主頁 > 新聞動態 > 機械系統的組成結構工作原理及機械傳動技術 2021-12-20

機械系統的組成結構工作原理及機械傳動技術

機械系統是機電一體化系統的最基本要素，主要用于執行機構、傳動機構和支承部件，以完成規定的動作，傳遞功率、運動和信息，支承連接相關部件等。機械系統通常是微型計算機控制伺服系統的有機組成部分，因此在機械系統設計時，除考慮一般機械設計要求外，還必須考慮機械結構因素與整個伺服系統的性能參數、電氣參數的匹配，以獲得良好的伺服性能。
一、機械系統的組成

機械系統是研究在規定完成的任務情況下，進行機械元件的最佳綜合，使系統的輸入與輸出保持某種因果關系的學科。它屬于機械設計學科的一個分支。同時，若干機械裝置組成的一個特定系統，機械零件和構件是組成機械系統的基本要素，它們為完成一定的功能相互聯系并分別組成了各個子系統。如數控機床和洗衣機都是由若干裝置、部件和零件組成的兩種在功能和構造上各異的機械系統。它們都是由有確定的質量、剛度和阻尼的物體組成并能完成特定功能的系統。
機械系統主要包括驅動系統、傳動系統和執行系統三大部分，各部分在空間綜合布局時需要反復修改、協調，即在初始布局完成后，按設計流程需進行各系統的詳細沒計，有必要時再進行布局的調整，這樣經過修改后才能完成設備的總體布局設計。
二、機械系統結構及工作原理

