機電一體化在工程機械中的應用及仿真分析

王玉榮

（上海中僑職業技術學院，上海201500）

0 引言

機電一體化技術交叉融合了多種學科技術，如機械技術、電子技術、信息技術、傳感器技術、接口技術等，但并不是各種技術的簡單疊加，而是根據現代化生產和生活的需要進行融合的一種技術集成方式。機電一體化技術對人們的生活和工作都產生了相對較大的影響，也在很大程度上促進了科學技術的發展。

機電一體化技術的應用目標主要由兩部分組成，一是要更好地發揮系統的作用，使系統發揮出最大的使用價值；二是要有效改善系統結構，促進物質的有效傳遞，實現不同信息的準確對接。

機電一體化技術在應用過程中也遇到了較多的麻煩，由于系統的構成較為復雜，如果不能有效地進行維護和管理，很容易出現機器故障。為了保證機電一體化技術在工程機械中更好地應用，除遵從科學的設計規則外，還需要配備專業的維修工程師進行定期保養。

1 機電一體化在工程機械中的功能劃分

1.1 優化功能

機電一體化在工程機械中應用的優化功能主要體現在提高工程機械的利用效率方面，在過去使用工程機械的過程中，總會出現工程任務量與工程機械數量不匹配的現象，若工程任務較輕松，采購較少的工程機械設備就可以滿足要求，一旦工程任務量加大，工程機械設備就無法滿足使用需求，若是購置較多的工程機械設備，在工程任務量較少時，就容易出現機械設備閑置的現象。而機電一體化技術在工程機械中的良好應用，可以起到科學合理分配的作用，使整個生產建設達到最優化分配。

1.2 監控功能

機電一體化在工程機械中應用的監控功能主要體現在機械部分與電氣部分的融合方面，通過對機電一體化技術的運用，可以清楚地監控到機械設備在工作過程中的使用情況，能夠及時發現機械故障、產品損壞、生產效率降低等各種問題，并及時報告給作業人員，保證工程機械設備的高效運轉。

1.3 作業功能

機電一體化在工程機械中應用的作業功能主要體現在工作質量方面，工程機械的顯著特點就是對作業精準度的要求過高，一旦無法保證機械設備的作業精準度，就很難生產出合格的產品，而機電一體化技術由于具有強大的計算機控制技術，能夠有效解決工程機械精準度不高的問題。

2 機電一體化工程機械的有限元仿真分析

2.1 模型的建立

機電一體化技術融合交叉多種學科技術，本文主要以工程機械電氣控制板為研究對象，分析機械結構對電氣控制板發熱率和工作可靠性的影響。為了有效節約計算機的運行空間，在能較為真實反映電氣控制板主要元件發熱情況的前提下，對電氣控制板進行了簡化處理，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 邊界條件的設定

本文假設在空氣自然對流狀態下換熱系數的大小是4 W/（m2·℃），電氣控制板的其他發熱量較小的元件忽略不計，將上節建立好的三維模型導入ANSYS中，通過meshing對模型進行網格劃分，網格劃分完成后設計需要的邊界條件，首先分別輸入環境溫度為302 K、315 K，模擬電流為0.2 A和0.8 A。假設當工程機械設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。依據上述假設，在直角坐標系下的三維熱效應模型可以簡化為：

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。

根據牛頓冷卻公式，電氣控制板的熱效應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正交方向上的熱導率；α為表面傳熱系數；T為電氣控制板壁面的溫度；T∞為環境溫度；l、b和h分別為電氣控制板的的長度、高度和寬度。

2.3 仿真結果分析

第一步，針對工程機械工作環境溫度為302 K、通電電流為0.2 A時的電氣控制板進行有限元仿真模擬，仿真結果如圖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，最高溫度出現在右側，即電阻較大的一側，在此種工作條件下，工程機械的電氣控制板不會出現熱失效的風險，工程機械能夠保證正常作業。

第二步，針對工作環境溫度為302 K、通電電流為0.8 A時的電氣控制板的發熱情況進行仿真模擬，模擬結果如圖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，因此認為當大電流通過電氣控制板時，盡管環境溫度不是很高，但是依然存在發生熱失控的風險，只是尚沒有達到熱失控的程度，最高溫度同樣出現在右側，即電阻較大的地區。經過與圖2對比可以發現，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，針對工作環境溫度為315 K、通電電流為0.2 A時的電氣控制板的發熱情況進行仿真模擬，模擬結果如圖4所示。

通過仿真結果可以看出，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，尚沒有達到熱失控的程度。通過與圖2的對比可以發現，當環境溫度升高時，電氣控制板的溫度也隨之升高，因此工程機械設備在高溫環境下作業時，盡管工作電流不大，但同樣需要做好散熱措施，最高溫度同樣出現在電阻較大的地區。

第四步，針對工作環境溫度為315 K、通電電流為0.8 A時的電氣控制板的發熱情況進行仿真模擬，模擬結果如圖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，最高溫度同樣出現在電阻較大的地區，此時已經達到了熱失控的程度。通過與圖3的對比可以發現，當環境溫度升高并且工程機械處于電流較大的工作狀態時，電氣控制板的溫度會急劇升高，因此工程機械設備在高溫、大電流的情況下作業時，必須做好散熱措施，這樣才能使機電一體化技術在工程機械中的應用起到積極的作用。

3 結語

隨著我國對科技創新的重視，機電一體化技術在我國已經發展到了相對較高的水平，但是仍然存在著許多困難和挑戰，因此，我們必須依靠科技創新，不斷提高機電一體化技術的應用水平，逐漸克服當下遇到的難題。