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链式提升机的设计毕业论文
摘要
随着科学技术的发展,交流拖动正在广泛使用;计算机的应用正在快速推广,在全世界迎接知识经济到来的时候,“创新”和“发展”已逐渐成为世界各国所关注的最重要的内容。
社会的进步、国家的发展依靠创新,提升机的发展同样离不开创新。
因此我们提出了一种新型提升机设计方法。
论文介绍了一种新型提升机的设计方法,该种提升机的传动装置由链传动代替了传统的带传动或钢丝绳传动,克服了无弹性滑动和打滑现象,保证了准确的平均传动比,提高了传动效率;动力装置由变频电机代替了恒速直流电机,使装置具有高效率的驱动性能及良好的控制特性;用PLC进行控制,提高了控制系统的可靠性。
为了便于理解,在本论文中还介绍了链传动的特点、变频器的调速原理以及PLC的优点。
关键词:
电路控制;提升机;控制系统;PLC;机电一体化
ABSTRACT
Thisthesishasintroducedanewkindofliftingmachinedesignmethods,thetransmissiondeviceofthiskindofliftingmachinehasbeenreplacedtraditionaltakingthetransmissionorsteelwireropetransmissionbythetransmissionofthechain,itovercomeitwithoutelasticityslipandphenomenonofskidding,itlastaccuratetransmissionsaveragethan,haveimprovedtransmissionefficiency;Themotiveequipmenthasbeenreplacedtheconstantspeeddirectcurrentmachinebytheelectricalmachineryoffrequencyconversion,makethedevicehavehigh-efficiencydriveperformanceandgoodcontrolcharacteristic;ControlwithPLC,hasimprovedthedependabilityofthecontrolsystem.Inordertounderstand,havealsointroducedadjustingthespeedprincipleandPLCadvantageofthecharacteristicofthetransmissionofthechain,frequencyconverterinthisthesis.
Keywords:
Electriccircuitcontrol;hoist;Controlsystem;PLC;mechatrics;
第1章整体设计方案1
1.1传动方案的确定1
1.1.1齿轮传动1
1.1.2链传动1
1.2控制方案的确定2
1.3原动机的选择3
1.3.1直流电机4
1.3.2变频电机4
第2章提升机的机械结构的设计5
2.1提升机的主要组成部分5
2.2电动机功率计算9
2.3轴的设计10
2.4链的计算11
第3章提升机的控制系统17
3.1变频器17
3.1.1变频器选择17
3.1.2变频器的使用方法18
3.1.3变频器的设置18
3.2PLC20
3.2.1运动过程分析20
3.2.2控制电路的基本部分21
3.3接线图23
3.3.1接线图23
3.3.2提升机的运行控制过程24
3.3.3提升机控制运行的流程图如下27
3.3.4自动控制的梯形图27
结论29
参考文献30
致谢31
引言
近年来,垂直提升装置在国内外得到了长足发展,并且逐渐向着结构简单紧凑、安装方便、便于维护与维修、占地面积小、效率高、出力大的方向发展,因此其应用日益广泛。
提升装置按用途分类有施工用途升降机,货柜用途升降机,民用的升降机(即我们常说的住宅电梯)等。
按结构型式分有链式提升机、带式提升机、齿轮齿条式提升机,牵引式提升机,液压式升降机等。
链式提升机广泛运用于自动化生产,自动化仓储,物料运输。
通过在链上加挂不同的运输装置,满足不同的输送要求。
链式提升机的传动装置由链传动代替了传统的带传动或钢丝绳传动,克服了无弹性滑动和打滑现象,保证了准确的平均传动比,提高了传动效率。
驱动装置的输出功率等于载货台及货物重力与升降速度的乘积。
