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桥式起重机
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50t桥式起重机副起升机构设计,50,桥式起重机,副起升,机构,设计
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桥式起重机副起升机构设计目 录摘要 1ABSTRACT 20 引言 31 起重机介绍 411起重机械的发展动向 4111 发展超大型起重机 4112 “迷你”起重机大量涌现 5113 伸缩臂结构不断改进 5114 数据总线技术得到应用 6115 静液压传动起重机进入市场 6116 混合型起重机得到发展 7117汽车起重机也在不断发展 712 起重机的类型 8121 起重机的基本型式 8122 复动作的起重机械分类 82桥式起重机概述 1121 桥式起重机的分类 1122 小车运行机构 1123 桥架 1224桥式起重机起升机构 13241起升机构的组成 13242起升机构的结构简图 143 副起升机构设计计算 1831 起升机构的典型形式 19311 起升机构驱动装置的布置方式 19312 起升机构钢丝绳卷绕系统设计 23313 滑轮组设计 2532 副起升机构的计算 28321 钢丝绳与卷筒的选择 28322 选择电动机 32323 设计减速器 36324 选择制动器 37323 选择联轴器 3933 副起升机构零部件设计 42331 钢丝绳 42332 卷筒的计算 484 结论 495 参考文献 516 译文 527 原文说明 68摘 要起重机械广泛应用于工矿企业、港口码头、车站仓库、建筑工地、海洋开发、宇宙航行等各个工业部门，可以说陆地、海洋、空中、民用、军用各个方面都有起重机械在进行着有效的工作。起重机械与运输机械发展到现在，已经成为合理组织成批大量生产和机械化流水作业的基础，是现代化生产的重要标志之一。在我国四个现代化的发展和各个工业部门机械化水平、劳动生产率的提高中，起重机必将发挥更大的作用。本起重机为250/50/10t水电站桥式起重机，安装于丰满水电站扩建工程厂房内，用于水轮发电机组及其附属设备的安装和检修工作。本课题主要对起重机的起升机构进行总体设计，主、副起升机构分别有一台电动机，一台减速器，一台轮式制动器，一套卷筒装置和上滑轮装置构成。要求起重设备运行平稳, 定位准确, 安全可靠, 技术性能先进。关键词：起重机，桥式起重机，起升机构设计The Design of the Hoisting Mechanism of Bridge CraneAbstract The crane is wildly used in industrial and mining enterprises, port ,station warehouse,building site,sea development, space navigation and so on.,it is certain that the crane do a efficient job in the aspects of the land.the sea,the sky,the civil use, and the military use.With development,the crane and transport machines have become the base of the reasonable parts in mass product and mechanical line procdcut areas and now it is one of the important symbols of modern manufacture.The crane will play an important part in development of the four modernizations and promot on mechanical level,produce effieincy in every industry departments.This carne is a kind of 250/50/10t bridge carnes for hydropower station, builded in the workshop of Fengman hydropower station for the extend project. It is used to install, examine and repair of sets of water-turbine generator. This paper focuses on design of hoisting mechanism of the carne, including the main and assistant hoisting mechanism with electromotors, reducers, brake staffs, drum devices and pulley gears. The carne is required to be stables, high accuracy, safety, reliability and advanced technology. Key words: carne, Bridge Crane, design of the hoisting mechanism 桥式起重机起升机构设计0 引言起重机械的基本任务是垂直升降重物，并可兼使重物作短距离的水平移动，以满足重物装卸、转载、安装等作业的要求。起重机机械是现代化生产必不可少的重要机械设备，它对于减轻繁重的体力劳动、提高劳动生产率和实现生产过程的机械化、自动化及改善人民的物质、文化生活都具有重大的意义。起重机械广泛应用于工矿企业、港口码头、车站仓库、建筑工地、海洋开发、宇宙航行等各个工业部门，可以说陆地、海洋、空中、民用、军用各个方面都有起重机械在进行着有效的工作。起重机械不仅可以作为辅助的生产设备，完成原料、半成品、产品的装卸、搬运，进行机电设备的安装、维修，而且它也是一些生产过程工艺操作中的必须设备，例如钢铁冶金生产中的各个环节，从炉料准备、加料到炼好的钢水浇铸成锭以及脱模取锭等。又例如原子能工业中的一些工艺操作等人所难达到之处，没有起重机械，简直无法生产。据统计，在我国冶金、煤炭部门的机械设备总台数或总重中，起重运输机械约占2565。起重机械与运输机械发展到现在，已经成为合理组织成批大量生产和机械化流水作业的基础，是现代化生产的重要标志之一。在我国四个现代化的发展和各个工业部门机械化水平、劳动生产率的提高中，起重机必将发挥更大的作用。1起重机介绍1.1起重机械的发展动向1.1.1 发展超大型起重机由于各重点工程向大型化发展，所需构件和配套设备重量不断增加，对超大型起重设备的需求日趋增长。1992年200t以上伸缩臂式起重机的世界销量为90台，到1997年增至130台。德国厂商在起重机大型化发展进程中处于领先地位。世界市场中150t以上的大吨位起重机多数是由利勃海尔和德马泰克公司提供的。利渤海尔LTM1800型是目前世界最大的AT产品，起重量800t，安装超起装置后型号变更为LTM11000D型，最大起重量增至1000t。该机售价550万美元。1998年推出的LTM1500型(起重量500t)售价为540万德国马克。上述三种机型在行驶状态需拆下吊臂等装置分别进行运输。 德马泰克公司1997年推出的AC650型安装超起装置后，最大起重量可从650t增至800t。该机售价500万德国马克。AC650是目前世界上起重吨位最大的整装式伸缩臂起重机，行驶状态不需拆下吊臂分别运输。 住友建机、多田野和加藤公司曾于1989年相继推出360t汽车起重机。住友建机在90年代开发出80t250t共4种AT产品。多田野也在90年代相继推出100t550t共6种特大型AT产品。加藤公司则研制成NK5000型500t汽车起重机。目前日本生产的特大型起重机仅在国内销售。1.1.2 “迷你”起重机大量涌现 起重机向微型化发展，是适应现代建设要求而出现的新趋势。10年前开发的神钢RK70(7t)是世界首台装有下俯式吊臂的“迷你”(Mini) RT产品。目前下俯式吊臂已成为“迷你”起重机的重要标志。这种新概念设计已成功移植到德马泰克AC25(25t)和加藤CR-250(25t)等较大吨位起重机上。 小松公司曾在90年代初、中期相继推出了装有下俯式吊臂的 LW80(8t)和LW100-1(10t)“迷你”RT产品。该公司还曾于1993年和1997年分别推出了另外两种别具特色的LT300型(4.9t)和LT500型(12t)“迷你”RT。据资料介绍，LT300型与LT500型是世界首批装有全自动水平伸缩副臂的轮式起重机。它们将轮式起重机公路行驶能力与专用伸缩臂架技术融为一体，且具有塔机功能，可越过屋顶或其他障碍物靠近作业面，能替代小型自行架设塔机或大型折叠臂式随车起重机。 1.1.3 伸缩臂结构不断改进 利渤海尔LTM1090/2(90t)和LTM1160/2型(160t)AT产品，采用了装有“Telematik”单缸自动伸缩系统的卵圆形截面主臂。这种卵圆形截面主臂在减轻结构重量和提高起重性能方面具有良好效果。目前卵圆形吊臂已列入利勃海尔新产品标准部件，装有世界最长的7节84m卵圆形截面主臂的LTM1500型(500t)AT产品，也采用这种单缸伸缩系统。格鲁夫开发的单缸伸缩系统要早于利勃海尔公司，但格鲁夫早期采用的单缸伸缩系统伸缩速度较慢。此外，德马泰克大吨位起重机主臂也采用卵圆形截面。 格鲁夫GMK6250(250t)和GMK5180(180t)两种AT产品，采用了装有双销双锁自动伸缩系统的U形截面主臂，伸臂速度较快(平均9m/s左右)。伸缩系统由电子式起重机操作装置控制，可将主臂自动伸至各种选定臂长。据报道，美国谢迪格鲁夫工厂将采用德国工厂的主臂制造技术，原有梯形主臂将被淘汰，原因是焊接工艺复杂，制造成本高。1.1.4 数据总线技术得到应用 利渤海尔LTM1030/2型(30t)是世界首台装有数据总线管理系统的高技术双轴AT产品。该机采用CANBUS(控制域网总线)技术，完成发动机传动系统各功能块之间的数字式数据传输和电子控制。CANBUS总线及电气、液压、绳长和风力等数据又被输入到LSB控制装置之中。LSB控制装置是Liccon起重机控制系统的组成部分，可对整个系统数据流及监控特性进行编程。采用数据总线管理系统，可降低起重机油耗及排放值，简化布线，提高整机可靠性与维修方便性。目前已有多种新机型装有LSB系统数据总线(包括LTM1500)。格鲁夫GMK6250和GMK5180也采用了数据总线技术。1.1.5 静液压传动起重机进入市场 首台静液压传动起重机是原克虏伯公司1992年研制的双轴KMK2035型(35t)AT产品。瑞士Compact Truck公司1993年推出的双轴CT2(35t)AT产品是世界第一台投放市场的静液压传动起重机。意大利Rigo公司在1994年推出了RT200(20t)静液压传动RT起重机。随后Compact Truck公司在1997年推出了两种采用静液压传动的3轴CT3(70t/80t)全地面起重机。该机装有8节7.1m40.5m主臂，最大时速75km/h。 采用静液压传动，上车发动机既可驱动起重装置，还可驱动行走装置。此外，可将发动机横向安装在上车回转式操纵室后部，起到整体式配重作用。据介绍，某些机型采用静液压传动后，可大约减重1/3。 1.1.6 混合型起重机得到发展 过去10年中日本RT产品居世界领先地位，许多产品装有传统型号不具备的适于公路行驶的驱动装置，因而可在日本公路合法行驶。这样就促使用户对欧美制造厂商也提出了新要求。据报道，1997年世界RT产品总销量达5000台，其中日本生产了2800台，美国为1250台。 起重机工业中出现了许多新概念设计。Compact Truck公司双轴CT2型（35t）、三轴CT3型(70/80t)和2000年将推出的4轴/6轴CT4型(110t/150t)AT产品，打破了传统驱动模式，采用静液压传动，装有下俯式主臂，整机结构紧凑。 德马泰克双轴AC250型(25t)、加藤双轴CR250型(25t)AT产品和格鲁夫3轴 ATS40型(36.3t)全地面汽车起重机也属于混合型起重机，前两种机型又称为城市型起重机。 1.1.7 汽车起重机也在不断发展 为与RT和AT产品抗衡，汽车起重机新技术、新产品也在不断发展。近年来汽车起重机在英、美等国市场的复兴，使人们对汽车起重机产生新的认识。几年前某些工业界人士曾预测，RT和AT产品的兴起将导致汽车起重机的衰退。日本汽车起重机在世界各地日益流行，以及最近格鲁夫、特雷克斯、林克贝尔特、德马泰克等公司汽车起重机的产品进展，已向上述观念提出挑战。