Художественная культура и искусство Курс лекций по истории искусства Математический анализ Электротехника и электроника Расчеты электрических цепей Начертательная геометрия Примеры выполнения заданий
контрольной работы
Лекции и задачи по физике Компьютерная  безопасность Информационные системы Получение электрической энергии Атомная физика
Теория машин и механизмов Классификация зубчатых передач Червячная зубчатая передача Статическая и динамическая балансировка роторов Эффективность виброзащиты Коэффициент полезного действия Повышение надежности машин

Коэффициент полезного действия (КПД)

Коэффициент полезного действия (КПД), характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии, определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой, обозначается обычно η = Wпол/Wсум.

В электрических двигателях КПД –– отношение совершаемой (полезной) механической работы к электрической энергии, получаемой от источника; в тепловых двигателях –– отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты; в электрических трансформаторах –– отношение электромагнитной энергии, полученной во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой первичной обмоткой. Для вычисления КПД разные виды энергии и механическая работа выражаются в одинаковых единицах на основе механического эквивалента теплоты и других аналогичных соотношений. В силу своей общности понятие КПД позволяет сравнивать и оценивать с единой точки зрения такие различные системы, как атомные реакторы, электрические генераторы и двигатели, теплоэнергетические установки, полупроводниковые приборы, биологические объекты и т.д.

Из–за неизбежных потерь энергии на трение, на нагревание окружающих тел и т.п. КПД всегда меньше единицы. Соответственно этому КПД выражается в долях затрачиваемой энергии, т.е. в виде правильной дроби или в процентах, и является безразмерной величиной. КПД тепловых электростанций достигает 35…40%, двигателей внутреннего сгорания –– 40…50%, динамо-машин и генераторов большой мощности –– 95%, трансформаторов –– 98%. КПД процесса фотосинтеза составляет обычно 6…8%, у хлореллы он достигает 20…25%. У тепловых двигателей в силу второго начала термодинамики КПД имеет верхний предел, определяемый особенностями термодинамического цикла (кругового процесса), который совершает рабочее вещество. Наибольшим КПД обладает цикл Карно. У бензинового двигателя внутреннего сгорания КПД меньше, чем у дизельного. У лампы дневного света КПД больше, чем у обычной лампы. У косозубого колеса КПД больше, чем у прямозубого колеса. К достоинствам плоскоременной передачи относятся: простота и низкая стоимость конструкции; плавность хода, способность смягчать удары (благодаря эластичности ремня) и предохранять приводимые в движение механизмы от поломок при внезапных перегрузках (за счет пробуксовывания ремня); возможность передачи мощности при значительных расстояниях между осями ведущего и ведомого валов; бесшумность работы (по сравнению с зубчатой передачей); простота ухода и обслуживания.

Различают КПД отдельного элемента (ступени) машины или устройства и КПД, характеризующий всю цепь преобразований энергии в системе. КПД первого типа в соответствии с характером преобразования энергии может быть механический, термический и т.д. Ко второму типу относится общий, экономический, технический и другие виды КПД. Общий КПД системы равен произведению частных КПД или КПД ступеней.

В технической литературе КПД иногда определяют таким образом, что он может оказаться больше единицы. Подобная ситуация возникает, если определить КПД отношением Wпол/Wзатр, где Wпол –– используемая энергия, получаемая на “выходе” системы, Wзатр –– не вся энергия, поступающая в систему, а лишь та ее часть, для получения которой производятся реальные затраты. Например, при работе полупроводниковых термоэлектрических обогревателей (тепловых насосов) затрата электроэнергии меньше количества теплоты, выделяемой термоэлементом. Избыток энергии черпается из окружающей среды. При этом, хотя истинный КПД установки меньше единицы, рассмотренный КПД h = Wпол/Wзатр может оказаться больше единицы.

Механический коэффициент полезного действия

Рассмотрим отдельно установившееся движение. Для каждого цикла этого движения приращение кинетической энергии механизма равно нулю:

 . (112)

Следовательно, работа АИ в уравнении

   (113) 

равна нулю. Точно также для каждого цикла равна нулю и работа сил тяжести АС.Т.

Для установившегося движения уравнение (113) имеет следующий вид:

  (114)

Таким образом, за полный цикл установившегося движения работа всех движущих сил равна работе всех производственных АП.С и всех непроизводственных АТ сил сопротивления.

Механическим коэффициентом h полезного действия называется отношение абсолютной величины работы сил производственных сопротивлений к работе всех движущих сил за время установившегося движения:

 , (115)

или, принимая во внимание уравнение (114), получаем

 . (116)

Формулу (114) можно представить также в следующем виде:

 , (117)

так как согласно уравнению (114)

Отношение работы АТ непроизводственных сопротивлений к работе движущих сил принято обозначать через j и называть коэффициентом потерь в механизме. В соответствии с этим формулу (117) можно записать так:

(118)

Чем меньше в механизме работа непроизводственных сопротивлений, тем меньше коэффициент потерь и тем совершеннее движение в энергетическом отношении.

В некоторых случаях удобно вводить в рассмотрение коэффициент y, представляющий собой отношение y = AТ/AП.С. Из формул (117) и (118) получаем связь между коэффициентами h, j и y:

 .  (119)

Из уравнения (117) следует: так как ни в одном механизме работа АТ непроизводственных сопротивлений (например сил трения) практически не может равняться нулю, то коэффициент полезного действия h всегда меньше единицы.

Из формулы (117) следует, далее, что коэффициент полезного действия может быть равен нулю, если АД = АТ; значит, коэффициент полезного действия равен нулю, если работа движущих сил равна работе всех сил непроизводственных сопротивлений, которые имеются в механизме. В этом случае движение механизма является возможным, но без совершения какой-либо полезной работы. Такое движение механизма обычно называют движением вхолостую.

КПД не может быть меньше нуля, так как для этого необходимо (по формуле (117)), чтобы отношение работ АТ/АД было больше единицы:

 или

Из этих неравенств следует, что если механизм, удовлетворяющий указанному условию, находится в покое, то действительного движения механизма произойти не может. Это явление носит название самоторможение механизма. Если же механизм находится в движении, то под действием сил непроизводственных сопротивлений он постепенно будет замедлять свой ход, пока не остановится (затормозится). Следовательно, получение при теоретических расчетах отрицательного значения коэффициента полезного действия служит признаком самоторможения механизма или невозможности движения механизма в заданном направлении.

Учебно-методический комплекс по дисциплине "Теория механизмов и машин" составлен в соответствии с требованиями федерального компонента к обязательному минимуму содержания и уровню подготовки дипломированного специалиста по циклу общепрофессиональных дисциплин государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования, утвержденного Министерством образования РФ
Трение во вращательной паре