特性曲线。工作机的额定工作点是其机械特性曲线 1 上的一点，比如图中的点 A （ n w ， T w ）是由执行系统的功能要求来确定。图 1 机械系统工作点及稳定性但实际工作点（即速度和载荷）需要根据工作机的机械特性曲线、动力机械的机械特性曲线和传动变速装置的总传动比和总效率来确定。具体确定方法是：动力机械选定以后，可在工作机的特性曲线图上绘制动力机械的特性曲线，如图中曲线 2 所示，动力机械的额定工作点为其上的点 E （ n E ， T E ）；动力机械的机械特性曲线经过中间传动变速系统后变为图中的曲线 3 ，其上对应动力机械额定工作点 E 的点为点 E’ （ n E’ ， T E’ ），其中 n E’ = n E /i ， T E’ = T E · i · η ， i 为传动比， η 为效率。而机械系统的实际工作点是曲线 1 和曲线 3 的交点 B （ n G ， T G ），偏离了工作机的额定工作点 A ；同时将曲线 3 上的点 B 对应到动力机械的曲线 2 上，得到动力机械的实际工作点 B’ （ n B' ， T B' ），样可以看出点 B’ 偏离了动力机械的额定工作点 E 。因此，机械系统的实际工作点不是最佳工作点。但当工作机的实际工作点 B 和额定工作点 A 之间、动力机械的实际工作点 B’ 和额定工作点 E 之间相距不远时，可以认为动力机械和工作机是匹配的。 2 机械系统稳定工作的条件机械系统在运行过程中不断出现加速、减速和稳定运行状态，即载荷经常处于波动状态。当负载发生微小变动时，如果能在原工作点附近建立新的工作点，即新的工作点相对于原工作点不发生大幅度漂移，则认为机械系统的运行状态是稳定的。从图 1 中可以看出，机械系统运行状态的稳定性取决于工作机的机械特性曲线 1 和动力机械与传动系统的共同特性曲线 3 。若点 A 位于点 E’ 的右侧，则当工作机负载由曲线 1 增大到曲线 1’ 位置时，由于共同特性曲线 3 在原工作点 B 处提供的驱动力不能驱动增大了的负载，导致动力系统转速降低，驱动转矩逐步增大，直至驱动转矩和负载转矩达到新的平衡。如图中的点 G ，该点即为系统新的工作点，即系统负载波动时，动力机械能够很快自动调整输出状态建立新的工作点，系统依然是稳定的。但若原工作点在点 E’ 的左侧，则当负载转矩增大时，在原工作点上驱动转矩小于增大后的负载转矩，动力机械被迫减速，但随着动力机械减速，驱动转矩进一步减小，导致动力机械进一步减速，直至停车。因此，系统在受到负载波动时不能建立新的工作点，系统的运行状态则是不稳定的。机械系统稳定运转的条件是在工作点上，动力机械和传动变速系统的共同特性曲线 3 的斜率小于工作机的特性曲线 1 的斜率。参考文献王黎钦 . 先进制造理论研究与工程技术系列机械设计 . 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社 , 2015.07:315-316.; 个人分类: 科普集锦|2824 次阅读|0 个评论

动力机械的选配原则与步骤: wusaite 2019-7-30 10:21; 动力机械的选配原则与步骤伍赛特 1 动力机械选配的基本原则通常而言，动力机械选配的基本原则包括：（ 1 ）动力机械的机械特性必须和机械系统的负载特性相匹配，动力机械的驱动能力必须能够克服机械系统的所有负载，包括工作负载和非工作负载；其机械特性必须保证机械系统有稳定的运行状态；其容量必须与工作机的工作制度相适应；动力机械的转速应该综合考虑工作机或执行系统的运动参数和传动系统的复杂程度。（ 2 ）动力机械必须满足机械系统起动、制动、必要的过载能力和发热要求。