机电一体化论文
随着社会经济的不断的向前发展，建筑功能趋于多样化，给人们的生活带来了极大的便利。现代的建筑走向智能化，其中起了重要作用的就是建筑的机电工程，它使建筑的功能更能满足人们的居住和生活。下面是小编整理的机电一体化论文。欢迎参考!
机电一体化论文一
基于ANSYS的发动机曲轴的优化设计
摘要：本文通过有限元分析软件ANSYS对发动机曲轴进行三维有限元分析，
了解曲轴的变形和应力状况，校核该曲轴在交变载荷下的疲劳强度，为曲轴改进设计中的结构分析提供理论依据;
较准确地得到交变载荷作用下发动机曲轴的应力、变形的大小及分布，校核其疲劳强度，对于指导曲轴的优化、改进设计具有重要意义。
关键词：曲轴;ANSYS;优化设计
Optimization design of engine crankshaft based on ANSYS
Chen yun-xin
(School of Electromechanical &Architectural Engineering，Jianghan University，Wuhan，430056，China)
Abstract：In this paper, three-dimensional finite element analysis was carried out on the engine crankshaft by means of the finite element analysis software ANSYS, understanding the stresses and deformation of the crankshaft, fatigue strength under cyclic loading of the crankshaft the crankshaft checking, improved analysis provides a theoretical basis for the structure design; accurately get the size and distribution of stress, deformation under the action of alternating load check the engine crankshaft, fatigue strength, has an important significance for improving design optimization, guidance of crankshaft.
Keywords：crankshaft ; ANSYS; Optimization design
中图分类号： 文献标识码： 文章编号：
0 引言：曲轴是内燃机中最典型，最重要的零件之一，其功能是将活塞连杆组传递来的气体压力转变为转矩，作为动力而输出做功，驱动其它工作机构，并带动内燃机辅助装置工作。
曲轴在工作中承受周期性变化的气体压力，运动质量惯性力和其它力矩的共同作用，承受交变载荷，并受到扭转和纵向振动所产生的附加应力作用，易于造成疲劳破坏。
同时，由于曲轴形状复杂，应力集中严重，且在应力集中处曲轴的应力分布极不均匀，易产生大小和性质不同的疲劳应力。
面临上述问题，在设计阶段必须找出切实可行的手段。
因此如何较准确地得到交变载荷作用下发动机曲轴的应力、变形的大小及分布，校核其疲劳强度，估算其疲劳寿命，对于指导曲轴的优化、改进设计具有重要意义。
采用先进的有限元工具和合理的计算条件对发动机曲轴进行分析，是目前车用发动机生产厂家迫切需要的。
1 有限元法及ANSYS简介：有限元法(Finite Element Method，简称FEM)是一种数值离散化方法，根据变分原理求其数值解。
因此适合于求解结构形状及边界条件比较复杂，材料特性不均匀等力学问题，能解决几乎所有工程领域中各种边值问题。
随着电子计算机的发展，有限元分析方法已经成为疲劳强度分析和寿命预测的主要辅助工具。
ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。
2.发动机曲轴连杆机构的组成及受力分析：曲柄连杆机构是往复式内燃机中的动力传递系统。
曲柄连杆简图见图1。
曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动部分。
在做功冲程中，它将燃料燃烧产生的热能活塞往复运动、由曲轴旋转运动转变为机械能，对外输出动力;在其它冲程中，则依靠曲柄和飞轮的转动惯性、通过连杆带动活塞上下运动，为下一次做功创造条件。
图1 曲柄连杆简图
3.曲轴连杆机构的主要参数
发动机 转速 2500n/min 调速率15% 连杆轴颈直径 58mm 主轴颈直径 64mm
曲柄半径R 45mm 连杆中心距L 168mm 连杆比λ R/L=0.2679
连杆质心到小头中心距L1 108mm 连杆总质量ML 1.25Kg 活塞和活塞环总质量Mjz 0.65Kg 爆发压力 12.0MPa 活塞缸直径D 70mm
轴材料的主要特性常数见表1。
表1 轴材料的主要特性常数
4. 载荷状况的确定
本文研究的发动机为四缸发动机，它的发火顺序为1—2—4—3。
根据实际经验来看，曲轴在受到最大爆发压力时的应力和变形最大。
这样对于四缸发动机，只需考虑 3 缸发火状况下活塞处于压缩行程终了，在上止点位置时的受力状况即可。
曲轴所受到的最大压缩载荷在膨胀冲程上止点
F气体+ F往复+ F旋转 =38940.48N
曲轴所受到的最大拉伸载荷在进气冲程开始的上止点
= F往复+ F旋转 =7217.52N
5. 分析计算
(1)建立曲轴的三维模型见图2
图2 曲轴的三维模型
(2)定义单元属性：本文选择第二类单元，10节点的solid92，此单元由十个点定义每个节点有三个自由度节点x 、y 和z 方向位移。
并且单元有可塑性、蠕动、膨胀、应力刚化、大变形和大张力的能力。
(3)划分网格、定义边界条件、在连杆轴颈上施加载荷、推算出第三缸爆破时各个连杆轴颈的载荷见表2;施加了载荷、约束的曲轴见图3.
