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牵引绞车及其控制系统设计【含9张CAD图纸和机械毕业论文】

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牵引 绞车 及其 控制系统 设计 cad 图纸 机械 毕业论文
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 要
绞车，是用卷筒缠绕钢丝绳以提升或牵引重物的轻小型起重设备。本设计以零件疲劳理论和线性累积损伤假说为理论基础，运用静力学的普遍原理，分析和解决了绞车运动过程中的一些受力和运动问题，力求最优化和最可靠设计绞车减速器和卷筒。在最普遍绞车传动方式和结构的基础上，运用位置传感和水位传感技术，采用PLC控制，实现了牵引绞车根据水位提升和下放泵房的自动控制和手动控制。
本文主要介绍了绞车的发展历史，用途，组成及工作原理；牵引绞车的工作特点；设计的一般步骤；使用中存在的问题及改进措施。在本次牵引绞车的设计过程中，着重对减速器、卷筒进行了分析和设计。对重要的部件进行了受力分析、强度的校核，根据其常见失效形式、影响因素及基本设计要求，给出了重要部件的受力分析、强度和刚度的设计方法。


关键词：牵引绞车； 减速器； PLC； 自动控制



ABSTRACT
The winch, is promotes or the hauling heavy item light small hoisting equipment with the reel winding steel wire. This design take the components fatigue theory and the linearity cumulative damage hypothesis as the rationale, the utilization statics general principle, analyzed and has solved in winch rate process some stress and the movement question, made every effort the optimization and the most reliable design winch reduction gear and the reel. In the most universal winch type of drive and in the structure foundation, utilizes the position sensing and the water level sensing technology, uses the PLC control, realized the traction winch to promote and to release the pump house according to the water level the automatic control and the hand control.
This article mainly introduced winch's historical development, the use, the composition and the principle of work; Traction winch's operating feature; Design general step; In the use exists question and corrective measure. In this traction winch's design process, to the reduction gear, the reel has carried on the analysis and the design emphatically. Has carried on the stress analysis, the intensity examination to the important part, according to its common failure mode, the influencing factor and the basic design request, has given the important part's stress analysis, the intensity and the rigidity design method.