（ 3 ）动力机械必须满足环境的要求，如能源供应、降低噪声和环境保护等要求。（ 4 ）动力机械还必须有最优的性能价格比、运行稳定可靠、寿命合适、经济性指标（包括原始购置费用、运行费用和维修费用）合理。 2 动力机械选配的基本内容和步骤 2.1 确定机械系统的负载特性机械系统的负载包括工作负载和非工作负载。工作负载可根据机械系统的功能由执行机构或构件的运动和受力求得；非工作负载包括机械系统的所有额外消耗，视机械系统的具体结构各有差别。一般机械内部的摩擦消耗（不包括以摩擦力为驱动力的场所，如汽车轮胎与地面的摩擦力等）用效率加以考虑，可参照有关的专业手册确定；非摩擦消耗如辅助装置消耗，与工作负载的确定方法类似，根据辅助装置的功能确定，如润滑系统、冷却系统的消耗等。 2.2 确定工作机的工作制度工作机的工作制度是指工作负载随执行系统的工艺要求而变化的规律，包括连续工作制、短期工作制和断续工作制三大类，常用载荷一时间曲线来表示，有恒载和变载、断续和连续运行、长期和短期运行等形式。动力机械实际工作制度和工作机相同，但在各种不同的工作制度下，动力机械的允许功率是完全不相同的。比如国家标准对内燃机的公称功率分为四级，分别为 15 min 功率、 1 h 功率、 12 h 功率和长期运行功率，其中以 15 min 输出功率为最大。因此选配动力机械时需要特别注意工作机的工作制度。 2.3 选择动力机械的类型影响动力机械类型选择的主要因素有驱动效率、运动精度、负载大小、过载能力、调速要求、动力机械外形尺寸、控制难易程度、环境与动力系统之间的相互要求，以及购置、使用和维修费用等，需要根据动力机械的具体特点选择。 2.4 确定动力机械的转速主要考虑执行系统的调速范围要求、传动系统的结构和性能要求。转速选择过高，会导致传动系统传动比增大、结构复杂程度提高、效率降低等后果；动力机械转速过低，也会引起本身结构增大和价格提高。一般动力机械的转速范围可由工作机的转速乘以传动系统的常见总传动比得到。当执行系统有多速要求时，可直接选用多速动力机械（如双速、三速、四速异步电动机）或变速传动箱或采用易于通过控制实现调速的调速电机或液压气动马达加以解决。 2.5 确定动力机械的容量动力机械的容量通常用功率表示，根据机械系统的负载功率（或转矩）和工作制来决定，即在工作机的工作制与动力机械工作制相同的前提下选择动力机械的额定功率。但工程实践中，需要将工作机的工作制向所选定的动力机械的标称工作制靠拢，将工作机的实际功率转化成这种标称工作制下的功率，再选配动力机械的额定功率。工作机的功率计算方法与工作机的类型有关，如破碎机和带式输送机的功率计算方法完全不同。选择动力机械的容量还需要留有一定的余量，以克服负载波动、启动和瞬时过载，但对于固有的大波动非均匀性载荷（如破碎机载荷），需要采用蓄能装置（如飞轮等），而不能采用纯粹提高动力机械容量的办法来满足要求。 2.6 确定动力机械的数量对于有多个执行机构的机械系统，可能存在多种动力系统和传动系统的配置方案。一般可以采用单动力机械经过多路变速传动，以满足各执行机构的动力和运动要求。 2.7 动力系统的评价主要考虑动力系统的经济性指标、对传动系统的影响、对执行系统功能要求的满足程度，以及与环境的协调性和对机械系统的结构配置、寿命和可靠性的影响，目标是从动力系统可行方案中选出最优方案。参考文献王黎钦 . 先进制造理论研究与工程技术系列机械设计 . 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社 , 2015.07:312-314.; 个人分类: 科普集锦|2586 次阅读|0 个评论