随着工程起重机各机种间技术的相互渗透与竞争，汽车起重机会在世界市场中继续占有一席之地。 80年代末和90年代，国外随车起重机发展极其迅速。世界年总产量已达10万台左右。发展趋势是向多功能、大型化发展，已开发出装有68节伸缩臂的产品。液压系统油缸压力已达3033MPa，比10年前约提高50%，从而导致油缸尺寸的缩小，可在油泵规格不变或略有减小的情况下，提高油缸工作速度。遥控装置也有可能获得更广泛的使用。随车起重机将在今后一段时间内进一步侵占小吨位流动式起重机的部分市场。1.2起重机的类型1.2.1起重机的基本型式起重机械的型式形形色色，五花八门。根据起重机械所配备的工作机构数目的多少或服务范围的不同，起重机械可分为以下两大类别：1 单动作的起重机械 这种起重机械只配备一个工作机构（起升机构），只能实现一个方向上的往复运动，因此其服务范围是一条直线，如千斤顶、固定滑车、升降机、电梯等。2 复动作的起重机械 这种起重机械配备有两个以上的工作机构，即除起升机构外还配备有其它辅助机构，可以实现二个方向以上的往复运动，因此其服务范围是一个平面或一个立体空间。1.2.2复动作的起重机械分类（1）桥架型起重机构造特征：金属构架做成直线形式或门形桥架的形式，构造较简单。服务范围：长方体空间。机构数目：一般有起升、大车运行和小车运行三个工作机构。吊载能力：较大（一般在支撑平面内吊载，稳定性好）典型机种：桥式起重机、门式起重机、缆索起重机等。桥式起重机水 桥架型起重机中最主要的型式，在数量上占起重机总数的首位，使用范围极为广泛，一般用在车间内为生产工艺过程服务。门式起重机是桥架型起重机中另一主要型式，与桥式起重机相比，它们的主要特征是在桥架的一端或两端设有支腿，可直接支承在地基上或沿地面轨道运行，一般用在码头、堆场、造船台等露天作业场地上，为货物装卸。堆垛。船体拼接等生产工艺过程服务。当门式起重机的小车运行速度大，运行距离长，生产率高，主要吊运散料时，常改称为装卸桥。当桥架型起重机的跨度特别大时，为了减轻桥架和整机的自身质量，常常改用缆索来代替桥架，供起重小车支承和运行之用，这类起重机成为缆索起重机，常用在水电站大坝施工等现场上，为工件吊运。混凝土浇筑等生产工艺过程服务。图1.1门式起重机（2）臂架型起重机构造特征：有固定的或可摆动的臂架，上部结构相对下部结构能够回转，构造较复杂。服务范围：圆形或腰圆形的柱体空间。机构数目：一般有起升、回转、变幅和运行四个工作机构、吊载能力：较小（支承平面外吊载，受限于起重机的整体稳定性）典型机种：门座起重机、塔式起重机、汽车起重机等。图1.2门式起重机2桥式起重机概述2.1 桥式起重机的分类桥式起重机架设在车间或仓库等建筑物上空，沿建筑物的纵向设有两条钢轨，桥架在钢轨上运行。桥架上面有小车。它有起升，横行（小车运行），走行（大车运行）三种运动。根据作业条件分为高速型、普通型及低速型三类，以普通型的使用量为最多。至于桥式起重机的名称，将根据其构造特征取名如下：s 梁式起重机s 通用桥式起重机s 龙门起重机s 装卸桥s 冶金桥式起重机s 缆索起重机2.2 小车运行机构在桥式起重机里，小车承担主要任务。因此小车的设计决定整个起重机的好坏，为了起吊一定的载荷，小车必须利用许多机械部件承受起重机起升额定载荷时所需的各种作用力。小车以小车架为基础其上有起升电动机、起升减速机、卷筒、小车运行机构的运行电动机、运行减速机等。小车利用小车架下面的小车轮在起重机桥架上的轨道上运行。桥式起重机所采用的小车，起重量小的为3吨，大的已做到200吨，小车以往称作“起重小车”，小车的设计应该把起升机构和运行机构合理而有效的布置在小车架上，维护检修应该方便。2.3 桥架桥式起重机的钢结构部分是由起重机的主要部分如大梁，横梁装置所构成。这一部分占有起重机百分之八十左右的重量，应按起重机结构标准及起重机钢结构计算规程进行设计。桥式起重机的大梁是由用角钢等型钢组成的平面结构的主粱与副梁构成的。主梁承受垂直载荷、自重及水平载荷，副梁承受自重和水平载荷。主梁由上弦杆、下弦杆、斜杆、竖杆等组成。连接主粱与副梁的杆件是水平杆、斜杆等。各杆件用铆钉或电焊相连接，也可以考虑螺栓连接。各杆件上作用有轴向应力，即拉应力和压应力。主粱的形状有鱼腹型和直线型。对于承受自重、动载荷及弯曲力矩等外力，前者是最理想的结构形式。但这种形式对于材料利用和组装存在有困难。后者是通常采用的形式，目前几乎都采用后一种形式。桥式起重机除承受因垂直载荷产生的弯矩外，还承受因风载及行走运动的水平载荷所产生的弯矩。因此在主粱的侧面设置与主粱形状相同的副桁架。副桁架与主梁的结合是用水平杆、斜杆构成框形，以防受载变形。在水平杆上装设着走台、电动机、行走机构的长轴、轴承。横梁与主桁架和副桁架装在一起，把两根主桁架连接起来。它与主桁架是用坚固的连接板，以精制螺栓装在一起。桥式起重机上的载荷和冲击较大，行走驱动装置的车轮装在横粱上。由轮距为l单位的横梁来承受最大载荷，由小车产生的载荷作用在小车横行轨道上。对普通桥式起重机轮距l取为跨度的1/51/7较好。小重量起重机的横梁通常采用槽钢，大起重量起重机的横梁通常用钢板作成槽形或箱形。2.4桥式起重机起升机构2.4.1 起升机构的组成在起重机中，用以提升或下降货物的机构称为起升机构，一般采用卷扬式。起升机构是起重机中最重要、最基本的机构，其工作的好坏直接影响整台起重机的工作性能。起升机构一般由驱动装置、钢丝绳卷绕系统、取物装置和安全保护装置等组成。驱动装置包括电动机、联轴器、制动器、减速器、卷筒等部件。钢丝绳卷绕系统包括钢丝绳、卷筒、定滑轮和动滑轮。取物装置有吊钩、吊环、抓斗、电磁吸盘、吊具、挂梁等多种型式。安全保护装置有超负荷限制器、起升高度限位器、下降深度限位器、超速保护开关等，根据实际需要配用。起升机构有内燃机驱动、电动机驱动和液压驱动三种驱动方式。内燃机驱动的起升机构，其动力由内燃机经机械传动装置集中传给包括起升机构在内的各个工作机构。这种驱动方式的优点是具有自身独立的能源，机动灵活，适用于流动作业的流动式起重机。为保证各机构的独立运动，整机的传动系统复杂笨重。由于内燃机不能逆转，不能带载起动，需依靠传动环节的离合实现起动和换向这种驱动方式调速困难，操纵麻烦属于淘汰类型。目前只在现有的少数履带起重机和铁路起重机上应用。电动机驱动是起升机构主要的驱动方式。直流电动机的机械特性适合起升机构工作要求，调速性能好，但获得直流电源较为困难。在大型的工程起重机上，常常用内燃机和直流发电机实现直流传动。交流电动机驱动能直接从电网取得电能操纵简单，维护容易，机组重量轻，工作可靠，在电动起升机构中被广泛采用。本起重机起升机构采用的启动方式也为电动机驱动。液压驱动的起升机构，由原动机带动液压泵将工作油液输入执行构件(液压缸或液压马达)使机构动作，通过控制输入执行构件的液体流量实现调速。液压驱动的优点是传动比大，可以实现大范围的无级调速，结构紧凑，运转平稳，操作方便，过载保护性能好。缺点是液压传动元件的制造精度要求高，液体容易泄漏。目前液压驱动在流动式起重机上获得日益广泛的应用。2.4.2 起升机构的结构简图图2.1为原动机驱动的起升机构的结构简图。电动机1通过联轴器2与减速器4的高速轴相连。机构工作时，减速器的低速轴带动卷筒7，将钢丝绳5卷上或放出，经过滑轮组系统，使吊钩6实现上升或下降。机构停止工作时，制动器3使吊钩连同货物悬吊在空中。吊钩的升降靠电动机改变转向来达到。图2.1 起升机构简图为了安装方便与避免高速轴在小车架受载变形时发生弯曲，联轴器2应是带有补偿性能的，通常采用弹性柱销联轴器或齿轮联轴器。前者构造简单并能缓冲，但弹性橡皮圈的寿命不长；后者坚固耐用，应用最广。齿轮联轴器的寿命与安装质量有关，并且需要经常润滑。为使布置更方便并增高补偿能力，降低磨损，常将齿轮联轴器制成两个半齿轮联轴器，中间用浮动轴或补偿轴连起来。制动器通常装在高速轴上，以减小其尺寸，如图2.1所示位置。经常利用联轴器的一个半体兼作制动轮。带制动轮的联轴器半体应当安装在减速器轴上，这样，即使联轴器损坏，制动器仍能起作用，保证了安全。有时在高速轴上需要装设两个制动器，则第二个制动器可装在减速器高速轴的另一端，如图2.1虚线所示，或者装在浮动轴的另一个联轴器上。也可以把制动器装设在电动机的尾部输出轴上，但这时需要有两端出轴的电动机，所以一般尽量避免。目前也有将制动器放在电动机尾部的壳体内，制成一个组合部件，从而使机构简化紧凑。起升机构的制动器应是常闭式的。采用块式制动器，装有电磁铁或电动推杆作为自动的松闸装置，与电动机电气联锁。制动器的制动力矩应保证有足够的制动安全系数。在要求紧凑的情况下，也有采用带式制动器的。减速器常用封闭式的标准两级圆柱齿轮减速器。在起重量较大（超过80t)的情况下，为得到低速并增大卷筒与电动机间的尺寸，常采用标准的封闭式两级减速器，再增加一对开式齿轮作最后级传动。在要求紧凑的起升机构中，也有采用蜗轮减速器的，其缺点是机械效率低。有时采用蜗轮减速器是为了尽量减少噪声，例如在载客电梯中。近年来还有采用行星齿轮减速器的，减速器（如3K或摆线、渐开线齿形的少齿差行星减速器）装在卷筒的内腔中，电动机和卷筒成同轴线布置，其特点是十分紧凑，但维修不太方便。卷筒通常装在转轴上，使轴承的检查与更换都较方便。卷筒与减速器低速轴可通过特种联轴器相连接，卷筒轴用自位轴承支承于减速器轴的内腔和轴承座中，扭矩由齿轮连接来传递。这种方法紧凑，可靠，分组性好，能补偿减速器轴与卷筒轴间的角度偏差，但减速器低速轴需带特殊齿形轴端，加工时较为复杂。国外有采用鼓形滚子联轴器的，它利用鼓形滚子与两个半圆凹槽的配合实现补偿。由于它不仅能传递扭矩，同时还能承受很大的径向力，故省去了一个径向支承装置。这种布置还省去了卷筒长轴，使重量减轻。当卷筒与开式传动的大齿轮相连接时，卷筒端面与齿轮间用沿圆周布置的螺钉联接。为承受剪切力和传递扭矩，可以用精制的铰制孔用螺栓，也可以在螺孔中配一个受剪套筒而采用普通螺栓。在某些需要能进行货物自由下降的起升机构中，卷筒与减速传动装置间装有摩擦离合器。这时，制动器应装在卷筒上，用来控制自由下降的速度，它应当是可操纵的。卷筒的直径一般尽量选用许用的最小值，因为随着卷筒直径的增加，转矩与减速器的传动比也增大了，会引起整个机构的体积过大。但在起升高度较大时，往往增加卷筒直径以求限制其长度。滑轮组型式（单式或双联的）和它的倍率对起升机构的尺寸也有很大的影响。在桥式起重机中采用双联滑轮组，单式滑轮组只宜用于有导向滑轮的臂架式起重机。滑轮组倍率的选定对钢丝绳中的拉力、卷筒直径与长度、减速器的传动比及总体尺寸都有关系。大起重量采用较大的倍率，可以避免采用过粗的钢丝绳。有时采用增大滑轮组倍率同时相应地降低起升速度的方式来提高起重量，可以使起升机构达到通用性，即将同一起升机构用于不同的起重量，这是在系列设计时常采用的方法。在某些情况下，还可能出于其它原因而适当地选用较小的倍率，如在臂架式起重机中选用较小的倍率可以减少臂架端部的定滑轮数目。在设计大起升高度的起升机构时，也可以采用减小滑轮组倍率的方法来减少卷筒绕绳量，从而避免多层卷绕或过长的卷筒。3 副起升机构设计计算设计起升机构时需给定的主要参数有：起重量、工作级别、起升高度和起升速度。起重量对起升机构的组成型式、传动部件的型号尺寸和电动机的驱动功率都有重要的影响。在起重机系列设计时，合理选择起重量系列是重要的环节。一般情况下，当起重量超过10 t时，常设两个起升机构，即主起升机构和副起升机构。主起升机构的起重量大，用以起吊重的货物。副起升机构的起重量小，但速度较快，用以起吊较轻的货物或作辅助性工作，提高工作效率。起升速度的选择与起重量、起升高度、工作级别和使用要求有关中、小起重量的起重机选用高速以提高生产率：大起重量的起重机选用低速以降低驱动功率，提高工作的平稳性和安全性。工作级别高、经常使用、要求生产率高的起重机宜选用高速；反之工作级别低、用于辅助性工作的起重机可选用低速。用于安装与设备维修的起重机除应选用低速外，还可备有微速或调速功能。大起升高度的起重机为了提高工作效率除适当提高起升速度外，还可备有空载快速升降功能。表3.1为本起重机起升机构主要参数表3.1本起重机起升机构主要参数参数主起升机构副起升机构额定起重量（t）25050工作级别M3M5起升高度（m）2632起升速度（m/min）143.1 起升机构的典型形式3.1.1 起升机构驱动装置的布置方式（1）平行轴线布置大多数起重机起升机构的驱动装置都采取电动机轴与卷筒轴平行布置。起升机构的基本驱动型式见图3.1。当起升机构用于吊运液态金属及其他危险物品时需采用双制动器按图3.1中的点划线选择布置。当需设主、副两个起升机构时，布置方式见图3.2。也有用电动葫芦作为副起升机构，可使布置更加紧凑。图3.1 起升机构的驱动装置图3.2 主、副钩起升机构的驱动装置大起重量的起升机构，由于起升速度相对较慢，减速器传动比增大，也有采用在减速器输出端加一级开式齿轮的方式，见图3.3。起重量超过100t的大型起重机也可采用图3.4的布置方式。慢速起升机构采用一台减速器其传动比已不能满足要求时，可采用图3.5的布置方式。