农业机械电力拖动试验test of electric drive for agricultural machines

获取农业机械的拖动参数的方法。用以分析农业机械电力拖动的工作条件，正确选择电动机，保证拖动系统具有良好的动力性能。获取农业机械的启步转矩、空载机械特性、空载损耗特性、运动系统的惯性矩、启动加速时间及负载图等，是实现机电设备的合理配套及提高用电设备的使用技术水平的科学基础。
确定农业机械的启步转矩 启步转矩M_m.st是为了使农业机械由静止状态拖动至运动状态，必须克服其拖动轴上的阻转矩。它是校核所选电动机启动转矩所必需的重要参数，电动机在额定电压下，启动转矩须满足：

K_u²·M_st≥M_m.st+0.25M_N (1)

式中 K_u＝U/U_N为电动机启动时的相对端电压，U_N为额定电压（伏）,U为实际电压（伏）;M_N为电动机的额定转矩(牛·米)。
启步转矩的大小，主要取决于生产机械运动副的摩擦阻力，且与生产机械的技术状态、装配质量、轴承润滑状况、工作机构中残存加工产品的程度等因素有关。由于生产机械零件间静态摩擦系数通常大于动态摩擦系数，所以生产机械的启步转矩大于启动后的阻转矩值。
生产机械拖动轴的启步转矩可以简便的方法测定(图1)。测定时读取n次数值后取其平均值，再由图中公式计算求得，式中M_R为由杠杆自身所形成的转矩。

图1 生产机械启步转矩的测定

1.生产机械的拖动轴；2.绳索；3.重物；4.杠杆；5.拉力计

绘制生产机械的机械特性 生产机械的机械特性M_jm＝f(ω_m)是用以评价生产机械的启动条件和其拖动电动机的工作状况的。求取的方法可有以下几种：
利用经标定的直流他激电动机绘制 “标定”即要对拖动电动机进行损耗分析，测得其电枢电阻，并在保持激磁电流的条件下，测得不同转速时的空载损耗，且给出其铁损及机械损耗曲线。绘制生产机械的机械特性时，该机械由此标定的电动机拖动，使之以不同角速度(从0至1或1.1ω_MN,ω_MN为生产机械的额定角速度)旋转。试验中记录电枢电压Ua、电流Ia及角速度ωa。
生产机械在每一转速下的阻转矩M_jm为：

M_jm＝M_d-M_NL (2)

式中 M_d为直流电动机的电磁转矩(牛·米);M_NL为直流电动机的空载转矩(牛·米),M_NL＝C·I_a.NL,I_aNL为直流机的空载电枢电流（安）, C为常数， 可自直流机的空载试验求得。根据公式计算出在不同角速度下的生产机械的阻转矩， 便可绘制其机械特性。
利用惯性运动曲线绘制 当拖动电动机在运转情况下，切断电源时，生产机械在运动系统的惯性作用下继续转动，待其储存的动能在克服系统旋转功率损失中消耗殆尽，生产机械遂停止，这个过程就是惯性运动过程，亦称为自制动过程。可在电动机的同轴上接装一台直流测速发电机，其电势正比于转速，以自记式伏特计在切断电源后， 记录发电机的端电压， 因端电压是与生产机械的角速度ω_m相对应的， 于是可绘制惯性运动曲线ω_m＝f(t), 如图2, 并根据此曲线绘出ξ =dω_m/dt=f (t)。

图2 惯性运动曲线

因惯性运动方程为：

-M_jm＝J(dω_m/dt)=J·ξ (3)

于是在已知生产机械的惯性矩J，并选定适当的比例常数，根据ξ=f (t)得到的ξ=f(ω_m)曲线，就是生产机械的机械特性M_jm＝f(ω_m)，如图3。式(3)中的M_jm是因生产机械而异的，如为恒定、线性、风机型等。