燃料电池能否划归“动力机械”的概念范畴之内？: wusaite 2019-2-26 13:52; 燃料电池是近年来一类广受瞩目的发电设备，那么就其自身而言，是否属于“动力机械”的概念范畴之内呢？且看下文。动力机械通常可定义为将其他形式的能源转换为机械功的机械设备。但燃料电池则有所不同，其可将化学能转化为电能，发电机理明显有别于传统意义上的火力发电、水力发电等方式；同时其虽然名曰“电池”，但作为一类电化学发电机，与传统意义上的蓄电池等储能装置有着显著区别。热力发动机是将各种形式来源的热能（包括燃料燃烧产生的热能、地热能、太阳能、核燃料进行可控链式反应产生的热能等）转换为机械功的机械设备。就以其中最具代表性的内燃机而言，无论是其结构形式，还是能量转化途径，均与燃料电池有着莫大的不同。而作为后续的电能使用装置，电动机作为一类二次动力机，则可算作一类广义上的动力机械。显然，就严格意义上来说，燃料电池自身并不算在“动力机械”的概念范畴之内。但考虑到燃料电池与内燃机等热力发动机在应用范围内有着广泛交集，因此不少高校在“动力机械及工程”学科研究领域内均涵盖有燃料电池这一前沿技术方向。; 个人分类: 科普集锦|2090 次阅读|0 个评论

浅议“动力机械”一词: wusaite 2019-2-26 08:59; 机械按照其他形式能量与机械功的相互转换关系可进行如下分类：将其他形式的能量转换为机械功的机械设备被称作“动力机械”，而将机械功转换为其他形式能量的机械设备则被称作“工作机械”。关于“动力机械”一词，相信机械或能源动力相关专业出身的学者朋友们都不陌生，但该词在不同的应用范围内具有不完全相同的专业定义，且看下文。动力机械依照动力来源可分为一次动力机与二次动力机。一次动力机包括热力发动机、水力机械、风力机械。二次动力机则可包括电动机、液压机械、液力机械、气动机械等。常规意义下的动力机械通常专指一次动力机，而广义上的动力机械通常涵盖了一次动力机与二次动力机。除此之外，动力机械还有其狭义定义，即为一级学科“动力工程及工程热物理”下的二级学科“动力机械及工程”中的“动力机械”，其特指（以输出轴功率为主的）热力发动机。（注：航空宇航推进装置通常包含在一级学科“航空宇航科学与技术”下的二级学科“航空宇航推进理论与工程”中）关于“动力机械”一词的英文表述，并不可直接译为“ Power Machine ”，而是采用“ Prime Mover ”更为妥当。当其专用于狭义定义时，可直接译为“ Heat Engine ”。; 个人分类: 科普集锦|2282 次阅读|0 个评论

蒸汽机是谁发明的？——谈历史的创造与人民群众的力量: 热度 1 wusaite 2019-2-22 13:10; 蒸汽机是工业革命的标识之一，也是最早出现在历史舞台并得以广泛使用的热力发动机。那么，蒸汽机是谁发明的？乍一看，这个问题并没什么特别之处，但细想来却并不好回答，下面让我们来看看蒸汽机的总体发展史。　　1698年，萨弗里制成了世界上第一台实用的蒸汽提水机，并取得了名为“矿工之友”的英国专利。将一个蛋形容器先充满蒸汽，然后关闭进汽阀，在容器外喷淋冷却水使容器内的蒸汽冷凝并形成真空；之后打开进水阀，矿井底部的水受大气压力作用经进水阀吸入容器中；关闭进水阀，重新打开进汽阀，依靠蒸汽压力将容器中的水经排水阀压出。待容器中的水被排空并充满蒸汽时，关闭进汽阀与排水阀，重新喷水使蒸汽冷凝。如此反复循环，采用2个蛋形容器交替工作，得以连续排水。　　同在1698年，法国物理学家巴本设计了气缸—活塞装置。