主页 > 新闻动态 > 机械系统的组成结构工作原理及机械传动技术 2021-12-20

机械系统的组成结构工作原理及机械传动技术

机械系统是机电一体化系统的最基本要素，主要用于执行机构、传动机构和支承部件，以完成规定的动作，传递功率、运动和信息，支承连接相关部件等。机械系统通常是微型计算机控制伺服系统的有机组成部分，因此在机械系统设计时，除考虑一般机械设计要求外，还必须考虑机械结构因素与整个伺服系统的性能参数、电气参数的匹配，以获得良好的伺服性能。
一、机械系统的组成

机械系统是研究在规定完成的任务情况下，进行机械元件的最佳综合，使系统的输入与输出保持某种因果关系的学科。它属于机械设计学科的一个分支。同时，若干机械装置组成的一个特定系统，机械零件和构件是组成机械系统的基本要素，它们为完成一定的功能相互联系并分别组成了各个子系统。如数控机床和洗衣机都是由若干装置、部件和零件组成的两种在功能和构造上各异的机械系统。它们都是由有确定的质量、刚度和阻尼的物体组成并能完成特定功能的系统。
机械系统主要包括驱动系统、传动系统和执行系统三大部分，各部分在空间综合布局时需要反复修改、协调，即在初始布局完成后，按设计流程需进行各系统的详细没计，有必要时再进行布局的调整，这样经过修改后才能完成设备的总体布局设计。
二、机械系统结构及工作原理