图3.3 带开式齿轮的驱动装置图3.4 大起重量起重机起升机构的驱动装置图3.5 慢速起升机构的驱动装置上述起升机构方案中，各部件都是分别支承、固定在小车架上。要求小车架有足够的精度和刚度，从而使小车架的自重增大，加工制造及安装调整也很麻烦。为了减轻和简化这样的小车架，可采用带有制动器的电动机，并将其直接套装在减速器上，使整个传动机构形成一个独立的整体。通过减速器的两个支承点和卷筒支承座的一个支承点形成稳定支承，可降低对小车架安装精度的要求。此外还可将定滑轮直接套装在卷筒上，并使卷简直接作为小车架的主体，在两端安装行走端梁构成整个起重小车，使结构大为简化，见图3.6。但这种方案只适合于中、小吨位的起重机。图3.6 简易起重小车（2）同轴线布置将电动机、减速器和卷筒成直线排列，电动机和卷筒分别布置在同轴线减速器（常为普通行星减速器或少齿差行星减速器）的两端，或者把减速器布置在卷筒内部。为使机构紧凑和提高组装性能可采用带制动器的端面安装型式的电动机。同轴线布置的起升机构横向尺寸紧凑，但加工精度和安装要求较高维修不太方便。本起重机起升机构设主、副两个起升机构，起升重量分别为250t和50t。驱动装置采用平行轴线布置，布置方式见图3.7。图3.7本起重机驱动装置布置方式3.1.2 起升机构钢丝绳卷绕系统设计3.1.2.1 卷绕系统的典型形式卷绕系统是传动系统的组成部分，起着运动形式的转换作用。图3.8是桥式起重机广泛采用的起升卷绕系统。图3.8 桥式起重机起身卷绕系统在卷绕系统设计时，应尽量避免钢丝绳反向弯折，或尽可能减少反向弯折的次数。出现反向弯折时，可用增大滑轮直径、提高滑轮直径与钢丝绳直径的比值来减缓钢丝绳的疲劳损伤。3.1.2.2 大起升高度卷绕系统方案设计当桥架类型起重机起升高度超过20 m时，钢丝绳卷绕系统一般要特殊考虑采取合适的方案，（1）加大卷筒直径或长度此方案简单易行。但过分加大卷筒直径会带来起升机构高度尺寸的增加；过度增加卷筒长度会导致钢丝绳对滑轮和卷筒绳槽偏斜角的增大，加剧磨损，甚至引起滑轮绳槽的破坏或钢丝绳跳槽，这种方案局限性较大。（2）减小滑轮组倍率此方案简单可行。适当减小倍率能减少钢丝绳在卷简上的绕绳量，并不增加机构外形尺寸，在对起升机构外形尺寸有限制的场合更为有利。但卷筒受力增加，钢丝绳直径增大，减速器传动比也要增加，有一定的使用局限性。（3）普通双层卷绕将钢丝绳端固定于卷筒中部，起升时钢丝绳从中间向两头绕于卷筒绳槽中，绕满碰到端壁时，由于钢丝绳拉力的水平分力指向当中，钢丝绳向当中返回绕第二层。这种方案构造简单，但钢丝绳的偏斜角不能大于3，否则第二层钢丝绳排列不整齐，磨损也厉害，适用于不频繁使用的场合。（4）双卷筒卷绕由两个卷筒同时卷绕，可使起升高度增加一倍，但是机构的外形尺寸较大。（5）多层卷绕多层卷绕时为使钢丝绳在卷筒上排列整齐，通常采取以下措施：卷筒壁开螺旋绳槽，保证第一层钢丝绳整齐排列，同时需要采用压绳器和排绳器。本起重机安装于水电站工程厂房内，用于设备安装及检修工作，不频繁使用，厂房也有足够大的空间，为了简化设计，便于安装和维修保养，本起重机采用加大卷筒直径的方案。3.1.3 滑轮组设计3.1.3.1 滑轮组的种类滑轮组由若干动滑轮和定滑轮组成。根据滑轮组的功用分为：省力滑轮组和增速滑轮组。省力滑轮组广泛用于起重机的起升机构和普通臂架变幅机构，它能用较小的钢丝绳拉力吊起数倍于钢绳拉力的重物。增速滑轮组主要用于液压或气压驱动的机构中，利用液压缸或气缸使工作装置获得数倍于活塞行程和速度，如叉车的门架货叉升降机构和轮式起重机的吊臂伸缩机构。滑轮组又有单式滑轮组与双联滑轮组之分。单式滑轮组用于门座起重机、汽车起重机、塔式起重机等臂架类型的起重机。由于有端部滑轮导向，当卷筒收入放出钢丝绳时，虽然钢丝绳沿卷筒移动，吊钩并不随着作水平位移。但是，对于桥式类型起重机，如果采用单式滑轮组，在吊钩升降时就会引起水平方向的位移(图3.9)，这不仅对于操作引起不便，同时使吊重重量在两根主梁上的分配不等。采用如图3.10所示的双联滑轮组就可以免除这种缺点。图3.9 单式滑轮组起升时的水平位移图3.10 双联滑轮组3.1.3.2 滑轮组的倍率滑轮组倍率的选定对起升机构的总体尺寸影响较大。倍率增大，则钢丝绳分支拉力减小，钢丝绳直径、滑轮和卷简直径也随之减小，在起升速度不变时，需提高卷筒转数，即减小机构传动比。但倍率过大，会使滑轮组本身体积和重量增大，同时也会降低效率，加速钢丝绳的磨损。起重量小时，选用小的倍率，随着起重量增大，倍率相应提高。倍率增大，起升速度相应减小。桥式起重机常用双联滑轮组倍率见表3.2。表3.2 桥式起重机常用双联滑轮组倍率额定起重量(t)35812.51620325080100120160200250倍率m12233444566688本起重机主起升机构额定起重量为250t，故选择倍率m8的双联滑轮组；副起升机构额定起重量为50t，选择m4的双联滑轮组。3.1.3.3 滑轮组滑轮的配置滑轮组中的滑轮按所需倍率和结构要求配置。桥式起重机的滑轮组配置见图3.11。图3.11 省力滑轮组双联滑轮组倍率m4时从卷筒引出的钢丝绳两根分支一般通向吊钩架最外边的两个动滑轮，平衡滑轮位于中间位置。当m4时为了不使卷筒中间的光面部分过长应将两根钢丝绳分支引向吊钩组中间两个动滑轮，用平衡梁代替平衡滑轮。为避免钢绳分支在运动中相碰中间两个动滑轮的直径应稍微加大（图3.12）。图3.12 使用平衡梁的双联滑轮组3.2 副起升机构的计算根据任务书，已知本起重机主副升机构主要参数：额定起重量Q0=50t；工作级别M5；副钩起升高度H=32m；副钩起升下降速度V=4m/min。3.2.1 钢丝绳与卷筒的选择1钢丝绳计算1）钢丝绳的最大工作静拉力当滑轮组形式和倍率确定之后，绕入卷筒钢丝绳端头的最大工作静拉力，用总起重量Gt按公式（3.1）计算。Smax1000 Gtg/(madp)（3.1）式中：Smax钢丝绳最大工作拉力，N；Gt总起重量，Gt= Gn(t)Gd(t)，Gn(t)为额定起重量，Gd(t)为取物装置的重量（初选吊钩 滑轮组TZB7147.15 50单钩 TZQ7176.17.00） 共2.255tm滑轮组倍率；a滑轮组上钢丝绳绕入卷筒上的根数；g重力加速度，g取9.81m/s2；d卷筒装置的传动效率，见表3.3；p滑轮组的传动效率，见表3.4。表3.3筒装置传动效率d轴承形式传动效率滚动轴承0.98滑动轴承0.96表3.4滑轮组的传动效率p轴承形式轴承钢丝绳支数234567891011121314滑动0.980.960.960.920.910.890.870.850.840.820.810.790.78滚动0.990.980.970.980.950.940.930.920.910.910.90.890.88根据表3.3，Gt=50+2.255=52.255t；滑轮组采用双联滑轮组（a=2），倍率m=4；根据表3.1，d=0.98；根据表3.2，q=0.93。则Smax1000 Gtg/(madp)= 68109.794N2）钢丝绳直径的选择钢丝绳直径不应小于按公式（3.2）计算的最小直径：dgmin =C(Smax)(1/2)（3.2）式中：dgmin计算的钢丝绳最小直径，mm；C钢丝绳的选择系数，见表3.5。表3.5 钢丝绳选择系数C及许用安全系数n机构工作级别旋转或轻微旋转的钢丝绳不旋转的钢丝绳安全系数n纤维芯钢丝芯纤维芯或者钢丝芯钢丝绳公称抗拉强度N/mm2157016701770157016701770157016701770M1M30.0879 0.0852 0.0828 0.0846 0.0820 0.0797 0.0895 0.0868 0.0843 4.0M40.0932 0.0904 0.0878 0.0897 0.0870 0.0845 0.0949 0.0921 0.0894 4.5M50.0982 0.0953 0.0925 0.0946 0.0946 0.0891 0.1001 0.0970 0.0943 5.0M60.1076 0.1043 0.1014 0.1036 0.1005 0.0976 0.1096 0.1063 0.1032 6.0M70.1162 0.1127 0.1095 0.1119 0.1085 0.1054 0.1184 0.1148 0.1115 7.0M80.1318 0.1278 0.1241 0.1269 0.1230 0.1195 0.1343 0.1343 0.1268 9.0选用钢丝绳公称抗拉强度为1770 N/mm2的纤维芯钢丝绳，工作级别为M5，故C取0.0925。则dgmin0.0925（68109.79）1/2=24.14，取钢丝绳直径d24mm。2卷筒计算1）卷筒直径选择钢丝绳绕入卷筒或绕过滑轮时，钢丝绳中的钢丝产生的附加弯曲应力大小与卷绕直径对绳径之比D/d有关，钢丝绳使用寿命随D/d的增大而增大。试验还表明钢丝绳的使用寿命与在一次升降中通过的弯曲次数，形式和次序有关。为使机构设计得紧凑，忽略弯曲次数和方向对寿命得影响后，钢丝绳得卷绕直径不应小于按公式（3.3）计算的最小直径：Dcphd（3.3）式中：Dcp以钢丝绳中心线计算的钢丝绳卷绕直径，mm。卷筒标准直径见表3.7；h与机构工作级别和钢丝绳结构形式有关的系数，见表3.6；d机构中实际选用的钢丝绳直径，mm。表3.6 系数h值工作级别卷筒滑轮旋转钢丝绳不旋转钢丝绳旋转钢丝绳不旋转钢丝绳M111.212.512.514M212.5141416M314161618M416181820M518202022.4M62022.422.425M722.4252528M825282831.5根据工作级别M5，钢丝绳为旋转钢丝绳，选取h18；则Dcphd1824432。因为副起升机构起升高度32m，为大起升高度卷绕系统，采用增大卷筒直径的方案，根据表3.8，选取卷筒直径D=690mm。表3.7 卷筒直径系列D(mm)355400450500560630690800900100011201250132014001500160017001800190020002120224023602500注：1.卷筒直径D指卷筒绳槽底处的直径；2.本系列试用于铸造卷筒和焊接卷筒。2）卷筒转速计算单层卷绕卷筒转速为：nt60.m.v/.D0（3.4）式中：nt卷筒转速，min-1；v起升速度，m/s； D0卷筒卷绕直径D0=D+d0.6900.240.714m。则nt60.m.v/.D07.137 min-13.2.2 选择电动机起升机构的负载特点是启动时间较短（约1秒左右），只占匀速运动时间的很小比例，起动时惯性载荷也很小，只占起升载荷的1020。根据起升机构的负荷特点和电动机的起动转矩特性，电动机功率可以从按吊起的总起重量Gt算得的静功率进行选择。1）计算电动机静功率所需电动机的静功率按公式（3.5）计算：Pj=GtVnKsKnKt/(6.12gdp)（3.5）式中：Pj计算的电动机功率，kW；Kn海拔高度系数，于起重机所在地的海拔高度有关，见表3.8；Kt环境温度系数，与起重机的工作环境温度和所采用电动机的绝缘等级有关，见表3.9；Ks机构的操作频繁程度系数，见表3.10；g减速装置（含减速器和开式齿轮）的传动效率。表3.8 海拔高度系数Kn海拔高度（m）1000150020002500300035004000Kn1.00 1.03 1.06 1.11 1.16 1.22 1.30 表3.9 环境温度系数Kt电动机绝缘等级E . B . FH工作环境温度（）4050506040505060系数Kt1.00 1.12 1.25 0.90 1.00 表3.10操作频繁程度系数Ks机构工作级别机构作业持续率JC电动机接电持续率FC15%25%40%60%100%M315%1.00 0.85 0.74 0.62 0.52 M4M525%1.18 1.00 0.87 0.73 0.61 M640%1.35 1.15 1.00 0.83 0.70 M7M860%1.62 1.38 1.20 1.00 0.84 100%1.93 1.64 1.43 1.19 1.00 表3.11一对啮合齿轮的传动效率 效率计算式gn n为啮合齿轮对数减速器型式轴承型式开式齿轮滑动轴承0.930.94滚动轴承0.960.97油浴齿轮滑动轴承0.940.95滚动轴承0.970.98根据表3.8，取Kn1.00；根据表3.9，取Kt1.00；根据表3.10，取Ks1.00；根据表3.11，取0.98g=4=0.984=0.922；则Pj=GtVnKsKnKt/(6.12gdp)38.936 kw当前在起重机机构设计中，驱动电机趋向于选用高速电机，这是因为其输出功率相同，而售价低，经综合比较后，选用8级电机，经查表3.12，初选YZP250M-8，该电机在工作方式为S3，接电持续率为40时，功率Pn=37kw。