链式提升机要求运行稳定,传输平稳,故障率,检修方便,在安全方面保障良好。
国产提升机的基本状况,产品的多样化应用不够,没有广泛地采用变频器来改善施工升降机的速度特性,随着变频技术的发展,变频器的成本近一步下降,国内厂家没有过多采用这一有优势的的技术。
需要改善速度特性。
提高额定最大载重量。
对于链式提升机,对应不同的要求,要有不同的形成范围及负载,定位要求准确。
目前应用的多数是也曳引机驱动的升降机,根据具体应用的要求,提升机负载具有保护装置,对超载情况有警报,定位比较准确,能够高效的完成生产任务。
国外的提升机比较成熟,对于不同功用的提升机有着不同的行业标准,保证了良好的制造体系。
目前日本,美国,德国的提升机都可以达到一定程度的远程遥控。
本设计的优点是:
1)基于PLC控制技术在提升机运行过程中的应用,能够在准确的位置采集信号,发出控制信号,并且能精确的达到目标要求,以保证系统正常、稳定的工作。
还能够简化外部接线图,使电气原理图简单化。
2)采用了变频器电机,不但具有良好的调速性能,而且能节约大量电能
3)链传动的使用,能保持准确的平均传动比,较高的传动效率。
4)系统可以在自动和手动两种状态下运行,在自动状态下能实现全自动化;在手动状态下,可以进行分步运行及调试。
第1章整体设计方案
1.1传动方案的确定
传动部分就是把动力部分的运动形式、运动及动力参数转变为所需要的运动形式、运动及动力参数。
1.1.1齿轮传动
在用于直线移动和旋转运动相互转换的机械传动当中,齿轮齿条传动是应用非常广泛的一种传动方式。
传统的齿轮齿条传动存在着诸多缺陷:
(1)啮合传动过程当中,齿面间存在滑动摩擦;
(2)标准齿轮节圆处压力角为20
,传动中产生无效径向分力;
(3)齿轮齿数不能过少,否则易发生根切现象;
(4)制造工艺性差,难以制造出用于精密传动的齿轮齿条装置。
这些缺陷的存在,一方面使齿轮齿条的传动效率降低;另一方面难以制造出体积小、重量轻的齿轮齿条传动装置。
最主要的是齿轮齿条结构太单一化,在提升机的运行过程中,难以实现制动,以及对于齿轮齿条的运行的控制更是难以实现。
1.1.2链传动
一、链传动的特点及应用
链传动是应用的一种机械传动。
它是由链条和主、从动链轮所组成的。
链轮上制有特殊齿形的齿,依靠链轮轮齿与链节的啮合来传递运动和动力。
链传动是属于带有中间挠性件的啮合传动。
与属于摩擦传动的带传动相比,链传动无弹性滑动和打滑现象,因而能保持准确的平均传动比,传动效率较高;又因链条不需要像带那样张得很紧,所以作用于轴上的径向压力较小;在同样使用条件下,链传动结构较为紧凑.同时链传动能在高温及速度较低的情况下工作。
与齿轮传动相比,链传动的制造与安装精度要求较低,成本低廉;在远距离传动(中心距最大可达十多米)时,其结构比齿轮传动轻便得多。
在机械制造中,如农业、矿山、起重运输、冶金、建筑、石油、化工等机械都广泛地应用着链传动。
按用途不同,链可分为:
传动链、输送链、和起重链。
二、链传动的结构特点
(一)滚子链
滚子链一般由内链节、外链节和连接链节组成。
1.内链节也称滚子链节,由两片内链板两个套筒和两个滚子所组成。
链板为钢制,8字形,链板两孔中心距离控制在严格的公差范围内以保证装配好的链条节距一致。
链板孔与套筒需保持过盈配合,以防止套筒在板孔内转动。
套筒的内、外表面具有较高的硬度以提高耐磨性能。
套筒的直径尺寸被控制在严格的公差内以保证与销轴和滚于的正确配合和平滑运转。
滚子表面硬而光洁,直径尺寸精确,每个滚子高度适当以使其在两链板之间能自由转动。
2.外链节也称销轴链节,出两片外链板和两个销铀组成(图1—4a)。
销铀的芯部韧性要好以耐受冲击,而表面硬度要高以提高耐磨性能,销铀两端铆接以防止与外链板松脱同时,销轴与链板孔过盈配合以防止发生相对转动。
滚子链一般由内链节、外链节和连接链节组成。
3.连接链节当安装链条时,为连接链条两端,可采用连接链节或过渡链节,或者复合过渡链节。
通常,在设计传动中心距时,应使链条具有偶数个链节,以避免使用过渡链节。
如设计要求链条的节数为奇数时,就必须采用过渡链节或复合过渡链节,而复合过渡要稍好于过渡链行。
连接链节是由两个销轴压配并铆接在一块外链板上,另一块外链板上的板孔尺寸则与销轴的另一端滑配或轻压配,以便于安装和连接链条。
连接链节用开口销、弹性锁片或钢丝来锁住。
(二)齿形链
齿形链又称“无声链”,它是由一组带有两个齿的连板左右交错并列铰接而成.链齿外侧是直边,工作时链齿外侧边与链轮轮齿相啮合来实现传动,其啮合的齿楔角有60度和70度两种.