现代机械系统综合运用了机械工程、控制系统、电子技术、计算机技术和电工技术等多种技术，是将计算机技术融合于机械的信息处理和控制功能中，实现机械运动、动力传递和变换．完成设定的机械运动功能的机械系统。就功能而言，一台现代化的机械包含四个组成部分：动力系统、传动系统、执行系统、操纵控制系统。
1.动力系统
动力系统包括动力机及其配套装置．是机械系统工作的动力源。按能量转换性质的不同，有把自然界的能源(一次能源)转变为机械能的机械，如内燃机、汽轮机、水轮机等动力机；有把二次能源(如电能、液能、气能)转变为机械能的机械。如电动机、液压马达、气动马达等动力机。动力机输出的运动通常为转动，而且转速较高。选择动力机时，应伞面考虑执行系统的运动和工作载荷、机械系统的使用环境和工况，以及工作载荷的机械特性等要求，使系统既有良好的动态性能，又有较好的经济性。
2.传动系统
传动系统是把动力机的动力和运动传递给执行系统的中间装置。传动系统主要有以下几项功能。
①减速或增速。把动力机的速度降低或提高，以适应执行系统工作的需要。
②变速。当用动力机进行变速不经济、不可能或不能满足要求时，可通过传动系统实行变速(有级或无级)，以满足执行系统多种速度的要求。
③改变运动规律或形式。把动力机输出的均匀、连续、旋转的运动转变为按某种规律变化的旋转或非旋转、连续或间歇的运动，或改变运动方向，以满足执行系统的运动要求。
④传递动力。把动力机输出的动力传递给执行系统，供给执行系统完成预定任务所需的转矩或力。
如果动力机的工作性能完全符合执行系统工作的要求，也可省略传动系统，而将动力机与执行系统直接连接。
3.执行系统
执行系统包括机械的执行机构和执行构件，它是利用机械能来改变作业对象的性质、状态、形状或位置。或对作业对象进行检测、度量等，以进行生产或达到其他预定要求的装置。不同的功能要求，对运动和工作载荷的机械特性要求也不相同，因而各种机械系统的执行系统也不相同。执行系统通常处在机械系统的末端，直接与作业对象接触，是机械系统的主要输出系统。因此，执行系统工作性能的好坏，将直接影响整个系统的性能。执行系统除应满足强度、刚度、寿命等要求外，还应满足运动精度和动力学特性等要求。
4.操纵控制系统
操纵系统和控制系统都是为了使动力系统、传动系统、执行系统彼此协调运行，并准确、可靠地完成整机功能的装置。二者的主要区别是：操纵系统一般是指通过人工操作来实现启动、离合、制动、变速、换向等要求的装置；控制系统则是指通过人工操作或测量元件获得的控制信号，经由控制器，使控制对象改变其工作参数或运行状态而实现上述要求的装置，如伺服机构、自动控制装置等。良好的控制系统可以使机械处于最佳运行状态，提高其运行稳定性和可靠性，并有较好的经济性。
此外，根据机械系统的功能要求，还有润滑系统、计数系统、行走系统、转向系统等。
三、机械传动技术的蜗轮蜗杆传动
蜗轮蜗杆传动是一种传统的传动方式，它的优点在于可以实现很大的传动比，而且机构非常紧凑，传动平稳，噪音小。但是，它也存在着致命的缺点，如：传动效率低，寿命不长，成本较高等。近年来，涡轮传动的研究主要着眼于涡轮材料以及涡轮蜗杆的加工工艺。
1.探索更好的蜗轮材料
关于蜗轮材料，国内外做过很多研究工作。通过改善蜗轮的材料，可以减小蜗轮蜗杆接触面间的摩擦力，降低齿面工作温度，使齿面不容易胶合，从而提高承载能力和效率。例如国外有研究表明，使用卡普隆（一种具有高耐磨性的材料）制作的普通圆柱蜗轮，与ZQ419-4 材料制作的普通圆柱蜗轮相比，额定扭矩可提高1～2倍，传动效率可提高5%～20%。再如在碎石送料机中使用卡普隆蜗轮，可以提高寿命2 倍之多。使用石墨、石英砂填充MC 尼龙材料制作蜗轮，具有良好的自润滑特性，可以提高蜗轮的使用寿命，降低成本。
国内也有很多关于蜗轮材料的研究，如河南周口石轴瓦厂研制的高耐磨锌基合金ZnAlCuMn，性能优于锡青铜，成本也比锡青铜低很多。
采用高性能的工程塑料制造蜗轮是现在的研究方向之一，一些常用的高性能工程塑料，如聚酰亚胺等，具有良好的机械性能和耐磨性能。但是它们的合成成本高，成形困难，因此使用范围很受限制。为了获得高性能的工程塑料，可以采用对现有产品进行填充改性的方法，把各不相同的材料进行混合，构成复合材料，而合成的目标就是使其具有更高的机械性能和耐摩擦及耐高温性能。
2.蜗轮蜗杆加工工艺的改进
