（机械工程专业论文）422成型机液压系统电气化改造及设计.pdf

贵州大学硕士研究生学位论文 摘要 本文是对工程轮胎4 2 2 成型机的液压传动系统进行电气化改造，主要是解决液压泄漏和 液压系统高故障率的问题。 工程轮胎4 2 2 成型机的液压传动系统主要应用于拉入环的进入和退出；尾架的前进和后 退；尾架的回转；扩布器的收缩和张开。现场实际使用中，液压传动的固有优点( 如惯性小、 反应速度快、可实现大范围无级调速等) 没有能派上用场，或是体现不明显，可是液压传动 却给生产现场带来了高故障率、维修难度大，环境污染、资源浪费等一系列问题。经过认真 的分析研究，最终将其液压控制部分改造为电气控制。新的传动方式即继承了原液压传动所 带来的优越性又使传动结构更为简单、可靠；同时解决液压传动给生产现场带来的问题。 该设备传动机构使用液压传动的最大优势在于能实现自动过载保护。因此，认真考虑电 气保护及机械保护的可靠性和确保设备运行的稳定性成了此改进项目成功与否的关键。在设 计中，一方面充分预算了设备传动所需的功率、零部件的强度等参数，以确保运行的可靠性 和稳定性达到使用要求，另一方面，也预留了机械上维修难度和成本都不大的薄弱环节，再 加上电气上双重以上的保护，使设备安全运行的程度大大提高。 关键词：成型机；液压传动系绕；电气控制；变频器；改造； m 壅型奎堂堡圭堑壅圭主竺笙苎 1 m si st h e4 2 2o ft h ep r o j e at i r em o l d i n gm a c h i n eh y d r a u l i cd r i v es y s t e mf o re l e c t r i f i c a t i o n , t h e k e y i s t or e s o l w t h e l e a k a g e o f h y d r a u l i c a n d h y d r a u l i c s y s t e m s w i t h h i g l l f a i l u r er a t e s t h e4 2 2t i r em o l d i n gm a c a i n e , $ i l y d r a u l i e 甜s t e mi su s e di n t ot h eh a n o ip u l l e tr i n g se n t - ra n d e x i t ；t h et a i l s t o c k sa d v a n c ea n dr e t r e a t ；t h et a i l s t o c k s 伽n _ i n g ；t h eb a n de x p a n d e r sc o n t z a e t i o na n d o p e n i ns c e n cp r a c t i c a lu s i n g , t h ei n h e r e n ta d v a u t a g c so fl a y d r a t t l i ed r i v e ( s u c ha ss m a l li n e r t i a , t h e r e a c t i o ns p e e d ，a c h i e v el a 】唔州划ev a r i a b l es p d e t c ) 啪tb ep u tt on o rt i t t l ee x p r e s s i o n b u t i tb r o u g h th i g hf a i l u r er a t e ，d i f f i c u l tl l l a i n t e n a l a c e ，e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n , w l i t s t eo f r e s o u r c e s ，a n d o t h e ri 辐u e s a 矗盯c a r e f u l 姐a l y s i s t h ee n dw cr e p l a i tw i t he l e c t r i e a lo 啦o lm 酬d a i v e m o d e ，w h i c hi n h e r i t st h ea d v a n t a g e sf r o mt h eo r i g i n a ll a y d r a u l i ed r i v ea n da l s oa l l o w st h e t r a n s m i s s i o n1 1 1 0 1 es i m p l e 。r e l i a b l e ，d e a j s 耐t ht h ep r o d u e t i o n sp r o b l e m sf r o m 也es 彻矗 ，- i kg r e a t e s ta d v a n t a g eo fe q u i p m e n tu s e dh y d r a t t l i ed r i v e 衄a m m i s s i o nl i c si ni t sa b i l i t y 幻 a e l a i c v ea u t o m a t i co v e r l o a dp r o t e c t i o n t h e r e l o ，s e r i o u s l yc o n s i d e l t h ep r o t e c t i o no fe l e c t r i c a la n d m e c h a n i c a lp r o t e c