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缓降器
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I 中文摘要 随着我国经济的快速发展，城市发展的步伐也进一步加快，高楼大厦层出不穷，而由此带来的安全隐患也在增大。救生缓降器正是基于减小人们的生命危险，保障人们的生命安全而产生的。它是一种简单 、 安全且实用的高楼逃生装置，在火灾发生时人们可使用它迅速脱离危险。本课题主要测定缓降器的安全及稳定性能。它由电动机 、减速器、联轴器、电磁离合器、拉力传感器、测速发电机、直流调速器等部分组成。电机通过 V 带带动减速器，将速度减小到电磁离合器所需值。减速器通过联轴器与电磁离合器相联，将动力传到电磁离合器。电磁离合器上绕有缓降 绳，缓降绳向上与缓降盘联结。缓降盘上接拉力传感器，通过拉力传感器测定绕过缓降盘的绳的拉力，拉力传感器与数据采集系统相接，将测得的拉力变化通过数据采集系统转换为数字量变化，在微机系统上显示出来。在电动机上接有测速发电机，测定电动机转速的变化，进而求得缓降绳下降速度的变化。当拉力在额定值内变化的时候，缓降绳下降速度也在额定值内变化，则缓降器符合设计要求，可作为逃生装置安装在楼道内。 关键词 : 电动机 ; 减速器 ; 电磁离合器 ; 拉力传感器 ; 采集卡 英文摘要 文摘要 s of of of of on to s s It is a in to In we of s is up by to of to s on s s s of s it on to to of to of s in s of in to it be in as 5 目 录 1 绪论 1 2 总体方案设计 2 3 电动机的选择 4 电动机的选择 4 分配传动比 5 传动装置动力与运动参数设计 6 各轴转速 6 各轴功率 6 各轴转矩 7 4 减速器设计 8 圆锥齿轮设计 8 圆柱齿轮设计 12 锥齿 17 锥齿轮数据 17 圆柱齿轮数据 17 轴、轴承、键及联轴器型号的选择 18 -轴上轴径、轴承、键及油封的确定 18 -轴上各轴段直径 18 -及 -轴段上轴承的确定 18 -轴段及 -轴段上键的确定 19 -轴上油封的确定 20 -轴上轴径、轴承、键的确定 20 -轴上轴径、轴承、键及联轴器的确定 21 5 其它机械结构设计 22 带传动设计 22 带传动的类型 22 带传动的选择 22 22 联轴器的设计 23 6 联轴器的分类 23 联轴器的选择 24 电磁离合器的选择 24 电磁离合器的特点 24 电磁离合器的分类 25 各种电磁离合器的使用范围 26 电磁离合器在机械传动装置上的应用形式 28 电磁离合器的选择 30 传感器的选择 31 传感器的分类 31 传感器的选择 31 6 数据采集与处理 32 数据采集原理 32 数据采集系统 33 数据采集系统的基本组成 33 数据采集系统的特点 34 数据采集系统的主要性能指标 35 数据采集系统的结构形式 36 程序控制设计 37 转速测量 40 直流测速发电机 41 交流测速发电机 42 测速发电机的选择 43 结论 44 致谢 45 参考文献 46 7 1 绪 论 现代社会高度发展，城市化进程进一步加快，高楼大厦曾出不穷，如何让人们的生活富足且具有更高的安全系数，是消防人员的重大责任。救生缓降器就是在高楼出现火灾等危险情况时，供人们逃生的装置。 该装置主要由新型限速器、绳索卷盘、安全带、安全钩、挂环及连接钢丝绳等组成 ， 性能优异，安全可靠 。 适用范围 该装置适用于各类高层建筑如办公楼、写字楼、公共娱乐场所、宾馆、饭店、住宅、公寓、 商厦、机关、医院、学校等场所配备，并是消防部门施救装置，还可用于高空作业等需匀速缓降的场合。 