表3.12YZP电机技术参数（8级）型号标称功率(kw)额定电流(A)额定转矩(N.m)额定转速( r/min)堵转转矩倍数(3Hz)最大转矩倍数（50Hz)转动惯量kg.m2重量(kg) 过载倍数YZP132S-82.26.4297251.252.60.0525802.5YZP132M-838.539.57251.252.60.056292YZP160M1-8410.852.37301.352.80.0575110YZP160M2-85.514.5727301.352.80.1325125YZP160L-87.519977301.252.80.1775152YZP180L-811261417351.392.80.325220YZP200L-815351927351.502.80.339260YZP225S-822482827351.462.90.491270YZP225M-830683867351.472.90.547292YZP250M-837764737351.282.80.834405YZP280S-845935757351.393.01.39520YZP280M-8551217037351.272.91.65592YZP315S-8751549607351.703.14.791000YZP315M1-89018211527352.03.15.581100YZP315M2-811022014167352.03.06.371160YZP315L2-813226916927351.982.97.321230YZP355M1-816032020387352.12.99.41690YZP355M2-820039325487352.12.911.381790YZP355L-822042528037352.12.913.81990YZP400L1-825043531837352.23.022.92500YZP450L1-835565045207462.53.646.53400YZP450L2-840075050937462.53.654.338002）电动机过载能力校验起升机构电动机过载能力按下式进行校验：Pn HGtV/(um6.12gdp)（3.6）式中：Pn在基准接电持续时间时的电动机额定功率，kW；u电动机台数；m电动机转矩的允许过载倍数，见表3.10；H考虑电压降及转矩允差以及静载试验超载的系数，绕线异步电动机取2.1；笼型异步电动机取2.2；直流电动机取1.4。Vn机构稳态运动时的额定转速，m/min；当电动机的同步转速n(r/min)和减速器的实际速度比i确定后，起升机构的实际速度将按下列速度计算：Vs=0.9DcpN/(im)则Pn HGtV/(um6.12gdp)=30.4413.2.3 设计减速器1）减速器传动比i=ND0/(qVn)（3.7） i=ND0/(qVn)103.0422）减速器功率 PgGtVn(6.12gdpZgKg) （3.8）Zg减速器数量 1；Kg等效系数 1.25 见表3.13则PgGtVn(6.12gdpZgKg)31.487表3.13减速器的等效功率系数工作级别M3M4M5M6M7M8系数Kg1.251.121.000.900.800.713.2.4 选择制动器起升机构每一套独立的驱动装置至少要装设一个支持制动器；吊运液态金属以及其他的危险物品的起升机构，每一套独立的驱动装置只要装设两个支持制动器。本起重机用于设备安装及维修，故只安装个制动器。支持制动器应是常闭式的，制动轮必须装在与传动机构刚性联接的轴上。制动器的制动力矩应能保证在规定的制动时间内将机构制动住。机构采用电气调速或电力制动方案时。为了确保机构安全制动，不考虑因电气调速或电力制动对制动力矩的减少。1）计算制动转矩支持制动器的制动力矩应等于或者略大于制动器上所需要的制动力矩，其制动力矩按公式（3.9）计算：MzKz1000GtgDcpgdp/2(mi)（3.9）式中：Mz制动器的制动力矩，Nm；Kz制动器安全系数，与机构重要程度和机构工作级别有关，见表3.14；表3.14 制动器安全系数起升机构工作级别和使用场合KzM1M4起升机构和一般起升机构1.5M5、M6起升机构和重要起升机构1.75M7起升机构2M8起升机构2.5根据表3.12，取Kz=1.75，则Mz689.8092）制动器的选择块式制动器的构造简单，制造与安装都很方便，成对的瓦块压力互相平衡，使制动轮轴不受弯曲载荷。因此，起重机上广泛引用。而其中电力液压块式制动器（代号YWZ）又有动作平稳，噪音小，寿命长，尺寸小，重量轻，不易渗漏，省电，交流供电方便等特点。所以根据表3.15，本起重机选用一台YWZ5-315/E80，安装于减速器输入轴上，制动力矩400800Nm。表3.15 YWZ5制动器参数型号制动力矩（N.m)退距制动器匹配推动器YWZ5-315/E23 (D23)Ed 23/5Ed2 23/5180-2801.25YWZ5-315/E30 (D30)Ed 30/6Ed2 30/6250-400YWZ5-315/E50 (D50)Ed 50/6Ed2 50/6400-630YWZ5-315/E80 (D80)Ed 80/6Ed2 80/6630-1000YWZ5-400/E50 (D50)Ed 50/6Ed2 50/6400-8001.6YWZ5-400/E80 (D80)Ed 80/6Ed2 80/6630-1250YWZ5-400/E121 (D121)Ed 121/6Ed2 121/61000-2000YWZ5-500/E80 (D80)Ed 80/6Ed2 80/6800-14001.6YWZ5-500/E121 (D121)Ed 121/6Ed2 121/61120-2240YWZ5-500/E201 (D201)Ed 201/6Ed2 201/62000-360003.2.5 选择联轴器依据所传递的扭矩、转速和被联接的轴径等参数选择联轴器的具体规矩，起升机构中的联轴器应满足下式要求：Mt9550nt8gPng/N（3.9）式中：nt联轴器的选用安全系数，对起升机构取nt1.5；8g刚性震动系数，其值于机构的工作级别或电动机的接电持续率有关，见表3.16。表3.16 刚性震动系数FC815%1.7825%1.7440%1.5460%1.321）高速轴联轴器的选择Mt9550nt8gPng/N=1396.795齿轮联轴器能补偿两轴的综合位移。能传递较大的转矩，但结构较复杂，制造较困难，在重型机器和起重设备中应用较广，但不适用于立轴。选用Q/ZB104.5.00A2）卷筒联轴器的选择Mc =k9550Pnis/N =96841.937此处联轴器用于联接卷筒法兰和减速器低速轴，采用WJ型渐开线花键联接齿轮联轴器（图3.17），卷筒用齿轮联轴器由内齿圈、外齿轴套及两侧端盖等件组成。图3.14 WJ型渐开线花键联接齿轮联轴器该联轴器具有补偿两轴相对位移的性能，结构紧凑，重量轻，可靠性高、安装方便。适用于起重机起升机构的减速机与卷筒的联接及其他类似机构的联接。可作为传递转矩及支承径向载荷之用。工作温度范围为-25-80；传递公称转矩4000-800000N.m；许用径向力14500-450000N。根据表3.17，选用WJ15联轴器INT38ZX8m表3.17 WJ联轴器基本参数型号公称扭矩Tn kNm许用径向力kNd内花键转动惯量kg.重量kgWJ11112125INT34Z5m4.08136INT38Z5m132WJ12180150INT38Z5m7.23190INT26Z8m187WJ13315250INT26Z8m9.66228INT30Z8m220WJ14400300INT30Z8m14.5290INT34Z8m285WJ15500340INT34Z8m23.9390INT38Z8m382WJ16630380INT38Z8m34.2476INT44Z8m466WJ17800450INT44Z8m73.3766INT50Z8m7163.3 副起升机构零部件设计3.3.1 钢丝绳3.3.1.1 钢丝绳的特性及种类钢丝绳是起重机上应用最广泛的挠性构件，其优点是：卷挠性好；承载能力大，对于冲击载荷的承受能力也强；卷绕过程中平稳，即使在卷绕速度高的情况下也无噪音；由于绳股钢丝断裂是逐渐发生的，一般不会突然发生整根钢丝绳断裂，故工作时比较可靠。钢丝绳股内相邻层钢丝的接触状态有三种(图3.15)：1点接触股内各层之间钢丝互相交叉，呈点接触；2线接触股内各层之间钢丝在全长上平行捻制，呈线接触；3面接触股内钢丝形状特殊，呈面接触。图3.15 点、线、面接触的钢丝绳起重机上采用的钢丝绳主要有下面几种：1点接触钢丝绳(图3.16)，因单股挠性差又不能承受横向压力，故仅作拉索用。多股性能比单股性好，故应用稍广泛。图3.16 点接触钢丝绳2线接触钢丝绳(图3.17)，包括外粗式(X型)、粗细式(W型)及填充式(T型)，其优点是：消除了点接触钢丝绳所具有二次弯曲应力，能降低工作时总的弯曲应力，抗疲劳性能好；结构紧密，金属断面利用系数高，使用寿命比普通的点接触钢丝绳要高12倍。图3.17 线接触钢丝绳3多股不扭转钢丝绳(图3.18)，其优点是：因各相邻层股的捻向相反，故钢丝绳受力时其自由端不会发生旋转；在卷筒上的接触表面较大，抗挤压强度高，工作时不易变形；总破断拉力大，寿命比普通的高很多。图3.18 多股不扭转钢丝绳4异形股钢丝绳(图3.19)，其优点是：接触表面大(比普通的大34倍)，耐磨性好，不易断丝，寿命比普通的约高3倍；钢丝绳结构密度大(在相同绳径和强度条件下，总破断拉力大于圆股钢丝绳)。图3.19 异形股钢丝绳3.3.1.2 钢丝绳的选用线接触钢丝绳绳股中各层钢丝的捻距相同，外层钢丝位于里层各钢丝之间的沟槽里，内外层钢丝互相接触在一条螺旋线上，使接触情况改善，增长了钢丝绳的使用寿命。同时，线接触也有利于钢丝之间互相滑动，改善了挠性。相同直径的钢丝绳，线接触型比点接触型的金属总横断面积大，因而破断力大。采用线接触钢丝绳时，有可能选用较小的直径，从而可以选用较小的卷筒与滑轮。卷筒小使减速器的输出轴的力矩小，因之可用较小的减速器，从而减小起升机构的尺寸与重量。由于它有这一系的优点，故采用线接触钢丝绳。纤维芯优点是挠性和弹性较好，缺点是承受横向压力差。本起重机卷绕系统不采用多层卷绕，故绳芯材料选用纤维芯。钢丝绳捻向采用交互捻钢丝绳，由于绳与股的扭转趋势相反，互相抵消，没有扭转打结的趋势，使用方便，如果没有特殊要求，一般用右捻绳。由于本起重机在室内工作，故选用一般的光面钢丝绳。根据前面计算所得，卷筒直径为690mm，钢丝绳直径为24mm，所以e690/24=28.7520，根据表3.18，初选型号6X(19)，见图3.20。图3.20 6X(19)钢丝绳表3.18 钢丝绳的使用场合及其结构形式使用场合常用型号单层卷绕吊钩及抓斗起重机e206X(31) 6X(37) 6X(36) 6T(25) 8T(25)206X(19) 6W(19) 8X(19) 8W(19)起升高度大的起重机多股不扭转 187 1819多层卷绕6X(19) 6W(19) 金属芯3.3.1.3 钢丝绳破断拉力校验所选用的钢丝绳的破断拉力应满足下面条件：ns=Smin/ Smax（3.10）式中：Smin钢丝绳的破断拉力，见表3-17，N；Smax钢丝绳工作时所承受的最大静拉力，N；ns钢丝绳的安全系数，见表3-6。根据表3.19，公称抗拉强度为1870Mpa，公称直径为24mm的钢丝绳，最小破断拉力为336.4kN；根据式（3.1）计算所得，钢丝绳工作时所承受的最大静拉力为68109.794；根据表3.6，由本起重机主起升机构工作级别为M5，得钢丝绳安全系数为5.0。则ns=Smin/ Smax=4.939所以选用钢丝绳型号为6X(19)-24-1870-I-光-右交 GB1102-74。3.3.2. 卷筒的计算3.3.2.1 卷筒几何尺寸的计算卷筒工作圈数按式（3.11）计算：g=Hm/( Dcp)+Z1（3.11）式中： Z1固定钢丝绳的安全圈数（2.5）则g=Hm/( Dcp)+Z1=59t卷筒绳槽节距 (mm）,t=27卷筒上有螺旋槽的部分长度为：L0=ngt=5933.3.2.2 卷筒强度计算卷筒在钢丝绳拉力作用下，产生压缩，弯曲和扭转剪应力，其中压缩应力最大。当L3D时，弯曲和扭转的合成应力不超过压缩应力的10%15%，只计算压应力即可。卷筒筒壁的最大压应力出现在筒壁的内表面，压应力按下式计算：c= f1f2f3Smax /(t+0.112t 2)（3-12）式中：卷筒壁压应力，Mpa；卷筒壁厚；t卷筒绳槽节距；f1对筒壁应力的减小系数 0.75 f2对钢丝绳拉力系数 1f3钢丝绳卷绕层数系数 1.2 许用压应力，对钢。卷筒材料采用Q345，c=s/2=162.5，卷筒壁厚为21mm。c= f1f2f3Smax /(t+0.112t 2)=94.502c4 结论起重机械运用广泛，在现代工业中现代工业不仅对起重机的安全和高效提出越来越多的要求，而且随着自动化控制以及计算机管理系统的日益广泛，起重机从单一的搬运工具逐步演变成自动化、柔性化生产中的重要组成部分。