毕业设计（论文）-轮式防爆液压机械闸检测控制部分设计.doc

成人高等教育毕业设计题 目： 轮式防爆液压机械闸检测控制部分设计 学院(函授站）： 山西 年级专业： 电气工程及其自动化 层 次： 专升本 学 号： 姓 名： 指导教师： 起止时间： 2010 年9月 8日 11月 8日摘 要 根据电动液压推杆制动器的不足之处，将泵缸液压传动系统应用制动器上，设计出一种能瞬时工作的轮式防爆液压机械闸。本论文主要论述了其检测控制部分的设计，本设计采用plc作为控制装置，选用电感式接近开关作为检测装置。检测部分包括对控制油缸整体结构和零件的设计、联轴器测速机构的设计。控制部分包括plc的选型、系统控制流程设计、控制系统程序设计、电控原理图的设计和抗干扰设计等等。关键词 机械闸，控制油缸，建模，联轴器，接近开关，可编程控制器 目 录摘要1目录2第一章 绪论4 1.1前言41.2带式输送机制动系统的现状5 1.3制动器的原理及发展现状61.4本文研究的意义91.5本文主要研究内容10第二章 控制油缸的设计11 2.1整体设计方案11 2.2初步设计计算11 2.3缸体的设计与计算12 2.4活塞杆的设计与计算15 2.5活塞的设计17 2.6活塞杆导向套的设计18 2.7方插头的设计19 2.8检测装置的设计20第三章 控制油缸的建模24 3.1控制油缸的建模24第四章 联轴器测速机构的设计与计算29 4.1整体设计方案29 4.2联轴器的设计与选型29 4.3测速装置的设计30第五章 控制部分的设计32 5.1整体设计方案32 5.2系统的控制流程32 5.3控制装置的选择32 5.4控制系统的i/o点及其地址分配33 5.5可编程控制器的型号的选择与硬件配置的确定34 5.6控制系统程序设计37 5.7控制系统的抗干扰措施48结论 51参考文献 52致谢.53第一章 绪论1.1前言 在现代的各种连续输送设备中，带式输送机被公认为是散料输送最经济可靠的输送设备之首，广泛应用于国民经济各部门。同时，随着煤炭事业的发展，及采煤机械化、自动化程度的提高，采区的生产能力也逐渐提高，这就要求井下运输系统的输送能力也应相应提高，所以带式输送机目前正向大运量、长距离、大倾角方向发展。我国的煤矿存在大量上山开采的情况，下运输送量大，下运带式输送机应用前景很广阔，而可靠的制动装置又是带式输送机，尤其是下运带式输送机的关键部件，其制动系统运行的好坏直接关系到带式输送机的安全、稳定和可靠运行。1.1.1带式输送机制动装置要解决的问题及对先进制动装置的要求 带式输送机尤其是下运带式输送机的制动装置要解决以下问题:散热的问题 制动器制动时，机械能转化为热能使制动器温度升高，如使用闸块式制动器制动，闸轮或闸盘表面热量集中，短时间内不能及时散发，温度急剧上升，如果上升至150就有引起瓦斯、煤尘爆炸的危险，超温和闸衬磨擦互为因果，会使闸块或制动器制动力矩下降，导致飞车事故。制动平稳问题 下运输送机上物料的下滑分力与制动时产生的惯性力方向相同，两力相加，易造成滚料现象，所以要求平稳制动，即制动的减速度限制在一定范围内。输送机上的装载量是变化的，其转动惯量也随之而改变，要保持稳定的制动减速度，就要求制动力矩能随负载大小而自动调节。大型带式输送机制动减速度越平滑，对输送机的冲击就越小，越有利于设备的稳定运行。紧急制动的问题 在突然停电及其它紧急情况下，制动系统也应自动投入紧急制动，并保证制动中的平稳性和安全性。飞车及超速保护的问题 下运带式输送机处于发电工况时，如负载力矩超过电机颠覆力矩时，电机转速失去控制，负载越大，电机转速越高，从而引起飞车事故;此外，由于机械抱闸制动力矩不够或起动时主电机未及时投入均会引起飞车事故。 要解决以上问题必须使用可控制动系统，这样才能提高输送机运行的稳定性和可靠性。1.1.2性能优越的新型可控制动系统应具备以下功能:制动力矩可控。 对于大功率下运带式输送机，都要求制动系统能提供平滑的、无冲击的制动力矩，以减小设备的动应力，从而改善整机的受力状况，延长设备的寿命，提高设备的可靠性;一般要求制动减速度在0.1 0.3之内可控。具有断电可靠制动。 对于长距离、大运量的带式输送机，考虑到工作的特殊性，在突然断电时，制动装置仍能平稳、安全、可靠地制动带式输送机，防止出现飞车事故。