Keywords：Traction winch；Reduction gear； PLC；Automatic control



目    录

1 概述1
1.1绞车的应用............................................... 1
1.2绞车的发展概况．．．1
1.3国外绞车概况．．．．．2
1.4绞车发展趋势．．．．．4
2 绞车的计算基础．．．．．．．．5
2.1绞车工作级别划分的理论基础5
2.2绞车的工作级别与类别．．．．．．6
2.2.1利用等级．．．．．．．6
2.2.2载荷状态．．．．．．．7
2.2.3绞车工作级别的划分．．．．．．8
2.3绞车计算载荷．．．．．9
2.3.1额定拉力．．．．．．．9
2.3.2当量拉力．．．．．．．9
2.3.3静强度计算拉力．9
2.3.4动载系数．．．．．．10
2.3.5试验拉力．．．．．．10
2.3.6许用应力和安全系数．．．．．10
2.3.7零件强度的可靠性计算安全系数和许用应力．．．．．．．13
3 钢丝绳的选择17
3.1概述．．．17
3.1.1安全系数法．．．．17
3.1.2选择系数法．．．．18
3.2钢丝绳选择．．．．．．18
3.3钢丝绳在卷筒上的固定．．．．．19
3.3.1钢丝绳在卷筒上的固定方式．．．19
3.3.2钢丝绳固定端承载能力验算．．．19
3.3.3钢丝绳的出绳方向及其偏角．．．20
4 卷筒设计计算21
4.1卷筒结构．．．．．．．．21
4.2卷筒容绳尺寸参数计算．．．．．22
4.2.1卷筒节径．．．．．．22
4.2.2卷筒边缘直径．．22
4.2.3卷筒容绳宽度．．22
4.2.4卷筒筒壳厚度．．23
4.2.5卷筒端侧板厚度23
4.3卷筒的受力分析．．23
4.3.1钢丝绳拉力与卷筒支撑处反力．24
4.3.2由钢丝绳拉力产生在筒壁上的转矩．．．．．．24
4.3.3卷筒筒壁的径向压力．．．．．24
4.3.4钢丝绳对端侧板产生的轴向推力．．．．．．．．25
5 减速器的设计计算．．．．．26
5.1传动方式的拟定．．26
5.2电动机的选型设计27
5.3总传动比及传动比分配．．．．．28
5.3.1总传动比．．．．．．28
5.3.2传动比分配．．．．28
5.4传动装置运动参数计算．．．．．29
5.4.1各轴转速计算．．29
5.4.2各轴功率计算．．29
5.4.3各轴扭矩计算．．30
5.5齿轮参数计算．．．．31
5.5.1开式齿轮齿面接触疲劳强度设计计算．．．．31
5.5.2开式齿轮齿根弯曲疲劳强度校核计算．．．．33
5.5.3齿轮其他主要参数．．．．．．．34
5.6轴的设计计算．．．．35
5.6.1轴的材料选择．．35
5.6.2轴的设计计算．．35
5.7滚动轴承的选择及校核计算．45
5.7.1轴承的类型选择45
5.7.2滚动轴承常见的失效形式及计算准则．．．．45
5.7.3滚动轴承的校核计算．．．．．46
5.8键连接的校核计算48
5.9联接螺栓的校核计算．．．．．．．50
5.9.2螺栓剪切强度校核．．．．．．．50
5.10减速器的润滑和密封．．．．．．50
5.10.1减速器的润滑．50
5.10.2减速器的密封．51
5.11减速器箱体及附件的选型设计．．51
5.11.1减速器箱体的设计．．．．．．51
5.11.2减速器附件的选型设计．．51
6 联轴器与制动器的选型设计．．．．．．54
6.1联轴器的选型设计54
6.2制动器的选型设计55
6.2.1制动器的选型计算．．．．．．．56
7 牵引绞车控制系统的设计 ．．．．．．．．57
7.1牵引绞车降压起动57
7.2绝对式旋转编码器57
7.2.1绝对式旋转编码器的工作原理．57
7.2.2绝对式旋转编码器的特点与应用．．．．．．．．58
7.2.3绝对式旋转编码器的选型．59
7.2.4绝对式旋转编码器的机械安装使用．．．．．．60
7.2.5编码器脉冲转换61
7.3水位传感器的选型61
7.4可编程控制器控制系统．．．．．62
7.4.1PLC的主要功能．62
7.4.2PLC的特点．．．．．62
7.4.3被控绞车的工作情况．．．．．63
7.4.4PLC选型．．．．．．．64
7.4.5PLC控制系统图．65