表2 第三缸爆破时各个连杆轴颈的载荷
图3 施加载荷、约束的曲轴
(4)分析结果：曲轴的变形形状图见图4;
图4曲轴的变形形状图
曲轴位移分布等值线图见图5;
图5 曲轴位移分布等值线图
应变分析：最大变形位于第三连杆轴颈与曲柄的圆角过渡处，其最大值为0.534mm。
应力分析 ：应力集中部位在曲柄臂与主轴颈，曲柄臂与连杆轴颈的过渡圆角处，这与实际情况相符合，这些地方连接处的过渡圆角，以及轴颈油孔边缘是应力集中最为严重的部位，是曲轴产生疲劳断裂最危险的部位。
强度校核：曲轴静强度安全系数校核 ， 式中 为材料的强度极限，该材料的强度极限为980MPa; 是曲轴危险部分的最大应力，根据曲轴应力分布等值线图，可得到最大应力202 MPa。
所以n =4.85。
通常发动机曲轴安全系数[n] ≧2-3，所以强度安全系数在许用范围内，曲轴的强度满足要求。
曲轴疲劳强度安全系数校核
=85.25MPa， =116.75 MPa。
各个参数如下： =760.2 MPa， ， ， ，
将上述数据代入公式中得到nσ=5.32。
所以该曲轴的疲劳强度满足要求。
6 结论：通过ANSYS分析，应力集中部位在曲柄臂与主轴颈，曲柄臂与连杆轴颈的过渡圆角处，这与实际情况相符合，这些地方连接处的过渡圆角，以及轴颈油孔边缘是应力集中最为严重的部位，是曲轴产生疲劳断裂最危险的部位。
曲轴最大等效应力远低于曲轴材料屈服强度,曲轴疲劳安全系数满足曲轴设计要求。
机电一体化论文二
摘要：随着经济的发展，机电一体化技术也得到了快速发展,而机电一体化在工程机械中的应用与发展也促进了工程机械的不断进步。
本文主要对机电一体化技术以及其在工程机械中的应用与发展进行了分析研究。
关键词：工程机械 机电一体化技术 应用 发展
引言
随着科学技术以及新兴科技突飞猛进的发展，极大地促进了学科之间的相互渗透、融合，同时也促进了工程建设领域的革新与创新。
目前，机电一体化已经渐渐成为一种独立的技术，在各行各业都有不同程度的应用。
尤其是科学技术的发展，在很大程度上促进了机电一体化的进步与创新，并且在工程机械中得到了很好的应用。
积极地采用机电一体化，将机械、电子技术和液压技术进行了有效的结合，大大地提高了机械的多种功能，
比如说，动力性能提升，燃油的经济效益提高，安全性和可靠性大增，操作的精准度和舒适度都大幅度提高，机械的使用寿命也随之延长。
所以，研究工程机械机电一体化的应用与发展有着重大意义。
一、机电一体化技术的概述
机电一体化就是综合地运用机械、计算机、微电子、电力电子、光学、接口等技术，对各个功能进行合理的配置，从而实现了高质量、多功能、低能耗的价值和功能。
机电一体化也称之为机械电子学,属于一门新兴的边缘综合科学, 机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、控制技术和
精密机械技术有机结合，并综合应用到实际中去的综合技术。
主要是通过微电子技术的应用,把微电子技术引进到相关的动力功能、机械主功能、控制功能等方面,在软件方面能够使得机械装置与电子装置相互进行有机结合而形成有效的系统。
而随着科学技术的发展，机电一体化技术也得到了快速发展，并且处于不断创新与进步之中。
机电一体化技术逐渐走向了高智能化、微型化、网络化、个性化和绿色化的趋势。
而机电一体化技术在工程机械中的应用,能够使得各种性能方面都得以明显改善,比如操作舒适性能够得以有效提高;机械能耗能有效大幅度降低,明显提高机械功效。
可靠性不断提高;不断提高相应的作业精度和作业效率。
二、工程机械机电一体化技术的应用
机电一体化技术具有广阔的发展前景和极高的应用价值，尤其是在工程机械中的应用更具广泛性和有效性，机电一体化技术在工程机械中的应用主要表现在以下几个方面：
1、机电一体化技术的在工程机械提高生产效率、节能降耗方面的应用
在传统的工程机械中，能量的充分利用率和使用率比较低。
比如说，液压挖掘机其燃料的充分利用率仅仅占了30%，剩下的70%左右的能量都被浪费了。
在能源资源高度紧张的今天，迫使机械工程的发展必须向着“节能降耗”的方向发展。
比如说，小松公司生产的挖掘机能够很好地达到节能降耗的目的，大约可以节省23%的燃料，最主要的原因就是新型的控制节能器的采用。
日立公司生产的挖掘机，采用了“卡特电子效率”节能控制体系，通过对泵以及发动机的综合、全面控制，大大提高了利用率，其能量利用率能够达到98%左右，生产率也相应地得到了大幅度的提升。
