机械系统运转过程的优化

机械在驱动力作用下运转，需要克服工作阻力以及机械内的重力、弹簧力、摩擦力等阻抗力。机械运转时，驱动力对机械所做的功，称为驱动功，由于驱动功都是外部输入的功，故又称为输入功，用Wd表示；机械克服生产阻力所做的功，称为阻抗功，由于阻抗功都是机械做出的功，故又称为输出功，用Wr表示。两功之差形成机械动能的增减。如果Wd=Wr，则机械动能不变，机械系统匀速运动。但许多机械在某段时间内驱动功Wd与阻抗功Wr并不相等，如果Wd＞Wr，则出现盈功，机械动能增加；反之，如果Wd＜Wr，则出现亏功，机械动能减小。机械动能的增减形成机械系统运转速度的波动，因此，首先需要研究机械在运转过程中各个阶段的运动状态。

机械系统从开始运转到停止运转的过程中，运转速度发生明显改变。这一过程主要分为3个阶段，如图13.9所示。

图13.9　机器运转的3个阶段

1.启动阶段

机械系统从静止到开始稳定运转的过程称为启动阶段。在这一阶段，驱动功Wd大于阻抗功Wr，机械系统内积蓄了动能ΔE，原动件的角速度ω 从零逐渐上升，直至正常运转的平均角速度ωm。根据动能定理有

2.稳定运转阶段

继启动阶段后，原动件进入稳定运转阶段。在这一阶段，驱动功Wd等于阻抗功Wr，机械系统动能不变，原动件的平均角速度ωm保持不变。而原动件的瞬时角速度ω 通常是以下两种情况。

（1）在一个周期T内的各个瞬间，原动件的瞬时角速度ω 在其平均角速度ωm的上下振动，但在周期T的始末，其瞬时角速度ω 是相等的，称为周期变速稳定运转。此时，在一个周期内，机械系统的驱动功与阻抗功是相等的。

（2）原动件的瞬时角速度ω 在整个稳定运转阶段中保持恒定不变，即ω=常数，称为等速稳定运转。此时，机械系统的驱动功与阻抗功时时相等。

3.停车阶段

机械系统从稳定运转减速到静止的过程，称为停车阶段。在这一阶段，一般驱动功Wd=0，当阻抗功Wr将机械系统内积蓄的动能ΔE消耗完时，原动件的角速度ω 减小为0。根据动能定理有

为了缩短停车阶段所需时间，可在机械上安装制动装置，图13.9所示的虚线表示在安装制动装置后，机械系统原动件的角速度随着时间的变化关系。

在机械运转的3个阶段中，启动阶段和停车阶段统称为机械运转的过渡阶段。多数机械是在稳定运转阶段进行工作的，但对于需要频繁启停的机械（如起重机等），其工作过程也有相当一部分是在过渡阶段进行的。