現代機械系統綜合運用了機械工程、控制系統、電子技術、計算機技術和電工技術等多種技術，是將計算機技術融合于機械的信息處理和控制功能中，實現機械運動、動力傳遞和變換．完成設定的機械運動功能的機械系統。就功能而言，一臺現代化的機械包含四個組成部分：動力系統、傳動系統、執行系統、操縱控制系統。
1.動力系統
動力系統包括動力機及其配套裝置．是機械系統工作的動力源。按能量轉換性質的不同，有把自然界的能源(一次能源)轉變為機械能的機械，如內燃機、汽輪機、水輪機等動力機；有把二次能源(如電能、液能、氣能)轉變為機械能的機械。如電動機、液壓馬達、氣動馬達等動力機。動力機輸出的運動通常為轉動，而且轉速較高。選擇動力機時，應傘面考慮執行系統的運動和工作載荷、機械系統的使用環境和工況，以及工作載荷的機械特性等要求，使系統既有良好的動態性能，又有較好的經濟性。
2.傳動系統
傳動系統是把動力機的動力和運動傳遞給執行系統的中間裝置。傳動系統主要有以下幾項功能。
①減速或增速。把動力機的速度降低或提高，以適應執行系統工作的需要。
②變速。當用動力機進行變速不經濟、不可能或不能滿足要求時，可通過傳動系統實行變速(有級或無級)，以滿足執行系統多種速度的要求。
③改變運動規律或形式。把動力機輸出的均勻、連續、旋轉的運動轉變為按某種規律變化的旋轉或非旋轉、連續或間歇的運動，或改變運動方向，以滿足執行系統的運動要求。
④傳遞動力。把動力機輸出的動力傳遞給執行系統，供給執行系統完成預定任務所需的轉矩或力。
如果動力機的工作性能完全符合執行系統工作的要求，也可省略傳動系統，而將動力機與執行系統直接連接。
3.執行系統
執行系統包括機械的執行機構和執行構件，它是利用機械能來改變作業對象的性質、狀態、形狀或位置。或對作業對象進行檢測、度量等，以進行生產或達到其他預定要求的裝置。不同的功能要求，對運動和工作載荷的機械特性要求也不相同，因而各種機械系統的執行系統也不相同。執行系統通常處在機械系統的末端，直接與作業對象接觸，是機械系統的主要輸出系統。因此，執行系統工作性能的好壞，將直接影響整個系統的性能。執行系統除應滿足強度、剛度、壽命等要求外，還應滿足運動精度和動力學特性等要求。
4.操縱控制系統
操縱系統和控制系統都是為了使動力系統、傳動系統、執行系統彼此協調運行，并準確、可靠地完成整機功能的裝置。二者的主要區別是：操縱系統一般是指通過人工操作來實現啟動、離合、制動、變速、換向等要求的裝置；控制系統則是指通過人工操作或測量元件獲得的控制信號，經由控制器，使控制對象改變其工作參數或運行狀態而實現上述要求的裝置，如伺服機構、自動控制裝置等。良好的控制系統可以使機械處于最佳運行狀態，提高其運行穩定性和可靠性，并有較好的經濟性。
此外，根據機械系統的功能要求，還有潤滑系統、計數系統、行走系統、轉向系統等。
三、機械傳動技術的蝸輪蝸桿傳動
蝸輪蝸桿傳動是一種傳統的傳動方式，它的優點在于可以實現很大的傳動比，而且機構非常緊湊，傳動平穩，噪音小。但是，它也存在著致命的缺點，如：傳動效率低，壽命不長，成本較高等。近年來，渦輪傳動的研究主要著眼于渦輪材料以及渦輪蝸桿的加工工藝。
1.探索更好的蝸輪材料
關于蝸輪材料，國內外做過很多研究工作。通過改善蝸輪的材料，可以減小蝸輪蝸桿接觸面間的摩擦力，降低齒面工作溫度，使齒面不容易膠合，從而提高承載能力和效率。例如國外有研究表明，使用卡普隆（一種具有高耐磨性的材料）制作的普通圓柱蝸輪，與ZQ419-4 材料制作的普通圓柱蝸輪相比，額定扭矩可提高1～2倍，傳動效率可提高5%～20%。再如在碎石送料機中使用卡普隆蝸輪，可以提高壽命2 倍之多。使用石墨、石英砂填充MC 尼龍材料制作蝸輪，具有良好的自潤滑特性，可以提高蝸輪的使用壽命，降低成本。
國內也有很多關于蝸輪材料的研究，如河南周口石軸瓦廠研制的高耐磨鋅基合金ZnAlCuMn，性能優于錫青銅，成本也比錫青銅低很多。
采用高性能的工程塑料制造蝸輪是現在的研究方向之一，一些常用的高性能工程塑料，如聚酰亞胺等，具有良好的機械性能和耐磨性能。但是它們的合成成本高，成形困難，因此使用范圍很受限制。為了獲得高性能的工程塑料，可以采用對現有產品進行填充改性的方法，把各不相同的材料進行混合，構成復合材料，而合成的目標就是使其具有更高的機械性能和耐摩擦及耐高溫性能。
2.蝸輪蝸桿加工工藝的改進