t i o nt o 铡艘t h er d i a b i l i t , a n dt h es t a b i l i t yo f0 1 x 髓虹o no f 也ee q u i p m e n t b e e a m t h ei m p r o v e ds u c c t w , o ft h e 喇c c tk e y i nd e s i g n , 、wh a v ef u l lb u d g e to ft h ee q u i p m e n t n e c e s s a r yd r i v ep c f w e r ，s t r e n g t ha n do t h e rp a l t so ft h ep a r a m e t e r s ，t oe 地t i t h er e l i a b i l i t y 掣l d , , t a b i l i t yo ft h er e q u i r e m e n t m o r e o v e r , w eh a v ea l s ob e t ar e s e x v e df o r t h el n a i l l t e n a n c l o ft h e 、孵a k l i n 虹f o rm e c h a n i c a ld i f f i c u l t i e sa n dc o s t s , a n dt h ep r o t e c t e dw i t he l e c t r i c a l 1 n h es a f eo p e r a t i o no f e q u i p m e l l ti sm u c h l n o t c k e yw o r t l s _ ；m o l d i n gm a e h i n e ；h y d r a u l i cs y s 姆m ；e l e c t r i c a lc o n t r o l ；t r a n s d u c e r ；r e n o v a t i o n ； i 、r 贵州大学硕士研究生学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所里送的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果除文中已经注明引用的内容外，本论文不不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的科研成果。对本人的研究在做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者始蛐婆 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国 家有关部门或机构传送论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授 权贵州大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以影印、 缩影或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵受此规定) 论支作者签名：煎燃导师签名： | 警牲日期：垫q 2 生目 第6 0 页共6 0 页 贵州大学硕士研究生学位论文 1 1 工程胎的发展状况 第1 章绪论 随着汽车工业发展，人们对轿车轮胎有了更多的认知，然而对直径达2 3 米的大型工程 机械轮胎( 工程胎) 目前却普遍知之甚少。近几年，我国工程机械行业迈进了全盛时期，工 程机械的需求量和社会保有量越来越大由于国家加大基础设施建设的投资力度，为满足市 场对工程机械高速增长的需求，许多工程机械制造企业纷纷抓住这个千载难逢的机遇，将产 能一再扩大，工程机械行业得到飞速发展。 目前，国家正在实施的三峡工程、南水北调工程，西气东输工程、青藏铁路工程、西电 东送工程及北京奥运会工程，总投资超过1 0 0 0 ( 3 亿元，其中至少有5 的费用用于工程机械 产品的消费，这给工程胎带来巨大的现实市场和潜在市场。这些工程的竣工时间晟早也在 2 0 0 5 年以后，最晚到2 0 加年以后。由此可见，我国工程胎市场在今后1 0 年内将维持持续 稳定的发展态势。相关统计表明，2 0 0 6 年和工程胎相关的主要工程机械产品销量仍然取得了 大幅增长，其中装载机销量达1 2 万台，叉车达1 0 万台，推土机达6 0 0 0 台。随着这种增长， 工程胎市场也受益匪浅，成为斜交轮胎市场上发展速度最快、市场最火、发展潜力最大的市 场。在矿用自卸车大胎市场方面也是需求激增，这些都给加速发展大、中型工程机械配套轮 胎提供了机遇和可能。 近年来，采掘业矿用车辆的使用有大吨位趋向，如1 5 0 t 、1 8 0 t 进口自卸装载车现在已经 比较普遍，加上国产同类车型的推出，拉动了巨胎的消费。综上所述，工程机械和工程胎都 在同一个产业链上，工程胎的市场源头在工程机械制造企业工程机械市场的兴旺给相关轮 胎业提供了配套市场和潜在的维修市场，工程机械的市场变化也将直接影响与之配套的工程 胎市场的变化。虽然现在正是工程胎迅猛发展时期，但是中国的轮胎生产始终存在着较高的 原材料和能源消耗，以及较低的盈利价位的问题。所以仍然需要工程机械制造企业和工程胎 生产企业携手打造优质的产业链。目前工程机械行业正在针对高等级公路建设与养护、桥梁 建设、大型水利工程项目中的堤坝加固、隧道工程、矿山现代化开采作业、西部油田开发、 西气东输工程等领域发展。 