一种机电系统矩阵式能量分析与节能设计的方法

1.本发明涉及机电系统设计领域，特别是涉及一种机电系统的能量分析与节能设计的方法。


背景技术：

2.随着世界工业的发展，能源消费越来越高，工业节能技术的研究就显得十分重要。机电系统是工业的重要组成部分，其节能是工业节能技术研究的重点。现已有一系列关于机电系统节能技术的科研成果。有学者从整体出发，探究了能量管理对节能的作用；有学者从优化控制系统的角度来进行节能研究；还有的学者研究新工艺能够带来的节能可行性；更多的学者通过对系统的改进设计来达到节能的目的。
3.学者们为实现机电系统节能提出了众多节能技术。比如，通过降低摩擦损耗技术来实现节能；在机电系统节能改进设计中，储能技术作为成熟的节能技术被广泛应用，而飞轮则是最常用的储能技术手段之一；对机电系统进行节能改进设计时，热能的回收再利用技术也被广泛应用，通过热能的回收再利用以减少能源消耗，实现节能；除了特定的技术外，针对特定系统特定设备，还可以通过改进系统中某个组成部分来实现机电系统节能；有学者还从方法学上对机电系统节能进行了研究。
4.在机电系统节能设计中，对特定技术和设备的研究很多，但对节能设计的系统化方法的研究相对较少。已有节能设计的系统化方法以系统建模和进行系统内部参数优化居多，以研究机电系统能耗点并进行结构改进的几乎没有。若可以针对任一机电系统进行能量分析，建立起机电系统每个能量消耗点和可采取的节能措施对应关系，就可以进一步引导研究者找到合适的节能措施对机电系统进行节能设计，有助于设计出更具节能的机电产品。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提出一种机电系统矩阵式能量分析与节能设计的方法，所述的矩阵式能量分析与节能设计的方法可以快速找到机电系统中的各能量单元（如具体的构件、运动副）对应的节能措施，有助于设计出更具节能的机电产品，或者对现有机电产品进行节能设计改进，提高进行机电产品节能设计过程的效率。
6.为实现上述目的，本发明是通过如下方案实现的。
7.1）首先，构建节能措施知识库，可以得到节能措施矩阵，所述节能措施矩阵表示了能耗形式与所述节能措施之间的对应关系。
8.2）然后分析机电系统的结构组成，找到所述机电系统的所有能量单元，通过运动学和动力学分析，确定所述能量单元对应的能耗形式（即能量消耗的形式），进而建立表示所述机电系统的所述能量单元与所述能耗形式之间关系的能耗关系矩阵。
9.3）最后将所述步骤2）的能耗关系矩阵与所述步骤1）的节能措施矩阵 相乘，得到节能设计矩阵 。当所述节能设计矩阵中的矩阵元素不为0时，对应的所
述能量单元和所述节能措施是相关的，否则就不相关。通过所述节能设计矩阵，可以快速找到所述机电系统中的所述能量单元对应的所述节能措施，从而实现所述机电系统的节能设计。
10.所述步骤1）的目的在于建立一个节能措施知识库，不同的能耗形式可以采取对应的措施进行节能设计，所述节能措施知识库能直接展示能耗形式与节能措施之间的关系。
11.所述步骤1）中的能耗形式，主要总结有以下形式，但不仅限于以下形式：对负载力做功、势能变化、动能变化、能量形式转化损耗、摩擦损耗、碰撞损耗、泄漏、低效驱动、驱动保力、加热耗散、能量直排等等。所述的能耗形式可以不断扩展补充。
12.所述步骤1）中的节能措施，主要总结有以下形式，但不仅限于以下形式：弹簧储能、势能和动能转换储能、飞轮储能、液压蓄能器储能、超级电容储能、直接使用、减少质量、降低势能变化范围、减少惯量、改变质心位置、润滑或增设滚轮、降压、增设变速箱、增设锁止机构和弹簧、优化受热条件增设能量回流装置等等。所述的节能措施可以不断扩展补充。
13.所述步骤1）中的节能措施矩阵 ，矩阵 的行对应是所述节能措施，所矩阵的列对应是所述机电系统的所述能量单元。所述节能措施矩阵的矩阵元素取值为0或者1（该矩阵元素值在构建节能措施知识库时进行赋值）。当矩阵元素的取值为1时，表示所述矩阵元素对应行的能耗形式与对应列的节能措施存在关系，即所述能耗形式可以通过所述节能措施实现节能的效果；当矩阵元素的取值为0时，表示所述矩阵元素对应行的能耗形式与对应列的节能措施不存在关系。
14.所述步骤2）中的能量单元是对所述机电系统进行结构分析得到，具体的结构分析原理：一个完整的机电系统通常包含驱动子系统，传动子系统，执行子系统，控制子系统和辅助子系统。经过层层细化，最终可细化到一个个构件（包含刚性构件、弹性构件、挠性构件、气体构件和液体构件），每一个构件都是独立的能量个体，所以每一个构件均为能量单元。在机电系统中，除了构件带有能量外，联系起所有构件的运动副也是能量个体。所以，机电系统中能量单元包含了能量构件和能量运动副。因此，机电系统就可细化为一个个带有能量且独立存在的能量单元。不同的机电系统具有不同的所述能量单元。