7.4.6I/O接线及I/O分配．．．．．．65
7.4.7PLC自动控制程序设计．．．．66
7.5提高PLC控制系统可靠性的措施．70
7.5.1PLC安装的环境条件．．．．．．70
7.5.2PLC的抗干扰措施．．．．．．．．70
设计总结．．．．．．73
参考文献．．．．．．74
翻译部分．．．．．．75
英文原文．．．75
中文译文．．．80
致  谢．．．．．．．．85



内容简介：
中国矿业大学2008届本科生毕业设计第88页- 88 - - 88 -*Page 881/8/2020- 88 - 1 概述1.1绞车的应用绞车，用卷筒缠绕钢丝绳或链条以提升或牵引重物的轻小型起重设备，也可称为卷扬机。绞车可以单独使用，也可作为起重、筑路和矿井提升等机械中的组成部件，因具有结构简单、操作方便、搬运安装灵活，维护保养简单、绕绳量大、价格低廉和可靠性高的有点而广泛应用于物料提升、水平或倾斜拽引重物、打桩、集材、冷拉钢筋、设备安装等工作中。绞车除在建筑工地、设备安装等方面被广泛应用外，在冶金、矿山、水电、农业、军事、化工及交通运输等行业中亦广泛应用，如高炉料钟和物料的提升，矿井的物料提升，水平、倾斜牵引运输，矿车调度、回柱，船舶上锚链的提升等。1.2绞车的发展概况现在矿山所用绞车都是由建筑卷扬机发展而来的，所以我们有必要先谈谈建筑卷扬机的发展，从而了解整个矿用绞车的发展历程。我国在很久以前的古代，就知道采用辘轳等来提升重物，以减轻体力劳动的强度和提高工作效率。但由于旧中国的工业落后，劳动力便宜，所以在物料的提升和搬运过程中大都是靠工人的肩挑背扛，而绞车只有在一些大型企业中才被使用，应用很少，而且所适用的绞车也均为国外生产，国内基本没有生产绞车的厂家。我国的绞车生产是解放后才开始的，已有近60年的历史。50年代为满足恢复经济的需要和第一个五年计划的需要，绞车的生产被提到了日程上。原沈阳国泰机器厂（阜新矿山机械厂前身）等成批仿制了两种绞车，一种为日本的JIS8001型动力绞车，它是一种原动机为电动机，传动形式是开式圆柱齿轮传动，双锥体摩擦离合器，操作为手扳脚踩的快速绞车；另一种是按苏联图纸制造的1011型和1012型普通蜗杆传动、电控慢速绞车。随着生产的发展，到了60年代，绞车的生产和使用越来越多。为了协调生产，主要绞车生产厂家（阜新矿山机械厂、天津卷扬机厂、山西机器厂、宝鸡起重运输机厂等）组成了卷扬机行业组织，隶属于第一机械工业部矿山机械行业下。为了发展绞车的生产，行业组织了相关厂家的人员对全国绞车的生产和应用情况进行了调查。在调查的基础上，开始自行设计和制造新的卷扬机，先后试制了0.5t、1t、3t电动卷扬机，但由于对当时各厂家的生产能力估计不足，无法推广。从70年代起，我国绞车的生产进入了技术提高、品种增多、定性生产的新阶段。在各厂自行设计和生产的基础上，1973年，由卷扬机行业组织了有关厂家和院校联合进行了绞车基型设计，并充分考虑到了当时中小厂家的生产能力。快速绞车的基型采用半开半闭式齿轮传动，离合器采用单锥面石棉橡胶摩擦带结构，操纵用手扳刹车带制动。慢速绞车的基型为闭式传动（圆柱齿轮传动或蜗杆传动减速器）、电磁铁制动结构。这两种基型一直到今天还在生产。为了适应生产发展的需要，当时第一机械工业部发布了JB926-74建筑卷扬机形式与基本参数和JB1803-76建筑卷扬机技术条件两个部标准，并把卷扬机行业划归常德建筑机械研究所（长沙建筑机械研究院前身）领导。随着部标准的颁布，使绞车有了大发展的基础。为了满足经济发展的需要，各厂家相继生产了20t和32t绞车。从70年代末开始，我国实行了改革开放政策，国民经济大发展，作为国民经济的动力，煤炭产业现代化和机械化的要求日益强烈，许多产品逗进行了防爆改造，从而进入到煤矿井下，其中绞车是最成功的一种产品，JD系列的调度绞车和JH系列的回柱绞车至今还在大量的生产，是矿山井下，运输调度不可替代的机械设备。但这种设备的自动化的程度不高，无法实现无人值守的自动操作，往往由于绞车操作工的操作失误或精神不集中造成安全生产事故。矿山绞车的发展是伴随着煤炭产业发展，九十年代中后期，是我国煤炭生产的一个低潮，矿用绞车的发展十分缓慢，没有什么新的结构，产品出现。但是，2000年以后，国际油价居高不下，煤炭再一次被人们所重视，煤炭价格一路上涨，绞车等一系列的矿山机电产品需求量剧增，促进了绞车的发展，这一时期绞车品种增加，自动化水平增加，新结构、新功能不断出现，但是仍然具有一定的技术瓶颈，即自动控制设备的防爆问题。