高原型和沙漠型工程机械配套于该工程机械的轮胎必须具备相应的低温性能、高温性能， 适应冰雪路面性能、抗强紫外线等特性要求适应在冻土地或沙漠中行驶，能够承受高原冬 季的严寒( 最低4 0 、，在超低温环境下胎面与冻土地或冰雪路面有良好的抓着性能，满足海 拔3 0 0 0 5 0 0 0 米高原冬季作业；沙漠型轮胎要能够承受吐鲁番盆地夏季的高温( 最高6 0 e ) ， 具有较大的浮力能够驰骋在茫茫沙漠戈壁。该类轮胎具有较大发展潜力，轮胎企业应开发不 同性能的专用轮胎，以差异化优势占领市场 小型多功能工程机械性能适应于小城镇建设、园林绿化与维护、林业开发以及港口、铁 路、机场，高速公路的建设与维护专用简易多功能工程机械产品。该类工程机械对轮胎性能 没有特殊要求，外观漂亮，花纹新颖、个性张扬、价格适宜即可。 重型工程机械适应重大工程的大型工程机械，如高等级路面建设使用的无级调频调幅振 动压路机、大型装载机等，现代交通运输业需要的大型全地面汽车起重机、中型越野轮式起 重机、集装箱起重运输车、整体自装卸载运车等工程机械。所配套的轮胎不需要高速性能， 但是抗老化性能和强载能力要求比较高。有的工程机械较有个性，如采矿用工程机械对轮胎 的耐切割，耐撕裂和耐刺扎性能要求较高。特殊工程机械如长臂挖掘机、垃圾压实机、边陂 压路机等，适应开沟挖渠、埋线缆等窄小作业需要的微型工程机械。对配套轮胎没有特殊要 求。 农用工程机械小型、简单、实用、价廉的农用工程机械适应于农业基础设施建设、小城 第l 页共6 0 页 贵州大学硕士研究生学位论文 镇建设和农业产业化生产。如简易型液压挖掘机、挖掘推土机及开沟机、液压铲装机、林场 抓木机械、挖坑机等。对配套轮胎性能没有特殊要求，但是价格低廉才有竞争力。 2 0 0 2 年，我国工程机械市场出现前所未有的“井喷式”发展，强力拉动了国内工程胎市场。 2 0 0 2 年装载机行业销售收入比上年增长7 0 ，汽车起重机行业增长6 2 ，压路机行业增长 5 3 ，平地机行业增长4 8 。装载机制造行业是工程胎最大的配套市场，2 0 0 2 年销售4 1 5 3 4 台，比上年增长7 4 ；汽车起重机制造行业是起重机专用载重胎的最大配套市场，2 0 0 2 年销 售6 2 7 0 台，比上年增长6 2 0 2 ；压路机销售8 1 4 3 台，比上年增长5 5 。7 9 ：平地机销售1 2 4 1 台，比上年增长7 5 5 3 ；混凝土拌合机销售2 4 8 台，比上年增长4 0 1 1 。2 0 0 2 年工程胎配 套市场需求约为3 0 万条。现在，我国已能生产各种规格的工程胎3 0 0 多种，工程轮胎生产企 业已发展到3 0 多家。其中，贵州轮胎、河南风神生产规模较大，年产量达2 0 万条；天津国 际、三角集团、徐州徐工、湖南大成等年产规模也达1 0 万条；杭州中策、库珀成山、青岛双 星、江苏飞驰等年生产能力在5 万条以上。 1 2 选题的背景及意义 贵州轮胎股份有限公司前身为贵州轮胎厂，1 9 5 8 年建厂，1 9 6 5 年由上海内迁扩建1 9 9 6 年改制为上市公司，简称“黔轮胎”，是我国重点轮胎制造厂家和全国5 2 0 户重点企业之一， 并跻身世界轮胎厂商7 5 强。主要生产唷口进”牌轮胎，产品有汽车斜交轮胎、汽车子午线轮胎、 工程机械轮胎、农业轮胎、工业车辆轮胎、全钢子午线载重轮胎、空气弹簧、实心轮胎8 大 系列7 0 0 多个规格品种，形成独特的优势，适用多种车辆配套与替换，产品畅销国内外，年 出口量占总产量的6 0 以上。贵州轮胎股份有限公司拥有雄厚的技术力量、一流的工艺装备， 具备现代化的检测手段和完善的质量保证体系，以及良好的技术开发与创新能力，建有国家 级企业技术中心。 贵州轮胎股份有限公司作为全国最大的工程机械轮胎生产企业，产品结构的更新调整， 既是为适应市场需求，同时也为中国的工程机械轮胎制造水平赶上世界先进水平做出贡献。 大型工程机械轮胎的制造工艺对设备的性能要求较高，我公司于1 9 9 6 年从美国a k r o n s t a n m d a r d 公司进口两台4 2 2 成型机，代表了当时国内外工程机械成型机的最先进水平， 如图1 1 所示。 图1 14 2 2 成型机的装配图 第2 页共6 0 页 贵州大学硕士研究生学位论文 4 2 2 成型机是a k r o ns t a n m d a r d 公司的新型成型机，与国产l c x - 4 b 成型机相比具 有以下特点： ， 1 设备的自动化程度高，所有的操作步骤均可通过p l c 和计算机实现自动控制。而 且对产品质量有影响的环节都能实现精确定位 2 工艺流程先进，4 2 2 成型机的生产工艺淘汰国内工程轮胎生产的第一代工艺“层贴 法一和第二代工艺。套筒法”，通过帘布筒扩布器将帘布筒捧开，经拉入环装置导入 成型鼓。此设计可避免用成型棒导入布筒过程中造成帘线排列角度变化、布筒打 褶等质量闯题。 3 降低成本，该成型机可以让帘布的伸胀率达到2 0 ，而采用“套筒法”生产工艺的 伸胀率只能达到8 左右，有较大的成本空间。 4 产品规格的适用范围广，其钢丝圈装夹采用活络方式，主要结构通过扣圈盘架上 安装1 2 个支臂，每个支臂的一端通过铰链与扣圈盘相连，并可绕绞链作3 6 0 度回 转运动，该结构的调节范围大，可实现2 2 - 3 7 英寸的调节，可以生产8 1 0 个规格。 第3 页共回页 贵州大学硕士研究生学位论文 第2 章本文研究的主要内容 工程胎4 2 2 成型机其传动系统可分为三类：液压传动。气压传动和机械传动。液压传 动部份主要由液压站，液压阀，油缸，液压泵等组成。 2 1 液压传动在4 2 2 型工程轮胎成型机中的具体运用 1 拉入环的进入与退出。