第3章 能量流系統(tǒng)設(shè)計

第3章能量流系統(tǒng)設(shè)計鄭剛1§3.1概述一、能源傳統(tǒng)性人工性來源傳統(tǒng)能源新能源來自太陽來自地球天體引力自然能源（一次能源）再生能源植物燃料水能海水熱能海浪能太陽能風(fēng)能火山能地震能地?zé)崮艹毕芊窃偕茉刺烊粴馐兔河晚搸r核能人工能源（二次能源）火藥蒸氣電能煤油汽油煤氣石油液化氣氫能沼氣酒精2二、能量流（一）能量流及其支持系統(tǒng)能量流在能源和載體支持下，實現(xiàn)能量的供給、傳遞、轉(zhuǎn)換及使用。能量流載體包括：能量傳遞裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、能量使用裝置及能量回收利用裝置。3（二）能量流的分類提供含熱能的物質(zhì)，如燃料、蒸汽、熱水等的利用熱能。熱能型能量流簡稱熱能流。1.熱能型能量流提供和利用物質(zhì)運動能。物質(zhì)運動可以是機(jī)械運動、電流、液流等，相應(yīng)的能量稱為機(jī)械能流、電能流及液壓能流等。2.物質(zhì)運動型能量流下面以機(jī)電能流和熱能流為例說明。4切削機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)5煉鐵高爐系統(tǒng)6煉鐵高爐系統(tǒng)的能流圖高爐是使用熱能的生產(chǎn)設(shè)備，又是能量流的載體，焦炭和熱空氣在高爐內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。其余能量轉(zhuǎn)換裝置有：熱風(fēng)機(jī)、發(fā)電站、爐頂透平-發(fā)電機(jī)。7三、能量流支持系統(tǒng)（一）機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)的能源機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)的能量流支持系統(tǒng)由能源、能量傳遞和轉(zhuǎn)換裝置、能量使用裝置、余能回收利用裝置等組成。1.電能方便轉(zhuǎn)化、能流密度大、方便、污染小2.煤及石油制品能流密度大、污染大3.太陽能無污染、能流密度小、能流不穩(wěn)定4.化學(xué)能用于蓄電池便于攜帶、能流小8能源種類來源能流密度轉(zhuǎn)換機(jī)械能的難度載體占地對環(huán)境污染程度應(yīng)用場合電能人工大較易較小小應(yīng)用廣泛，各種機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)直接使用電能，或轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，光能等使用燃料能煤及制品自然不再生大中等大很大用熱量大、固定不運動的窯爐，火力發(fā)電系統(tǒng)石油制品自然不再生大稍難中等中等交通工具中的內(nèi)燃機(jī)，要求體積緊湊的窯爐太陽能自然再生小中等小無太空航天器，遠(yuǎn)離城市無電力供應(yīng)地區(qū)電池能人工小較易小較小交通運輸工具中能源，備用電器機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)常用能源9（二）能量傳遞和轉(zhuǎn)換裝置能量是指對運動著物質(zhì)的做功能力的量度。機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)中廣泛使用的能量形態(tài)，借助能量轉(zhuǎn)化裝置，不同能量形態(tài)之間可以相互轉(zhuǎn)換。有些能量轉(zhuǎn)化效率接近100%，如電動機(jī)，電爐，變壓器等等。而有些則只能轉(zhuǎn)換一部分能量，如內(nèi)燃機(jī)。