现在，变频调速技术和PLC控制技术十分的成熟，但是，也只是在矿井的主井和副井的提升系统中得到了最广泛的最成熟的应用。然而，自动化和数字化是矿井发展的必然趋势，为了实现这一目的，矿山设备的自动化和数字化是实现这一目的的基础。本设计也力求用最成熟的PLC控制技术，实现矿井水仓的无人值守，达到牵引绞车能够根据水位自动提升和下降泵房的目的，探索一条能够实现绞车自动化控制的路径。1.3国外绞车概况在国外，绞车的品种繁多，应用也很广泛。在西方技术先进的国家中，钻机制造商德国Wirth公司、Bentec公司以及美国Varco公司拥有先进的绞车控制技术、电动机四象限传动技术以及电子(自动) 司钻控制技术。这些绞车控制系统能根据钻压、机械钻速、转盘转速和扭矩等参数控制钻井钢丝绳的连续递送以保持稳定的钻井状态， 进而大大提高钻井效率。下面简单介绍三款国外绞车及其控制。一、德国Wirth公司齿轮传动绞车德国Wirth公司新一代齿轮传动绞车采用四象限控制技术，配有2台或3台直流或交流电动机，能平稳地减速和停止下降或上升的载荷，在不超过设备使用限制的情况下，直流和交流电动机都能运用再生制动技术，制动能量大部分回馈给电网。绞车控制系统通过控制电动机四象限传动，使能量在一个起下钻作业中按4个不同传动阶段分配。绞车的控制系统是通过一个3060kW的交流电动机来实现其它的辅助驱动。在钻井过程中，自动化司钻控制电动机实现恒钻压自动送钻，保持设定的参数，使钻井工具的寿命得以大大增长。另外，在主电动机失效时，还可做为应急装置，将井中钻具提起。绞车控制系统还包括一套智能防碰系统(ACS)，用来优化游车上下运行过程中的安全和效率，它监控绞车独立的3个刹车系统。系统提供了整个提升系统动能的参数分析，并考虑了包括系统制动能力、钩载、游车的速度和位置等参数，在位于司钻控制室的ACS系统终端设定系统的上、下限位。两个PLC上独立计算大钩的位置、速度和制动距离。根据控制系统的运算法则，并考虑到系统的动能和绞车的刹车系统能力，两个PLC能独立启用再生制动、涡流刹车或盘式刹车。大钩位置、载荷和所需要的制动距离等参数持续地由两个微处理器检测和比较，任何差异都认为是ACS系统失效。电动机再生制动、涡流刹车和盘刹紧急制动将被激活，使载荷制动停止。二、 Bentec公司绞车德国Bentec公司已成功地将四象限传动用于其链传动钻机上， 将电动机用于刹车，并将能量回馈。盘式刹车只用于驻车或紧急制动。绞车遥控操作，游车可以准确定位。自动送钻速度从10 m/ h到150 m/ h 。三、美国Varco公司单轴绞车美国Varco公司最新一代单轴ADS 10绞车，充分利用了交流变频的控制技术， 可不使用摩擦离合器而使用电动机再生制动来保持负荷。高性能可精确控制的空气冷却和水冷却伊顿( Eaton) 组合盘式刹车可实现自动送钻，并且使该绞车唯一的刹车空气冷却模块用于紧急制动和负载的静态控制， 而水冷却模块用于钻井钢丝绳的均匀递送、游车运行、钻压以及其它钻井参数的动态控制。1.4绞车发展趋势1.大型化 由于基础工业大发展，大型设备和建筑构件要求整体安装，促进了大型绞车的发展。2.采用先进电子技术 为了实现绞车的自动控制和遥控，广泛采用先进的电子技术，传感器技术，可编程控制技术。3.发展手提式绞车 为了提高机械化程度，减轻工人的劳动强度，大力发展小型手提式绞车，如以汽车蓄电池为动力的直流电动小型绞车。4.大力发展不带动力源装置的绞车 此种绞车借助汽车和拖拉机动力，结构简单，有一个卷筒和一个减速器即可。2 绞车的计算基础2.1绞车工作级别划分的理论基础010实验材料零件0图2.1 应力-循环次数曲线绞车工作级别的理论基础是零件疲劳理论和迈内尔的线性累积损伤假说。我们知道，金属材料或零部件在变应力作用下，近似应力-循环次数的试验曲线（曲线）,如图2.1所示。由图2.1可知，2.1 (2.2)按迈内尔理论，零件损伤可按下式计算 (2.3)当时，零件损坏。设为，中的最大值，则公式2.3可改写为 (2.4)令应力循环系数 (2.5)则 (2.6)如果保持，不变，并以，代替，以及以代替，同时公式2.6中的和均保持不变，则上式载荷具有相同的应力循环系数，因此公式2.3可改写为 (2.7)如果足够大，则可达到，零件随即损坏。称时的为临界应力，并以表示，则有 (2.8)公式中的与材料、零件特性、应力类型及等因素有关，这些因素决定了和值，此外还和总循环次数和应力循环系数有关。公式2.8为临界状态，它是划分工作级别的基础表达式。