机械设计的点滴体会(三)

说到搞‘运动结构’设计的家伙,有时看不起搞‘静态结构’设计的人,在有些场合也是有一定道理的。

设计一个‘运动结构’,不仅要考虑机构在运动过程中的完整性,还有保证在规定的时间内完成规定的任务,这些任务有时是精密的动作,有时是一个变化着的力,有时二者兼备。

既然是为了完成一个运动的任务,从总体上说,各种运动机构都是类似的,从宏观上看都是一样的东西。运动系统在运动过程中都包含有‘启动、加速、工作运转、减速、停止’等过程,怎么能很好地完成这些动作,才是问题的关键所在。

我习惯上将‘运动系统’分成几大类:第一类是‘大惯量系统’,其自身的启动惯性较大,而工作载荷并不很大,例如,棒材轧机的定尺飞剪,设计的关键问题是要在规定的时间内启动到位,完成剪切动作,真正的剪切力并不很大。

第二类是‘大载荷系统(或外加大惯性体),这类系统的自身惯性很小,而工作载荷很大。例如,航母上的蒸汽弹射器,设计的关键是如何在瞬间发出巨大的推动力,而这种大推力又是可以精密控制的,设计这种东西有难度,有时,你设计了也没有条件加以实现。

第三类是混合系统,自身的惯性比较大,工作载荷也特别大,有时载荷还有不确定性,例如,轧机、热带飞剪等冶金设备就是如此。

你无论是设计哪种系统,首先你要分清楚这东西的实质所在,才能选择用什么方式加以驱动。说到这里,我们不得不说一下驱动一个系统用到的原动机。原动机主要有各种电动机、活塞式内燃机、涡轮轴式燃气轮机、外燃式的斯特林机、驱动大型风机和压缩机的蒸汽轮机等。无论如何,我们最多采用的是各种电动机。

各种电动机都有不同的启动特性和负载特性,要根据不同的情况加以选择和控制。

设计棒材轧机的定尺飞剪时,主要考虑电机的启动特性,电机要适应频繁的连续启动,启动过程要准确。

设计轧机的时候,主电机主要考虑的是过载倍数是否合适,过载倍数不够,轧机的力能参数不够,光能转又有什么用?。

设计冷床的时候,假如你是采用启动/停止的方式,就要选择较大的电机,当采用气动离合器的方式时,电机相对就小些。这些都是根据计算得出的。

说到计算一个电机驱动的系统时,电机是否合适?曾经有许多的说法,很多书里说了不同的观点,有时把人说得云山雾罩,不知所以然,有些东西我参考,有些东西只是看看算了。

什么叫电机选择得合适?就是在工作载荷的条件下基本达到额定状态,留下一点富裕就够了,留多少富裕的功率,那要看你选择的是谁的电机,假如是德国的电机,你在90%的额定条件下可以长期使用,如果是美国的电机,有时可以使到100%。有些电机,你就要慎重,可以询问厂家,到底可以在什么条件下使用,给你的答复有时是75%,有时还要低,但你也要遵循,谁让你想少花银子呢?

电机到底在什么条件下会烧了,一堆人可能有许多的说法,无论谁说过什么,最终的答案都只是一种:那就是积累的热量。请你记住,只有发热超过散热并累计上升到规定的温度,同时持续一定的时间,最终烧毁绝缘的时候,电机就烧了。

在实际的设备设计中,有时,你按工作载荷计算的电机功率是不能满足启动要求的,因为过长的启动时间将瞬间产生大量的热,使系统马上被‘顶掉’。但你若是按启动工况计算电机的功率,就会严重富裕,这将导致系统的效率下降,对整个的工厂是没什么好处的。这时,你就要在这两者之间做出平衡,平衡不了的时候,就要另加一个装置专门负责启动,这种东西的工作原理各不相同,最简单的就是两个电机串在一起,用离合器联接,启动的时候,两个电机同时工作,正常工作的时候,断开一个,使用一个。

其实,你只需掌握几点关键的东西:启动期间的发热是否超限,如果启动的次数很少,首次启动是冷车启动,即使发热略有超过,也不会怎么样,但时间不能太长,长了,对电机的寿命有影响。电机在工作期间的过载问题必须仔细计算,力能参数满足需求的时候,主要是计算每一个循环的发热是否满足要求,应该使用什么方式进行散热,对于封闭式电机的计算要特别注意使用的环境。而对于特殊的气候条件,比如湿热带的气候,要使用专门的湿热带电机,以前,有的公司出口设备到印尼去就有这类的问题。在系统减速阶段,你可能用到某些减速的方式,假如和电机的力能参数有关的话,也要仔细计算,力能参数合适以后,再算发热量,总之,你什么都算过,并且都算对了,在工程中出的错误就少,否则,有些问题不是你轻易能处理的。当然,你如果只是给别人跑腿的话,有问题时可以躺倒说不明白,但有时说不明白,就不行,要看是谁说!

真正选择电机的时候,你会看到有同步机,异步机,异步机里还有众多的分类,当然还有直流机、各种伺服电机、步进电机、开关磁阻电机,许多我都用过,书里有明确的原理说明,厂家有详细的曲线参数表,这些东西我不能侃,一侃就要露怯,在选电机之前要仔细地想好了,你要驱动的是什么系统,到底会发生什么事情,这才是问题的关键。

以前,遇到一件事,我们打过一个赌,最后我赢了,那是用一个小电机驱动一个惯性比较大的系统,启动的时间很长,按原理说,超过规定的启动时间,电机就可能烧了。但那电机就是不烧,一个书念得比我好的家伙怎么都不解这是为什么,书里明明说了要烧的,怎么不烧呢?见鬼!假如你能猜到为什么,告诉我!

在使用电机不方便的场合下,可能你被迫要使用其他的原动机,例如,在输油中继站要使用柴油机,这东西和电机的特性是完全不同的,要考虑一大堆的东西,比如液力耦合器及控制系统,调速装置,齿轮变速箱,散热器和循环系统等,你别嫌麻烦,挣钱麻烦吗?应该是不麻烦的,我说的是挣钱,不是从地上捡钱!

在输气的线路上,假如气体的热值和灰份等质量合适又有处理站的话,可能使用涡轮轴燃气轮机,这东西是高速机,减速装置比较复杂,还要有一大堆的监控系统,但它的效率很高,装置比较小。

还有使用斯特林机的,可能场合特殊,那东西很安静,有在车上使用的,我没用过。

侃过驱动的方式以后,还可以侃一下被驱动的结构。假如一个驱动力可以使系统启动的话,系统就可以开始运转,但运转的过程中还会发生许多的问题。

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