现今电子技术以及先进加工技术运用广泛，计算机辅助设计更是的提高了设计师们的工作效率。如何结合新技术并运用到起重机中，让整个起重系统更安全、更高效、应用更广泛将是设计师的工作重点。本次设计中通过对桥式起重机的性能、结构及发展状况的了解。进行了桥式起重机副起升机构以及其零部件的设计计算、校验等。设计过程中，首先确定了驱动装置采用电动机驱动的布置方式；卷绕系统为大起升高度卷绕系统，采用增大卷筒直径的方案；滑轮组采用双联省力滑轮组。然后按照设计要求，选用机构中的标准部件，如电动机采用YZP系列变频调速三相异步电动机；制动器采用YWZ5电力液压块式制动器；联轴器采用齿轮联轴器及WJ型渐开线花键连接齿轮联轴器；钢丝绳采用6X(19)型线接触钢丝绳。同时对非标准部件根据设计要求进行进一步的设计和计算，本起重机投入实际生产以后系统工作稳定，运行可靠，同步精度符合要求，完全满足水电站安装的所有要求。参考文献1 赵家英，刘成钧. 桥式起重机工作原理与操作M. 北京: 科学普及出版社，1982. 2 张质文. 起重机设计手册M. 北京: 中国铁道出版社，1998.3 起重机设计手册编写组. 起重机设计手册M. 北京: 机械工业出版社，1980.4 Purdum.T. Machine DesignM. Journal of Science & Engineering,1998.5 扬长葵. 起重机械M. 北京:机械工业出版社，1982.6 祝慈寿.中国工业技术史M.重庆:重庆出版社，1995.7 胡宗武，顾迪民.起重机设计计算M.北京:北京科学技术出版社，1989.8 陈道南，盛汉中.起重机课程设计M.北京:冶金工业出版社，1983.9 须雷. 起重机的现代设计方法J. 起重运输机械，1996(8)：38.10 赵磊. 1200/125t桥式起重机的主起升机构J. 起重运输机械，2003(10): 3739.11 日坂本种芳，长谷川政弘. 桥式起重机设计计算M. 北京：中国铁道出版社， 1987.12 濮良贵. 机械设计M. 北京: 高等教育出版社，2001.13 上海交通大学起重运输机教研组. 起重机传动机构的动载荷和动力系数M.上海：上海科技出版社，1977.14 须雷. 现代起重机的特征和发展趋向J. 起重运输机械，1997(10)：37.15 邱栋良. 国内外起重机发展动态J.起重运输机械，1997(8)：35.16 王昆，何小柏，任信远. 机械设计、机械设计基础课程设计M. 北京: 高等教育出版社，1996.17 朱学敏. 起重机械M. 北京: 机械工业出版社，2003.18 GB3811-83. 起重机设计规范S. 北京: 中国标准出版社，1984.19 GB/T14405. 太原重型机器有限公司通用桥式起重机s. 北京: 机械工业出版社，1980.20 GB/T14405. 太原重型机器有限公司通用桥式起重机S.北京: 机械工业出1980.译 文伺服电机原理及应用电机是如何工作的电动机是将电能转换成机械运动,电机用在家用电器,电动风扇,遥控玩具等各种使用场合电机起源于早期电学上的一个发现- Arago转动.在1824年, Francois Arago发现悬浮在铜盘上的磁针,在铜盘转动时也跟着转动.第二年,计算机先驱Charles Babbage和天文学家John Herschel向人们展示上述运动可以相逆的:转动一块位于铜盘上方较强的磁铁时,铜盘也转动.在1831年, Michael Faraday通过试验来解释这一现象发生的原因.在电机实际运用前,半个多世纪来做这些电机些基础研究过了几十年后,许多发明家不断改进发明将电能转换成机械能.其中一个就是1832 Hippolyte Pixii改进了之后称为换向器的发明.它通过改变位于两个或更多的固定电磁石电流方向,以维持一台电机连续运转. Thomas Davenport是第一个制造出在工业中使用的电机.并是第一个对电机申请专利的.不久电机被用作诸如交通运输等场合. Moritz-Hermann De Jacobi将一台电机安装在涅瓦河上的一条船上. Charles G. Page用电机做了一台小型机车.伴随着19世纪80年代商业性电力供应系统出现,制造出更大的电机也变得有可能. Edison鼓励在工业中便用电机,并且设计了几一些为工业使用兵新型电机在19世纪80年代到90年代发生了一个重大变化,电力公司开始考虑转成交流电.交流适合于长距离传输.并且在Edison的电灯上工作的很好,但是没有实际的交流电机存在,直到意大利的Galileo Ferraris和美国的Nikola Tesla. 在今天人们认为Tesla的贡献比Ferraris大部分原因是前者后来受雇于西屋公司,这家公司应用了他自己的及其他人的专利,成了为电气设备一个主要的生产者.随着交流电机成为可能,交流电力的发展,交流电机一直使用到现在。伺服电机伺服电机包括交流电机和直流电机。早期的伺服电机通常是直流电机，因为那时只有通过可控硅才能控制大电流。由于晶体管能够控制大电流,并在更高的频率转换大电流，交流电机使用越来越广泛。早期的伺服电机是特别为伺服放大器设计的。如今电机设计则可应用于伺服放大器或变频控制器。这意味着，电机一方面可以用于伺服系统，另一方面可以用于变频驱动。一些公司把不使用步进电机的环闭系统称为伺服系统，因此与调速器相连接的交流异步电机也可以被称作为伺服电机。伺服电机还有些地方需要改进，包括在额定转速内运行不过热，电机静止时仍能保证足够的扭矩去承受负载在规定的位置，以及超低速长时间转动不过热。旧型电机冷却风扇是直接连在接电机主轴上。当电机工作在低速时，风扇不能产生足够的气流来冷却电机。新一代的电机拥有独立的风扇安装在电机上，所以能提供足够的冷却气流。这个风扇动力来自一个恒压源所以可以使风扇能始终运行在最高转速下，而不管伺服电机的转速如何。在所有伺服电机中，最实用的是永磁电动机。永磁电机的绕组电压可以是交流也可以是直流.这类永磁电机同以前的永磁电机类似。图1-1显示的是一台普通永磁电机的剖示图。图1-2展示的是伺服永磁电机的剖示图。从图中可以看出，新的电机在轴承室，转子，定子上同以前的电机类似。主要的区别只在于这种新类型的电机可以较大的负载从静止状态动作。这类永磁电机同样有一个编码器或变压器被放置在电机内部。这个可以确保设备能更精确的显示电机轴的位置或速度。 图1-1 典型永磁电机图1-2剖视图 永磁伺服电机无刷伺服电机无刷伺服电机可以无碳刷运行，这就意味着它的换向现在需要由电子完成而不是由机械碳刷来完成。电子换向由晶体管以某种周期方式开关来实现的。图1-3显示三条输入到无刷伺服电机的电压和电流波形。图1-4显示一台三相绕组的无刷伺服电机，这种无刷伺服电机的主要特点是可以交流或直流电源驱动。图1-3(a)输入电压、电流方波梯形波表(b)正弦电压和正弦输入电压和方波输出电压波型(c)正玄输入电压和正弦电流波形 这已经成为最流行的无刷式伺服控制图1-3展示三种电压波形来驱动无刷伺服电机。图1-3a展示梯形反电动势电压，方波电流输入，图1-3b显示为一正弦波输入电压和一方波电流波形，图-3c显示一正弦波办公设备电压放一正弦波电流波形,正弦波电压和正弦波电流波形是无刷伺服电机最常用的驱动。图1-4（a）晶体管三相绕阻无刷伺服电机。（b）三相绕阻电机使用三个独立的电压波形。（c）波形信号用来控制晶体管的波形序列。（d）反电势波形。图1-4展示三组晶体管,它同变频驱动的输出端很相似.在图1-4a，连接到电机三相绕阻的晶体管同变频驱动基本相同。图1-4b晶体管输出波形图，它是由三组独立的正弦波形组成。图1-4c是输入到每个晶体管的控制端的波形。图1-4d显示驱动波形的反电势。伺服电机控制器伺服电机控制器使一台伺服电机不只是用于放大器功能。今天的伺服电机控制器既要能做一定量的判断，也要提供一种方法能接受外部传感器和内部控制的信号，同时也可以在主控制器，PLCS和伺服系统数据交换。图1-5展示一些伺服电机与放大器。从图中看,这些同其它类型的电机和控制器比较相似。图1-5 伺服电机与放大器图1-6显示一张伺服电机控制器的图,你可以从中看出与其它类型电机的不同之处。图中的控制器用于直流伺服电机。输入电源，伺服电机及转速计连接到控制器底部的P3端口。可以看出输入电源为115V单相交流电。一个主断路器串联在L1线上。由L1和N经过的电源经过一个隔离的降压变压器.变压器的次级电压可是介于20到85伏的之间的任意电压。控制器通过引脚8接地.你应该记得在这点接地只是用来对系统的金属部份提供短路保护。图1-6 伺服控制图 （此图显示将数字信号和模拟信号送到控制器，再由信号控制器将信号送回给所在的主控制器或可编程控制器）伺服电机边接控制器的4脚和5脚。其中5脚是+，4脚是-。3脚是对电机和控制器提供一种屏蔽接地保护。转速计连接到引脚1和引脚2，其中脚2是+，脚1是-。屏蔽线缆同电机外壳连接.连接到这个端口的引线应该比同其它端口的引线要粗，因为他们承受更大的电机电流。如果电机使用额外的散热风扇，它也应该连接到这个端口上，在绝大部分场合，散热风扇由一常规的110V或240V的单相或三相交流电供电。控制信号通过P1端口送到控制器.控制信号的引脚是1和2,其中1是+,2是-.这是一种非接地常规的信号,同电路中其它部分不共享接地,一些附加的辅助信号也连接到P1。这些信号包括约束，如可以通过外部控制器来使驱动失效。正反转命令，如要求控制器给电机通电，使电机按顺时针方向或逆时针方向转动。在某些场合，最大正转行程极限开关和最大反转行程开关连接到一起，以便当机器运行到极限位置时触发另一状态的开关。这时将自动的以反方向重新驱动。P1端品也提供一些数字输出信号,一通常用于送出一些故障信号或其它信息,诸如正在运转,到主控制器或PLC.P1端口主要是数字(1-0)信号的端口。P2端口是逻辑信口的窗口，总线上的典型信号包括电机电流和电机转速信号由伺服控制器送出，送入主机或PLC，以便做出正确逻辑判断以确保控制器能出正确信息到电机上。从主机或PLC上的输入信号也被送到控制器上来设置驱动的最大电流和转速。在更新的数字驱动中，这些值由编好程序的驱动参数来控制的。脉宽调制伺服放大器脉宽伺服放大器被用作小尺寸的伺服场合，如使用直流有刷伺服电机。图1-7展示这一类型放大器的图。从左下图中可以看到单相交流电源供电给放大器。右上图中交流电经整流后，被送到驱动的输出单元，动输出单元用四个IGBT来产生脉宽调制波形。IGBT连接后以便他们提供30-120V直流电压，高达30A的电流到直流有刷伺服电机。电机的极性由图中显示。在这张图的中间的保留电路显示一些从故障逻辑板上的故障电路，在图的下方提供一路输出信号。可以看到故障输出信号包括过压,过温及过电流。第四个信号作为SSO(系统状态输出)。它显示当故障发生时的系统状态。一个跳线用来设置SSO信号。 在这张图的右下角的输入脚用来显示驱动的的使能控制或抑止，选择是前过放大控制还是向后放大控制。抑制信号作为控制信号。当放大器过高的时抑制输出过程。FAC和RAC信号限制电流到放大或缩小5%。左上方显示的是输入信号。VCS(速度控制信号)要求一个+VCS和一个-VCS信号来提供不同的信号。伺服放大器和电机的应用场合可以从伺服电机和放大器一些典型的应用场合延升到其它更好的使用场合。图-8显示的是一台伺服电机被用作控制一个压力切割器。在这个应用表中，薄片材料被送入一个卷压器中，在那儿它被用一把刀刃切长一定长度。薄片材料可以是一个带有切断点标记的商标或是广告纸。带有切断点标记的。在这个场合中，薄片材料的速度和位置司切断点保持同步。反馈传感器可以是一个编码器或是解码器,它同一个光电传感器连接在一起，用来判断标记的位置。所提供的操作面板用来使操作者能减慢系统动作，以维护刀刃或是换一卷新的材料。面板上可以进行参数调整以适应每一种原料。系统也可以同一个可编程的控制器或其它类型的控制器连接，以便操作面板上可以用来选择每一种材料或产品在运行时的正确的切断点。图1-7图示 脉宽调制放大器直流有刷伺服电机图1-8 由伺服电机控制材料压入的速度来确保尺寸灌装流水线伺服控制应用实例第二个应用如图1-9所示。在这个应用中若干个填充头和瓶子一样排列成一直线向前移动。每个填充头必须与每个瓶子以及瓶子运行的轨道相配合。喷嘴跟着瓶子移动并且填充物料。这里使用把10个喷嘴安装在机架上并通过滚珠丝杠装置来传动。滚珠丝杆也叫做螺杆。当电机转动丝杆轴，机架会水平地沿着丝杆轴长度移动。这个平稳的运动能够使每个喷嘴将物料装入凭中，而且几乎不会有溢出。伺服驱动系统利用一个定位控制器驱动软件来确定的传送带的位置和速度实现瓶子的移动。主编程轨迹是瓶子沿着传送线向前移动。螺旋流入的方式是利用在进入灌注区域的前点。螺旋流入方式是根据每个瓶子进入灌注区域所保持的间距精确数据计算所得。瓶子都在接近螺旋灌注点被紧紧的固定，但是当瓶子通过螺旋灌注点时位置间距是十分精确的，所以喷嘴和瓶子颈部有足够的空间相配合。传感器联合检测系统确保在瓶子错位，或者瓶子与瓶子之间出现过大距离时，喷嘴不会再喷出物料。