由于在本设计中要提升的货物较轻,故选用滚子链.
1.2控制方案的确定
PLC控制
PLC的结构、特点
随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展,计算机控制已扩展到了几乎所有的工业领域。
现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应,生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品,为了满足这一要求,生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性,PLC((ProgrammableController,可编程序控制器)正是顺应这一要求出现的,它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。
PLC的特点
1.可靠性高,抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说,使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。
此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
2.配套齐全,功能完善,适用性强
PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3.易学易用,深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4.系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
5.体积小,重量轻,能耗低
以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。
1.3原动机的选择
电机是驱动整部机器以完成预定功能的动力源。
它们是把其他形式的能量转换为可以利用的机械能。
一般来说,都是以电动机作为机器的动力源。
1.3.1直流电机
直流电动机拖动和交流电动机拖动先后诞生于19世纪,距今已有100多年的历史,并已成为动力机械的主要驱动装置。
但是,由于技术上的原因,在很长一段时期内,占整个电力拖动系统80%左右的不变速拖动系统中采用的是交流电动机(包括异步电动机和同步电动机),而在需要进行调速控制的拖动系统中则基本上采用的是直流电动机。
但是,众所周知,由于结构上的原因,直流电动机存在以下缺点:
(1)需要定期更换电刷和换向器,维护保养困难,寿命较短。
(2)由于直流电动机存在换向火花,难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境;
(3)结构复杂,难以制造大容量、高转速和高电压的直流电动机。
1.3.2变频电机
一、变频器的作用
变频器在机电一体化产品中的运用。
变频器主要用于交流电动机(异步电机或同步电机)转速的调节,是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案,除了具有卓越的调速性能之外,变频器还有显著的节能作用.变频器主要用于交流电动机(异步电机或同步电机)转速的调节,是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案,除了具有卓越的调速性能之外,变频器还有显著的节能作用,是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。
二、变频器的优点
变频调速,可以大大提高电机转速的控制精度,使电机在最节能的转速下运行。
以风机水泵为例,根据流体力学原理,轴功率与转速的三次方成正比。
当所需风量减少,风机转速降低时,其功率按转速的三次方下降。
因此,精确调速的节电效果非常可观。
与此类似,许多变动负载电机一般按最大需求来生产电动机的容量,故设计裕量偏大。
而在实际运行中,轻载运行的时间所占比例却非常高。
如采用变频调速,可大大提高轻载运行时的工作效率。
因此,变动负载的节能潜力巨大。
变频调速是交流电动机调速的发展方向,而且有的变频调速系统在动态性能及稳态性能的指标上已超过直流调速。
因此在机电一体化系统设计时可优先选用交流电动机变频调速方案。