具有定车功能。 在下运带式输送机带载停车时，如果制动装置没有定车功能，则输送机不可能零速保持，必然造成安全事故。对于没有定车作用的制动系统，必须增加机械闸定车，既增加了设备，又增加了隐患。具有重载起车制动力矩零速保持功能。 下运带式输送机经常会带载制动停车，在这种情况下起车控制比较困难，而且也比较危险，如果制动装置没有重载起车制动力矩零速保持功能，起动加速度将不可控，起动时冲击大。这一点对于大倾角下运带式输送机尤其重要。实现多机制动力矩平衡。 长距离、大功率的下运带式输送机一般采用多点驱动和多机驱动，而制动装置数量与驱动装置相配套，为防止单台制动装置制动力矩过大而出现打滑和损伤设备，各台制动装置应能做到制动力矩平衡。易实现井下防爆要求。 因为在制动停车过程中，下运带式输送机的动能大都将通过制动系统变为热能，使制动装置的温升在短时间内急剧增大，这就需要制动器具有良好的散热性，以满足防爆温度的要求。1.2带式输送机制动系统的现状 带式输送机的可靠、稳定和安全运行，很大程度上取决于制动器的工作性能的可靠性，为了获得更加安全可靠的制动系统，各国为此做了许多的研究工作。目前国内己应用和开发研究成功的大功率可控制动系统主要有以下几种:1.2.1自冷盘式制动装置防爆自冷盘式制动系统主要由机械盘闸和可控液压站组成，其工作原理是通过制动器对工作盘施加摩擦制动力而产生制动力矩，通过液压站调整制动器中油压的大小可以调整正压力，从而调整制动力矩的大小。为了使制动器具有良好的散热性，根据风机原理把制动盘做成中空结构的强制冷却方式，使制动过程中不超过150 0c。该制动装置具有制动力可控性好、平稳等优点。但同时也存在体积大，需要减速器多出轴的特点。1.2.2液压制动器液压制动器利用液体的静压来实现制动，其制动力与泵的排量和油压有关，调节液量或油压可以调节制动力的大小，通过电控装置，也可以实现制动加速度闭环控制。该系统油液发热量较大，由于液压系统的泄漏，停车时需用推杆制动器或其他机械抱闸。1.2.3液力制动器 液力制动器利用降低液体动能实现制动，其制动力与泵轮的旋转速度和充液量有关，调节充液量可调节制动力的大小，通过电控装置，也可以实现制动加速度闭环控制。该系统油液发热量大，低速时制动和停车时也需用推杆制动器或其他机械抱闸。本设计的机械闸就是用来配合抱闸或在在上运时与逆止器配合使用的。1.3制动器的原理及发展现状1.3.1制动器的工作原理制动技术促使制动器的制动力矩稳定，制动平稳、可靠，不受工作环境的影响；操作灵活；散热性好；体积小，重量轻；能源消耗少，成本低；在制动系统中，对制动指令的执行准确无误。随着制动技术的发展，使制动装置成为集机械、电、液、材料、计算机技术于一体的现代化装置。制动器按对主机转动部分或转轴的制动可分为径向制动和轴向制动两种，径向制动一般对被制动的轴不产生轴向力，而轴向制动则产生轴向力。若结构合理，产生的轴向力可减至最小。按制动系统的复杂程度来分，一类是操纵杠杆等机构使制动器完成制动，使运动机械的势能和动能完全由制动器摩檫副的摩檫热所消耗。我国目前大部分机械的制动方式属于这一类，另一类是用制动系统完成制动，即不仅用制动器，而是先电力制动（如：能耗制动、发电制动、涡流制动等）或其他方式制动（如流体制动等），使运动机械的势能和动能大部分在这一过程中消耗到一定值后，再由制动器制动。这种制动方式发展很快，是现代化机械的制动发展方向。制动器种类虽多，但其组成的主要零部件的功能大同小异，制动器包括：制动架和壳体制动器的基础件，起联系或组装其他零部件的作用；紧闸装置（手柄、杠杆、弹簧、液压和气压装置等）使制动器起制动作用的紧闸部件；松闸装置，也称驱动装置（手柄、杠杆、电力液压推动器、电磁液压推动器、电磁阀、液压系统和电磁铁等）使制动器不起制动作用的部件，即开闸部件；摩檫副，即制动轮（盘）和制动瓦块制动器执行制动的对偶件；调整装置调整制动器退距均等机构；辅助装置由制动瓦块的复位装置等其他零部件等组成。1.3.2制动器的现状在带式输送机上常用的制动器分为闸瓦制动器和盘式制动器两大类。