探析能量守恒定律在机电工程中的应用

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　　摘 要：本文主要以能量守恒定律在机电工程中的应用为重点进行阐述，结合在机电工程常用的能量转换部件为主要依据，从机械传动系统、液压传动系统这两个方面进行深入探索与研究，其目的在于加深对能量转换与能量守恒定律的理解。
　　关键词：能量守恒 机电工程 应用
　　引言
　　德国科学家迈尔，在1842年提出了能量守恒定律，其主要是指能量不会自行消失，也不会凭空产生，只会从一种形态转变成为另一种形态，并且总能量是保持不变的。常见的能量形态主要有以下几种：内能、电磁能、机械能、核能、化学能等等。机电系统，主要就是指不同能力之间的传递与转换，进而对功能要求进行满足的一个设备。本文针对能量守恒定律在机电工程中的应用进行深入分析。
　　一、在机电系统中常用的能量形式
　　在机电系统中，常用的能量形式主要有以下几种：其一，电能，其主要是表示点做工多少的物理量。其二，机械能，其主要是表示动能和势能的综合，势能又分为弹性势能与重力势能，动能又分为平动运动动能与旋转运动动能。其三，流体能量，气体与液体形式的物质就是流体，容易变形与迁移，没有固定的形状，处于静止状态时只能承受住压力，无法承受拉应力与剪应力，流体能量主要有压力能、势能、动能。其四，磁能。
　　二、在机电工程常用的能量转换部件
　　1.电动机
　　电动机是把电能转变成为机械能的一种设备。电动机的工作原理是基于电磁力定律，详细来讲，就是指在磁场中电导体会被电磁力作用，作用力的方向和电流方向与磁场方向有关，并符合左手定则[1]。电动机根据使用的电源不同，可以分为交流电动机与直流电动机。结合电机输出轴的运动方式，也可以分为直线电机和旋转电机。
　　2.液压泵
　　液压泵是把机械能转变成为液压能的一种部件，其是提供给液压系统动力源，属于液压系统的关键部分。叶片泵、齿轮泵、柱塞泵都属于常见的液压泵。齿轮泵的工作原理是在主动齿轮在原动机的带动下进行逆时针旋转，并在动齿轮与齿轮啮合的作用下，进行顺时针旋转，扩大了右端入口的容积，减小了左端出口的容积，进而实现吸油与排油，该种通过溶剂变化进行工作的泵被称为容积式泵。在不考虑能量损失的情况下，液压泵的输入公路就是输出功率。
　　3.液压缸、液压马达
　　液压缸、液压马达是把流体的压力转变成为机械能的一种部件，该部件的输入是流体的压力与流量，输出是力的速度或者是转矩和转速，其中前者是进行往复直线运动的，后者是进行旋转运动的[2]。液压缸的工作原理是从活塞缸的左腔加入压力油，压力是p1，流量是q，右腔和油箱相通，如果p2约等于0，那么受到压力油的作用，活塞杆向外伸出，推动负载进行运动，速度为v。液压缸输出的推理和油的压力相关，活塞杆运动的速度和输入的流量相关。在不考虑能量损失的情况下，F1=D2P1，v1=其中F1和v1分别表示液压缸活塞杆的输出推力与速度，p1和q分别表示压力與流量，D表示液压缸的活塞直径。所以输入的液压公里和输出的机械功率相等。
　　三、能量守恒定律在机电系统中的应用
　　1.机械传动系统
　　卷扬机的传动系统由减速器、电动机、卷筒、动滑轮、定滑轮构成。卷扬机的传动系统的工作原理是：电动机通电以后，电机轴开始高速进行转动，利用联轴器驱动减速器运转，减速器把输入端的高速转动进行转速，进而使卷筒低速进行转动，然后通过定滑轮、钢丝绳、动滑轮，对货物吊放。把电机的转动方向进行改变，可以实现货物的升降运动。
　　在卷扬机的传动系统中，电动机把输入的电能转变成了旋转机械能；减速器把高速小扭矩的机械能转变成了低速大扭矩的接卸能；卷筒和定滑轮以及动滑轮把旋转机械能转变成了货物升降直线运动的机械能。在卷扬机的传动系统中，不只是存在不同能量之间的转换，还存在运动形式的转换，高速变换低速，旋转运动变换直线运动，在这些转换中能量都存在损失的情况。
　　在卷扬机的传动系统中，主要损失的能量有：电动机能量、减速器摩擦功率。其中包括运转部件的摩擦、机械摩擦等等。在整个系统中，输出有用功率为P0=Gv，其中G是货物的重量，v是货物运动的速度。P0和能良好之和是系统输入的电功率Pd，总能量处于守恒状态。卷扬机的传动系统的总效率为=，其表示系统能量利用率。
　　2.液压传动系统
　　液压控制系统由电动机、控制阀组、液压泵、液压缸构成[3]。液压控制系统的工作原理是液压泵在电动机的带动下发生旋转，泵在油箱中吸出油，然后输出一定的压力与流量的压力油，利用控制阀组，对液压油进行压力和流量以及方向的调节与控制，并把液压油传输到了液压缸中，液压缸推动负载进行做功。
　　在液压控制系统中，电机的电能转化成了机械能；液压泵把机械能转化成了流体的压力能，液压缸把流体的压力转化成了机械能。从系统的整体来看，有用的能量输出是液压缸输出的机械能，在系统输入的总能量中，该能量仅仅占据了一小部分，其他的能量传递与转换均属于损耗掉。在液压控制系统中，主要损失的能量有：电动机能量、液压泵能量、控制阀组能量、管路与液压缸能量。
　　结语
　　总而言之，能量不仅存在在人们的实际生活中，还存在在工程实践中。在机电工程中，能量守恒的应用较为广泛，其中涉及到的能量形式、能量转换部件、能量守恒定律有较多。在机电系统中，各种类型和形态的能量都可以相互之间进行传递与转换，在传递与转换的过程中，需要损耗一部分能力，系统效率就是衡量能力利用率高低的一个关键指标。
　　参考文献
　　[1]肖泽政.对高中物理中能量守恒定律的探析[J].神州，2018（2）：225-226.
　　[2]李本亮.融会贯通，探析高中物理“能量守恒”[J].湖南中学物理，2017（1）：98.
　　[3]王钰博.探析能量守恒在解决高中物理问题方面的应用[J].科学大众（科学教育），2017（12）：34-35.
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