所以说工程机械中电子节能控制器的运用，大幅度提高挖掘机等大型工程机械设备的能量利用率，一定程度上发挥到了节能的作用。
电子节能控制器操作比较简单，对机械的磨损也相对减少，从而提高了工作的效率。
2、在自动化以及半自动化的作业全过程中的应用
工程机械全面地实现作业自动化以及半自动化水平，可以有效地降低操作人员的劳动强度，有效地提高生产效率，大大减少了因为操作人员的经验不足或技术不到位对于操作精度的影响。
比如说，三菱公司设计生产的挖掘机，有控制挖掘机轨迹系统的功能，相关的操作人员在控制板上将铲斗的运动形状和运动轨迹设定好之后，
相应的微机操作系统就会根据不同角度的传感器发出的信号，对动臂、铲刀和斗杆的运动进行自动的控制，从而实现多种特定断面沟槽、开口和斜坡的精准挖掘，有效地实现了挖掘操作的自动化水平。
3、在控制柴油机上的应用
要想进一步深入发展柴油机技术, 应该要解决发动机排放质量与最低油耗间的矛盾。
在电子技术发展十分迅速的今天,采用电子节能液压泵系统能够有效减小能耗, 还能自动控制冷风扇的转速随温度的变化, 这样的条件下, 电子控制自动变速,
还包括根据负荷条件自动调节柴油机油门等内容都能得以实现, 能够使得在各种变工况下的柴油机,在满足经济指标和排放指标的最佳喷油时间的同时, 能够实现净化排气、节约能源、提高效率。
4、机械操作的自动化能够降低劳动强度
在工程机械施工操作中引入机电一体化实现操作的自动化或者半自动化，这样大大降低了劳动强度，提高了工作效率，并且大大减少了因为操作者工作经验不足而造成的作业精度的影响。
5、在工程作业精确度方面的应用
在工程机械设备中使用电子控制系统可以将称量的过程自动化，对称量系统实现微机控制，使得称量更加精确。
自动找平装置的应用，大大提高了混凝土沥青摊铺机的工作效率和施工质量。
自动供料系统(超声波技术)的应用，完美地完成了混凝土沥青摊铺机对于供料的自动调节，全面提升了摊铺的效果和质量。
与此同时，铲运机铲斗刀、平地机刮刀以及推土机铲刀的电子化操作控制，减少了误差，提高了工作效率，同时还节约了人力，降低了施工人员的工作强度，高效、快捷，符合现代工程施工的要求。
6、电子监控、故障自诊以及自动报警
电子监控、故障自诊以及自动报警，也就是说对于工程机械的工作装置，传动系统、发动机、液压系统以及制动系统进行全面的监控，一旦在运行的过程中发生异常情况，就会自动地找出故障的位置并自动进行报警提示。
机电一体化的发展和应用，大大地改善了操作人员的现实工作条件，全面提高了机械设备的工作效率。
与此同时，简化了机械设备检查和维护的工作，相应地减少了维修费用，大大降低了维修停机的时间，对于提高机械设备的使用寿命有很大的作用和意义。
三、工程机械机电一体化技术的发展
1、传感技术的融合
目前,传感器技术在现代工程机械上应用较为广泛,比如,发动机可以通过机油压
力传感器、冷却水温度传感器等来进行发动机的运转状态的检测和控制;
沥青摊铺机上的传感器能够实现摊铺机在工作时实现自动找平且行走速度不变的特点,还能满足摊铺出来预定的平整度、坡度和厚度的路面的要求。
在感器技术的迅猛发展的今天,精度要求越来越高,可靠性和稳定性也能不断提高,越来越广的采集信息范围也超着集成、多功能化和智能化方向发展,所以,未来在工程机械上将应用越来越多种类的传感器。
2、工程机械机电一体化趋于计算机与信息处理技术的应用
计算机是实现信息处理的主体, 信息处理技术包括范围应用比较广, 主要包括
信息的输入、识别、运算、变换、存储及输出等等方面。
计算机技术范围涉及到网络与通信技术、硬件和软件技术、数据库技术等等方面。
要想工程机械机电一体化技术发展不断进步, 应该大力发展计算机应用及信息处理技术。
3、电子控制理论的指导性增强
工程机械现代化的重要标志就是以微电子为核心的高新技术, 通过其应用和推广,在相关控制理论指导下,能够满足系统智能化设计的要求,完成相关的设计后的系统仿真等等。
结束语
综上所述，机电一体化在工程机械中的应用发展是当前机械工业发展必然的趋势，也是振兴和发展机械工业的必经之路。
随着科学技术的不断发展,工程机械机电一体化还会有着更多的创新与发展,未来工程机械机电一体化技术的应用将会融合机、电、光以及磁的综合性能，更好地促进工程机械的发展。
参考文献：
[1]张彬. 论机电一体化技术在现代工程机械中的应用与发展[J]. 现代商贸工业,2012,05:180.