盘式制动器是安装在减速器的第二轴、三轴或输出轴上的一套制动装置，盘式制动器由制动盘、制动闸和液压系统组成，如下图1所示，盘式制动通过制动盘与制动块之间摩擦将机械能转换为热能而得到相应的制动力,盘式制动装置是一种利用压力油压缩碟簧松闸，卸压后碟簧产生压力施闸的常闭式制动装置起车时，压力油通过高压油管进入制动器的活塞腔，压缩碟簧使闸瓦离开制动盘，解除制动，输送机正常起动；当输送机超速或由于特殊情况需要制动时，油压降低，活塞在碟簧压力的推动下带动闸瓦压向制动盘，利用闸瓦与制动盘问的摩擦产生制动力，从而实现输送机制动。并且通过调节液压控制系统的电液比例阀的控制电流可以调节系统压力，从而调节制动装置的制动力。盘式制动器有以下几个工作特点：制动器的制动力矩随着工作压力的减小而增大，力矩调节方便；实心制动盘散热性能差；制动盘线速度高时易打火，存在防爆的问题；系统突然停电时，依靠蓄能器和控制阀实现平稳制动；结构简单，操作维护方便。 这种制动器结构较复杂，投资较大，一般用于中等以上功率的场合，作为本设计的与逆止器配合作为上运带式输送机的制动，与液压调速软制动器作为下运带式输送机的制动的机械闸来说显然不合适。目前国内应用在各种机械上的机械闸主要是闸瓦制动器，分为常闭式和常开式两种。而且现在在带式输送机上普遍应用的是常闭式电动液压推杆制动器。该制动器安装在减速器输入轴的制动轮联轴器上，如下图1-2所示， 图1-2 采用电动液压推杆动器的下运带式输选机驱动布置简图 1电动机 2推杆制动器 3减速器 4驱动滚筒 5输送带电动液压推杆制动器的结构：该制动器由制动架和相匹配液压推力器两大部分组成(如下图3所示) 。制动架由制动瓦块、主弹簧、制动臂、调整杆等组成。液压推力器的上部为一个小型电动机,下部为一小型离心式油泵,油泵的活塞与其上部的两根推杆相连。电动液压推杆制动器的工作原理: 当电动机旋转后带动油泵,油泵产生油压推动活塞连同推杆一起向上移动,通过制动器推杆和杠杆等机构使制动瓦块动作而达到松开的目的,当电动机断电停止旋转时,靠主弹簧使活塞、推杆向下移动,通过杠杆和制动臂等机构使制动瓦块动作而达到制动的目的。液压推力器是电动液压推杆制动器主要部件, 电力液压推动器主要是作为制动器的驱动装置, 我国现产的电力液压推动器, 除了本世纪60年代上海起重电器厂推出的yt1 型双推杆系列产品, 80 年代中期原焦作制动器厂还引起了原西德 图1-3 常闭式电动液压推杆制动器简图emc 公司的ed 型单推杆系列产品, 与此同时, 我国各制动器生产厂家也先后推出了yt2 、yt3 、yt4 、yt5 、yt6 等各型单推杆系列产品。1996 年,我国在已有的yt1 型双推杆及ed 型等各单推杆系列产品基础上, 经研究改进, 又设计出来了结构、性能更趋完美的yd 型单推杆系列产品，型号虽多，但基本结构和原理是大同小异的，现主要以最先进的yd 型为例来介绍，其基本结构(如下图4所示)由电动机、传动轴、叶轮、活塞、推杆、连接块等六大件构成, 工作原理是: 通电时, 伸进电机轴盲孔中的传动轴及固定在传动轴上的叶轮随电机一同高速旋转, 将油缸内活塞上部的油液吸到活塞与叶轮下部, 形成压差, 迫使活塞及固定在活塞上的推杆随传动轴和叶轮以10 mm/s 左右的速度一同上升, 举起负荷; 断电后, 推杆在与之固连的各零件的自重及负荷压力下复位。叶轮与活塞下部的油液则通过叶轮径向叶片间的流道以10 mm/s 的速度被重新压到活塞上部。 图1-4 yd 型单推杆电力液压推动器1. 连接块2. 护管3. 液压缸 4. 推杆5. 活塞6. 叶轮 7. 传动轴8. 电动机这种制动器有一突出的问题是该种推力器故障率较高，给生产运输带来很大的障碍。电动液压推杆制动器是采用推力器叶轮旋转甩出液体使机械制闸动作，工作过程中叶轮有时破碎失效，且容易脱落。在运行设备正常工作时，叶轮和电机均需要不停地工作，从而使它的使用寿命大大降低，导致机械制动闸动作不灵活，最终造成失效。1.4研究意义：本设计的目的就是克服上述已有技术的不足,根据现有制动装置的现状和机械设备,特别是煤矿有弹性体结构的带式输送机设备所需要的运行工况,提供一套结构简单、能瞬时工作和投资小的轮式防爆液压机械闸。总体上讲，本设计的意义体现在如下几点：本设计采用瞬时工作制，克服了传统的电动液压推杆制动器采用长时工作制因发热、磨损造成叶轮破碎，电机出虚汗而损坏的缺陷。