能流傳遞條件：存在能量不平衡勢，能量自發(fā)從高位傳遞到低位。10（三）能量使用裝置生產(chǎn)過程的基本功能是制造產(chǎn)品，即使用能量對原料做功，使其轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品。對于自動化的或機(jī)電一體化的生產(chǎn)系統(tǒng)來說，還有一些重要的輔助功能，即為實現(xiàn)自動化生產(chǎn)過程，提供物料流和信息流。許多能量使用裝置就是生產(chǎn)設(shè)備本身，有的能量使用裝置又是能量轉(zhuǎn)換裝置。1112§3.2能量流分析一、能量能的數(shù)量簡稱能量，統(tǒng)指度量物質(zhì)運動時做功能力的物理量。國際單位制：焦耳（J）工程上：千卡（kcal）熱能單位千瓦小時（kW·h）電能單位換算關(guān)系式：1kcal=4186J1kW·h=3.6×106J單位：13二、能質(zhì)能不但有數(shù)量之差，還有質(zhì)量高低之分。能的質(zhì)量簡稱能質(zhì)。1.熱能傳遞具有方向性。2.機(jī)械能可以百分之百的轉(zhuǎn)換為熱能，但不能逆向轉(zhuǎn)換。理論基礎(chǔ)：熱力學(xué)第二定律（一）能質(zhì)概念各種形態(tài)的能質(zhì)可以歸納為三類：高級能，如機(jī)械勢能和動能、電能等中級能，如熱能、化學(xué)能低級能，如大氣，海洋等環(huán)境擁有的能14任何能量都由兩部分組成，該能量中可以轉(zhuǎn)化為有用功的那部分能量，稱為Exergie（火用）；其余不可以轉(zhuǎn)化為有用功的那部分能量，稱為Avergie（火無）。E=Ex+An（二）能級系數(shù)（火用）值，即有用功在能量中所占的比例，稱為能級系數(shù)。用λ來表示，它是能質(zhì)的評價指標(biāo)。高級能：λ=1低級能：λ=0中級能：0<λ<115三、能分析法和（火用）分析法（一）能分析法E1=W+E2+QE1----輸入系統(tǒng)，或由工質(zhì)帶入系統(tǒng)的能量；E2----輸出系統(tǒng)，或由工質(zhì)帶出系統(tǒng)的能量；W----系統(tǒng)做出的有用功；Q----系統(tǒng)排向環(huán)境的能量損失。E2回收利用時E2不回收利用時16（二）（火用）分析法Ex1----輸入系統(tǒng)，或由工質(zhì)帶入系統(tǒng)的（火用）值；Ex2----輸出系統(tǒng)，或由工質(zhì)帶出系統(tǒng)的（火用）值；W----系統(tǒng)做出的有用功，即（火用）值；Qx----系統(tǒng)向環(huán)境排放能量中所含的（火用）值，它退化為（火無）；----系統(tǒng)內(nèi)部各種不可逆的能傳遞和轉(zhuǎn)換所造成的（火用）損失總合。E2回收利用時E2不回收利用時17四、節(jié)能能分析法僅研究能量的外部損失，如摩擦損失、散熱等等。而（火用）分析法不僅研究外部（火用）損失，而且還研究系統(tǒng)內(nèi)部各種不可逆?zhèn)鬟f、轉(zhuǎn)換過程所造成的（火用）損失，因此（火用）分析法更加全面和深入。節(jié)能是指完全地、充分地利用能源，以最少的能源，取得最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。181、節(jié)電2、工業(yè)窯爐節(jié)能3、工業(yè)鍋爐節(jié)能4、大力開發(fā)再生能源，取代非再生能源5、管理途徑節(jié)能提高效率和功率因數(shù)，回收利用能源，加強(qiáng)科學(xué)管理。19§3.3機(jī)械能流支持系統(tǒng)設(shè)計一、概述在機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)中，廣泛采用機(jī)械能來完成機(jī)械運動，做機(jī)械功。