产品特点 全可靠 。 采用最新技术，完全消除重力加速度，降速平稳均匀，限速阻尼感、安全感强，无空程。检测结果表明：在使用载荷 25s，重复下降速度偏差 5% 。 手动 ， 可悬停 。 除限速器自动调速外，还可进行手动降速干预，可刹车悬停。 用寿命长 。 采用纯裸镀锌钢丝绳，强度高、阻燃、寿命长。 该装 置研制出便携式（手提箱）和固定安装式（壁挂箱）两种产品，既可供多人（操控）稳定使用，又可供个人（操控）移动使用。 构紧凑 。 限速器采用精铸铝合金外壳，精美，轻质（ 2 总体方案设计 8 2 总体方案设计 设计题目： 缓降器性能试验机设计 设计要求： 1） 了解缓降器性能试验机的用途，主要构成；策划系统的总体结构和实现方案。 2） 了解缓降器性能试验机的工作原理，设计缓降器性能试验机的机械结构。 3） 完成缓降器性能试验机的电气部分设计。包括：直流电机的加载原理，直流电机控制器的控制电路，拉力测量电路设计，线 速度测量电路设计，微机计数卡的原理框图，控制软件流程图。 4） 完成翻译译文，最少工作量为 5000 汉字。 5） 针对本课题内容需要绘制 4张0写 2万字设计说明书。 设计参数： 1、绳的直径： 42、下降速度： s。 3、承载力： 100、机架高度： 5、脉冲测长： 100m。 6、调速器：欧陆直流调速器。7、采集卡：宏拓 7484 采集卡。 8、电磁离合器： 2个，一开一合。 本设计为缓降器性能试验机设计。在设计的过程中，需要由电机提供动力。而电动机的转速较高，传递的转矩则较小，故不能将电动机输出轴和电磁离合器输入轴直接联结，须经过减速、增扭过程，再与电磁离合器输入轴联结。在设计中，一般采用减速器作为电动机与工作机之间的联结装置。在本设计中，我们采用锥齿 电动机的动力通过减速器传递给电磁离合器。电磁离合器通过绕在其上面的缓降绳与缓降盘联结，缓降盘上装有拉力传感器，通过传感器测定通过缓降盘的拉力的变化，传递给采集卡及微机控制系统。在电动机上装有测速发电机，测定电动机转速的变化。 在设计中，电动机和减速器之间通过 器联结，减速器和电磁离合器之间通过联轴器联结。实际选择时应根据实际情况选择 设计中，一般将机器之间的传动设计成直线联结形式，因此，我们选择联轴器作为减速器输出轴和电磁离合器输入轴之间的联接装置，选择 所以选择锥齿 因为用它可实现将机器设计成直线传动形式的目的。考虑到减速的程度问题，选择两级锥齿 综上所述，系统总体传动方案如图 9 在检测中，需采集缓 降绳所受拉力的大小及其下降速度的大小，将两个参数分别列在坐标轴横纵坐标上。当拉力在 245N 980试验机是合格的，可作为救生装置装在楼道内。 实际上，我们是通过测定电动机的转速来间接测定缓降绳的下降速度的。电动机转速的测定是同过测速发电机来实现的，具体测定过程见 缓降绳下降速度 线如图 示。 3 电动机的选择 10 3 电动机的选择 选择电动机的型号和结构型式 电动机的选择既要考虑实用性、节能型，又要考虑其 满足设计要求的性能，在缓降器性能试验机设计中，人的重量为 :25100 降速度为 :s 1.5 m/s,设计中，我们均取最大值，作为缓降绳所受拉力和下降速度，则拉力 F=000N,V=2 m/s,去工作机效率w=求得工作机（即电磁离合器绕绳轮）功率为： 1000 1000 = (3式中， w工作机效率； 工作机要求的输入功率； F工作机阻力； V工作机线速度。 电动机所需的输出功率为： (3式中， 工作机要求的输入功率； 电动机至工作机的传动效率。 设计中要求电动机额定功率 电动动机至工作机的传动效率： = 1 23n由机械设计课程设计查得 承、联轴器等的传动效率分别为： 11 =W。 