因为本设计的机械闸是由泵缸液压传动系统和电器控制系统来控制的,松闸到位后利用液压元件进行保压就可以实现持续松闸.而国内以往所设计使用的机械闸,要使机械闸实现持续松闸,则电机必须不停地运作,根据实际情况,机械闸每天的工作时间在20小时左右,这样电机在12个月就报废了。此外利用接近开关还能实现在线实时松闸状态监测和故障报警，可靠性高。本设计在油路中采用二位二通电磁球阀,具有非常可靠的保压性能,完全避免了内泄露问题.本设计的机械闸主要用于下运带式输送机的制动，亦可用于过载保护。1.5本设计的主要研究内容 本设计是将泵缸液压传动系统应用制动器上，设计出一种比较实用的制动器，本论文主要进行其检测控制部分设计，研究的内容主要有两个：1.5.1检测部分：控制油缸的设计，包括油缸的设计图纸,构建力学模型,进行力学分析,动态仿真以及检测装置的设计与安装。带制动轮联轴器测速机构的设计,测速装置的设计与安装。1.5.2控制部分:plc的选型与编程、控制流程图、电控柜电路的设计和接线图以及研究如何抗干扰。第二章控制油缸的设计与计算2.1 整体设计方案控制油缸总体说来是由液压缸和检测装置组成,而且其中主要是对液压缸的设计.液压缸是液压传动中的执行元件,它将液压能转变为机械能,液压缸所能完成的动作,所以,它必须适应各种不同机械设备的需要. 液压缸的结构形式各不相同,种类繁多,如:单作用液压缸、双作用液压缸、缓冲式液压缸,多级液压缸和组合液压缸等等.对于液压缸的设计,有一条总的原则就是力求使液压缸的结构简单而又满足要求,性能良好而又安全可靠.在本设计中, 控制油缸在整个液压机械闸的工作过程中的作用是：在机械闸工作时通过油缸提供的液压推力实现松闸、持续松闸和抱闸。因为所要完成的动作简单,所以采用单作用液压缸,根据工作需要和具体安装形式采用活塞杆固定，缸体移动的方式,而且因为本液压缸运动速度很显然小于6m/min,所以不设置缓冲装置. 检测装置在本设计中是用来控制液压缸的行程,其作用类似于位置开关,但比位置开关的作用要大,它用来检测液压缸的位置,看机械闸是否松闸到位.所以本设计选择用接近开关来作为检测装置.2.2初步设计计算2.2.1确定油缸的负载压力已知：制动轮的直径为500mm，机械闸所需要的最大静态制动力矩为5400 nm。受力分析如下图2-1所示：nn 图2-1查机械设计手册可知：机械闸总的杠杆比 根据所设计的机械闸可得：因为油缸自重相对于负载力来说可以忽略不计2.2.2确定油缸的公称压力和内径根据压力等于负载力与活塞面积之比，即 因为f已求出，通过查手册选取p和s根据液压缸的公称压力系列（gb/t7938-1987）选取p为2.5mpa，根据液压缸的内径系列（gb/t2348-1993）选取d为63mm，即活塞的面积为 2.2.3油缸行程的确定液压缸的活塞行程在设计时,主要是按实际工作需要来考虑.根据机械闸的退距是2mm，而且机械闸有两个闸瓦又因为机械闸总的杠杆比由前面计算可知 根据液压缸的行程系列(gb234980)进行圆整,选取。2.3缸体的设计与计算2.3.1缸筒的设计与计算结构设计：缸筒是液压缸的主要零件,它与端盖、缸底、油口等零件构成密封的油腔,用以容纳液压油,同时它还是活塞的运动轨道.在本设计中, 缸筒基本的结构设计成一有一定壁厚的管状,并且将无杆侧端盖与缸筒的联接采用焊接方式；将有杆侧端盖与缸筒的联接采用内螺纹联接方式。缸筒的选材：缸筒的材料选为35#钢，并采用无缝钢管。缸筒的壁厚：根据公式 缸筒的校核缸筒壁厚的校核验算a、为了保证工作安全，油缸的额定工作压力应低于一定的极限值 故此壁厚合适b、验算缸筒的爆裂压力=2.3540=101mpa 故此壁厚合适c、额定工作压力应与完全塑性变形压力有一定的比例范围，以避免塑性变形的发生=2.3320=59.87mpa(0.350.42)故此壁厚合适缸筒的联接强度校核计算a、焊接处的校核：其应力 其中： n为安全系数，取3 。故成立b、螺纹联接强度的校核计算因为缸筒为内螺纹联接，故有关螺纹联接强度应该是对端盖外螺纹的校核。 螺纹处的拉应力为： 其中： 螺纹处的剪应力为： 其中：为螺纹联接摩檫系数，一般取=0.070.2，这里取其平均值为=0.12； 为螺纹外径。