伺服驱动系统对来自主编程器的瓶子位置与显示了安装在螺旋丝杆上的填充机架位置的反馈信号进行比较。伺服驱动放大器会增加或减少滚珠丝杠装置的速度,使喷嘴与瓶子的速度准确的匹配。图1-9 应用伺服电机控制的饮料灌装机精确螺旋伺服控制系统应用实例伺服系统第三方面的应用如图110所示。这个应用中使用一个巨大的供应槽来给沿着转送带运动的容器填料。材料被灌入到容器内，可以仅仅放入一种材料也可以是将某一种材料倾倒在搅拌器进行混合搅拌操作后再灌入到容器中。因此，所有灌入到容器内的材料必须被准确的称量过才能装入。伺服系统通过一个丝杆进行控制。反馈传感器在这个系统中是一个称量系统，例如测压元件在前面的章节已经讨论过。命令信号来自一个可编程控制器或者工作人员可以选择手动控制，在操作终端上进行控制。命令信号来自一个可编程控制器或者工作人员可以从操作终端上手动选择一个配方。材料的数量多少是根据不同的配方决定。图110 实施精确数字螺旋伺服控制的灌注机螺旋杆的速度是可以调整的，当容器刚开始灌注时，螺旋杆是高速运转的，当达到经过准确计量出容器在最后罐满前适当的刻度时，螺旋杆以额定的低速运转。由于材料价格的增长，精密的灌注设备在使用规定的配方下在相同产品数量下即可以提高节约材料又能保证质量。利用伺服电机打印标签应用实例第四个应用是由伺服电机控制标签打印机的预印标签牵引滚筒的速度，当盒子穿过标签打印机构时把标签印在随着连续传送带系统移动的盒子上。反馈信号由三个装置共同提供，一个能指示传送带位置的 编码器，一个能指示传送带速度的技术发生器，还有个能显示每个标签的注册记号的传感器。由一个微型处理器来控制伺服位置系统设定误差信号， 并由伺服放大器提供功率信号给伺服电机。如图111所示。图111 由伺服电机控制标签打印机的应用伺服电机控制随机定时横切系统应用实例第5中运用在11-94中出现。同时，那页还展示了一个系列的组件设备。这个设备可以分为3个独立的机器使用。每个组件系统所在的站点的定时循环周期是与外界相独立的。组件系统由infeed传送带，一个定位传送带和一个缠绕站点。infeed传送带和缠绕站点是相互机械连接的，所以它们等速运转。缠绕站点上的组件的位置是被严格控制的，这使得各组件不至于相互过于紧密。一块被称为 飞行的金属 与缠绕站点传送带在某个特定接点连接以保证每个组件各就各位。一个传感器被安装在定位传送带的开始端使得能在组件开始移向定位传送带时确定组件的前边界。另一个传感器被安装在了组件传送带的底部以观察金属的 运行。 所以这些从传感器发出的信号都被发送到辞赋电机以提供信息数据，所以辞赋器可以调节定位传送带的速度。这样可以使每个组件当它移向组件传送带时都能和某个 运行 器排列成一条直线。这种运用说明了辞赋定位控制器可以应对从2个以上传感器发出的各种不同的信号，原因是它使用了微处理器 。图112伺服电机控制随机定时功能包装系统原文说明原文说明的内容是：文章阐述了电机的工作原理、发展过程、以及伺服电机的工作控制原理。并且举例说明了伺服电机所适用的场合。题名Servomotors Elements and Applications作者 NEWMARKER来源 佳工机电网How Does a Motor Work?An electric motor converts electricity into mechanical motion. Electric motors are used in household appliances, electric fans, remote-controlled toys, and in thousands of other applications. The electric motor grew out of one of the earliest discoveries in electric scienceAragos rotations. In 1824, Francois Arago discovered that a magnetic needle suspended over a copper disk would rotate when the disc was spun. The next year, computer pioneer Charles Babbage and astronomer John Herschel showed that the action could be reversed: spinning a more powerful magnet above the copper disk would spin the copper disc. Then, in 1831, Michael Faraday conducted experiments that helped explain why this took place. While this laid the groundwork for the electric motor, it was another half century before electric motors were doing useful work. Over the next few decades many inventors made improved devices for turning electricity into motion. One of these was Hippolyte Pixiis 1832 improvement called the commutator, which switched the flow of current between two or more sets of stationary electromagnets to keep a motor continuously rotating. Thomas Davenport was the first to build an electric motor large enough to be used in industry, and he was also the first to seek a patent on a motor. Soon electric motors were being used for such things as transportation. Moritz-Hermann De Jacobi used an electric motor on a boat on the Neva River, and Charles G. Page used one to build a small locomotive. After the appearance of commercial electric power systems in the 1880s, larger electric motors were possible. Edison encouraged the use of electric motors in industrial applications and designed several new electric motors for that purpose. An important change came in the later 1880s and 1890s, when electric power companies began considering the switch to alternating current. Alternating current was perfect for the distribution of electric power over long distances, and it worked well with the Edison electric lamp, but no practical AC motor existed until the works of Galileo Ferraris in Italy and Nikola Tesla in the United States. Teslas contributions are remembered today more than Ferraris in part because Tesla was subsequently hired by the Westinghouse corporation, which used his patents along with many others to become one of the major producers of electric equipment. With a suitable AC motor available, AC power took off. It is still in use today.ServomotorServomotors are available as AC or DC motors. Early servomotors were generally DC motors because the only type of control for large currents was through SCRs for many years. As transistors became capable of controlling larger currents and switching the large currents at higher frequencies, the AC servomotor became used more often. Early servomotors were specifically designed for servo amplifiers. Today a class of motors is designed for applications that may use a servo amplifier or a variable-frequency controller, which means that a motor may be used in a servo system in one application, and used in a variable-frequency drive in another application. Some companies also call any closed-loop system that does not use a stepper motor a servo system, so it is possible for a simple AC induction motor that is connected to a velocity controller to be called a servomotor.Some changes that must be made to any motor that is designed as a servomotor includes the ability to operate at a range of speeds without overheating, the ability to operate at zero speed and retain sufficient torque to hold a load in position, and the ability to operate at very low speeds for long periods of time without overheating. Older-type motors have cooling fans that are connected directly to the motor shaft. When the motor runs at slow speed, the fan does not move enough air to cool the motor. Newer motors have a separate fan mounted so it will provide optimum cooling air. This fan is powered by a constant voltage source so that it will turn at maximum RPM at all times regardless of the speed of the servomotor. One of the most usable types of motors in servo systems is the permanent magnet (PM) type motor. The voltage for the field winding of the permanent magnet type motor can be AC voltage or DC voltage. The permanent magnet-type motor is similar to other PM type motors presented previously. Figure-1 shows a cutaway picture of a PM motor and Fig.