液压油通过换向阀进入与拉入环相联的油缸，带动拉入环 实现上帘布筒的工作过程。 2 尾架装置的前进与后退。液压油通过可双向旋转的液压马达后，经链轮链条驱动 尾架，实现送帘砸和碰钢丝圈的过程。 3 尾架扩布器与外碰盘主轴间切换时的回转运动。活动油缸通过支臂带动尾架9 0 度 回转。 4 扩布器上帘布筒时的撑开，收拢运动。双向回转液压马达驱动带t 型螺纹的滚珠 丝杠，使扩布器径向撑开、收拢。 5 尾架回转和直线运动到位时的锁紧。当尾架的回转或直线运动到位后，各有一个 锁紧油缸锁紧，防止摆动。 2 2 液压传动的优点及在4 2 2 成型机中的体现分析 1 在同等体积下，液压装置能比电气装置产生出更多的动力。液压系统中的压力可比 电枢磁场中的磁力大出3 0 4 0 倍。在同功率下，液压装置的体积小，重量轻，结 构紧凑。同功率的液压马达的体积和重量只占电机的1 2 左右在4 2 2 成型机的 液压执行元件中，只有两个液压马达，四个液压缸，在空间结构上无太多限制，故 此优点在该设备中作用不明显。 2 液压装置工作比较平稳。由于重量轻，惯性小，反应快，液压装置易于实现快速的 启动、制动和换向。回转运动的换向频率可达5 0 0 次，分，往复直线运动的换向频 率可达1 0 0 0 次，分。按工作要求，4 2 2 成型机的回转运动为2 _ 一4 转分，直线运动 为孓- 8 米份在低速和低切换频率下，此优点也不能充分发挥 3 能在大范围内实现无级调速( 范围可达2 0 0 0 ) 。可成型机的工作要求几乎无需调速， 只需在适当的速度范围内运行即可。 4 易于实现自动化。但是由于成型机的工作运动过程比较简单，从电气上也很容易实 线自动控制。 5 易于实现过载保护，液压元件能自行润滑，使用寿命较长。这一点在成型机中还处 于优势地位。相对来说，从机械、电气上来实现过载保护耍困难得多。运动元件的 润滑亦达不到液压件的状况 6 液压元件己实现标准化，系列化和通用化，其设计、制造和使用都比较方便。由于 成型机所需元件的规格和数量都不多，主要都是作单件、小批量的备件使用。故矛 盾的焦点突现在元件是否经久耐用，使用及维护是否方便上 7 液压传动实现机械运动比用机械传动简单。但是在成型机所需直线运动中，机械传 动的结构也不复杂 综上所述，基于成型机的运动速度及负载都不大，运动轨迹也比较简单的状况，液压传 动中的优点在成型机中的体现并不明显，很多先天优势并不能得到充分体现。相反，液压传 动中的很多缺点在使用中却表现突出。如泄漏难治理，液压油消耗较多又污染环境；原装进 口备件贵且难买；国产化元件的密封性能及使用寿命也不尽理想；出故障后查找原因和修理 都很麻烦等等。而若使用其它更简单的传动方式也能满足我们的实际使用需求。因此。方案 第4 页共6 0 页 贵州大学硕士研究生学位论文 研究阶段制定的目标是：在新的传动方式中，既要保留原液压传动所带来的优越性，又要使 传动结构更为简单、可靠；同时解决液压传动给生产现场带来的高故障率、维修难度大、环 境污染、资源浪费等一系列缺点，工程胎4 2 2 a 成型机就是在此目标下开发研制的 2 34 2 2 a 型工程轮胎成型机简介 ， 4 2 2 a 成型机由主机与内扣圈装置、后压辊装置、尾架与外扣圈装置、伞形扩布器、拉 入环、气动控制系统、电气控制系统等部分组成 1 主机与内扣圈装置 主机采用交流电机驱动，同步齿形带传动，带动主轴旋转；成型鼓安装于主机的主轴上， 可随主轴完成不同转速的回转运动、制动、折鼓、撑鼓等动作，从而满足胎体成型要求成 型鼓的制动采用轮胎式气囊刹车，脚踏控制，制动时无噪音。 内扣圈装置安装于主机上，是用来完成扣内侧钢圈的装置；与主轴同心，圆周上均匀分 布1 2 个碰盘爪子，绕其旋转中心旋转，实现对不同直径钢圈的支撵。扣圈支架在气缸作用下 可作往复运动；扣圈时，钢圈碰及鼓肩，在气压作用下，钢圈紧贴于成型鼓面的帘布筒上。 2 后压辊装置 后压辊装置位于成型鼓的后面，与水平面成2 5 。倾角。相对于成型鼓可作轴向，径向、 旋转等动动，在电机驱动与气动控制共同作用下完成轮胎成型时的正包、反包、压实、胎侧 切边及胎坯剥离等动作轴向、径向、旋转运动分别由三台交流变频制动电机经各自的减速 机构驱动溜板箱沿底座导轨作径向运动，齿轮齿条机构保证溜板箱运行同步，平稳；压辊 蜗轮箱体由交流变频制动电机驱动，滚珠丝杆传动，沿溜板箱内导轨作轴向运动，并通过蜗 轮蜗杆机构傲旋转运动：同时，空气弹簧高压充气时，压辊的滚压臂摆动一定的角度，使辊 轮表面紧压于胎体外表面，配合其它动作，完成轮胎成型工艺要求的各种动作；空气弹簧低 压充气时，起支撑滚压臂的作用。通过程序控制，压辊可作单一动作，也可作复合动作 3 伞形扩布器 伞形扩布器主要用作轮胎成型过程中帘布筒的撑圆( 此过程根据工艺要求对帘布筒环圆 周有一定的拉伸) ，随后尾架移动至拉入环拉帘布筒的位置；其主轴中心可作微量的调节，确 保与主机主轴同轴。 伞形扩布器安装于尾架上，交流变频制动电机驱动，经蜗轮蜗杆减速器和链轮链条两级 减速，由丝杆螺线带动圆周均匀分布的1 0 根伞脊骨，完成伞形扩布器撑开与收拢的动作，且 伞脊骨撑开的直径可根据帘布筒直径相应的调节并镇定；每根伞脊骨顶面均匀分布3 4 个转动 灵活的万向球，从而大大减小帘布筒由伞形扩布器上脱离的摩擦力。 4 尾架与外扣圈装置 移动式尾架具有两个工位伞形扩布器撑开帘布筒、外扣圈装置扣胎坯外侧钢圈，两 工位互换需旋转9 0 。 移动式尾架的回转和移动由交流变频制动电机驱动，蜗轮蜗杆减速器减速；旋转运动为 齿轮传动，往复旋转9 0 。；移动为链轮链条传动，往复移动，导向轮导向；保证与主机主轴 同轴。 外扣圈装置安装于尾架上，是用来完成扣外侧钢圈的装置；与外扣圈导轴同轴，圆周上 均匀分布1 2 个碰盘爪子，绕其旋转中心旋转，实现对不同直径钢圈的支撑。