合成应力为： 其中：故成立2.3.2进油口的设计油口有油口孔和油口连接螺纹.油口孔是压力油进出的直接通道,虽然只是一个孔,但不能轻视其作用.如果孔小了,不仅造成进油时流量供不应求,影响液压缸的活塞运动速度,而且会造成回油时受阻,形成背压,影响活塞的退回速度,减少液压缸的负载能力.油口孔大多数属于薄壁孔(指孔的长度与直径之比的孔).通过薄壁孔的流量流量可以按下式计算: 式中: c流量系数,取为0.7a油口的截面积液体的密度油口前后腔压力差从式中可见, c、是常量,对流量影响最大的因素是油口的面积a,根据此式,从而可以求出孔的直径大小: 其中：q液压缸流量，取为液压油密度，取为液压缸两腔的压力差，在这里即为2.5mpa油口的连接螺纹在此基础上,再根据液压缸油口连接螺纹尺寸(gb287881)进行选择,取m221.5 。 2.3.3排气阀孔的设计如果排气装置设置不当或者没有设置排气装置,压力油进入液压缸后,缸内仍会存在空气.由于空气具有压缩性和滞后扩张性,会造成液压缸和整个液压系统在工作中的颤振和爬行,影响液压缸的正常工作.所以为了避免这种现象的发生,除了防止空气进入液压系统外还应设置排气装置.因此,在进行缸体设计时,应设计有排气阀孔. 排气阀孔的结构应根据排气阀的结构来决定.在本设计中,由于属于中低压缸,采用整体式排气阀,且为m221.5,与排气阀孔通过螺纹连接,将排气阀孔焊接在缸筒上.2.3.4缸底耳环的设计耳环是液压缸的安装连接零件,液压缸的全部出力和负载重力全靠耳环承载或传递,所以要保证其有足够的强度.本设计中采用单耳环连接,而且耳环与缸底通过焊接连接.一般情况下,不带衬套的单耳环尺寸r=d,l=1.2r,b=(1.21.4)d .本设计中采用不带衬套的单耳环,在此基础上再根据单耳环结构尺寸标准选择d=30mm . 单耳环的具体结构形式如下图2-2所示: 图2-2 单耳环的结构形式2.4活塞杆的设计与计算2.4.1结构的设计杆体分为实心杆和空心杆两种。实心杆制造工艺简单，故多采用，空心杆多在d/d比值比较大或杆心必须装有如位置传感器等机构的情况，本设计中d/d比值不大，也没必要在杆心里装其他机构，故选用实心杆。杆外端 用以与负载连接的外端结构根据工作要求而定，根据实际装配情况，杆外端采用方插头连接。杆内端活塞杆内端与活塞连接有多种连接型式，如：轴套型、螺纹型、卡环型，所有型式均须有锁紧措施，以防止工作时由于往复运动而松开，同时还须安装活塞与活塞杆之间的静密封，通过综合考虑，本设计中活塞杆内端和活塞选用螺纹连接中的螺母型连接。如下图2-3-a所示：a b c 图2-3 螺纹型连接2.4.2活塞杆直径的确定根据强度要求来计算活塞杆的直径，当活塞杆在稳定状态下，仅承受轴向载荷时，活塞杆直径按简单拉、压强度计算，此时： 其中：因为活塞杆为45#钢，故取为100mpa。根据活塞杆直径系列圆整，并考虑实际需要选取。2.4.3计算活塞杆的强度和弯曲稳定性活塞杆强度的计算因为液压缸的上下均为铰接，（活塞杆全部伸出时，活塞杆顶端连接点与液压缸支撑点之间的距离），在工作时，活塞杆所承受的弯曲力矩可以忽略。所以采用下面的公式验算活塞杆压缩和拉伸强度： 式中：f液压缸的最大推力（n） 材料的屈服极限（mpa），活塞杆为45#钢，查得=355mpa 屈服安全系数，一般=24，此处选=3因为所选，故所选直径合适活塞杆弯曲稳定性验算因为液压缸的支承长度(1015)d,所以必须考虑活塞杆弯曲稳定性,又因为受力f完全在轴线上,应按下式进行验证: 式中: 活塞杆弯曲失稳临界压缩力(n) 安全系数,通常取=3.56,此处取=5其中: 式中: 液压缸安装及导向系数,查手册得=2实际弹性摸数 材料组织缺陷系数,查手册得45#钢的=1/12活塞杆截面不均匀系数,一般取=1/13材料的弹性摸数,查手册得45#钢 i活塞杆的横截面惯性矩()圆截面: 故所选直径合适2.5活塞的设计2.5.1活塞的结构型式活塞根据密封装置型式来选用其结构型式（密封装置则按工作条件而选定）。通常分为整体活塞和组合活塞两大类。整体活塞可采用活塞环、“o”型密封圈、唇形密封圈、迷宫密封等，组合活塞可采用组合密封圈，但其结构结构较复杂，并且加工难度大。