工程力学课程报告 .pdf（以直流电机为例在电机拖动系统中传动轴的选取）

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工程力学课程报告以直流电机为例在电机拖动系统中传动轴的选取

以直流电机为例在电机拖动系统中传动轴的选取一、题目要求针对专业特点，选取专业中一个和本门课程中所学力知识相关的一个专业问题，建立力学模型，或分析其中的力学原理，或利用力学知识解决本专业的相关问题。二、对于电气工程专业简介电气工程及其自动化涉及电力电子技术，计算机技术，电机电器技术，信息与网络控制技术，机电一体化技术等诸多领域，是一门综合性较强的学科，其主要特点是强电为主，强弱电结合，机电结合，软硬件结合，电工技术与电子技术相结合，元件与系统相结合。三、对于直流电机与电力拖动系统的简介 1、直流电机性能与结构简介直流电机是电机的主要类型之一。直流电机以其良好的起动性能和调速性能著称。直流发电机的供电质量较好，常常作为励磁电源和某些工业中的直流电源。与交流电机相比，直流电机的结构较复杂，成本较高，可靠性较差，使它的应用受到一定的限制。下图为直流电机结构图。图 1、直流电机结构图 2、直流电机机械特性简介电动机的机械特性是指在一定条件下电动机产生的电磁转矩 T 与转速 n 之间的关系。

对于他励直流电动机，机械特性是指在电源电压、磁通量、及电枢回路总电阻均为固定值的条件下，电动机的电磁转矩 T 与转速 n 之间的关系。即 n=f（T）。他励直流电动机机械特性曲线如图所示。图 2、他励直流电动机机械特性曲线 3、电力拖动系统的简介凡是以电动机作为原动机拖动各类生产机械完成一定的生产工艺要求的系统都称为电力拖动系统。电力拖动系统一般由电动机、传动机构、工作机构、电源和控制设备五部分组成。其中传动机构是生产机械中实现机械运动状态改变的部分，在本文中主要研究传动机构中传动轴的选取与其强度刚度的校核。四、传动轴强度与刚度的校核与选取 1、对电机稳速工作时的分析当电动机起动完成，并拖动负载工作于平衡状态时，即电机电磁转矩与转速保持不变时，预对传动轴进行选取，则需要对传动轴材料的强度及刚度进行校核。例如：电机与负载经传动轴相连如图所示。其中 A 为电机，A、C、D 为负载。

图 3、电机经传动轴拖动负载示意图我们已知电机的输入功率，可由转速求出电机的转矩。以恒转矩负载为例，负载转矩为已知的恒定值。然后由工程力学所学知识，用截面法求出不同截面的扭矩。下面我们分别对对转轴的强度与刚度进行校核。（1）强度条件：圆轴扭转时的强度要求是最大工作应力 max 不超过材料的许用剪应力[ ] 。故强度条件为 max  [ ] 对于等直圆轴，最大工作应力发生在 n maxM 所在截面的周边各点处。上式可写成 max = M n max W n  [ ] 在阶梯轴的情况下，因 nW 各段不同， max 不一定发生在 n maxM 所在截面上。这时要综合考虑扭矩和抗扭截面模量才能确定 max 。此时强度条件为：其中 nW 为抗扭截面模量。对于圆截面  max =( n M W n ) max  [ ] nW =  3D 16 （2）刚度条件轴类零件除应满足强度要求外，对其变形还有一定限制。这种变形的限制条件称为刚度条件。工程中常用单位长度内的扭转角表示扭转变形的程度。为保证轴的刚度，通常规定 max 不应超过规定的允许值[ ] 。工程中[ ] 的单位习惯上

用度/米来表示，这样得到扭转的刚度条件为  max = M n max GI p   180  由以上公式，我们可对传动轴的强度及刚度进行校核或者已知轴的尺寸选取轴的材料以及已知轴的材料设计传动轴的尺寸。 2、对于电机起动、制动、调速时的分析直流电动机的起动是指直流电动机接通电源后，转速由零上升到稳定转速之间的过程。下边以他励直流电动机电枢回路串联电阻起动为例，分析启动过程中对传动轴材料的强度及刚度的校核。图四为他励直流电动机串联电阻三级起动的机械特性曲线，其中 aR 为电枢电阻， 1R st 、 2R st 、 3R st 为起动电阻。启动开始时， aR + 1R st + 2R st + 3R st 全部串联在电枢回路中，其对应的特性曲线与横坐标的交点 H 即为第一个起动点。在起动转矩 1T 的作用下，系统从静止开始运动，运行点沿 HG 从 H 点运动到 G 点，此时要断开第一段电阻，即 3R st 被短接，电枢回路仅剩下 aR + 1R st + 2R st 。这时运行点从 G 点跳到与该电阻值对应的特性曲线 FE 上。同理，电机最终工作于负载特性曲线与固有特性曲线的交点 A 上，并最终在该点稳定运行。图 4、他励直流电动机串联电阻三级起动的机械特性曲线在该起动过程中，我们由图 4 得，最大起动转矩 1T 如图所示，一般我们取 1T =2 nT ， nT 为额定转矩。此时应分析电机转矩为最大起动转矩 1T ，以恒转矩负载为例，负载转矩为已知的恒定值

时，传动轴的强度与刚度的校核。其分析过程与电机稳速工作时的分析过程类似，在这里不再赘述，但由于电机转矩的改变，对于传动轴强度与刚度的要求与电机稳速工作时的要求不再相同。对于电机的制动与调速过程中传动轴的强度与刚度的校核与起动过程类似，同样是电机转矩的改变使传动轴强度与刚度的要求发生改变。在这里不再赘述。 3、综合考虑电机不同运行状态时的分析在电力拖动控制系统中，不同系统对于电机不同工作状态的需求必然不同，其传动轴强度与刚度的要求也不同。例如在速度改变较多的系统中，调速时传动轴强度与刚度的要求更为重要。而对于长时间工作不停止的电力拖动系统，对于起动过程中传动轴强度与刚度的要求较为次要。因此我们应根据不同系统对于电机不同工作状态的需求来确定强度与刚度的裕量，从而进行强度与刚度的校核以及对于传动轴材料、尺寸的设计。参考文献： <1>《电机学》汤蕴璆 <2>《电力拖动基础》张敬南、孟繁荣 <3>《工程力学》杨在林 <4> 百度百科 https://baike.baidu.com/item/%E7%94%B5%E6%B0%94%E5%B7%A5%E7%A8%8B%E5%8F%8A%E5%8 5%B6%E8%87%AA%E5%8A%A8%E5%8C%96/376603?fr=aladdin

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