Методы повышения экономичности машин

Н.Н. Барбашов, И.В. Леонов

Методы повышения 
экономичности машин

Учебное пособие

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

УДК 621.01(075.8) 
ББК 34.41.073и73
Б24

Б24
Барбашов, Н. Н.
Методы повышения экономичности машин : учебное пособие / Н. Н. Барбашов, И. В. Леонов. — Москва : Издательство 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. — 71, [3] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-5266-8

Изложены методы проектирования машин и механизмов на основе формирования целевых функций в виде критериев оптимальности, 
таких как расход энергии, габаритные размеры, время разгона машин. 
Акцентировано внимание на методах повышения экономичности машин с рекуперацией энергии торможения. В каждом разделе пособия 
приведены вопросы для самоконтроля.
Для самостоятельной проработки студентами, обучающимися по 
направлениям подготовки «Инженерный бизнес и менеджмент», «Машиностроительные технологии», дисциплин «Теория механизмов и машин», «Основы проектно-конструкторской деятельности».

                                                                       УДК 621.01(075.8)
                                                                               ББК 34.41.073и73

 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019

 
© Оформление. Издательство

ISBN 978-5-7038-5266-8                                           МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019

Издание доступно в электронном виде по адресу 
bmstu.press/catalog/item/6284/

Факультет «Робототехника и комплексная автоматизация»
Кафедра «Теория механизмов и машин»

Рекомендовано Научно-методическим советом 
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

Рецензент
д-р техн. наук, проф. В.А. Марков

Предисловие

Учебное пособие подготовлено в виде курса лекций для самостоятельной проработки студентами, обучающимися по направлениям подготовки «Инженерный бизнес и менеджмент», «Машиностроительные технологии», дисциплин «Теория механизмов 
и машин» и «Основы проектно-конструкторской деятельности», 
входящих в образовательную программу бакалавриата.
Цель изучения дисциплин — формирование знаний о современных методах проектирования машин и механизмов на основе целевых функций в виде критериев оптимальности, таких как расход энергии, габаритные размеры, время разгона машин.
Для достижения поставленных целей в пособии представлено решение задач по определению параметров и характеристик 
машин, влияющих на их производительность, надежность и экономичность, таких как цикловой КПД машины, оптимальное передаточное отношение передаточного механизма, и др.
После изучения дисциплин студенты овладеют базовыми знаниями о методах проектирования, а также практическими навыками проектирования машин с рекуперацией энергии.
Методика проработки и освоения материала пособия. Пособие 
построено по модульному принципу. Каждый модуль представляет собой логически завершенный раздел курса. Планируемые 
результаты обучения заданы программами дисциплин. Достижение этих результатов оценивается при текущем или промежуточном контроле. 
Для достижения положительного результата необходимо предварительное освоение следующих дисциплин: «Иностранный 
язык» («Профессиональная и научная терминология»), «Математический анализ» («Дифференциальное исчисление»), «Аналитическая геометрия», «Векторная алгебра», «Матрицы и системы 
линейных алгебраических уравнений», «Интегралы и дифференциальные уравнения», «Линейная алгебра и функции многих переменных», «Информатика», «Теоретическая механика».

Принятые сокращения 

ДВС 
— двигатель внутреннего сгорания

КПД — коэффициент полезного действия
МА 
— машинный агрегат

ПТМ — подъемно-транспортная машина
РМ 
— рабочая машина 

СА 
— силовой агрегат

САРС — система автоматического регулирования скорости 

Введение

Значительную часть времени современные машины работают 
на неустановившихся режимах, которые характеризуются изменением скоростей движения и нагрузок. Отклонения скоростей 
движения и нагрузок от расчетных значений вызывают увеличение расхода энергии и, соответственно, снижение экономичности. Еще одной причиной роста потерь энергии являются процессы принудительного торможения машин.
Общий метод повышения экономичности машин при работе 
на неустановившихся режимах включает рекуперацию энергии 
торможения и расчет оптимальных для работы на этих режимах 
значений параметров машин. Сложности такого расчета связаны 
с отсутствием в учебной литературе математических моделей в 
виде описания критериев оптимальности машин с рекуперацией 
энергии торможения. 
При ранжировании критериев оптимальности следует прежде 
всего остановиться на выборе оптимальных параметров по двум 
основным критериям: динамичности и экономичности. В качестве критерия динамичности издавна использовалось время переходного процесса машины, например время разгона. В качестве 
критерия экономичности расхода энергии использовался КПД 
машины. На установившихся режимах существует однозначная 
связь между удельным расходом энергии и КПД. Однако на переходных режимах связь динамических и экономических качеств 
не является однозначной, так как современные машины оснащаются системами рекуперации энергии торможения, повышающей экономичность на переходных режимах работы. 
Большинство предъявляемых к машине требований касается 
ее производительности, надежности и экономичности. Однако 
учесть эти требования на ранней стадии проектирования очень 
трудно вследствие противоречивости критериев динамичности 
и экономичности. За основу механической теории энергосбережения взят циклически повторяющийся неустановившийся режим работы машины разгон–торможение. Для описания потери 
работы и кинетической энергии в цикле разгон–торможение на 
основе анализа уравнения энергетического баланса машины, а 
также с учетом возможности рекуперации энергии при торможении было выведено общее уравнение циклового КПД машины. 
На этой основе предложены универсальные рекомендации по 