扣圈支架在气缸 作用下可作入复运动：扣圈时，钢圈碰及鼓肩，在气压作用下，钢圈紧贴于成型鼓面的帘布 筒上 尾架在完成扣外侧钢圈式拉入环拉出帘布筒后，尾架应退离成型鼓轴端至非工作位，让 出轮胎成型所需操作空间 5 拉入环 第5 页共页 贲州大学硕士研究生学位论文 拉入环是用来完成已经由伞形扩布器撑开撑圆至尺寸的帘布筒，从伞形扩布器拉出并将 帘布筒夹持住拉到成型鼓外圆柱面上并宽度对中；然后退还到非工作位( 靠主机侧) 。该装 置为一环型框架结构，交流交频制动电机驱动底部小车蜗轮蜗杆减速器减速，同步齿形带 传动；齿轮齿条机构保证底部小车运行同步、平稳；导向轮导向；环型框架上的1 0 个气动控 制夹持机构，其夹持爪径向位置可调。夹持力大小可调。 6 气动控制系统 气动控制系统由气源处理元件、压力调节阀、电磁换向阀、节流阀等元件以及管路组成。 气动系统为各条气路提供动工，并在电控系统的作用下对各条气路的动作进行准确控制 7 电气控制系统 电气控制系统是本4 2 2 a 成型帆与4 2 2 成型机最大不同的地方，它取代了原来的液压系 统，通过三相异步电机，交流变频器，来控制拉入环的进入和退出，尾架的前进与后退，尾 架的回转以及扩布器的撑开与合拢。 2 4 本文主要研究的内容 本文主要研究内容：取消了工程胎4 2 2 成型机中的液压站及其配套系统，将原功能中的 拉入环进入与退出改为了齿轮齿条驱动；将尾架旋转及扩布器的撑开与合拢改为了带减速机 的电力驱动；将尾架的回转运动改为了带齿环的蜗轮蜗杆减速机驱动；将回转及直线运动结 束后液压缸锁紧改为了利用蜗轮蜗杆反向传动自锁的原理来定位 第6 页荚6 0 页 贵州大学硕士研究生学位论文 第3 章改造方案的确定 本章介绍了基于p l c 控制的变频调速控制系统在工程胎成型机中的应用，概述了三相异 步电动机的结构，工作原理及a b b 变频调速器等相关知识对变频调速控制系统参数的合 理设置，可确保电机拖动速度和扭矩等满足设计要求 3 1 基于p l c 控制的变频调速控制系统在4 2 2 a 成型机上的应用 由于三相异步电动机具有结构简单、维护容易、运行可靠、价格便宜等优点，又因交流 调速技术不仅具有优良的调速性能，而且还带来节约能源、减少维护费用、节约占地面积等 优点，所以4 2 2 a 工程胎成型机上的拉入环装置、尾架装置等传动用的电动机都选用了电磁 制动三相异步电动机；并采用了美国a b b 变频调速器实现对电磁制动三相异步电动机进行 驱动与调速，达到对工程胎成型机各装置进行电力拖动和速度控制。所用的交流变频调速控 制系统是基于p i e 控制的，其原理框图如图3 1 所示： 图3 1基于p l c 控制的交流变频调速开环控制系统原理框图 3 2p l c 简介 ， 自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l ei j d 窑i cc o n t r o l l e r ，i l c ) 取代传统继电器控制装置以来，p l c 得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用同时， p i e 的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和 用户需求的不断提高，p l c 在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今 天的p l c 不再局限于逻辑控制，在运动控制，过程控制等领域也发挥着十分重要的作用 作为离散控制的首选产品，p l c 在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界 范围内的p i e 年增长率保持为2 0 3 0 随着工厂自动化程度的不断提高和p l c 市场容 量基数的不断扩大，近年来p l c 在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国 家p l c 的增长十分迅速。综合相关资料，2 0 0 4 年全球p i c 的销售收入为1 0 0 亿美元左右， 在自动化领域占据着十分重要的位置。 p l c 是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的p l c 只有开关量逻 辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运 算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控 制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入p l c 的用户程序存储器中。运行时按存储程 序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。p l c 的c p u 内有指示程序步存储地址的程 序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1 ，程序从起始步( 步序号为零) 起依次执行到最终步( 通常为e n d 指令) ，然后再返回起始步循环运算。p l c 每完成一次循 环操作所需的时问称为一个扫描周期。不同型号的p l c ，循环扫描周期在1 微秒到几十微秒 之问。