15.所述步骤2）中的能耗形式，是对所述能量单元进行能量用途分析所得到，具体的能量分析原理：基本的能量用途可归为四大类，分别是对负载力做功、系统势能、系统动能以及无用功。其中，对负载力做功主要发生在执行能量单元上，而用于系统势能和系统动能的能量主要体现在能量构件的势能变化和动能变化上。无用功可以在机电系统中任一能量单元上产生，而且根据机电系统的不同，无用功的形式会有差异。
16.根据机电系统中能量流动关系及能量性质可推导出机电系统能量方程为：, 其中为系统输入能量，为输出功，为系统势能，为系统动能，为无用功。
17.对上式时间求导后，得到, 其中为系统输入功率，为对外载荷做功的功率，为有势力消耗的功率，为系统动能变化率，为无用功率。
18.所述步骤2）中的能耗关系矩阵，矩阵的行对应是所述机电系统的能量单元，矩阵的列对应是各种能耗形式。所述能耗关系矩阵的矩阵元素取值为0或者1（该矩阵元素值在进行能量分析时进行赋值）。当矩阵元素的取值为1时，表示所述矩阵元素行对应的
能量单元与列对应的能耗形式存在关系，即所述能量单元通过所述能耗形式消耗能量；当矩阵元素的取值为0时，表示所述矩阵元素行对应的能量单元与列对应的能耗形式不存在关系。
19.所述步骤3）中的运算得到的节能设计矩阵 ，矩阵 的行的对应是所述机电系统的能量单元，矩阵的列对应是所述各种节能措施。所述节能设计矩阵的矩阵元素取值为正整数n（1，2，3，
…
）或者0。当矩阵元素的取值为正整数n时，表示所述矩阵元素对应行的能量单元与对应列的节能措施存在关系，即所述能量单元具有n个所述能耗形式都可以采用所述节能措施进行节能设计；当矩阵元素的取值为0时，表示所述矩阵元素对应行的能量单元与对应列的节能措施不存在关系。
20.找出所有有效能量单元，通过查找节能设计矩阵，找到与有效能量单元相对应的节能设计措施，最后针对机电系统的每个有效能量单元进行节能设计。
21.本发明的有益效果在于：建立能耗关系矩阵，表示机电系统能量单元与能耗形式的对应关系；建立节能措施矩阵，表示机电系统能耗形式与节能措施之间的对应关系；通过将能耗关系矩阵与节能措施矩阵相乘，可以得到节能设计矩阵，从而得到机电系统能量单元与节能措施的对应关系。通过查看节能设计矩阵的矩阵元素数值，可以快速明确机电系统各能量单元所可以采取的节能措施，帮助设计人员找到可以采取的节能措施，提高节能设计过程的效率，便于设计出更具节能的机电产品。
附图说明
22.图1为机电系统结构细化示意图。
23.图2为机电系统—能量单元转化关系图。
24.图3为基于矩阵式的机电系统能量分析与节能设计方法的流程图。
25.图4为能耗关系矩阵，图中的空白方框需经过对机电系统能量分析后进行“0”和“1”的赋值，图中数值“0”表示矩阵对应的能量单元与能耗形式相关，图中数值“1”表示矩阵对应的能量单元与能耗形式不相关。
26.图5为节能措施矩阵，图中数值“0”表示矩阵对应的能耗形式与节能措施相关，图中数值“1”表示矩阵对应的能耗形式与节能措施不相关。
27.图6为污泥处理-高温高压水解系统示意图。图中，100-污泥池，110-泵，120、121、122-反应釜（内含搅拌机构），130、131-油管，140、141-料管，150-其他系统，160-液体储料池，170-蒸汽管，180-冷却装置，190-油箱，200-加热器。
28.图7为污泥处理-高温高压水解系统结构组成图。
29.图8为污泥处理-高温高压水解系统—能量单元转化关系图。
30.图9为污泥处理-高温高压水解系统的能耗关系矩阵。
31.图10为污泥处理-高温高压水解系统的节能设计矩阵。
32.图11为污泥处理-高温高压水解系统的节能设计改进结构示意图。
具体实施方式
33.下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述。本发明提供的节能设计方法适用于所有机电系统，提供下面的实施方式的目的是使对本发
明的公开内容理解的更加透彻全面。
34.下面以图6所示的污泥处理-高温高压水解系统进行节能设计改进。
35.（1）构建节能措施知识库：由图5可以得到节能措施矩阵的数学表达式为。