2.2绞车的工作级别与类别绞车根据载荷状态和利用等级分为A1A8八个工作级别。其目的就是为了合理地设计，制造和使用绞车，提高零部件的三化水平，取得满意的技术经济效果。2.2.1利用等级利用等级是表示绞车使用的频繁程度，以其在设计寿命期内应完成的总工作循环次数表征。而一个工作循环是指从一个载荷准备提拉时开始到下一个载荷准备提拉时为止的全过程。绞车的寿命一般不少于5年，在这个期间内依据工作频繁程度的不同，总工作循环数可分为8个利用等级，见表2.1表2.1绞车利用等级利用等级总的工作循环次数说明U0U1U2U3不经常使用U4经常轻闲使用U5经常中等使用U6有时繁忙使用U7繁忙使用2.2.2载荷状态载荷状态表示绞车钢丝绳受拉力作用的轻重与频繁程度，它与整个使用寿命期限内钢丝绳每次承受的拉力与额定拉力之比（）和钢丝绳每次承受拉力作用下的工作循环次数和总工作循环次数之比（）有关。表达这种关系的图形称为载荷谱，见图2.2.图2.2 典型载荷谱0.110.40.10.40.5轻0a）0.16710.7330.20.1670.5中00.4670.167b）10.40.40.5重0c)10.80.90.5特重0d)载荷谱系数可用下式计算 (2.9)式中 载荷谱系数； 钢丝绳承受的第个拉力，（）；钢丝绳承受的额定拉力（）；在钢丝绳拉力作用下的工作循环次数，；总的工作循环次数，；由应力换算成载荷的耐久曲线指数，此处取。绞车的载荷状态可根据钢丝绳承受的拉力（载荷）大小和频繁程度，按名义载荷谱系数分为四级，见表2.2。表2.2载荷状态载荷状态名义载荷谱系数当量拉力系数说明Q1(轻)0.125通常承受1/3的额定拉力，很少承受额定拉力时使用Q2(中)0.25通常承受（1/32/3）的额定拉力，有时承受额定拉力时使用Q3(重)0.5通常承受2/3以上额定拉力时使用，较多承受额定拉力时使用Q4(特重)1.0频繁地承受额定拉力或者鱼额定拉力相近时使用在表2.2说明栏中的内容选择一个适合的载荷谱系数确定载荷状态。如果钢丝绳的在拉力作用下的时间为，可以得出当量拉力系数，按以下公式计算 (2.10)式中 当量拉力系数； 作用下的时间；，根据载荷谱系数的分级可以得出相应的当量拉力系数。2.2.3绞车工作级别的划分按利用等级和载荷状态的不同，可将绞车分为A1A8八个工作级别，见表2.3。表2.3绞车工作级别每日平均使用时间h0.250.250.50.5112244881616使用寿命期限内的总使用时间h40040080080016001600320032006400640012500125002500025000利用等级U0U1U2U3U4U5U6U7载荷Q1(轻)A1A2A3A4A5A6A7Q2(中)A1A2A3A4A5A6A7A8状态Q3(重)A2A3A4A5A6A7A8Q4(特重)A3A4A5A6A7A8绞车按工作级别和用途可分为四种类型，见表2.4。表2.4绞车分类类别工作级别说明举例A1A4 不经常使用，轻或中等载荷状态的快速和慢速绞车工程安装A3A5 经常中等使用，中等载荷状态的快速绞车垂直或倾斜吊运，水平拽引，牵引A4A6 有时经常频繁使用，中等载荷状态的快速绞车与井字架、人字架和桅杆等配合使用垂直吊运A6A8 经常频繁使用，重级载荷状态的快速和慢速绞车斜坡拽引、牵引、冷拉钢筋、冲抓、拉桩2.3绞车计算载荷2.3.1额定拉力绞车钢丝绳的额定拉力规定为作用在基准层（在规定的拉力下，钢丝绳在卷筒上顺序紧密排列时，恰为1/2容绳量处所在的缠绕层），方向为沿钢丝绳出绳方向的拉力。钢丝绳出绳方向偏角：对于自然排绳，；对于排绳器排绳，。2.3.2当量拉力这是用来计算绞车零件疲劳、磨损和发热的一种拉力，也称寿命计算拉力，它所考虑的工况是绞车在正常工作情况下钢丝绳的拉力，可按公式2.11计算 (2.11)当绞车的实际载荷状态为已知时，应按公式2.9和公式2.10计算实际载荷谱系数和当量拉力系数。当无法确定实际载荷状态时，可根据用途或与用户协商按表2.2选取合适值。2.3.3静强度计算拉力经强度计算拉力是考虑绞车正常工作时可能出现的最大拉力，此时零件的强度不得超过材料的许用应力。 （2.12）式中 动载系数。2.3.4动载系数当绞车启动或制动时，载荷将对绞车承载结构和传动结构产生附加动载作用，钢丝绳速度越大，启动或制动时间越短，冲击也就越大，值也就越大，值可按表2.5选取。