经过对各种密封型式的综合考虑，同时根据实际使用情况，本设计采用“o”型圈密封中的三“o”型密封圈密封，如下图2-4-a所示： a b c图2-4 “o”型圈密封这种密封方式密封性能好，磨擦系数小，安装空间小。2.5.2材料的选择根据 无导向环活塞：用高强度铸铁ht200300，球墨铸铁；有导向环活塞：用碳素钢20号、35号及45号。因为本设计中活塞没有设计导向环，故选择材料为高强度铸铁ht3002.5.3活塞的尺寸根据查机械设计手册，活塞的宽度应满足以下条件： 故选取活塞宽度为50 .2.6活塞杆导向套的设计 活塞杆导向套装在液压缸有杆侧端盖内，用以对活塞杆导向的，内装有密封装置以保证缸筒有杆侧腔的密封性，外侧装有防尘圈以防止活塞杆在内缩时把杂质、灰尘及水份带到密封装置区，以致损坏密封装置。2.6.1结构型式导向套的典型结构型式，有端盖式和插件式两大类。目前采用较多的插件式导向套是用耐磨材料制成的。其优点是装拆方便，拆卸时不用拆端盖。所以控制油缸的导向套设计成插件式，并且缸盖和导向套一体，这样减少零件数量，装配简单。下图9所示为结构型式，本设计选用最后一种。 图2-5插件式2.6.2防尘装置的选择防尘装置有很多种结构型式，有j形防尘圈、骨架式防尘圈、毛毡圈、三角形防尘圈、薄钢片组合防尘圈、o形密封圈等等，本设计采用两“o”型密封圈密封防尘。其结构型式如下图2-6所示： 图2-6“o”型密封圈密封防尘2.6.3材料的选择根据直接导向型的导向套的材料有：灰铸铁、球墨铸铁、氧化铸铁、二乙醇树脂、聚四氟乙烯、夹布酚醛树脂等，因为控制油缸的导向套采用直接导向型，所以根据实际需要选取材料为qt500。2.6.4尺寸配置导向套的主要尺寸是支撑长度,通常按活塞杆直径、导向套结构型式、导向套材料的承压能力、可能遇到的最大侧向负载考虑.根据查机械设计手册，导向套的最小导向长度应满足以下条件： 而且对于缸径小于80mm的导向套,其滑动面的长度a应满足以下条件： 根据h和a的值，以及考虑到实际装配情况，选取导向套长度为63mm。2.7方插头的设计结构形式 活塞杆外端通过方插头连接，方插头的结构如下图2-7所示： 图2-7方插头结构材料 选取45号钢2.8检测装置的设计：在一般的工业生产场所，通常都选用电感式接近开关和电容式接近开关，因为这两种接近开关对环境的要求较低。当被测对象是导电物体或可以同定在一块金属物上的物体时，一般都选用电感式接近开关，因为它的响应频率高 抗环境干扰性能好，应用范围广，价格较低。若被测对象是非金属，液位高度、粉状物高度、塑料、烟草等，则应选用电容式接近开关。这种开关的响应频率低但稳定性好。安装时应考虑环境困素的影响 若被测物为导磁材料或者为了区别和它在一同运动的物体而把磁钢埋在被羽i物体内时应选用霍尔接近开关，它的价格最低。根据本设计的实际情况：煤矿使用环境恶劣、被测对象是金属材料制成的缸体，所以选择使用电感式接近开关。2.8.1电感式接近开关工作原理： 电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由lc高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，进而控制开关的通或断，触发驱动控制器。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。它的工作原理图如下图2-8所示： 图2-8 工作原理图它的工作流程方框图如下图2-9所示： 图2-9 工作流程方框图电感式接近开关以高频振荡型最常用,它占全部接近开关产量的80%以上.其电路多种多样,但电路结构不外乎是由振荡、检测及晶体管输出等部分组成.它以高频振荡电路状态的变化为工作基础。图2-10为lxjo型晶体管无触点接近开关的原理线路图，图中l为磁头的电感，它与电容组成了电容三点式振荡电路，采用电容分压反馈信号。图2-10 lxjo 接近开关电路图在正常情况下晶体管处于振荡状态，此时晶体管v 基极有电流从a点流人，vt，则导通，使集电极b点电位降低，从而晶体管基极电流减小，其集电极c点电位上升通过电阻对 起正反馈作用加速的导通 则迅速截止，继电器ka的线圈无电流流过，因此开关不动作。