-2 shows a cutaway diagram of a PM motor. From the picture and diagram you can see the housing, rotor and stator all look very similar to the previous type PM motors. The major difference with this type of motor is that it may have gear reduction to be able to move larger loads quickly from a stand still position. This type of PM motor also has an encoder or resolver built into the motor housing. This ensures that the device will accurately indicate the position or velocity of the motor shaft.FIGURE 1-1 Typical PM servomotorsFIGURE 1-2 Cutaway picture of a permanent magnet servomotorBrushless ServomotorsThe brushless servomotor is designed to operate without brushes. This means that the commutation that the brushes provided must now be provided electronically. Electronic commutation is provided by switching transistors on and off at appropriate times. Figure 1-3 shows three examples of the voltage and current waveforms that are sent to the brushless servomotor. Figure 1-4 shows an example of the three windings of the brushless servomotor. The main point about the brushless servomotor is that it can be powered by either ac voltage or dc voltage. FIGURE 1-3 (a) Trapezoidal input voltage and square wave current waveforms. (b) Sinusoidal input voltage and sinusoidal voltage and square wave output voltage waveforms. (c) Sinusoidal input voltage and sinusoidal current waveforms. This has become the most popular type of brushless servomotor control.Figure 1-4 shows three sets of transistors that are similar to the transistors in the output stage of the variable-frequency drive. In Fig. l-4a the transistors are connected to the three windings of the motor in a similar manner as in the variable-frequency drive. In Fig. l-4b the diagram of the waveforms for the output of the transistors is shown as three separate sinusoidal waves. The waveforms for the control circuit for the base of each transistor are shown in Fig. l-4c. Figure l-4d shows the back EMF for the drive waveforms. FIGURE 11-86 (a) Transistors connected to the three windings of the brushless servomotor. (b) Waveforms of the three separate voltages that are used to power the three motor windings. (c) Waveforms of the signals used to control the transistor sequence that provides the waveforms for the previous diagram, (d) Waveform of the overall back EMFServomotor Controllers Servomotor controllers have become more than just amplifiers for a servomotor. Today servomotor controllers must be able to make a number of decisions and provide a means to receive signals from external sensors and controls in the system, and send signals to host controllers and PLCs that may interface with the servo system. Figure 1-5 shows a picture of several servomotors and their amplifiers. The components in this picture look similar to a variety of other types of motors and controllers. FIGURE 1-5 Example servomotors and amplifiersFigure 1-6 shows a diagram of the servomotor controller so that you can see some of the differences from other types of motor controllers. The controller in this diagram is for a DC servomotor. The controller has three ports that bring signals in or send signals out of the controller. The power supply, servomotor, and tachometer are connected to port P3 at the bottom of the controller. You can see that the supply voltage is 115-volt AC single phase. A main disconnect is connected in series with the LI wire. The LI and N lines supply power to an isolation step-down transformer. The secondary voltage of the trans-former can be any voltage between 20 and 85 volts. The controller is grounded at terminal 8. You should remember that the ground at this point is only used to provide protection against short circuits for all metal parts in the system. The servomotor is connected to the controller at terminals 4 and 5. Terminal 5 is + and terminal 4 is - . Terminal 3 provides a ground for the shield of the wires that connect the motor and the controller. The tachometer is connected to terminals 1 and 2. Terminal 2 is + and terminal 1 is - . The shield for this cable is grounded to the motor case. The wires connected to this port will be larger than wires connected to the other ports, since they must be capable of carrying the larger motor current. If the motor uses an external cooling fan, it will be connected through this port. In most cases the cooling fan will be powered by single-phase or three-phase AC voltage that remains at a constant level, such as 110 volts AC or 240 volts AC. FIGURE 1-6 Diagram of a servo controller. This diagram shows the digital (on-off) signals and the analog signals that are sent to the controller, and the signals the controller sends back to the host controller or PLC.The command signal is sent to the controller through port PI. The terminals for the command signal are 1 and 2. Terminal 1 is + and terminal 2 is - . This signal is a type signal, which means that it is not grounded or does not share a ground potential with any other part of the circuit. Several additional auxiliary signals are also connected through port 1. These signals include inhibit (INH), which is used to disable the drive from an external controller, and forward