p l c 用梯形图编程在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1 k 逻 第7 页共6 0 页 贵州大学硕士研究生学位论文 辑程序不到1 毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，1 6 位( 也有3 2 位的) 为一个模 拟量大型p l c 使用另外一个c p u 来完成模拟量的运算。把计算结果送给p i e 的控制器。 相同f o 点数的系统，用p l c 比用d c s ，其成本要低一些( 大约能省4 0 左右) 。p l c 没有专用揉作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比d c s 要低很多。一个p l c 的控制器，可以接收几千个f o 点( 最多可达8 0 0 0 多个) 如果被控对象主要是设备连锁、 回路很少，采用p l c 较为合适。p l c 由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方 面，要容易一些 近1 0 年来，随着p l c 价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开 始采用p l c 进行控制，p l c 在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自 动化水平的不断提高，今后一段时期内p l c 在我国仍将保持高速增长势头 通用p l c 应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但p l c 相对一般嵌入 式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入 式控制器，现在正逐步用通用p l c 或定制p l c 取代嵌入式控制器。 3 3 电磁制动三相异步电动机的工作原理及特性简介 3 3 1 电磁铡动三相异步电动机的结构 三相异步电动机主要由定子和转子构成，定子是静止不动的部分，转子是旋转的部分， 在定子与转子之间有一定的气隙。 一，定子部分： ，1 、定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成导磁部分。 2 、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内 电部分 3 、机座：固定定子铁心及端盏，具有较强的机械强度和刚度 二、转子部分： 1 、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。 ， 2 、转子绕组：1 ) 笼型转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多 相对称短路绕组。2 ) 绕线转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心 槽内 三、气隙：异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允许达到的最小值 3 3 2 电磁制动三相异步电动机的工作原理 一、基本工作原理 三相异步电动机的工作原理，是基于定子旋转磁场( 定子绕组内三相电流所产生的合成 磁场) 和转子电流( 转子绕组内的电流) 的相互作用。 1 电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。 2磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。 3 电磁力：啭子载流( 有功分量电流) 体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱 动电动机旋转 二、转差率 同步电机的转速转子转速雄之差( h 一摊) 和同步转速 的比值称为转差率s ： j 塑兰 ( 3 1 ) 转差率是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种运行情况转子未转动时， 弗- o ，1 ；电机理想空载时矗- l ，s 一0 作为电动机，转速在0 一一范围内变化，转 第8 页共6 0 页 贵州大学硕士研究生学位论文 差率在o - 1 范围内变负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。转差率的大 小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转速为：万一0 - s ) ，l l 正常运行时，转差率 般在0 0 1 - - 0 0 6 之间，即电机转速接近同步速。 三、异步电机的三神运行状态 根据转差率的大小和正负，异步电机有三种运行状态如表3 1 如示 状态电动机电磁制动发电机 外力使电机沿磁场反方 实现定子绕组接对称电源 外力使电机快速旋转 向旋转 外力使电机沿磁场反方 转速 定子绕组接对称电源外力使电机快速旋转 向旋转 转差率 0 珏，l l 推o 靠 玛 电磁转矩0 1 j 0 能量关系电能转变为机械能电能和机械能变为内能 机械能转变为电能 表3 1 三相异步电机运行状态 3 3 3 电磁制动三相异步电动机的固有机械特性特性曲线 电动机作为一种将电能转化成机械能，从而带动其他机械进行工作的设备，我们最关心 的是电动机的机械特性。所谓三相异步电动机的机械特性是指在一定条件下，电动机的转速 痒与转矩t e r n 之间的关系月= 水t en ) 。