当金属挡块接近磁头时在其表面感应而产生涡流，此涡流将减小原振荡回路的品质因数q值，使之停振 此时的基极无交流信号，在的作用下加速截止，而则迅速导通，使继电器ka的线圈有电流通过，继电器ka动作。其常闭触点断开而常开触点闭台。可控制相应的声响信号回路，发出相应的声响信号。当金属挡块离开磁头时，开关将恢复原状，又重新起振。2.8.2接近开关的选型 接近开关有很多类型，如螺纹的圆柱型、不带螺纹的圆柱型方型、角柱型、扁平型、矮圆柱型、组合型特殊型、检测方向可变型、槽型等等，根据实际需要和安装情况，为了便于安装，选用普通螺纹圆柱型，具体型号选用倍加福公司生产的ncb10-30gm40-no，外形如下图2-11所示： 图2-11 螺纹圆柱型所选接近开关的性能特点如表2-1所示： 表2-1额定动作距离10mm 齐平可靠动作距离范围08.1mm开关频率650hz输出指示led黄色工作温度-25100外壳材料高级钢感应面材料pbt2.8.3检测装置工作原理与结构检测装置工作原理：当机械闸处于抱闸状态时，接近开关对准控制油缸缸体，如下图2-12所示，这时缸体在接近开关的可靠动作范围内，所以根据接近开关工作原理，接近开关处于接通状态，当机械闸要松闸时，缸体在液压油的推动下向上移动，当缸体移动到接近开关上面时，如下图2-13所示，这时因为缸体离开了接近开关动作范围，而活塞杆也在动作范围之外，所以接近开关感应不到金属的存在，按照其工作机理，这时接近开关应当断开。因为接近开关安装的位置与缸体下端的初始距离是按照机械闸松闸所需要的液压力设计的，所以当接近开关断开时就说明松闸已到位，反之则应继续供油松闸。同理在机械闸保压松闸阶段，若接近开关接通则说明缸体由于泄露下移，需要重新启动油泵电机进行供油松闸。 图2-12 图2-13检测安装架的设计： 应设计一个适当厚度和宽度的钢板，在相应的位置打孔并攻丝，以安装接近开关。钢板的下端与机械闸底座焊接或用地脚螺钉进行联接。 第三章 控制油缸的建模与仿真3.1 控制油缸的建模在本设计中,液压缸是把工作油液的压力能转变成缸体的直线往复运动,工作原理如下图3-1所示,作为执行机构的液压缸直接拖动负载,负载特性也直接影响着运动活塞的静态和动态特性。液压缸的数学模型由进油腔的流量连续方程和缸体的运动方程(即力平衡方程)组成。 f 图3-1缸的进油腔瞬态流量连续方程为 :液压缸两腔泄露系数 进油腔的液容上式中没有计及缸的外泄露,是因为考虑液压缸的结构已经可以实现优质密封.因为液压缸活塞组件的现代加工精度较高并采用优质密封装置,故干摩檫力可以忽略不计,所以力平衡的方程可以写为液压缸输入腔液容c,由下式计算:其中：v活塞处于初始位置时液压缸进油腔的容积 综合体积弹性模量液压缸的负载特性即负载力与负载速度之间的函数关系 又设则力平衡方程变为: 因为 且 故可将忽略不计,即力平衡方程可变为:即： 缸的连续方程借助于液压缸的流量方程可以修改为： 即： 将、两式拉式变换得:根据上述两式建立液压缸的机械时间常数和液压时间常数 根据流量的拉式变换方程可得: 将力平衡方程拉式变换得: 将代入中得: 因为油缸有负载f,而供油的齿轮泵流量恒定,所以故有 根据传递函数的标准形式 将上述传递函数化为标准形式有: 因为液压缸为圆形管道其中：液压油的密度，取为 液压油的运动黏度 k工作油液的体积弹性模数，取为 e钢材的弹性模数 s缸筒壁厚油缸折算到活塞上的总质量： 故总的传递函数为:故液压缸的结构框图如图3-1所示f x 当改变缸径改变时取d=20mm时，根据上述计算同理可得： f的输入信号不变。 第四章 联轴器测速机构的设计与计算4.1整体设计方案：在所设计的液压机械闸的工作过程中，当上位机发出停车信号后，机械闸要抱闸停车，但在停车信号发出时，输送机电机的输出轴，由于惯性还处于高速运行状态，如果这时就抱闸将会导致输送机在高速状态下抱闸的事件发生，很有可能产生火花，而这又是煤矿安全生产所不允许的，所以在上位机发出停车信号后和机械闸实施抱闸之前，应该检测一下送机电机的输出轴的转速，看是否适合抱闸，这就需要设计一个测速机构，因为被制动工作部分就是带制动轮的联轴器，所以将测速机构选择设置在联轴器上。经过查阅各方面资料，决定采用电感式接近开关进行测速。在进行整个联轴器测速机构的设计时，应首先对联轴器进行选型设计，然后再具体设计测速装置。