表2.5 动载系数1.001.101.201.05+0.4（-0.2）1.351.10+0.6（-0.2）1.90注：电动机启动完成时或制动开始时载荷的速度，即钢丝绳的速度当较大，以至按表中公式计算出的值大于1.90时，应在控制方面采取措施，使载荷的加速度不致太大，且去2.3.5试验拉力当绞车的强度用试验拉力计算时，取下面两种情况的最大值：（一）静载试验拉力静载试验拉力为钢丝绳额定拉力的1.25倍，即 （2.13）（二）动载试验拉力动载试验拉力为钢丝绳额定拉力的1.10倍，即 （2.14）若用动载拉力进行强度校核时，应考虑动载系数。2.3.6许用应力和安全系数绞车的寿命计算可保证绞车在规定的使用期限内，零件不失效或者有局部失效（如齿轮传动的齿面有部分点蚀）但不影响使用。绞车的静强度计算可保证绞车零件在最大拉力作用下不失效，即零件最大应力应小于材料的屈服极限，并有足够的安全裕量。在具体的零件强度计算中没有给出许用应力和安全系数时，应按本节介绍的许用应力和安全系数选取。（一） 静强度计算的许用应力与安全系数静强度计算公式为 （2.15）式中 塑性材料的许用应力（）； 塑性材料的屈服极限（）； 零件危险断面的最大计算应力或复合应力（）； 安全系数。对于塑性较好的材料，用材料的屈服极限作为零件的屈服点。当材料的屈服极限与抗拉强度之比大雨0.7时，为了减小偶人超过材料屈服极限而引起的脆性断裂的危险，我们规定按下面公式计算的屈服点作为零件的假想抗拉屈服极限。 （2.16） （2.17）式中 零件假想抗拉屈服强度（）； 塑性材料的抗拉强度（）； 零件假想抗剪屈服强度（）。安全系数，见表2.6。表2.6安全系数的规定值条件疲劳强度和寿命计算拉力静强度计算静强度计算拉力试验拉力1.251.501.15OOOOABC图2.3 疲劳曲线（二）疲劳强度计算的许用应力与安全系数1.材料的疲劳曲线及疲劳极限 在任一给定的循环特性的条件下，以应力为纵坐标，以应力循环数为横坐标，可绘出图2.3所示的曲线。对数坐标上的曲线由两段直线组成，一段是斜直线，另一段是水平直线。两直线的交点的横坐标为，称为循环基数。对一般结构钢，硬度350HBS时，；硬度350HBS时，。水平直线段的纵坐标，称为疲劳极限。当时，疲劳极限用表示；当时，疲劳极限用表示。常用的疲劳极限见表2.7所示。表2.7 常用材料疲劳极限材料变形形式对称循环疲劳强度脉动循环疲劳强度结构钢弯曲拉伸扭转铸铁弯曲拉伸扭转青铜弯曲注：屈服强度； 抗拉强度； 拉伸注脚。由疲劳试验得知，疲劳曲线AB段程下面函数关系，即 （2.18）式中 材料常数； 材料常数。当时，可得 （2.19）由公式2.19可得 （2.20）式中 寿命系数； 材料常数，此处取； 材料有限期内疲劳强度（）； 材料长期的疲劳强度（）； 与相对应的基本循环次数； 零件在有限使用期内盈利循环次数。可按下式计算 （2.21）式中 零件在使用期内，应力循环的总次数，可按公式2.22计算；系数，零件在使用期限内，等于的应力循环次数与循环总次数之比；，的数值应根据所计算零件的载荷特性和材料特性来决定，如果缺乏有关数据，可近似地取。计算公式如下 （2.22）式中 电动机额定转数（）； 零件妹一转经受的应力循环次数； 电动机到计算零件间的传动比； 绞车的设计寿命（）。材料的疲劳极限由试验或计算来决定，在这个应力下有90%零件不失效，其值大小取决于盈利循环特性、材料质量、零件形状、零件尺寸和零件的表面质量等。2.疲劳强度计算的许用应力 疲劳强度计算公式为 （2.23）式中 零件危险截面的疲劳计算应力或复合应力（）； 材料在有限期内的疲劳许用应力（）； 安全系数，见表2.6。2.3.7零件强度的可靠性计算安全系数和许用应力常规的疲劳强度计算，咩有将载荷、材料的疲劳性能、零件的尺寸等数据作为有分散性随即统计量来处理，而是用安全系数来考虑数据的分散性和其他不确定性因素，并且此安全系数主要凭设计者的经验来确定，所以使机械零件有可能偏于危险，也有可能偏于保守。因此可以说，不同的设计人员答案可能很多，不易确定哪些设计是最佳的。而疲劳强度的可靠性设计，由于考虑了工作应力和强度数据的分散性，就能将零件在规定寿命运行过程中破坏概率，限制在某一给定的很小值下，使零件的质量做到恰到好处的减小。对于承受载荷变化不大的零件，可以用静强度可靠性设计来处理。（一）静强度的可靠性设计在静强度的可靠性设计中，假设载荷、零件的尺寸和材料的力学性能等参数都是统计量并且呈正态分布。当可靠度已经给定，载荷及材料强度的分布一直，就可以计算出所需的尺寸。当应力和强度都是正态分布，其密度函数分别为 （2.24） (2.25)式中 、分别为应力和强度的均值； 、分别为应力和强度的标准离差。