三相异步电动机的转速n 与转差率j 之间存在一定关系： s - 竺l = ，所以三相异步电动机的机械特性也往往用t e r n 可( 5 ) 的形式表示 玛 3 3 3 1 机械特性的表达式 三相异步电动机的等效电路图可以化简为如图3 2 所示从电路的观点分析知，电磁功 率为：匕。j ，1 1 e 2 堕 ( 3 2 ) 占 图3 2 三相异步电动机t 型等效电路图 一、电磁转矩的物理表达式 第9 页共6 0 页 贵州大学硕士研究生学位论文 我们把乙- 乏尹公式进行整理( 利用前面已学的公式) 可得： r 棚一g 圣五c o s 仍( 3 - 3 ) 式中c ；转矩常数 上式表明电动机的电磁转矩与主磁通成正比，与转子电流的有功分量成正比，从物理概 念上反映了t e m 、c o s 仍，f 1 三者的关系，并符合左手定则。 二、电磁转矩的参数表达式 转子电流折算值为e - ( 3 4 ) p历z 2 堕* 一r q y n r ，。1 2 丝- 螨鞭。孝。亨。币商 p 一1 l i 1 。i 、以一j z7i 方程清楚地表示了异步电动机电磁转矩、转差率与电动机各参数之间的关系。 3 3 3 2 三相异步电动机的机械特性 1 固有机械特性 三相异步电动机的固有机械特性是指电动机工作在额定电压和额定频率下，按规定方法 接线，定子、转子外接电阻为零时， ( 或j ) 与t e m 的关系。 对于某一台确定的电动机而言机械特性方程式表明，此时只有 ( 或，) 与t e m 是变 量，其余均为确定值。因为机械特性方程式是一个二次方程，故t e m 存在最大值。以t e m 为 横轴，n ( 或，) 为纵轴，做出如图3 3 所示的三相异步电动机固有机械特性曲线。 图3 3 三相异步电动机的固有机械特性曲线 由图可见整个机械特性可以分成两个部分 ( 1 ) h - f 部分即& 加范围内在这一部分随着电磁转矩t e m 的增加，转速降低。 根据电力系统稳定运行的条件，这部分为稳定运行工作部分，电动机应工作于这一范围内。 第1 0 页共6 0 页 贵州大学硕士研究生学位论文 此时机械特性曲线近似为一条直线 ( 2 ) p - a 部分即1 瓦范围内这一部分随着转矩的减小，转速也减小。此区域称 为不稳定运行区域，三相异步电动杌一般不能稳定地工作于这一范围。因此，有时也将称这 一部分为非工作部分 反映电动机工作韵特殊点： ( 1 ) 理想空载点日 此时n = n l 。s = 0 。因转子电流2 = 0 ，定孑电流l l f f i o ，所以电磁转矩t e m = o ( 2 ) 最大转矩点p 对于三相异步电动机而言，通过数学求导，令d t e m d s = o 分析可知，产生最大转矩t 对 的临界转差率为 进而可求得最大电磁转矩乙为； 瓦。可i 丽m , p u 丽1 2 由于z ，l + z 厶 墨忽略蜀得近似表达式； ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) 和丽舞丽。痞b 。勘 瓦。可雨m 丽a p u l 2 丽。莉m l p u ； ( ) 由此进一步可知： 三相异步电动机的临界转差率& 与电源电压【，1 无关，只与电动机自身的参数有 关，且与转子电阻膨成正比，所以改变转子电阻硝的大小( 如在绕线型异步电动机转子电 路中串接变阻器) 即可改变l 豳界转差率& 。 ， 三相异步电动机的最大电磁转矩l 与转子电阻足无关。因此，电动机转子电阻的 大小不会影响电动机的最大转矩，只会影响产生最大转矩时的转差率。 最大电磁转矩l 的大小与电源电压0 i 的平方成正比，而临界转差率& 却与电源 电压无关。最大电磁转矩l 与额定转矩之比叫过载能力即九- 1 ，丸的值在电 ，1 鞫 动机技术数据资料中可查到：一般异步电动机屯在1 6 2 5 之间，特殊用途的电动机( 如起 重、冶金用电动机) 的九值在3 3 3 4 之间是异步电动机的一个重要参数，反映电动 第1 l 页共6 0 页 贵州大学碗士研究生学位论文 杌承受负载波动的能力。 ( 3 ) 启动点 电动机工作在启动点a 时n - n ，s = 1 ，乙一瓦乃为电动机的启动转矩或称堵转转矩- 电动机的启动转矩必须大于电动机所带负载的转矩，电动机才能启动，因此，堵转转矩的大 小是衡量电动机启动性能好坏的技术指标由机械特性方程式知： l 广土蟹l ( 3 - 1 0 ) r1 。 碱+ 砭) 2 + + ：) 2 j 由式可知：启动转矩l 的大小与电源电压的平方成正比，同时也受转子电阻大小的影 响。为了衡量电动机的启动性能，我们用电动机的启动转矩l 与额定转矩巧之比来表示 即k 争，k 被称之为启动转矩倍数，反映电动机的启动能力一般x ，在1 8 2 o 之 ， 闻。 ( 4 ) 额定点 电动机工作在额定点时：厅，h ，5 吩- 堡丑，乙9 5 5 0 p # 开。由铭牌可知，可通过铭牌参数计算得到额定工作点是希望的工作点。 3 3 4 电磁制动三相异步电动机变频调速的人为机械特性 所谓三相异步电动机的人为机械特性是指；人为地改变电动机的某些参数或电源电压大 小而得到的机械特性，人为机械特性的目的是为了获得所需的拖动性能。由上述内容可知 改变电动机转子绕组中电阻的大小或改变电源电压的高低，其机械特性都将发生改变，下面 着重讨论这两种常用的人为机械特性。 ( 1 ) 降低电源电压时的人为机械特性 降低电源电压时，电动机的转矩( 包括乏或已) 将按电压的平方降低，但临界转差率 不变。绘出不同电压时某一台电动机的人为特性曲线如图3 4 所示由图可见：降压后的机 械特性变“软”，启动能力和过载能力都下降。如果此时的负载转矩大于电磁转矩则将停止运 转；如果此时的负载转矩小于电磁转矩可继续运转，但转速一下降，转差率，增大，转子电 动势噩。