[2]申宁,李国铭. 论机电一体化的发展及在工程机械中的应用[J]. 企业技术开发,2012,32:90-91.
[3]史凤兰. 机电一体化技术在工程机械中的应用[J]. 科技致富向导,2010,30:206-207.
[4]冷俊.机电一体化在工程机械中的应用[J].科技资讯,2009(07).
机电一体化论文三
【摘要】：为保证电力系统的安全运行，国内的大型机组均使用电液调节系统进行控制，实现转速控制、同步并网、负荷控制等功能。
本文以电厂300MW机组使用的上海汽轮机有限责任公司生产的汽轮机为例，介绍其系统机构、调试要点和实现功能。
【关键词】：300MW机组;电液调节系统;控制;调试
近年来，300MW机组在我国得到了广泛的应用。
为保证电力系统的安全运行，国内的大型机组均使用电液调节系统进行控制，实现转速控制、同步并网、负荷控制等能。
改变了系统的适应性和灵活性，提高了控制能力和控制效果，大大提高了发电机组的自动化水平[1]。
本文以电厂300MW机组使用的上海汽轮机有限责任公司生产的汽轮机为例，介绍其系统机构、调试要点和实现功能。
1、系统简介
该电厂的机组热控系统采用上海新华控制工程有限公司提供的Symphony系统，是一套集计算机、自动控制技术、数据库和网络为一体的产品，
具有独立的分散控制系统、监控技术及数据采集系统、控制系统，能够满足各个生产领域对信息管理和过程控制的需求。
系统采用合理的软、硬件功能配置和模块化设计，具有易于扩展的能力，将离线和在线调试集中于一体，便于调试及修改，设备的各个控制相对对立。
由高速数据网、DPU以及连接在网上的人机接口站组成，采用开放式的系统结构，设计了冗余TCP/IP网络结点在不同类型的站。
其中，汽轮机系统的功能模件组成了一个过程控制单元，，包括汽机基本控制、超速保护和汽机自启停3个功能，并分别由3个冗余的功能控制器和相应的功能子模件完成。
其硬件配置图如下：
图一 汽轮机硬件配置
机组的汽轮机电液调节系统操作员站是基于WindowsNT(2000)环境下的人机系统，具有界面友好、操作方便的特点。
共设置了包括总貌、趋势、棒图、操作面板、报警信息等11幅画面，为运行人员提供了方便的操作手段，通过监控画面实施检测汽轮机的运行。
2、控制功能
汽轮机电液调节系统的控制功能由3对冗余的BRCl00控制器实现，主要控制汽轮机的转速和功率，通过GV、TV、RSV和 IV实现，同时还具备防止汽机超速的保护逻辑。
主要功能包括超速保护、基本控制和自启停，3部分之间既相互独立，又通过对总线的控制交换控制信息。
2.1 超速保护
这部分的作用主要是超保护逻辑、DEH跳闸逻辑及超速试验选择逻辑、提供有开关状态及汽机自动停机挂闸状态三选二、转速三选二，控制着OPC电磁阀，，并汇总DEH跳闸信号通过接线将其送到ETS[2]。
能够有效防止汽轮机的转速飞快上升，维持转速在3000r/min。
超速实验必须在大于2950 r/min的定速3000 r/min、油开关未合闸的情况下进行。
2.2 基本控制部分
基本控制部分是汽轮机电液调节系统的核心，它提供与转速及复合相关的控制逻辑、调节回路，
通过一对冗余的BRC100实现所有伺服阀接口和闭环控制的PID调节器。
此外，还包括自动控制的其他功能，如限制设定、阀门管理、阀门设定、阀门试验、阀门切换、设定值/变化率发生器等。
2.2.1 转速控制
该电厂使用的汽轮机包括高压缸启动和高中压缸启动两种启动方式。
由TV控制冲转高压缸启动，当汽机挂闸后，阀门未处于校验状态，运行人员可以发出用户RUN命令，这时TV保持关闭，GV、IV全开。