4.2联轴器的设计与选型已知电动机参数 型号：yb280s6 功率：75kw 转速：980r/min 根据上述计算结果和机械闸的静态制动力矩为7005400 nm，初步选择带制动轮的弹性柱销联轴器，且型号选为gb50142003中lxz9型其基本参数为： 最大转矩起动系数，查手册得=1.3冲击系数，查手册得在有冲击载荷时，所受的冲击转矩为： 选取联轴器的型号为lxz9型带制动轮的弹性柱销联轴器。其基本结构形式如下图4-1所示： 图4-1 弹性柱销联轴器本设计的联轴器将上图的一般柱销改为鼓型。又根据电动机的功率为75kw和型号yb280s6则电动机的输出轴直径为=75mm,选取减速器的型号为：则减速器的输出轴直径d=75mm 所以联轴器两边的轴孔直径均设计为75 mm，且与轴的配合均设计采用过盈配合。4.3测速装置的设计电感式接近开关测速原理： 根据前面在控制油缸里所述的电感式接近开关的工作原理可知，它能识别出有无金属物体接近，当在它的感应范围内有金属出现时，它将有脉冲信号输出，即开关接通；反之则没有脉冲信号输出，开关断开。据此将接近开关的触头对准一块带有均匀孔的盘面，在盘转动时，开关时通时断，将接近开关接通的次数通过计数器在规定的时间内进行计数，再通过转化就能得到转速。如接近开关通过计数器t分钟内计数的个数为n，而盘面上的有m个均匀分布的小孔，所以可以得出转速为： 电感式接近开关的选型： 因为所选电机的转速为980 r/min,盘面上有8个均匀分布的小孔,所以每分钟接近开关需要通断的次数n为 次 根据上述型号的接近开关的特性表,接近开关的频率是650hz,即每秒的开关次数能达到650次,所以每分钟的开关次数m为: 次 所以就选取与油缸接近开关同种型号的就能满足要求测速方案：在联轴器上固定一个盘面，并在盘面上钻出八个均匀分布的圆孔，并且圆孔的直径应至少等于传感器的直径，在盘面旁安置一个接近开关，接近开关的触头应对准圆孔，接近开关在圆孔处将不发出信号，即处于断开状态,而在其它位置由于能检测到金属的存在, 接近开关将发出脉冲信号,即开关处于接通状态,在联轴器开始转动后，接近开关发出的通断次数将通过计数器进行计数，然后再根据上述公式转化成联轴器的转速。 检测安装架的设计：应设计一个适当厚度和宽度的钢板，在相应的位置打孔并攻丝，以安装接近开关。钢板的下端与机械闸底座焊接或用地脚螺钉进行联接。 第五章 控制部分的设计5.1整体设计方案： 本设计的轮式防爆液压机械闸的所有动作都是通过一个控制系统来完成的，根据实际工况要求，初步拟出其基本的工作过程：在被制动设备启动前，接近开关始终发出脉冲信号，表示闸瓦在弹簧力作用下与制动轮抱闸。在运输设备起动时，二位二通球阀得电，电动机带动油泵通过单向阀向单作用油缸注油，缸体上移，逐步将制动闸瓦与制动轮分离。当油缸运行到一定行程后，接近开关停止发出脉冲信号，松闸过程结束，电动机断电，泵站停止工作，单向阀保持系统油压来维持机械闸的松闸状态，运输设备处于正常工作状态。当运输设备需要减速停车时，二位二通电磁球阀失电，油缸里的油液通过电磁球阀流回油箱，在制动架上弹簧力的作用下，油缸的缸体逐步下移，达到一定行程后，接近开关发出脉冲信号，闸瓦与制动轮抱闸，运输设备处于制动停车状态。在突然断电情况下，电磁球阀失电，油液通过电磁球阀流回油箱，与正常停车时的制动过程完全一样。轮式防爆液压机械闸在带式输送机工作状态下有抱闸趋势时，控制油缸上的接近开关将重新的发出脉冲信号，plc令自动启动油泵电机，恢复松闸状态，避免运行过程抱闸。如果油泵电机频繁启动时，系统将自动报警，报警灯发亮，报警铃长鸣，提醒工作人员检查。 在整个控制的设计中，首先应根据以上所述工作过程画出系统的控制流程图，然后再据此选择一个合适的控制系统，通过编程来实现这个控制过程，最后设计出电控原理图。5.2系统的控制流程按照整体设计方案里叙述的工作过程，画出控制流程图。具体见附件流程图。5.3控制装置的选择在本设计中,需要设计一个控制系统来控制机械闸的松闸和抱闸动作,根据现在常用的控制技术,可以有多种控制系统来选择,如:继电器控制系统、一些计算机控制装置、集散控制系统和可编程控制器.继电器控制器系统的控制功能是用硬件继电器实现的,整个系统的花费少,但其可靠性差,而本设计系