36.（2）能量分析：如图6所示，污泥处理-高温高压水解系统主要包含污泥池100、泵110、料管140（141）、若干反应釜120（121、122）（内有搅拌机构）、蒸汽管170、冷却装置180、液体储料池160、油箱190、油管130（131）和加热器200。系统工作时，污泥由泵110从污泥池100中吸出，使其通过料管140流入安装在一定高度的具备高压环境的各个反应釜120（121、122）中。经过加热器200加热后的高温热油通过搅拌器上的螺旋叶片及反应釜120（121、122）壁加热污泥使其水解。水解完成后的污泥料通过料管141流出反应釜120（121、122），流入其他系统150进行污泥处理的下一步工序。反应釜120（121、122）中水解与处理完成后降压会产生高温蒸汽，产生的高温蒸汽通过蒸汽管170排出，并通过冷却装置180冷却后储存在液体储料池160中。对反应釜120（121、122）中污泥进行加热后的高温热油再途径污泥池100对其中的污泥进行预热处理，之后流回油箱190。
37.通过上述分析可以得到如图7所示的污泥处理-高温高压水解系统结构组成图，以及图8所示的污泥处理-高温高压水解系统—能量单元转化关系图。污泥处理-高温高压水解系统的能量单元主要有污泥、料管140（141）、反应釜120（121、122）的搅拌机构、油管130（131）、油、加热器200、冷却装置180。
38.其中，泵110是污泥处理-高温高压水解系统中的驱动能量单元，因此在液压能和机械能之间存在转换，有能量形式转化损耗。在整个系统中，污泥在料管140（141）中输送，油在油管130（131）中流动，均存摩擦损耗。污泥被泵110从污泥池100吸出并输送至一定高度的反应釜120（121、122）中，污泥存在势能上的变化。加热器200对油进行加热，高温热油又对污泥进行加热，有加热时的耗散。搅拌结构在反应釜120（121、122）中对污泥进行搅拌，启停时有动能的变化。反应釜120（121、122）中水解与处理完成后降压产生的高温蒸汽通过冷却装置180冷却液化后储存在液体储料池160中，热量被直接排放到环境中，存在能量直排的情况。
39.通过上述分析可以知道，污泥处理-高温高压水解系统中能量用途形式主要有势能变化、动能变化、能量形式转化损耗、摩擦损耗、加热耗散、能量直排。除去对负载力做功，其余能量用途形式均属于能耗。污泥处理-高温高压水解系统的能耗形式主要有势能变化、动能变化、摩擦损耗、加热耗散、能量直排因此可以列出如图9所示的污泥处理-高温高压水解系统的能耗关系矩阵，该矩阵的数学表达式写为
。
40.（3）求得节能设计矩阵：将上述能耗关系矩阵乘以节能措施矩阵，可以得到如图10污泥处理-高温高压水解系统的节能设计矩阵，该矩阵的数学表达式为。
41.（4）分析系统中的有效能量单元：在污泥处理-高温高压水解系统中，不停地将污泥吸入到安装在一定高度的反应釜120（121、122）中，污泥的势能变化会消耗很大部分能量，所以污泥是有效能量单元。由于反应釜120（121、122）中水解与处理完成后降压产生的高温蒸汽温度很高，因此通过冷却装置180直接冷却液化后储存到液体储料池160中浪费掉大量的热量，因此冷却装置180也是一个有效能量单元。因此污泥处理-高温高压水解系统的有效能量单元有污泥和冷却装置180。
42.（5）查找节能设计矩阵找到节能措施并进行节能设计。
43.1）针对污泥势能的变化，如图10所示，在节能设计矩阵中为第1行，该行中矩阵元素不为0的为1-10列，可以采取利用的节能措施有：弹簧储能，势能和动能转换储能，飞轮储能，液压蓄能器储能，超级电容储能，直接使用，减少质量，降低势能变化范围，减少惯量和改变质心位置。在污泥处理-高温高压水解系统中，针对污泥的势能变化，采取降低势能变化范围的节能措施：降低反应釜120（121、122）的安装高度，使得污泥被提升高度减少。污泥的势能增加减少，从而减少了能量消耗。
44.2）针对冷却装置180的能量直排，如图10所示，在节能设计矩阵中为第7行，该行中矩阵元素不为0的为16列，可以采取利用的节能措施有：增设能量回流装置。在污泥处理-高温高压水解系统中，可以增设一段路径使高温蒸汽先流经污泥池100对污泥进行预热处理，之后再输送至液体储料池160。这样既让高温蒸汽的热量得到了有效利用，还可以省去热油流经污泥池100对污泥进行预热的环节，实现双效节能，增设路径后系统布置如图11所示。
45.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
46.以上实施例仅表达了本发明的一种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能
因此而理解为对发明专利范围的限制。应指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。