由于可靠度是指强度超过应力（即）的概率。令，则可靠度为的概率。以表示及之差的概率密度函数，因为及都是正态分布，即 (2.26)式中；为正值的概率，给出了可靠度为 (2.27)令则当时，；当时，。公式2.27可化为标准正态分布函数 (2.28)由于标准正态分布函数的对称性，上式可写成 (2.29)式中的积分极限 (2.30)公式2.30称为可靠度系数。式中 强度均值； 应力均值； 强度标准离差； 应力标准离差。当可靠度系数给出时，可求出可靠度；当可靠度给定时，可求出可靠度系数。如果以强度极限作为强度判据的基准，假设强度极限也是正态分布的随机变量（，），工作应力也是正态分布的随机变量（，），公式2.30可改写成 (2.31)公式2.31可直接用来计算零件尺寸。（二）疲劳强度的可靠性设计当为常数时的疲劳强度可靠性设计与静强度可靠性设计原理一样，所不同的是，首先要得出危险点及该点在为给定值下的疲劳极限分布。零件的疲劳极限是从材料的疲劳极限考虑诸影响因素而求得的，即用下面公式 (2.32)式中 尺寸系数分布； 表面加工系数分布； 有效应力集中系数分布； 材料极限分布。（三）可靠性计算安全系数与许用应力引入变异系数概念，设为材料极限应力的变异系数，为零件应力的变异系数，根据变异系数定义，,由公式2.30推导得可靠性安全系数公式为 (2.33)许用应力公式为 (2.34)3 钢丝绳的选择3.1概述绞车通过钢丝绳升降、拽引重物。工作时钢丝绳多层缠绕所受应力十分复杂，加之对外界影响因素比较敏感，一旦失效，后果十分严重。因此应特别重视钢丝绳的合理选择和实用。钢丝绳钢丝绳直径（以下简称绳径）的选取，是绞车设计的第一步。直径的选择直接影响卷筒的直径及相关尺寸的确定，还关系到绞车能否正常的运行。在以往起重类，绞车书目及绞车设计规范中，绳径的选择有两种方法，这两种方法是：安全系数法 （3.1）选择系数法 （3.2）式中 整条钢丝绳的破断拉力（）； 绞车工作级别规定的最小安全系数； 选定钢丝绳的安全系数； 钢丝绳的额定拉力（）；钢丝绳最小直径（）； 钢丝绳选择系数，它由机构的工作级别、钢丝绳是否旋转以及吊运物品的性质等因素有关； 钢丝绳最大工作拉力（）。由起升载荷（额定起重量，钢丝绳悬挂部分的重量，滑轮组及其他吊具的重量）并考虑滑轮组效率和倍率还确定。3.1.1安全系数法该方法是一种静力计算方法，间接选择绳径。设计时，钢丝绳的额定拉力为已知，将额定拉力乘以规定的最小安全系数，然后从产品目录中选择一种破断拉力不小于的绳径。该方法是沿用多年的传统方法，它具有简化计算、资料系统、齐全、完整的特点，基本上能满足现有国产绳径的选择，是一种比较成熟的选择方法。它的不足之处就是选择过程比较繁琐，必须经过多次的试算才能选出，而且是间接选择的。3.1.2选择系数法目前在工业化国家，对绳径的选择普遍采用这种方法。国际标准ISO4308（钢丝绳的选择）也推荐采用此方法。这种方法能直接计算出绳径，比间接选择要方便的多，简单明了而且直观，一旦查到了选择系数就能很容易的把绳径计算出来。但目前两个规范（GB/T3811-1983和GB13752-1992）上提供的选择系数都有很大的局限性，远远不能满足选择钢丝绳的需要。因为它们没有把现有的国产钢丝绳的各种规格型号，不同绳芯，不同的钢丝抗拉强度的选择系数统统列出来。图3.1 设计分析图3.2钢丝绳选择经过综合比较并查阅资料，本设计采用第一种方法即安全系数法。煤矿安全规程的规定专为升降物料用的提升钢丝绳的安全系数不得低于6.5 。由图3.1及设计要求可求得钢丝绳的额定拉力 （3.3）式中 泵房动阻力系数，取 倾斜角度，参数 ， 选型结果：28ZAA 6T7+FC 1770 ZZ 521 GB/T16269-1996该型号的钢丝绳具有如下的特点：是一种镀锌钢丝绳，提高了钢丝绳的耐腐蚀性，适用于室外，潮湿的环境中；是一种面接触钢丝绳，这种钢丝绳的接触应力小，进一步改善了钢丝绳的性能；绳芯采用天然纤维芯，具有较高的挠性和弹性，缠绕时弯曲应力较小；采用右同向捻，钢丝绳的挠性好，磨损小，使用寿命长，因泵房采用刚性导轨，克服了松散性和扭转性。3.3钢丝绳在卷筒上的固定3.3.1钢丝绳在卷筒上的固定方式钢丝绳在卷筒上固定应保证工作时安全可靠，便于检查、装拆及调整，且固定处不应使钢丝绳过分弯折。钢丝绳常用的固定方式有：楔块固定和压板固定两类。1.楔块固定钢丝绳通过楔块固定在卷筒上。楔块的斜度通常取1：41：5，以满足自锁条件。这种绳端的固定方式比较简单，但钢丝绳允许的直径不能太大。