图3 生产机械的机械特性

绘制生产机械的空载特性 生产机械仍由标定的直流电动机拖动，试验前要经半小时试运转，然后在保持电动机的激磁电流恒定的条件下，均匀调节其转速，在不同转速下测定电动机的端电压和电枢电流，然后计算空载损耗及空载阻转矩：

P_NL＝U_T·I_a-△p=U_T·I_a

-〔I²_a·R_a+(△p_Mex+△p_Fe)+△p_d〕 (4)

M_jNL＝9550(P_NL/_nNL) (5)

式中 P_NL为电动机的空载损耗，即生产机械在空载时所需的功率（瓦）;U_T为电动机在不同转速下的端电压（伏）;I_a为与U_T相应的电枢电流（安）;△p为电动机在对应不同转速下的总损耗（瓦），其中包括：I²_a·R_a为电动机的电枢电路铜损耗（瓦）;△p_Mex+△p_Fe为电动机在对应的转速及激磁电流下的机械损耗及铁损耗之和（瓦）;△p_d为附加损耗（瓦）;M_jNL为生产机械的空载组转矩(牛·米);n_NL为与PNL相对应的转速(转/分)。

图4 生产机械的空载特性

根据试验数据经计算，可绘制生产机械的空载特性，如图4所示。对于复杂的农业机械，尚需测定个别工作机构的空载特性，可由生产机械整体的空载特性减去断开该工作机构时测得的空载特性，求出该工作机构所消耗的功率及其阻转矩。
确定生产机械的惯性矩 生产机械的惯性矩指折合到电动机轴上的惯性矩，确定的方法有以下几种：
飞轮阻尼旋转法 先要选定两个具有相同质量与形状的附加飞轮，它们的惯性矩分别为J_1g与J_2g，为确定生产机械的惯性矩，将它们分两次装在工作机械上，作两次惯性运动试验。试验时保证机组的空载阻转矩变化规划相同。电动机切断电源(M_d＝0)，即进入惯性运动，此时拖动运动方程为：

-M_mj＝(J_M+J_d+J_g) (dω/dt) (6)

式中 M_mj为拖动系统的静阻转矩(牛·米);J_M为折合至电动机轴上的生产机械惯性矩(千克·平方米);J_d为拖动电动机的惯性矩(千克·平方米);J_g为折合至电动机轴上的附加飞轮惯性矩(千克·平方米);ω为电动机的角速度(1/秒);t为惯性运动时间（秒）。
当拖动生产机械分别带有第一个和第二个附加飞轮时，电动机转速从起始ω₁至全部停止，测得拖动惯性运动时间为t₁及t₂。于是可得：

即可得生产机械的惯性矩为：

J_M＝J_a-J_d (8)

式中 J_a为全机组的惯性矩。
重物降落法 在生产机械的驱动轮(半径为R米)上缠绕绳索，绳索的自由端系以重物，为了确定生产机械的惯性矩，也要作两次加速试验，试验时所系重物质量分别为m₁及m₂，以产生大于阻转矩的恒定转矩(图5)。
试验时，放开重物，使在h距离内获得加速，两次试验相同，分别记录所需时间t₁及t₂。重物加速为：

a₁＝2h/t₁²;a₁＝2h/t₂²

机械回转部分折算为直线运动的质量（千克）为：

m_x＝[m₂(g-a₂)-m₁(g-a₁)]/(a₂-a₁) (9)

生产机械的惯性矩即为：

J_x＝m_x·R² (10)

图5 重物降落法

1.驱动轮；2.绳索；3.重物

自制动法 这是一种利用惯性运动曲线求取生产机械的惯性矩的方法。

图6 惯性矩计算图（切线法）

❶切线法。在生产条件下，一般用鼠笼型异步电动机拖动，获得空载损耗特性是有困难的，可采用这种近似方法确定惯性矩。在惯性运动曲线(图6)上选A点，过A点作曲线的切线AC,△t=t₂-t₁＝BC。制动转矩恒定下，生产机械转速从额定降至零所经历的时间为惯性运动时间。A点储存的动能为如制动转矩不变，生产机械于t₂停止，△t即惯性运动时间，此时间内的机械损耗为P_j·△t/2,P_j为生产机组的机械损耗。因此机组的惯性矩为：