and reverse commands (FAC and RAC), which tell the controller to send the voltage to the motor so that it will rotate in the forward or reverse direction. In some applications, the forward maximum travel limit switch and reverse maximum travel limit switch are connected so that if the machine travel moves to the extreme position so that it touches the overtravel limit switch, it will automatically energize the drive to begin travel in the opposite direction. Port PI also provides several digital output signals that can be used to send fault signals or other information such as drive running back to a host controller or PLC. Port PI basically is the interface for all digital (on-off) signals. Port P2 is the interface for analog (0-max) signals. Typical signals on this bus include motor current and motor velocity signals that are sent from the servo controller back to the host or PLC where they can be used in verification logic to ensure the controller is sending the correct information to the motor. Input signals from the host or PLC can also be sent to the controller to set maximum current and velocity for the drive. In newer digital drives, these values are controlled by drive parameters that are programmed into the drive. PWM Servo Amplifier The PWM servo amplifier is used on small-size servo applications that use DC brush-type servomotors. Figure 1-7 shows a diagram for this type of amplifier. From the diagram you can see that single-phase AC power is provided to the amplifier as the supply at the lower left part of the diagram. The AC voltage is rectified and sent to the output section of the drive that is shown in the top right comer of the diagram. The output section of the drive uses four IGBTs to create the pulse-width modulation waveform. The IGBTs are connected so that they provide 30-120 volts DC and up to 30 A to the brush-type DC servo-motor. The polarity of the motor is indicated in the diagram. The remaining circuits show a variety of fault circuits in the middle of the diagram that originate from the fault logic board and provide an output signal at the bottom of the diagram. You should notice that the fault output signals include overvoltage, overtemperature, and overcurrent. A fourth signal is identified as SSO (system status output), which indicates the status of the system as faulted anytime a fault has occurred. A jumper is used to set the SSO signal as an open collector output with a logic level 1 indicating the drive is ready, or as a normally closed relay indicating the drive is ready. The input terminals at the bottom right part of the diagram are used to enable or inhibit the drive, and to select forward amplifier clamp (FAC) or reverse amplifier clamp (RAC). The inhibit signal is used as a control signal, since it inhibits the output stage of the amplifier if it is high. The FAC and RAC signals limit the current in the opposite direction to 5%. The input signals are shown in the diagram at the upper left side. The VCS (velocity command signal) requires a +VCS and a -VCS signal to provide the differential signal. FIGURE 1-7 Diagram of a pulse-width modulator (PWM) amplifier with a brush-type DC servomotorApplications for Servo Amplifiers and Motors You will get a better idea of how servomotors and amplifiers operate if you see some typical applications. Figure 1-8 shows an example of a servomotor used to control a press feed. In this application sheet material is fed into a press where it is cut off to length with a knife blade or sheer. The sheet material may have a logo or other advertisement that must line up registration marks with the cut-off point. In this application the speed and position of the sheet material must be synchronized with the correct cut-off point. The feed-back sensor could be an encoder or resolver that is coupled with a photoelectric sensor to determine the location of the registration mark. An operator panel is provided so that the operator can jog the system for maintenance to the blades, or when loading a new roll of material. The operator panel could also be used to call up parameters for the drive that correspond to each type of material that is used. The system could also be integrated with a programmable controller or other type of controller and the operator panel could be used to select the correct cutoff points for each type of material or product that is run. FIGURE 1-8 Application of a servomotor controlling the speed of material as it enters a press for cutting pieces to size.An Example of a Servo Controlled In-Line Bottle-Filling ApplicationA second application is shown in Fig. 1-9. In this application multiple filling heads line up with bottles as they move along a continuous line. Each of the filling heads must match up with a bottle and track the bottle while it is moving. Product is dispensed as the nozzles move with the bottles. In this application 10 nozzles are mounted on a carriage that is driven by a ball-screw mechanism. The ball-screw mechanism is also called a lead screw. When the motor turns the shaft of the ball screw, the carriage will move horizontally along the length of the ball-screw shaft. This movement will be smooth so that each of the nozzles can dispense product into the bottles with little spillage. The servo drive system utilizes a positioning drive controller with software that allows the position and velocity to be tracked as the conveyor line moves
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