这个命令相当于开机指令，它的发出意味着冲转开始，汽机运行期间始终保持RUN命令，当汽机重新跳闸才能将其清除掉。
根据DEH的画面，运行人员可以设定升速率和目标转速，当转速给定等于目标值时，程序会自动进入HOLD状态，等待运行人员重新发出新的目标值。
在汽轮机升速的过程中，除了临界区外，运行人员可以随时发出HOLD命令，这个时候，转速给定与实际转速相等，汽机会停止继续升速，持当前转速[3]。
为保证汽机安全通过临界区，转速在920~2000 r/min、2120~2820 r/min时，进入临界区，自动设置升速率为500 r/min。
工程师站可在线修改转速的临界区范围。
2.2.2 负荷控制
包括开环和闭环两种负荷控制的方式。
开环方式需要运行人员随时注意实际负荷的变化，当前前蒸汽参数和V阀门流量曲线决定了目标负荷和实际负荷的近似程度;
闭环是指控制过程中引入发电机调节级压力反馈或有功功率反馈，这时的汽机GV受调解级压力PID或负荷PID的控制调节。
刚投入发电功率闭环，为保证功率闭环投时无其他顾虑，应采用负荷给定和目标负荷跟踪当前实际负荷，可根据需要设定升负荷率和符合目标值。
待锅炉自 动燃烧后，汽轮机电液调节系统可转入锅炉自动方式。
负荷控制的主要功能包括主蒸汽压力限制或保护、负荷限制、阀位限制、频率校正、单阀/顺序阀切换、阀门试验和阀门校验等功能。
主蒸汽的压力限制功能指当机前压力降低至保护限值以下时，GV将以0.1%/s的速率关闭，直到机前压力恢复到限值之上0.07MPa;
气压保护功能主要用于在单元制机组的锅炉异常运行时，用以恢复稳定燃烧，有助于防止锅炉发生灭火事故[4]。
负荷限制包括高负荷限制和低负荷限制两种;阀位的限制功能允许机组运行人员设定平均阀位的最大值，当平均阀位的最大值超过这个限制会报警。
2.2.3 自动带初负荷
当时主蒸汽的压力决定了初负荷的实际大小，因此应引入主蒸汽压力进行修正，主蒸汽压力低时阀门开度较大，高时阀门开度小，可由工程师站在线修改。
2.3 自启停功能
这部分以转子的应力计算为基础，具有监视和控制两种功能，由一对冗余的BRC100完成。
控制并监视汽轮机运行的全过程，包括盘车、升速、带负荷、并网等。
升速过程中，汽轮机自启停根据转子的应力结算结果确定机组的状态，并给出推荐的升速率和目标转速;监视方式局限于报警或相关提示。
转子应力关系着汽轮机的使用寿命，300MW汽轮机的推荐使用寿命统称为10000次循环曲线。
汽轮机电液调节系统设计了HEAVY、MEDIUM和NORMAL循环对应的许用应力，分别为3000次、5000次、10000次，使其具有不同的转速和负荷变化率。
根据计算结果和选择的许用应力，系统ATC程序还可计算出月转子寿命消耗值、年转子寿命消耗值及转子寿命总消耗值。
3、小结
该电厂的300MW机组汽轮机数字电液调节系统自投入运行以来，控制逻辑设计满足了工艺流程的要求，硬件动作可靠，
具有良好的组态性能和正常的系统通讯功能，满足了300MW机组汽轮机的控制要求。
【参考文献】：
[1] 陈新安.变频技术在300 MW机组燃煤发电机组锅炉供油系统中的应用研究[D].浙江大学硕士学位论文,2006.
[2] 王丽珍. 汽轮机数字式电液调节系统的研究[D]. 太原理工大学硕士学位论文,2007.
[3 王颖,王印松,李中华. 300MW汽轮机调速系统模型与非线性分析[J]. 仪器仪表用户, 2006,13(5):88-89.
[4] 李音. 汽轮机DEH系统建模与仿真组态平台研究与开发[J]. 华中科技大学硕士学位论文,2007.
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