式中 为生产机械的阻转矩(牛·米)。
为了提高试验结果的可信度，要在惯性运动曲线上选择几个点，求取平均值。在没有生产机械的机械特性时，损耗P_j可根据异步机相对于起始角速度ω_s的轴功率P₂求得。

图7 惯性矩计算图（面积法）

❷面积法。利用惯性运动曲线及机组空载损耗曲线建立惯性运动试验的损耗特性P_NL＝ψ(t)，如图7所示。从角速度ω₁至ω₂自制动时机组所储存的动能为：

此动能即消耗于克服机械损耗上，该损耗与损耗特性曲线和坐标轴所限定的面积（图中阴影部分）S成正比。因此

式中 ω₁为惯性运动试验开始时的角速度(1/秒);ω₂为惯性运动试验终了时的角速度(1/秒);S为面积（平方毫米）;m_p为功率轴的比例常数(瓦/毫米);m_t为时间轴的比例常数(秒/毫米)。
惯性矩以GD²表示时，角速度须换算为转速，则

生产机械的惯性矩即为

式中 J_d、GD_d²为电动机的惯性矩(千克·平方米或牛·平方米)。
生产机械电力拖动的启动时间 在选择拖动形式和电动机功率时，此启动时间有很大意义，在生产机械需要经常启动，如系统具有较大的飞轮惯性矩，即GD_M²比较大时，启动时间就要加长，这样会引起电动机的个别部件发热，甚至破坏启动及保护装置的正常工作。此时间可用记录仪表求取，但求得的只是约略值，因此常用分析法求取。其计算公式为：

式中 M_u＝M_D-M_mj′为剩余转矩，即使电动机产生加速的转矩(牛·米);Mm^j′为生产机械折合到电动机轴上的转矩(牛·米);M_D为电动机轴所供转矩(牛·米);N_D为电动机在额定负载下的转速(转/分);n_j为生产机械的转速(转/分)。
以上计算亦可由作图法求得t_Mst，即首先作出电动机的机械特性M_D＝f(n)及生产机械空载特性M_mj′=f(n)，二者相减可得Mu=f(n)，在已知GD_M²的情况下，可按

绘出曲线，该曲线在n-nN速度限内，与坐标轴所限定的面积S_t即正比于t_Mst。
电力拖动负载图与启动时间的获取 生产机械及拖动电动机的负载图包括：M_mj＝f₁ (t)、P_j＝f₂(t)、M_D＝₁(t)、P_D＝₂(t)、I_D＝₃(t)，是选择拖动电动机功率及确定其工作状况所必需。
M_mj＝f(t)可用自记测力计测定。为了测定机组的电参数，皆应以自记仪表或示波器记录，亦可根据测量需要设计专用或通用试验装置。
当负载不变时，测取负载特性可借助于直流或交流电动机，测得其输入功率后减去电机的损耗即可获得；对于具有变化特性的负载图，且负载不均匀系数不大时，可以上述方法测得负载的平均值，作为确定生产机械需用功率的依据；对于负载变化较大的情况，应利用相适应的记录仪器，直接记录负载变化规律。
负载变化的平均周期T及负载转矩变化的不均匀度δ=(M_max-M_min)/M_aver是负载图的最主要指标，M_max、Mmin为负载图的最大及最小转矩，Ma_ver为负载图平均转矩。于测量中采用一般的通用仪器时，根据T及δ可参照下表选用。

测量仪器选择

仪器的种类	仪器的适用范围		附 注
	δ	T（秒）
1. 指示式仪表			直读式主要测均值
Ⅰ级直流电压、电流表 二瓦特表法测功率	<0.1 <0.1	任 意 任 意
2. 自记式瓦特表 3. 液压式自记测力仪 4. 示波器	<0.3 任 意 任 意	>1 0.3 0.02