機(jī)械運動按照其軌跡可分為三類：直線運動、回轉(zhuǎn)運動和組合運動。（一）機(jī)械有效能（二）機(jī)械能流支持系統(tǒng)的組成能源動力元件傳動元件執(zhí)行元件機(jī)械有效能20（三）對機(jī)械能流支持系統(tǒng)的要求1、有效能及運動參數(shù)2、自動化功能3、機(jī)械運動精度4、變速響應(yīng)性能二、動力元件動力元件是一種獲取機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置。動力元件的主要類型：回轉(zhuǎn)運動型動力元件、直線運動型動力元件和發(fā)力型動力元件。21（一）回轉(zhuǎn)運動型動力元件1、步進(jìn)電機(jī)2、直流伺服電機(jī)3、交流伺服電機(jī)（二）直線運動型動力元件1、直線電機(jī)222、電液步進(jìn)缸233、電液伺服液壓缸系統(tǒng)244、數(shù)字控制氣缸255、帶位置檢測傳感器的氣缸26（三）發(fā)力型動力元件發(fā)力型動力元件分三類：電磁鐵、液壓缸、氣缸。2728

電磁鐵液壓缸汽缸輸出力小大小工作行程小大大對環(huán)境的影響清潔油污環(huán)境有噪聲體積小大中結(jié)構(gòu)簡單復(fù)雜已有氣源時簡單成本低高低發(fā)力型動力元件比較性能發(fā)力元件29（一）傳動元件的基本要求1、精度高2、剛度大3、摩擦系數(shù)小三、傳動元件（二）滾珠絲杠螺母副1、傳動精度高2、傳動效率高3、剛性好4、運動具有可逆性5、不能自鎖6、價格較高特點：3031（三）同步傳送帶同步傳送帶傳動綜合了三角帶傳動和鏈傳動的優(yōu)點，是一種新型的傳動方式，在小能流場合應(yīng)用十分廣泛。同步傳送帶由強(qiáng)力層、帶齒和帶背組成，帶輪結(jié)構(gòu)有梯形齒和圓弧齒兩種。32（四）齒輪傳動傳動比恒定、傳動精度高、效率高、能量從極小到巨大均適合，結(jié)構(gòu)緊湊。齒輪傳動主要有直齒傳動、斜齒輪傳動、錐齒傳動等形式。提高齒輪傳動精度需消除齒輪傳動的側(cè)隙，主要方式有：1、剛性調(diào)整法：包括調(diào)整中心距法、選擇裝配法、帶錐度齒輪法、斜齒輪法；2、柔性調(diào)整法：主要通過在雙齒間加入彈性元件，使雙齒分別貼緊與其嚙合齒輪齒的兩側(cè)，以消除嚙合間隙。333435（一）導(dǎo)軌的基本要求四、執(zhí)行元件導(dǎo)向精度：工作臺導(dǎo)軌運動的直線度或圓度。主要受導(dǎo)軌的幾何精度、接觸精度、結(jié)構(gòu)形式、剛度、熱變形、裝配質(zhì)量以及液體動壓和靜壓導(dǎo)軌的油膜厚度、油膜剛度等影響。耐磨性：導(dǎo)軌長期使用過程中能否保持一定的導(dǎo)向精度。剛度：導(dǎo)軌受力變形會影響導(dǎo)軌導(dǎo)向精度及部件之間的相對位置，因此要求導(dǎo)軌有足夠剛度。低速運動平穩(wěn)性：低速運動的平穩(wěn)性與導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和潤滑，動、靜摩擦系數(shù)的差值，以及導(dǎo)軌的剛度等有關(guān)。結(jié)構(gòu)工藝性：結(jié)構(gòu)簡單，工藝性及經(jīng)濟(jì)性好。36（二）滾動導(dǎo)軌兩導(dǎo)軌間放置滾動體，從而實現(xiàn)滾動摩擦，其優(yōu)點是：摩擦因數(shù)??；動靜摩擦因數(shù)基本相同，不會產(chǎn)生爬行；可以實現(xiàn)預(yù)緊、精度高，剛度也高；磨損小、壽命長，精度保持性好。缺點：滾動體與導(dǎo)軌接觸面小，抗震性差，接觸應(yīng)力大，對導(dǎo)軌表面硬度、形狀精度、滾動體尺寸精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高，對贓物比較敏感，