交流电动机变频调速系统中,变频器就是一个功率驱动接口。
目前已形成了规格较为齐全的通用化、系列化产品,因此在系统设计时,主要是解决变频器的选用、与控制系统的连接及控制算法的实现等问题。
变频电机的优势不言而喻。
第2章提升机的结构设计
该提升机的机构部分分为两部分:
分别是水平输送部分,垂直输送部分。
水平输送部分将零件输送至提升机底部再由垂直输送部分完成提升作业。
其中水平输送部分由滚筒,皮带,电机组成;垂直输送部分由电机、链轮、链条、涡轮减速器、挡板组成。
2.1链式提升机的主要组成部分
2.1.1水平输送部分
水平输送部分主要有滚筒皮带组成,一排滚筒固定排列组成托台将,通过电机带动滚筒运动将皮带上的零件输送至提升机垂直输送部分底部。
滚筒的机构如图2-1所示。
图2.1滚筒的结构
2.1.2垂直输送部分
原动机部分是驱动整部机器以完成预定功能的动力源。
通常一部机器只用一个原动机,复杂的机器也可能有好几个动力源。
一般地说,它们都是把其它形式的能量转换为可以利用的机械能。
原动机的动力输出绝大多数呈旋转运动的状态,输出一定的转矩。
在少数情况下也有用直线运动马达或滚筒以直线运动的形式输出一定的推力或拉力。
执行部分是用来完成机器预定功能的组成部分。
一部机械可以只有一个执行部分;也可以把机器的功能分解成好几个执行部分(提升机的链条执行上升和下降运动的功能,滚筒执行横向运送重物的功能)。
电机的动力通过蜗轮蜗杆传到联轴节,而带动链轮运行,从而带动链条提升货物。
蜗轮蜗杆的作用是在提升的过程中,起到制动保护作用,以免提升机在工作中突然停机时,货物由于重力而下降。
涡轮蜗杆结构如图2-2所示。
图2.2蜗轮蜗杆结构图
其中链条是提升机垂直运动的主要部件,现在我们对链条进行设计和选择。
链条的主要参数
(1)选择传动比
如果传动比过大,则将会导致小链轮的包角太小,同时啮合的齿数也会减少,这将导致加速链轮轮齿的多度损耗而且很容易出现跳齿现象,所以包角应该小于120°。
故传动比应该为i≤7,又因为再前面已经介绍为水平托台,故主从动轮的大小必须一致,所以传动比i=1.
(2)链轮齿数选择
链轮齿数的多少对传动平稳性和使用寿命有很大的影响。
小链轮齿数z1过少,会增加传动的不均匀性和动载荷,冲击过大,链传动寿命降低,链节在进入和退出啮合时,相对转角增大,磨损增加,功率损耗也增大。
因此,小轮齿数z1不宜过少。
小链轮齿数z1也不宜过多。
如果z1选择太大,大链轮的齿数z2根据传动比来确定,即z2=i12z1,大链轮齿数z2则将更大,这样除了增加了结构尺寸和重量外,同时也会磨损是链条节距伸长二发生脱链,导致使用寿命降低。
根据设计要求该提升机提升速度为20m/min,约为0.33m/s故为低速链传动。
初取链轮齿数为z=10.
(3)链的节距与排数
对于低速链传动(v<0.6m/s),其主要失效形式是链条的过载拉断,所以应按静强度条件确定链条的节距与排数。
其静强度的安全系数S为
(1.1)
式中:
Flim—单排链的极限拉伸载荷;
n—链条的排数;
KA—链传动的工作情况系数;
F—链条的有效工作拉力,N。
2.1.3提升机的总体结构图
在2.1.2中我们介绍了提升机的大致组成部分以及各部分的分工以及传动原理,下面是各部分的结构示意图。
链式提升机的原动件结构示意图:
图2.3电机与涡轮传动简图
图2.4涡轮与主轴传动简图
提升机的执行部分的结构简图:
图2.5主轴简图
图2.6滚筒简图
因为提升机的主要靠轴的转动,从而带动链轮的运转,通过链条带动托台上升和下降。
横向运动是通过滚筒的运动带动货物进入提升机的托台。
它的执行部分也就包括这两个方面,当然为了实现两个方向的运动就必须要两个电机控制两个方向。
所以在设计的过程中,对轴的要求是非常高的。
提升机的总体结构图:
图2.7提升机的总体结构图
2.2电机功率的计算
在我们选择电动机的时候一般首先会考虑电动机所能提供的负载所需要的转速与转矩。
从安全的方面来看,就是可以提供克服峰值负载所需要的功率。
而且,当电机的工作周期可以和它发热的时间常数相比较的时候,必须要考虑电机的额定问题,通常用负载的均方跟功率来确定电动机的发热功率。
若果要求电动机能够在峰值负载转矩下以峰值转速不断的驱动负载,故电机功率为:
(2.1)
式中:
Tlp—负载峰值力矩(N·m);
Nlp—电动机的负载转速(r/s);