- 哦增大，导致电流e ，增大，使电动机过载，这样长期过载会使电动机的温升 将超过允许值，影响电动机的使用寿命，甚至烧毁绕组 图3 a 三相异步电动机降低电源电压时的人为机械特性 ( 2 ) 转子电路串对称电阻的人为机械特性 第1 2 页共柏页 贵州大学硕士研究生学位论文 由式( 3 - 6 ) 、( 3 - 7 ) 、( 3 1 0 ) 知，在异步电动机转子绕组中串入电阻尺。则启动转矩l 将发生变化，& 也会发生变化，丽最大转矩乏不变，人为机械特性曲线如图3 5 所示。由 图可见，在一定范围内增加转子电阻，可以增加电动机的启动转矩疋，所以起重机械上大多 采用绕线式异步电动机但若是串接某一数值的电阻使瓦- l 后，再继续增大转子电阻， 启动转矩将开始减小。 以上三相异步电动机的机械特性性能都是通过特性方程式分析得来的。但方程式较为复 杂，而且一般情况下，三相异步电动机的某些数据在产品目录或铭牌上是查不到的给方程 式的定量运算带来不便。通过对方程式的分析，可以得到只反映电动机运行外部机械参数的 实用表达式如下： 乙。互2 函l ( 3 1 1 ) & s 其中毛一九写，瓦- 9 5 5 0 r n d ，瓯一& ( 九历) 图3 5 异步电动机转子串接对称电阻时的人为机械特性 3 3 5 三相异步电动机的调速方式 三相异步电动机转速公式为： 件- 6 0 p o s 1 ( 3 - 1 2 ) 从上式可见，政变供电频率，、电动机的极对数p 及转差率s 均可达到改变转速的目的。 从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。 在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波 调速、串级调速以及应用电磁转差离台器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速 的有改变定予极对数的多速电动机，改变定子电压，频率的变频调速有能无换向电动机调速 第1 3 页共页 贵州大学硕士研究生学位论文 等。从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速是指转差率 不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法( 如串 级调速等) 有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子 回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在 液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损 耗是很小的。 一、变极对数调速方法 这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目 的，特点如下： 具有较硬的机械特性，稳定性良好； 无转差损耗，效率高； 接线简单，控制方便、价格低； 有级调速，级差较大，不能获得平滑调速； 可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。 本方法适用子不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设 备、风机、水泵等。 二、变频调速方法 变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系 统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流一直流一交流变频器和交流一交流 变频器两大类，目前国内大都使用交一直一交变频器。其特点： 效率高。调速过程中没有附加损耗； i 应用范围广，可用于笼型异步电动机； 调速范围大，特性硬，精度高； 技术复杂，造价高，维护检修困难。 本方法适用于要求精度高：调速性能较好场合 三、串级调速方法 串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达 到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收 的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电 机串级调速、机械串级调速及晶阐管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为： 可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高； 装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速7 0 一9 0 的生产机械上； 。 调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产； 晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。 本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。 四、绕线式电动机转子串电阻调速方法 绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下 运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设