機(jī)電一體化在工程機(jī)械中的應(yīng)用及仿真分析

王玉榮

（上海中僑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海201500）

0 引言

機(jī)電一體化技術(shù)交叉融合了多種學(xué)科技術(shù)，如機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、接口技術(shù)等，但并不是各種技術(shù)的簡單疊加，而是根據(jù)現(xiàn)代化生產(chǎn)和生活的需要進(jìn)行融合的一種技術(shù)集成方式。機(jī)電一體化技術(shù)對人們的生活和工作都產(chǎn)生了相對較大的影響，也在很大程度上促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用目標(biāo)主要由兩部分組成，一是要更好地發(fā)揮系統(tǒng)的作用，使系統(tǒng)發(fā)揮出最大的使用價值；二是要有效改善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)物質(zhì)的有效傳遞，實現(xiàn)不同信息的準(zhǔn)確對接。

機(jī)電一體化技術(shù)在應(yīng)用過程中也遇到了較多的麻煩，由于系統(tǒng)的構(gòu)成較為復(fù)雜，如果不能有效地進(jìn)行維護(hù)和管理，很容易出現(xiàn)機(jī)器故障。為了保證機(jī)電一體化技術(shù)在工程機(jī)械中更好地應(yīng)用，除遵從科學(xué)的設(shè)計規(guī)則外，還需要配備專業(yè)的維修工程師進(jìn)行定期保養(yǎng)。

1 機(jī)電一體化在工程機(jī)械中的功能劃分

1.1 優(yōu)化功能

機(jī)電一體化在工程機(jī)械中應(yīng)用的優(yōu)化功能主要體現(xiàn)在提高工程機(jī)械的利用效率方面，在過去使用工程機(jī)械的過程中，總會出現(xiàn)工程任務(wù)量與工程機(jī)械數(shù)量不匹配的現(xiàn)象，若工程任務(wù)較輕松，采購較少的工程機(jī)械設(shè)備就可以滿足要求，一旦工程任務(wù)量加大，工程機(jī)械設(shè)備就無法滿足使用需求，若是購置較多的工程機(jī)械設(shè)備，在工程任務(wù)量較少時，就容易出現(xiàn)機(jī)械設(shè)備閑置的現(xiàn)象。而機(jī)電一體化技術(shù)在工程機(jī)械中的良好應(yīng)用，可以起到科學(xué)合理分配的作用，使整個生產(chǎn)建設(shè)達(dá)到最優(yōu)化分配。

1.2 監(jiān)控功能

機(jī)電一體化在工程機(jī)械中應(yīng)用的監(jiān)控功能主要體現(xiàn)在機(jī)械部分與電氣部分的融合方面，通過對機(jī)電一體化技術(shù)的運(yùn)用，可以清楚地監(jiān)控到機(jī)械設(shè)備在工作過程中的使用情況，能夠及時發(fā)現(xiàn)機(jī)械故障、產(chǎn)品損壞、生產(chǎn)效率降低等各種問題，并及時報告給作業(yè)人員，保證工程機(jī)械設(shè)備的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.3 作業(yè)功能

機(jī)電一體化在工程機(jī)械中應(yīng)用的作業(yè)功能主要體現(xiàn)在工作質(zhì)量方面，工程機(jī)械的顯著特點就是對作業(yè)精準(zhǔn)度的要求過高，一旦無法保證機(jī)械設(shè)備的作業(yè)精準(zhǔn)度，就很難生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，而機(jī)電一體化技術(shù)由于具有強(qiáng)大的計算機(jī)控制技術(shù)，能夠有效解決工程機(jī)械精準(zhǔn)度不高的問題。

2 機(jī)電一體化工程機(jī)械的有限元仿真分析

2.1 模型的建立

機(jī)電一體化技術(shù)融合交叉多種學(xué)科技術(shù)，本文主要以工程機(jī)械電氣控制板為研究對象，分析機(jī)械結(jié)構(gòu)對電氣控制板發(fā)熱率和工作可靠性的影響。為了有效節(jié)約計算機(jī)的運(yùn)行空間，在能較為真實反映電氣控制板主要元件發(fā)熱情況的前提下，對電氣控制板進(jìn)行了簡化處理，然后通過SolidWorks繪制如圖1所示的三維模型，其主要尺寸為：200 mm×150 mm×3 mm。