利用高压锅压力阀与锅内蒸汽压力相平衡的原理，实现“活塞”在“气缸”中的往复运动。但巴本毕竟只是一位物理学家而非工程师，并未将该聪明的设想完善到可以实际应用的程度。在巴本之后，英国工程师托马斯·塞维利修改了巴本的设想，并于同年设计了第一台实际应用于矿井抽水的蒸汽机，第一次真正将蒸汽转换成为了工业动力。但是该设备仍有诸多缺陷：一是热损失极大，效率低下；二是依靠大气压进行汲水，工作受限；三是安全性较低。　　1712年，英国矿井上的一位锻工托马斯·纽科门，在巴本蒸汽机与塞维利蒸汽机的基础上，制成了更为实用的活塞式蒸汽机，被称作纽科门蒸汽机。将蒸汽引入气缸，然后向气缸中喷水冷却，冷却后的气缸内气压下降，活塞在大气压力的推动下向上运动，带动抽水泵进行抽水。尽管活塞每分钟仅能运动10次，但已极大地提高了抽水的效率。纽科门蒸汽机的最大效率可达50马力，能在矿井上安全工作，后来还应用于农田灌溉。这是人类首次发明的实用化蒸汽机，但仅是如此，仍存在致命缺陷——无法连续工作。　　1765年，经人推荐，英国发明家詹姆斯·瓦特来到英国格拉斯哥大学担任仪器修理工。他发现纽科门蒸汽机仅利用了气压差，并未利用到蒸汽的张力，因此热效率较低，燃料消耗较高。为了提升蒸汽机的热效率，瓦特在气缸外加上绝热外套，并单独设计了一个与气缸分离的冷凝器，将做功后的蒸汽引入冷凝器进行冷却，由此无需采用冷水去喷淋气缸，保持了气缸的高温，有效提升了热效率。　　1782年，瓦特通过增加进气室使蒸汽进入气缸时可自动变换方向，用以推动活塞进行往复运动，使功率可达原来的2倍。同时，他还采用了英国发明家司蒂德发明的曲柄装置，将往复直线运动转换成旋转运动。为了维持轮轴的持续旋转，并使圆周运动更为均匀，在轮轴上加装了一个飞轮，以此可带动工作机稳定转动。瓦特通过学习前人的结果，经过长期努力，实现了3次蒸汽机的技术飞跃，制成了性能优良的新一代蒸汽机——瓦特蒸汽机。瓦特蒸汽机的出现，极大推动了英国工业革命，世界进入了大规模的蒸汽机时代。　　由此可知，蒸汽机的诞生与推广实用化历经了多人的共同努力与发明创造，因此“蒸汽机是谁发明的？”这一问题的答案并不是传说的那么简单。某一先知先觉智力超群的“天才”在某个清新爽朗的早晨突发灵感，一下子就产生了某一发明，由此极大地推动了社会发展，此类“毕其功于一人”的谬误思想在生活实践中屡见不鲜。　　一项伟大的发明常常非来自一人之力，而是社会发展和科技进步的必然产物，是人类集体智慧的结晶。在蒸汽机的诞生过程中，出现的方案何止成百上千，仅以留下记载的诸多发明者而言，就涉及到欧美诸国的社会各阶层，既有知名科学家，亦有无名人士；有工程师，也有普通工人、技师。每一项发明均是在前人基础上进行一系列整体或部分的革新之后方才诞生的。不同时代、不同阶层的人们前赴后继，添砖加瓦，终于使蒸汽机得以广泛应用。　　蒸汽机从诞生到实用化大约用了1个世纪，从实用化到盛极一时又渡过了1个世纪，从盛极一时到逐渐让位于内燃机大约又经过了1个世纪，即使在蒸汽机的极盛时期，各类新型的热力发动机方案也是层出不穷，新旧更迭是宇宙中不可违背的定律。　　纵观历史长河，新的发明创造都是人民群众在不断归纳前人经验、总结试验教训、累积研究成果的基础上不断突破的结果，这是一个持续进步的过程。新事物的诞生凝聚着人类集体智慧的结晶，简单粗暴地采用“毕其功于一役”或“毕其功于一人”的谬误思想是不可取的。也只有广大人民群众，才是人类历史锦绣篇章的真正撰写者！; 个人分类: 观点评述|10169 次阅读|0 个评论

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