河北科技大学个性化教育电梯设计说明书Word下载.docx
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本设计以三层变频曳引式垂直升降电梯为例,设计电梯轿厢部分和井道部分机械结构和控制系统,并通过实训装置进行调试练习。
二、任务要求:
(1)电梯载重50Kg,要求实现轿厢平层自动开关门,具有手动调试和自动运行功能;
设计合理的人机界面和操作按钮。
(2)轿厢到指定楼层平层停止后,才能开门。
开门后延时10秒后关门或者按关门按钮后关门。
具有开关门到位检测功能,并能实现故障报警。
(3)电梯运行速度为低速度电梯;
(4)控制系统采用西门子系列PLC;
(5)要求控制系统有仿真和调试。
三、任务内容:
(1)实训设计说明书1份;
(2)机械结构三维模型图(电子版),二维设计装配图1张及主要零件图;
(3)控制系统原理图1张;
(4)程序框图及程序清单;
(5)演示视频。
四、时间安排(16周-20周)
2016.12.12-2016.12.17:
认识电梯,现场测绘,机械结构设计及强度的计算与校核,三维建模,绘制机械结构装配图、主要零件图;
2016.12.18-2016.12.24:
熟悉控制元件、控制流程,绘制电梯控制系统原理图;
2016.12.25-2016.12.31:
编写PLC控制程序,编写力控触摸屏软件;
2017.1.3-2017.1.6:
仿真、调试程序;
编写设计说明书。
2017.1.7-2016.1.13:
装置调试运行,答辩。
二、任务分配
1)编写设计说明书及强度的计算与校核——王帅鹏、杨森
2)三维建模——白旭鹏
3)绘制机械结构装配图——任庆昭
4)主要零件图——常志鹏
5)绘制电梯控制系统原理图——徐建川
6)编写PLC控制程序,编写力控触摸屏软件——林子峰、白玉磊
三、绪论
电梯是集机电一体的复杂系统,不仅涉及机械传动、电气控制和土建等工程领域,还要考虑可靠性、舒适感和美学等问题。
而对现代电梯而言,应具有高度的安全性。
事实上,在电梯上已经采用了多项安全保护措施。
在设计电梯的时候,对机械零部件和电器元件都采取了很大的安全系数和保险系数。
然而,只有电梯的制造,安装调试、售后服务和维修保养都达到高质量,才能全面保证电梯的最终高质量。
在国外,已“法规”实行电梯制造、安装和维修一体化,实行由制造企业认可的、法规认证的专业安装队伍维修单位,承担安装调试、定期维修和输查试验,从而为电梯运行的可靠性和安全性提供了保证。
因此,可以说乘坐电梯更安全。
美国一家保险公司对电梯的安全性做过认真的调查和科学计算,其结论是:
乘电梯比走楼梯安全5倍。
据资料统计,在美国乘其他交通工具的人数每年约为80亿人次,而乘电梯的人数每年却有540亿人次之多。
日前,由可编程序控制器(PLC)和微机组成的电梯运行逻辑控制系统,正以很快的速度发展着。
采用PLC控制的电梯可靠性高、维护方便、开发周期短,这种电梯运行更加可靠,并具有很大的灵活性,可以完成更为复杂的控制任务,己成为电梯控制的发展力向。
四、总体设计方案
本次设计的主要任务是设计出一个三层电梯模型,使之能达到设计要求。
在本次设计中遵循的设计原则主要包括:
系统在保证安全、可靠、稳定、快速的前提下,尽量做到经济、合理、适用、减小设备成本。
在此原则之上该设计主要分为电梯机械结构部分和电梯控制系统部分。
机械结构部分:
1.电梯模型的长宽高分别为880mm、500mm、1600mm,轿厢的长宽高分别为880mm、340mm、470mm,轿厢架采用4040铝型材。
2.交流电机通过膜片联轴器与轴相连接,轴通过轴承座固定在轿架上,通过交流电机的正反转来使曳引钢丝绳拉动轿厢沿导轨上下移动。