圖1 電氣控制板模型

2.2 邊界條件的設(shè)定

本文假設(shè)在空氣自然對流狀態(tài)下?lián)Q熱系數(shù)的大小是4 W/（m2·℃），電氣控制板的其他發(fā)熱量較小的元件忽略不計，將上節(jié)建立好的三維模型導(dǎo)入ANSYS中，通過meshing對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分完成后設(shè)計需要的邊界條件，首先分別輸入環(huán)境溫度為302 K、315 K，模擬電流為0.2 A和0.8 A。假設(shè)當(dāng)工程機(jī)械設(shè)備電氣控制板流過電流時，電氣控制板的各部分電流密度都相等，并且生熱速率一致。依據(jù)上述假設(shè)，在直角坐標(biāo)系下的三維熱效應(yīng)模型可以簡化為：

式中，ρ為電氣控制板材料的密度；Cp為電氣控制板材料的比熱容；q為電氣控制板材料的生熱速率。

根據(jù)牛頓冷卻公式，電氣控制板的熱效應(yīng)模型的邊界條件確定為：

式中，λx、λy和λz分別為電氣控制板在x、y、z正交方向上的熱導(dǎo)率；α為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；T為電氣控制板壁面的溫度；T∞為環(huán)境溫度；l、b和h分別為電氣控制板的的長度、高度和寬度。

2.3 仿真結(jié)果分析

第一步，針對工程機(jī)械工作環(huán)境溫度為302 K、通電電流為0.2 A時的電氣控制板進(jìn)行有限元仿真模擬，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 302 K時0.2 A電氣控制板溫度云圖

通過圖2可以看出，電氣控制板的最高溫度為312 K，最低溫度為311 K，最高溫度低于330 K，最高溫度出現(xiàn)在右側(cè)，即電阻較大的一側(cè)，在此種工作條件下，工程機(jī)械的電氣控制板不會出現(xiàn)熱失效的風(fēng)險，工程機(jī)械能夠保證正常作業(yè)。

第二步，針對工作環(huán)境溫度為302 K、通電電流為0.8 A時的電氣控制板的發(fā)熱情況進(jìn)行仿真模擬，模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 302 K時0.8 A電氣控制板溫度云圖

通過仿真結(jié)果可以看出，電氣控制板的最高溫度為328 K，最低溫度為327 K，最高溫度低于330 K，但也較為接近330 K，因此認(rèn)為當(dāng)大電流通過電氣控制板時，盡管環(huán)境溫度不是很高，但是依然存在發(fā)生熱失控的風(fēng)險，只是尚沒有達(dá)到熱失控的程度，最高溫度同樣出現(xiàn)在右側(cè)，即電阻較大的地區(qū)。經(jīng)過與圖2對比可以發(fā)現(xiàn)，溫度上升較為明顯，說明電流的大小對溫度的升高有較大影響。

第三步，針對工作環(huán)境溫度為315 K、通電電流為0.2 A時的電氣控制板的發(fā)熱情況進(jìn)行仿真模擬，模擬結(jié)果如圖4所示。

通過仿真結(jié)果可以看出，電氣控制板的最高溫度為322 K，最低溫度為321 K，最高溫度低于330 K，距離330 K還有一定的差距，尚沒有達(dá)到熱失控的程度。通過與圖2的對比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度升高時，電氣控制板的溫度也隨之升高，因此工程機(jī)械設(shè)備在高溫環(huán)境下作業(yè)時，盡管工作電流不大，但同樣需要做好散熱措施，最高溫度同樣出現(xiàn)在電阻較大的地區(qū)。

第四步，針對工作環(huán)境溫度為315 K、通電電流為0.8 A時的電氣控制板的發(fā)熱情況進(jìn)行仿真模擬，模擬結(jié)果如圖5所示。

圖4 315 K時0.2 A電氣控制板溫度云圖

圖5 315 K時0.8 A電氣控制板溫度云圖

通過仿真結(jié)果可以看出，電氣控制板的最高溫度為335 K，高于330 K，最高溫度同樣出現(xiàn)在電阻較大的地區(qū)，此時已經(jīng)達(dá)到了熱失控的程度。通過與圖3的對比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度升高并且工程機(jī)械處于電流較大的工作狀態(tài)時，電氣控制板的溫度會急劇升高，因此工程機(jī)械設(shè)備在高溫、大電流的情況下作業(yè)時，必須做好散熱措施，這樣才能使機(jī)電一體化技術(shù)在工程機(jī)械中的應(yīng)用起到積極的作用。

3 結(jié)語

隨著我國對科技創(chuàng)新的重視，機(jī)電一體化技術(shù)在我國已經(jīng)發(fā)展到了相對較高的水平，但是仍然存在著許多困難和挑戰(zhàn)，因此，我們必須依靠科技創(chuàng)新，不斷提高機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用水平，逐漸克服當(dāng)下遇到的難題。