выбору мощности двигателей, передаточного отношения механизмов, момента переключения с разгона на торможение, характеристик агрегатов рекуперации энергии и других параметров машинного агрегата (МА).
Основные динамические и экономические качества МА, состоящего из рабочей машины, двигателя и передаточного механизма, закладываются в процессе проектирования при выборе 
мощности и производительности. Последующие расчеты по критериям прочности и долговечности, как правило, не влияют на 
динамические качества МА и расход энергии при эксплуатации, 
если не происходит значительного увеличения подвижных масс. 
На экономические качества МА оказывает влияние ряд факторов, таких как КПД рабочей машины, двигателя и передаточного механизма. Первым условием возможности повышения 
экономичности машин в процессе проектирования является выбор экономичных двигателя и рабочей машины. Однако это условие является необходимым, но недостаточным, выполнение его 
обеспечивает только потенциальную возможность повышения 
экономичности МА. Для практической реализации этой возможности необходимо совместить экономичные режимы двигателя 
и рабочей машины, согласовав их характеристики путем выбора 
оптимального передаточного отношения передаточного механизма.
Как правило, повышение экономичности машин может быть 
достигнуто выбором оптимальной номинальной мощности двигателя, оптимального передаточного отношения передаточного 
механизма, рекуперацией энергии торможения и с помощью разгружающих устройств, перераспределяющих работу сил в цикле 
движения.
В пособии рассмотрена созданная на основе энергетической 
(часто называемой динамической) модели машины методика 
проектирования по критериям динамичности и экономичности, 
которая позволяет связать разрозненные до настоящего времени 
вопросы проектирования единой теорией.

1. НЕУСТАНОВИВШИЙСЯ РЕЖИМ 
ДВИЖЕНИЯ МАШИНЫ И ЕГО ПОКАЗАТЕЛИ 

1.1. Энергетический анализ машины и понятие о КПД

Уравнение сохранения энергии для произвольного момента 
времени можно записать в виде алгебраической суммы модулей 
мощностей сил, действующих в МА:

Wдв – Wпол – Wпот – Wрек ± Wупр ± WG ± Wин = 0,          (1.1)

где Wдв — мощность, развиваемая двигателями МА; Wпол — 
мощность сил полезного сопротивления; Wпот — мощность 
сил вредного сопротивления, в том числе сил трения (потери); 
Wрек — мгновенная мощность аккумулирующих устройств, позволяющих рекуперировать (запасать) энергию сил торможения; 
Wупр — мощность, затрачиваемая на упругую деформацию звеньев; WG — мощность сил тяжести звеньев; Wин — мощность сил 
инерции (кинетическая или избыточная); WG + Wин — потенциальная мощность.
Знаки перед членами уравнения энергетического балан- 
са (1.1) выбраны с учетом физического смысла: знак плюс стоит 
перед мощностью двигателя, увеличение которой вызывает возрастание скорости; знак минус стоит перед мощностью сопротивлений, увеличение которых вызывает снижение скорости. 
Члены уравнения энергетического баланса Wупр, WG, Wин 
могут иметь как положительное, так и отрицательное значение 
в разные моменты времени, т. е. могут суммироваться с мощностью двигателя или вычитаться из значения мощности при 
торможении. Силы, всегда действующие против направления 
вектора скорости, увеличение которых вызывает снижение скорости, называют силами сопротивления. Среди них можно выделить силы полезного сопротивления, для преодоления которых 
предназначена машина (например, силы тяжести в грузоподъемной машине). Эти силы совершают полезную для нас работу. 
Силы трения в кинематических парах механизма, которые действуют против направления вектора скорости, назовем силами 
вредного сопротивления.

Мощность, затрачиваемая на преодоление сил полезного сопротивления Wпол, для произвольного момента времени характеризуется мгновенным КПД:

ηмгн
пол

дв
= W
W
.

Мощность, затрачиваемая на преодоление сил вредного сопротивления, для произвольного момента времени характеризуется мгновенным коэффициентом потерь: 

χ мгн
пот

дв
= W
W
.

Коэффициенты ηмгн и χмгн указывают на мгновенное распределение полезной и рассеиваемой энергии, однако не имеют однозначной связи, так как соотношение между ними может изменяться при изменении других членов уравнения энергетического 
баланса, например за счет рекуперации энергии торможения. 

Контрольные вопросы

1. Какие параметры оценивают при рассмотрении уравнения 
энергетического баланса МА?

2. Чем определяются знаки перед членами уравнения энергетического баланса МА?

3. Может ли значение мгновенного КПД превышать единицу?
4. Каким образом связаны значения КПД и коэффициента потерь энергии?

1.2. Статическая оценка экономических качеств машины

Экономичность МА является одной из важнейших его характеристик. Основные динамические и экономические качества 
МА закладываются в процессе проектирования при выборе таких 
параметров, как тип и мощность двигателя, а также передаточное 
отношение передаточного механизма. Последующие расчеты по 
критериям прочности и долговечности, как правило, не влияют 
на динамические качества и расход энергии МА в процессе эксплуатации, если при этом не происходит значительного увеличения подвижных масс.