取工作机鼓轮直径（即电磁离合器绕绳轮直径） D=400工作机轴转速为： 1060 =400 210603 = (3查机械设计课程设计表 22，锥齿 15,则电机的转速范围为： ,（ 815） （ r/机械设计课程设计表 电机同步转速为：1000 r/机额定功率为：机型号为： 电机型号及主要尺寸列表如下 （表 表 机型号及主要尺寸 型号 额定功率 满载功率 r/ 同步转速 （ r/ 电机中心高 （ 外伸轴直径和长度 D E （ 960 1000 132 38 80 分配传动比 电动机选定以后，根据电动机的满载转速 工作机转速 可确定传动装置的总传动比为： i= 下面将总传动比分配给锥齿 机械设计课程设计教材，对于锥齿 锥齿轮传动比为 1i =应使 1i 3，3 电动机的选择 12 最大允许 1i 4，我们取 1i =3，取整数 1i =合要求。对于圆柱齿轮 2i ，要求 2i =35，而实际上 2i =i/ 1i = 2i =4，符合要求。 故锥齿轮和圆柱齿轮传动比分别为： 1i =2i =4。 传动装置动力与运动参数设计 各轴转速 n = 1960 =960 r/ n = 384 r/ n = 4384 =96 r/ n =96 r/ 各轴功率 P = 1 = P = P 1 2 =W， P = P 4 5 =W， P 67=W。 13 各轴转矩 T =95509550 m, T =95509550 m, T =95509550 m, 5509550 m。 将传动装置运动和动力参数计算结果列表如下（表 表 3 . 2 传 动 装 置 运 动 和 动 力 参 数 轴I 轴电动机轴效率传动比 功率 减速器设计 14 4 减速器设计 由总体方案知，采用锥齿 减速器的设计中，总体尺寸 主要由锥齿轮及圆柱齿轮的尺寸决定，因此，锥齿轮及圆柱齿轮的设计是至关重要的。 圆 锥齿轮设计 1. 选择齿轮材料 、热处理 根据设计要求，选用闭式软齿轮设计。 大齿轮： 45#，正火，齿面硬度： 190 200 小齿轮： 45#，调质，齿面硬度： 220 230 2. 选择齿轮精度等级 、齿数、齿宽系数 缓降器性能试验机为一般性提升、移位装置，故选用 8 级精度。 对 闭式软齿轮，推荐小齿轮齿数 1z =20 40,选 1z =30，则 2z = 1z 1i =75. 1u =121i 。 由机械设计教材知，齿宽系数 R = R = 3. 确定相关参数 =21 1 = =211u=2 = 当量齿数：110=12， 15 225=202， 当量齿轮端面重合度： o 。 4. 按齿面接触疲劳强度设计 由 1d 3221) （ 4 确定式中各项数值： 由表 ， 1T = T =310 N 载荷受中等冲击，查机械设计（以下简称机设），初选载荷系数 查机设表 9弹性系数 查机设图 9节点区域系数 由v=机设图 9接触强度重合度系数Z= 由机设式 9， H =4 分别查机设图 9d） , 9c） ,取 1=5252=390 查机设表 9 对锥齿轮工作寿命为 10 年，则 911 36510(19606060 89112 查机设图 9 4 减速器设计 16 将以上各参数代入式（ 4得 1H =11=420 2H =259 取 2H=359 计。 将以上求得的1T 、 R 、 u、 Z、 2H代入式（ 4得 32212) = 32233 5 98 7 8 = 则 V=3111060nd t = =s, 由机设表 9 由机设图 9 又锥齿轮齿宽系数1RR u 2 12 = = 查机设图 9K=机设图 9K= K= K K=所以， 1d = 由 1d = m 1z , 所以 m=11机设表 9 m=3。 锥齿轮主要几何尺寸如下： 17 1d = m 1z =3 30=902d = m 2z =3 75=225R =2 =2322 7530 =b= R R = 因锥齿轮大小齿轮宽度相等，取齿宽 1B = 2B =3211d = 1d =903 22d = 2d =2253 11d +2= 1d +2m =90+2 1 3 22d +2 = 2d +2m =225+2 1 3 5. 