η—传动效率η一般为0.7~0.9;
1.5~2.5—系数,属经验数据。
考虑了初步估算负载力矩有可能取不全面或不精确,而且电动机将会有一部分功率消耗在电动机转子上。
当电动机长时间连续在变负载情况系工作,则相对合理的是按照负载方根功率来估算电机的功率:
式中TLr—负载的方根力矩(N·m);
nLR—负载的方均转速(r/m);
在估算出Pm后即可选择电机,其额定功率PN需满足
PN≥Pm
但是在本课题中,我们要选择的电机所满足的条件不够,故很难估算出电机的额定功率,所以要用其他的方法估算电机功率。
因为电动机主要是为提升机提供提升所需要的功率,我们可以假设电动机的输出功率转化率为80%。
如果我们算出提升机的提升功率就可以估算出电动机的输出功率。
由课题设计要求可知,提升机的提升力为300N,则可提升的重量约为30KG。
提升的高度h=1700mm,提升速度v=20m/min即
m/s约为0.333m/s。
则根据能量守恒定律可得:
W=mgh+
mv2=30×10×1.7+0.5×30×(
)2
=510+15×15×
≈511.66j
由∵t=
=5.1s
∴p=
=
=0.1kw
∴p电机功率=
=0.125kw
故根据电动机型号表可查表得选择Y801-4p额=0.55kwn=1390r/min
2.3链的计算
2.3.1齿数计算
根据设计要求可知该链式提升机的提升速度约为0.333m/s
链式提升机的传动链轮直径的大小与料斗得卸料方式有关,同时还与链条的冲击载荷有关。
一般的链轮的齿数取z=16~20不易过过小,只有链轮链速很低时才能取2~16,传动链轮的直径Dj计算如下。
Dj=
(2.2)
Dj—传动链的节园直径,mm;
P—链条节距,mm;
Z—链轮齿数;
因为0.333<0.6故该链轮为低速链轮,故可以初取链轮有效齿数为z=10.由于用平板链作为牵引构件查下表可得节距p=38.1。
我国以A系列为主体(用于设计和出口,B系列用于维修和出口),表列出了几种常用滚子链的基本参数和尺寸。
图2.8
2.3.2节数
Lp=
(2.3)
将数据带入可得Lp≈86节
2.3.3验算链速
蜗杆为主动件时,蜗杆的传动比为
i12=
(2.4)
国家标准GB/T10085—1988规定圆柱蜗杆传动减速装置的传动比的公称值应按下列数值选取5,7.5,10,12.5,15,20,25,30,40,50,60,70,80。
其中10,20,40,80位基本传动比,应优先采用。
在该设计中我们选取传动比为40.则有
n=
故V=
2.3.4计算压力轴
因为该提升机为低速运动
所以F拉=0.5×300=150N
2.3.5计算静力强度
S=
(2.5)
F1=Fc+F拉+Fy
Fc=qv3=2.6×0.222=0.126N
查表得q=2.6kg/mm,KA=1,Q=55600N,Ky=1
Fy=Kyqga=150+0.126+86.36=236.486N
所以=196.4>4~8
故静力强度符合设计要求,所以链条不会破裂,是安全的
2.3.6链轮
选用45号钢调质回火(40~50)HRC
(1)节圆直径
(2)d=
mm取124mm
(3)齿顶圆直径
da=p[0.54+cot(180°/z)]≈137.81mm取138mm
(4)分度圆弦齿高ha=0.27p=10.29mm取10mm
(5)齿根圆直径
Df=d-d1-22.23=101.07mm取101mm
(6)齿侧凸缘直径
dg≤pctan(180/z)-1.04h2-0.76=78.8257mm
考虑到制造加工难度所以取80mm
2.3.7主轴的设计
轴是机械传动中的重要部件,他的作用主要作用是用来支撑转动的零件,从而是转动的零件能够传递运动和动力,并且能够使转动的零件具有确定的工作位置。
在通常情况下,如果轴的设计具有相对合理的结构已经足够的强度的话,那么轴的设计必须满足基本要求。
如果轴的结构设计不合理的话,会让轴的加工变得困难,装配工艺性也会变得很差,从而很大程度上增加了制造安装成本,甚至会影响到轴的强度以及刚度。
另一方面,如果轴的强度不满足设计要求的话,那么会发生断裂失效或者是塑性变形,从而使轴不能正常的工作。
轴的设计一般来讲步骤如下:
①按照工作与设计要求进行选材。
②初步计算轴的基本直径。
③进行轴的设计。
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