蝸輪蝸桿在傳動過程中容易磨損，要經常更換，又因為蝸輪蝸桿有漸開線、阿基米德螺旋線等多種齒面齒形，加工方法都不相同。所以研究蝸輪蝸桿的加工，尤其是蝸桿的加工便成為了很重要的問題。近年來關于蝸輪蝸桿加工工藝的研究，集中于如何提高加工效率和加工精度這2 個方面。傳統的加工方法受蝸桿齒形、蝸桿中心距等因素的限制，一種機床往往只能加工有限的蝸桿種類，效率不高。西華大學數控研究所研究的一種四軸聯動的數控機床，對平面二次包絡蝸桿加工有較強的適應性，不受蝸桿中心距的限制，可加工中心距80～500 mm、蝸桿頭數1～8 頭的相應模數蝸桿，這為蝸桿加工工藝的研究開辟了一條新的道路。
四、機械傳動技術的非接觸傳動
非接觸傳動是通過電磁感應原理來傳遞動力的。與傳統傳動方式相比，非接觸傳動不需表面接觸，無磨損，壽命長。
1.磁力傳動的歷史及現狀
磁力傳動技術早在20 世紀30 年代就已經被人們所提出，但是因為受到永磁材料發展的制約，一直沒能取得較大的進展。近年來，隨著稀土永磁材料的發展和應用，磁力傳動技術有了很大的發展，如采用釤鈷永磁體材料制成的磁力驅動器，在傳遞相同轉矩時，與采用鐵氧體永磁材料制成的磁力驅動器相比，質量差距很大。釹鐵硼永磁體的磁能積已達到以上，從而可使磁力驅動器傳遞扭矩的能力提高3～4 倍，傳遞的最大功率已達到400 kW。到目前為止，磁力傳動設備已經廣泛應用于石油、化工、制藥等許多領域中。
磁力傳動技術在泵工業上的應用最為典型。目前英國的HMD無密封泵公司，Seal Loss 無密封泵公司，德國的Dicker 泵公司及Klaus、Kcacs 泵公司，美國的Dresser 泵公司都在從事磁力驅動泵的研制。這些公司生產的磁力驅動泵機構相近，功率大多在2.2～7.5 kW。目前，國際上功率最大的磁力驅動泵可以做到300 kW 以上，英國的HMD 公司今年研制的兩級磁力驅動泵，其功率可達350 kW。我國甘肅省科學院磁性器件研究院較早開展了磁力驅動泵的研制，試制了稀土鈷磁力驅動器和磁力驅動泵的系列產品，其磁力驅動泵功率可達185 kW。
2.磁力傳動的技術特點
1)無摩擦，無需潤滑
由于感應傳動器件在傳遞動力的過程中無接觸，無摩擦，這就從根本上消除了摩擦磨損現象。沒有摩擦磨損，也就不需要接觸面的潤滑，所以磁力傳動不需要定期更換潤滑劑，減少了維護費用。
2)無振動
傳統的傳動形式如齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動都要求有較高的制造精度、安裝精度、接觸表面粗糙度，否則會引起強烈的振動和噪聲。而非接觸式傳動因為不存在接觸表面，因此對器件表面粗糙度、制造安裝精度等要求較低，也不會引起振動。
3)傳動效率高
磁力傳動的另一個特點在于傳動效率高。傳統的傳動形式，需要消耗很大的功率來克服接觸面間的摩擦阻力。而磁力傳動的主要功率損失在于導體對磁場的感應，這可以通過選用絕緣材料制作機體來消除。但是在實際生產過程中，因為考慮到機體的磁屏蔽作用，我們不可能全部使用絕緣材料。因此，合理選用機體材料，科學設計結構，以便把感應損耗降到最低，這樣才能達到更高的傳動效率。
4)使用壽命長
傳統的機械傳動壽命主要表現在疲勞壽命和磨損壽命，而感應傳動無接觸，無磨損，因此使用壽命長。但是磁力傳動機械的使用壽命受永磁體磁性材料壽命的影響，永磁體在溫度過高時會發生退磁現象，影響壽命。目前磁性材料耐溫可達150 ℃，一般的傳動過程不需要這么高的溫度。
5)高速性能好
傳統機械傳動時，會因為摩擦、振動而導致系統發熱，產生噪聲，這嚴重制約著傳動機構的運轉速度。而非接觸傳動不存在這些問題，唯一的制約因素就在于軸承。隨著磁懸浮軸承等技術的采用，非接觸傳動的傳動速度將可達傳統傳動速度的幾十倍甚至上百倍。
3.磁力傳動存在的問題
縱然磁力傳動的好處很多，但其同樣存在著很多問題制約著它的發展。首先，磁場的存在會干擾周圍的環境，有可能使周圍環境中存在的儀器和設備工作不正常。其次，在啟動過程中，主動磁轉子的磁轉角與從動磁轉子的磁轉角存在著轉角差并隨時間變化而變化；在正常運轉中，負載轉矩變化時磁場力矩也同樣發生變化。這就會導致磁力傳動設備在啟動過程中容易產生滯后。對于要求精確傳動的設備不易使用磁力傳動。
五、結語
對于其他的機械傳動元件，如聯軸器、離合器、滾珠絲杠等，都可以從元件的材料、加工工藝等方面嘗試加以改進。而材料科學的發展，陶瓷材料、高分子聚合物、納米材料、智能材料等，因為其獨特的機械特性和摩擦特性，也必將對機械傳動元件的改進與發展起到巨大的推動作用。同時，隨著太空、深海等技術的發展，應用于極端特殊條件下，如超高溫、超低溫、真空、強腐蝕等條件下的機械傳動元件的開發也為我們提出了新的課題與挑戰。

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