校核齿根弯曲疲劳强度 由 2321211) （ 4 确定Y、 F ： 由机设知， 5 当量齿数 8 s 111 13 7 1 s 222 查机设图 91 查机设图 9 4 减速器设计 18 查机设图 9c），在 取 301 ， 同理，在 机设图 9d）上取 102 ， 查机设表 9c） ,取 又应力循环次数 91 N ，82 N ，查机设图 9 故 M P i i ， M P i i ， 将确定出的各项数值代入弯曲强度校核公式（ 4得 , M P Y 2 112212 ， 故齿根弯曲疲劳强度满足要求。 圆 柱齿轮设计 1. 选择齿轮材料 、热处理 根据设计要求，选闭式软齿轮设计。 大齿轮： 45#，正火，齿面硬度： 190 200 小齿轮： 45#，调质，齿面硬度： 230 240 2. 选择齿轮精度等级 、齿数、螺旋角 因缓降器性能试验机为一般性提升、移位装置，故选用 8级精度。 19 对 闭式软齿轮，推荐小齿轮齿数 1z =20 40,选 1z =25，则 100254122 2u =124= 2i 。 初选螺旋角 15 。 3. 按齿面接触疲劳强度设计 由 321112 （ 4 确定式中各项数值： 由表 ， 1T = T =310 N 因载荷平稳，初选载荷系数 5.1 查机设表 9齿宽系数 9.0d， 查机设表 9弹性系数 查机设图 9节点区域系数 由式 9面重合度 o 纵向重合度 a a 查机设图 9接触强度重合度系数 Z， 又螺旋角系数 Z， 设圆柱齿轮工作寿命为 10 年，由机设式 9应力循环次数 811 3 6 510(13 8 46060 88212 4 减速器设计 20 查机设图 9接触强度寿命系数 查机设图 9d） ,按小齿轮齿面硬度平均值 235 中间（适当延长 ）查得小齿轮接触疲劳极限 401 ，同理，在图（ d）上查得大齿轮接触疲劳极限 902 ， 查机设表 9齿轮最小安全系数 则许用接触应力 M P i i ， M P 13902m i i ， 取 设计。 将以上所求各数据代入式（ 4得 3211212 = 2 = 则 t /311 , 由机设表 9使用系数 K ， 由 机设图 9动载系数 K， 由机设图 9齿向载荷分布系数 K， 由机设图 9 齿间载荷分配系数 K，则载荷系数 1 3 8 A ， 21 311 ， 5c o o n ， 由机设表 9斜齿圆柱齿轮模数 5.2 圆柱齿轮主要几何尺寸为： 中心距 115co 1 0 025( 21 ,取 60 。 螺旋角 r c c a r c c 1 n ， 故 。 n 6 o s 11 ， n 69 7 6 0 s 22 ， d ， 取大齿轮齿厚 02 ，小齿轮齿厚 81 。 5. 校核齿根弯曲疲劳强度 由 112 （ 4 计算当量齿轮端面重合度 2 由机设表 9，端面压力角 0t a na r c t a nc o st a na r c t a n 减速器设计 22 基圆柱上的螺旋角b的余弦为 o s 20c o o s c o sc o sc o s ， 故 7 3 9 s 22 ， 由机设式 9合度系数 ， 由机设图 9螺旋角系数 Y， 当量齿数 6 s 3311 79 7 6 0 0co s 3322 查机设图 9齿形系数 查机设图 9应力修正系数 查机设图 9弯曲疲劳强度寿命系数 由机设 9c） , 按小齿轮齿面硬度平均值 235 （适当延长）上查得小齿轮弯曲疲劳极限 401 ，同理，在图（ d）上查得大齿轮弯曲疲劳极限 102 ， 查机设表 9齿轮最小安全系数 则许用弯曲应力 M P i i ， 02m i i ， 将以上所求各数据代入式（ 4得 23 , M P Y 112212 ， 故齿根弯曲疲劳强度满足要求。 