蜗轮蜗杆在传动过程中容易磨损，要经常更换，又因为蜗轮蜗杆有渐开线、阿基米德螺旋线等多种齿面齿形，加工方法都不相同。所以研究蜗轮蜗杆的加工，尤其是蜗杆的加工便成为了很重要的问题。近年来关于蜗轮蜗杆加工工艺的研究，集中于如何提高加工效率和加工精度这2 个方面。传统的加工方法受蜗杆齿形、蜗杆中心距等因素的限制，一种机床往往只能加工有限的蜗杆种类，效率不高。西华大学数控研究所研究的一种四轴联动的数控机床，对平面二次包络蜗杆加工有较强的适应性，不受蜗杆中心距的限制，可加工中心距80～500 mm、蜗杆头数1～8 头的相应模数蜗杆，这为蜗杆加工工艺的研究开辟了一条新的道路。
四、机械传动技术的非接触传动
非接触传动是通过电磁感应原理来传递动力的。与传统传动方式相比，非接触传动不需表面接触，无磨损，寿命长。
1.磁力传动的历史及现状
磁力传动技术早在20 世纪30 年代就已经被人们所提出，但是因为受到永磁材料发展的制约，一直没能取得较大的进展。近年来，随着稀土永磁材料的发展和应用，磁力传动技术有了很大的发展，如采用钐钴永磁体材料制成的磁力驱动器，在传递相同转矩时，与采用铁氧体永磁材料制成的磁力驱动器相比，质量差距很大。钕铁硼永磁体的磁能积已达到以上，从而可使磁力驱动器传递扭矩的能力提高3～4 倍，传递的最大功率已达到400 kW。到目前为止，磁力传动设备已经广泛应用于石油、化工、制药等许多领域中。
磁力传动技术在泵工业上的应用最为典型。目前英国的HMD无密封泵公司，Seal Loss 无密封泵公司，德国的Dicker 泵公司及Klaus、Kcacs 泵公司，美国的Dresser 泵公司都在从事磁力驱动泵的研制。这些公司生产的磁力驱动泵机构相近，功率大多在2.2～7.5 kW。目前，国际上功率最大的磁力驱动泵可以做到300 kW 以上，英国的HMD 公司今年研制的两级磁力驱动泵，其功率可达350 kW。我国甘肃省科学院磁性器件研究院较早开展了磁力驱动泵的研制，试制了稀土钴磁力驱动器和磁力驱动泵的系列产品，其磁力驱动泵功率可达185 kW。
2.磁力传动的技术特点
1)无摩擦，无需润滑
由于感应传动器件在传递动力的过程中无接触，无摩擦，这就从根本上消除了摩擦磨损现象。没有摩擦磨损，也就不需要接触面的润滑，所以磁力传动不需要定期更换润滑剂，减少了维护费用。
2)无振动
传统的传动形式如齿轮传动、蜗轮蜗杆传动都要求有较高的制造精度、安装精度、接触表面粗糙度，否则会引起强烈的振动和噪声。而非接触式传动因为不存在接触表面，因此对器件表面粗糙度、制造安装精度等要求较低，也不会引起振动。
3)传动效率高
磁力传动的另一个特点在于传动效率高。传统的传动形式，需要消耗很大的功率来克服接触面间的摩擦阻力。而磁力传动的主要功率损失在于导体对磁场的感应，这可以通过选用绝缘材料制作机体来消除。但是在实际生产过程中，因为考虑到机体的磁屏蔽作用，我们不可能全部使用绝缘材料。因此，合理选用机体材料，科学设计结构，以便把感应损耗降到最低，这样才能达到更高的传动效率。
4)使用寿命长
传统的机械传动寿命主要表现在疲劳寿命和磨损寿命，而感应传动无接触，无磨损，因此使用寿命长。但是磁力传动机械的使用寿命受永磁体磁性材料寿命的影响，永磁体在温度过高时会发生退磁现象，影响寿命。目前磁性材料耐温可达150 ℃，一般的传动过程不需要这么高的温度。
5)高速性能好
传统机械传动时，会因为摩擦、振动而导致系统发热，产生噪声，这严重制约着传动机构的运转速度。而非接触传动不存在这些问题，唯一的制约因素就在于轴承。随着磁悬浮轴承等技术的采用，非接触传动的传动速度将可达传统传动速度的几十倍甚至上百倍。
3.磁力传动存在的问题
纵然磁力传动的好处很多，但其同样存在着很多问题制约着它的发展。首先，磁场的存在会干扰周围的环境，有可能使周围环境中存在的仪器和设备工作不正常。其次，在启动过程中，主动磁转子的磁转角与从动磁转子的磁转角存在着转角差并随时间变化而变化；在正常运转中，负载转矩变化时磁场力矩也同样发生变化。这就会导致磁力传动设备在启动过程中容易产生滞后。对于要求精确传动的设备不易使用磁力传动。
五、结语
对于其他的机械传动元件，如联轴器、离合器、滚珠丝杠等，都可以从元件的材料、加工工艺等方面尝试加以改进。而材料科学的发展，陶瓷材料、高分子聚合物、纳米材料、智能材料等，因为其独特的机械特性和摩擦特性，也必将对机械传动元件的改进与发展起到巨大的推动作用。同时，随着太空、深海等技术的发展，应用于极端特殊条件下，如超高温、超低温、真空、强腐蚀等条件下的机械传动元件的开发也为我们提出了新的课题与挑战。

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