3.轿门和层门设计为联动控制。
控制系统部分:
由PLC进行控制,用涡流传感器来检测轿厢的实际位置并传递信号,用编码器来控制交流电机的停转,用继电器来控制交流电机的正反转的开始与停止,用继电器来控制轿厢门的开和关
五、电梯的机械结构部分
5.1、曳引电动机的选择
1、选用电动机类型
根据工作要求选用三相交流步进电动机,电压为380V。
2、选择电动机的容量。
电动机所需功率:
根据工作机的类型,取电动机效率
根据机械设计课程设计第十章中表10–2机械传动和摩擦副的效率概略值,确定各部分效率为:
联轴器效率为
,滚动轴承传动效率(一对)
,代入得
假设电机轴所受的拉力约为1000N,速度为0.5m/s
所需电动机功率为
3、确定电动机转速
综合考虑学校现有情况,因此选用型号为SLPU–5GU–7.5K,其功率为7.5kw,额定转速为1400r/min,可见完全符合前面计算出的电动机的所需功率和所需的电动机转速。
5.2、联轴器的计算与选用
1、类型选择
考录到电机转矩的变化及载荷的影响,为隔离减震选用膜片联轴器
2、计算转矩
工作转矩T=9549Pk/n=9549*7.5/1400=51.15N.m
工作情况系数K=1.8
计算转矩Tc=KT=1.8*51.15=92.08N.m
3、型号选择
由机械设计手册查得型号5-C68膜片联轴器,最大扭矩110N.m,许用最大转速为10000r/min,轴颈在14mm~24mm。
因为一般联轴器可不必进行强度计算,故选用。
5.3、配重块的选择
这个要看电梯的速度,载重,和对重块的数量,还有电梯的差动平衡系数。
一般厂家是按标配给电梯配了配重块的。
公式如下
对重块的重量=轿厢的自重+电梯平衡系数*额定载重量-对重架重量。
由实物图可知配重块大约为20kg。
5.4、轴的选用及强度校核
1、初步确定轴的最小直径
选取轴的材料为40MnB,调质处理,根据机械设计手册查得C=85,于是得
d=C
所以选轴的直径为15mm,因为轴与联轴器相连接,所以联轴器的孔径为15mm。
2、求轴上的载荷
首先根据电梯上轴的结构图做出轴的计算简图(图一)
F1为载重及轿厢自重对轴产生的拉力,使轴在铅锤面产生弯曲变形,载重为50kg,轿厢自重约为5kg,故产生的拉力F1=550N。
F2为电梯的配重对轴产生的拉力,使轴在水平面产生弯曲变形,由实物图可知,配重是由四块34cm*5cm*4cm的长方体钢块组成,钢的密度7.85g/cm3,故配重的重量M=34*5*4*7.85*4/1000=21.352kg,因配重上开有槽,故取M=20kg,所以F2=200N。
M为电动机输出的转矩,由公式Me=9549Pk/n,由电机参数可知Pk=7.5kw,n=1400r/min,代入公式得Me=51.15N.m,传动效率η=0.98由截面法可知MT=0.98*51.15=50.13N.m。
根据轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图(图一),其中(b)为扭矩图,(c)为轴在铅锤面的受力简图和弯矩图,(d)为轴在水平面的受力简图和弯矩图。
3、判断危险界面
由弯矩图和扭矩图可知,危险界面肯定为C、D两截面之一,在C截面,其合成弯矩M1=
,在D截面上,其合成弯矩M2=
,故危险截面为C截面。
现将计算出的截面C、D处的MH、MV及M值列于下表
表一:
截面C、D处的MH、MV及M值汇总表
载荷
水平面
铅锤面
支反力
FH1=56.25N、FH2=143.75N
Fv1=344N、Fv2=206N
弯矩M
MH1=3.375N.m
MH2=6.46N.m
MV1=20.6N.m
MV2=9.27N.m
总弯矩
M1
M2
扭矩MT