锥齿 锥齿轮数据 ; ; f ; 301 z ; 751 z ; 01 ; 252 ; ; 221 ; a ; a ; f ; f 。 圆柱齿轮数据 ; a ; f ; 251 z ; 1001 z ; ； ； 60 ； 41 ; 562 ；81 ； 02 ; ; ； ； 6222 。 4 减速器设计 24 轴、轴承、键及联轴器型号的选择 由机械设计课程设计（以下简称机设课设），初估轴径： ， 电机轴： 05 3 81 1 8 33 ，取 8 ； 轴： 3 ，取 8 ； 轴： 3 ，取 2 ； 轴： 3 ，取 2 。 -轴上轴径、轴承、键及油封的确定 -轴上各轴段直径 根据初估轴径，取 4 ，则由机设课设得其他轴段直径分别为： ， 取 0 ； -轴段上有角接触球轴承， 初取 ， 由机设课设表 0； ； -轴段上有角接触球轴承且应和 -轴段上轴承型号尺寸相同，故 25 0V ； 0V V 。 所以各轴段直径分别为： 4 ； 0 ； 0； 8 ； 0V V ； 0V V 。 -轴上各轴段直径尺寸及轴承安装如图 -及 - 轴段上轴承的确定 由机设课设，确定两轴承的型号及尺寸如下： 型号：滚动轴承 7208C 寸： 188040 -轴段及 -轴段上键的确定 -轴段上键：由机设课设表 得键 型号：键 288 高度： ； -轴段上键：由机设课设表 得键 型号：键 408 高度： 。 4 减速器设计 26 -轴上油封的确定 因 -轴轴径 0 ， 由机设课设表 定油封的型 号及尺寸如下： 型号：垫圈油封 30 92010寸： 9 ， 2 ， 1 。 -轴上轴径、轴承、键的确定 方法同上，确定各尺寸如下： 1. 轴径 0 ； 6 ； 4； 6 ； 0V V 。 -轴上各轴段直径尺寸及轴承安装如图 2. 轴承 型号：滚动轴承 7206C 寸： 166230 3. 键 -轴段上键：由机设课设表 得键 型号：键 2810 高度： ； -轴段上键：由机设课设表 得键 型号：键 5010 高度： 。 27 -轴上轴径、轴承、键及联轴器的确定 方法同上，确定各尺寸如下： 1. 轴径 0 ； 8 ； 0； 0； 0V V ； 5V V ； 8V V 。 -轴上各轴段直径尺寸及轴承安装如图 2. 轴承 型号：滚动轴承 7210C 寸： 209050 3. 键 -轴段上键：由机设课设表 得键 型号：键 5016 高度： 0 ； -轴段上键：由机设课设表 得键 型号：键 3210 高度： 。 4. 联轴器 型号： 度： 250 。 5 其它机械结构设计 28 5 其它机械结构设计 带传动设计 带传动的类型 带传动是在两个或多个带轮之间用带作为拉曳元件来传递运动和动力的一种挠性件传动。 带传动分为摩擦传动和啮合传动两类。平带 楔带圆带都是利用带与带之间的摩擦力实现传动的，同步带则是靠带齿与轮齿相啮合传递运动和动力的。 带传动的 选择 平带传动结构最简单，带轮也容易制造，使用成本低廉，形式多样，传动中心距较大，在农业机械中应用较多。 轮上也做出相应的轮槽。传动时， 以两侧面为工作面。根据槽面摩擦原理，在同样的张紧力下， 构较紧凑，并且 而 在缓降器性能试验机设计中，我们采用 V 带传动，将电机的输出功率等传递给减速器。 V 带轮设计 1 V 带轮设计的要求 设计 V 带轮时应满足的要求有：质量小；结构工艺性好；无过大的铸造内应力；质量分布均匀；转速高时要经过动平衡；轮槽工作面要精加工，以减少带的磨损；各槽的尺寸和角度应保持一定的精度，以使载荷分布较为均匀等。 2 带轮的材料 带轮的材料主要采用铸铁，常用的材料牌号为 速较高时宜采用铸钢；小功率时可用铸铝或塑料。 在本设计中，我们采用 为带轮的材料。 2
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