MT=50.13N.m
4、按弯扭合成应力校核轴的强度
进行校核时,通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面(如危险界面C)的强度。
根据公式及上表中的数据,由轴是双向旋转,按两班制工作,得其扭转剪应力为脉动循环变应力,取α=0.6,则轴的计算应力为
σca
式中W=Π
/32,d=0.015m
前已选定轴的材料为40MnB,调制处理,由设计手册查得[σ-1]=142Mpa,因此σca<
[σ-1],故安全。
5.5、轴承的选用及寿命计算
因为轴承是和轴连接在一起,而轴的直径为15mm,所以轴承的内经应为15mm,为了安装方便,因此选用轴承座型号为SP204,和轴承是一体的。
已知轴的转速n=1400r/min,采用深沟球轴承支承,假设轴承的径向载荷为Fr=350N,轴向载荷为Fa=200N,运转平稳,要求轴承寿命为Lh=20000。
1.由手册查得深沟球轴承6202的Cr、Cor值(GB/T276—1994),Cr=7.65KN,Cor=3.72KN
2.确定Fa/Cor=200/3720=0.054,由表13—6插值法查出e=0.257
3.计算比值Fa/Fr=200/350=0.625>
e,由表13—6插值法查出X=0.56,Y=1.731
表13–6径向载荷系数X和轴向载荷系数Y
轴承类型
相对轴向载荷Fa/Cor
e
Fa/Fr>
Fa/Fr<
X
Y
深沟球轴承
0.014
0.19
0.56
2.30
1
0.028
0.22
1.99
0.056
0.26
1.71
0.084
0.28
1.55
4.由电梯运行平稳可知年电梯在运行时无冲击或轻微冲击查表13—7确定载荷系数fp=1.0~1.2,取fp=1.1
表13–7载荷系数fp
载荷系数
fp
举例
无冲击或轻微冲击
1.0~1.2
电机、汽轮机、通风机等
中等冲击
1.2~1.8
车辆、动力机械、起重机、造纸机、机床等
强大冲击
1.8~3.0
破粹机、轧钢机、钻探机、振动筛
5.计算当量动载荷
P=fp(XFr+YFa)=1.1*(350*0.56+200*1.731)=596.42N
6.计算轴承实际寿命
Lh=(
)(
)ε=
(
)3=25122(h)
式中ε为寿命指数,对于球轴承ε=3
由计算可知轴承实际寿命25122(h)大于轴承预估寿命为Lh=20000,因此选用深沟球轴承6202符合要求。
5.6、曳引钢丝绳的计算选用及强度校核
1、曳引钢丝绳的选择
目前电梯曳引轮主要用V型和半圆U型下切口两种槽型。
V型槽虽然借斜面加大绳对绳槽壁的压力,从而提高摩擦使曳引可靠,但对绳的作用苛刻,每过曳引轮绳子都会产生一定的径向积压变形,钢丝间及钢丝绳与绳轮间产生相对摩擦,因此,这种槽型无论是1:
1单绕还是2:
1复绕多选用纤维芯电梯绳。
半圆槽型电梯,纤维绳芯和半(全)钢芯电梯绳都适用。
因为半(全)钢芯电梯绳尺寸稳定性好,受挤压时钢丝绳圆度保持的好,而且半圆型槽对钢丝绳磨损小,因此在半圆型槽的高速及2:
1复绕电梯更多采用这种电梯绳。
电梯钢丝绳的最小破断拉力:
最小破断拉力Fmin,用kN表示,应按以下计算:
d----钢丝绳公称直径,用mm表示
Rr---钢丝绳等级,用MPa表示
K-----最小破断拉力经验系数
由国标电梯用钢丝绳GB8903-2005中查得d=6mm,Rr=1370,K=0.330
代入上述公式得
根据电梯的最小破断拉力,由GB/T8903-2005可知选用直径为6的钢丝绳符合要求,其型号为6*19S+FC,最小破断拉力为17.8KN
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