2.压板和螺钉绳端固定装置钢丝绳端从端侧板预留斜孔中引出至板外，通过压板和螺钉把绳端固定。为安全起见，压板数目至少为两个。这种绳端的固定方式，卷筒结构简单，对铸造卷筒及钢板焊接卷筒都适用。本设计中就采用此种固定方式。斜孔角度为45，斜孔的边缘倒圆角，这样可保证钢丝绳平缓的缠绕在卷筒上，避免了钢丝绳的损伤。3.3.2钢丝绳固定端承载能力验算国家标准规定，钢丝绳在卷筒上的安全圈数不得小于3圈。在保留两圈的情况下，应能承受1.25倍的钢丝绳额定拉力。当钢丝绳安全圈数不少于3圈时，固定端处的拉力可按欧拉公式计算 （3.4）式中 钢丝绳端处拉力（）；最大静强度计算拉力， 为动载系数，可按表2.1进行选取，取。为钢丝绳额定拉力（），；自然对数底数，；钢丝绳与滚筒表面的摩擦系数，计算时取；钢丝绳安全圈在卷筒上的包角，安全圈数不少于3圈。若取3圈，则。结果 由计算可知，钢丝绳固定端处的连接强度不容忽视。根据计算结果可计算绳端紧固件。3.3.3钢丝绳的出绳方向及其偏角钢丝绳的出绳方向一般为水平方向，并从卷筒下方出绳，这样可以得到比较小的侧翻力矩。但也可以从其他方向出绳，此时，钢丝绳倾斜，必然要产生向上的分力，使地脚螺栓的受力状态发生变化。为了确保钢丝绳在卷筒上缠绕均匀、对称、排列整齐，避免堆积、松散和乱绳。钢丝绳水平方向卷放偏角值必须符合表2.2的规定。表3.2 图3.2 钢丝绳卷放偏角定滑轮卷筒排绳器定滑轮卷筒卷放偏角的规定值表3.2 卷放偏角排绳方式允许偏角自然排绳排绳器排绳钢丝绳的偏斜角可由导绳定滑轮旋转中心线到卷筒轴线或排绳器导绳轮轴线的距离来保证。即 （3.4）如果偏角过大，会造成各圈钢丝绳之间留有较大的缝隙，当新的一层钢丝绳向下面一层缠绕时就会嵌压进入钢丝绳之间的缝隙，造成严重“锤击”，很容易引起乱绳并增加钢丝绳的磨损。如果偏角过小，则钢丝绳缠绕到卷筒边缘时，可能会产生从下向上的绳圈堆积现象，特别是当导向定滑轮对卷筒不对中时，情况更为严重。当钢丝绳堆积上有两三层后又突然坠落，将产生很大的冲击力。这种现象对钢丝绳寿命和卷筒强度都有很大影响。严重的堆积还会造成钢丝绳越出卷筒段侧板，引起事故。所以有必要规定一个最小的缠绕偏斜角，推荐采用。4 卷筒设计计算绞车卷筒系钢丝绳多层缠绕，所受应力非常复杂。它作为绞车的重要零件，对绞车安全可靠的工作至关重要，应该合理地进行设计。图4.1 卷筒容绳尺寸参数及结构示意图4.1卷筒结构卷筒结构形式多样，可按下述方法分类：按照制造方式不同可分为铸造卷筒和焊接卷筒。铸造卷筒应用广泛。绞车卷筒大多为铸造卷筒，成本低，工艺性好，但质量大，适用于中小型绞车。大吨位绞车一般采用铸钢卷筒。铸钢卷筒虽然承载能力较大，但成本较高，若工艺允许，可采用钢板焊接结构。按照卷筒缠绕层数的不同可分为单层缠绕卷筒和多层缠绕卷筒。绞车主要使用多层缠绕卷筒。按照卷筒内部是否带有筋板，可分为带筋板卷筒和不带筋板卷筒。无论是卷筒内的环向筋还是纵向筋，均增加了知道难度，同时在筋板和筒壁的连接处还会引起应力集中。本次设计中不采用带筋板卷筒。按照结构的整体性，卷筒可分为整体式卷筒和分体式卷筒。绞车吨位比较小时，卷筒常采用整体结构。对较大吨位的卷筒，常做成分体装配形式，这样可以简化工艺，减轻重量。本次设计的绞车，吨位较小，故采用整体式卷筒，简化结构和安装工艺。按照转矩的传递方式来分，常采用端侧板周边大齿轮外啮合式和筒端或筒内齿轮内啮合式。这种卷筒的特点是卷筒轴只承受弯矩，不承受转矩。4.2卷筒容绳尺寸参数计算4.2.1卷筒节径卷筒节径对筒壁和端侧板的设计具有重要意义。值小，结构自然紧凑，但单位长度上的力较大，钢丝绳寿命低。卷筒节径应满足下式 (4.1)式中 筒绳直径比，是绞车工作级别有关的系数。； 钢丝绳直径（），。结果 取整 4.2.2卷筒边缘直径卷筒边缘直径即卷筒端侧板。对于多层缠绕，为了防止钢丝绳脱落，端侧板直径应大于钢丝绳最外层绳圈直径。端侧板直径常用下式计算： (4.2)式中 最外层钢丝绳绳芯直径，由下式确定： (4.3)式中 钢丝绳缠绕层数,； 卷筒直径（）， 钢丝绳直径（），。结果 取整 4.2.3卷筒容绳宽度卷筒容绳宽度，一般可按下述关系式确定 (4.4) (4.5)式中 设计钢丝绳长度（），； 钢丝绳安全圈的长度（），； 钢丝绳直径（），； 卷筒节径（），； 卷筒直径（），。结果 取整 绞车卷筒壁厚的设计计算中，通常卷筒长度都设计成小于其直径的3倍，甚至小于其直径的2倍。因为此时的钢丝绳拉力产生的扭剪应力和弯曲应力的合成应力较小，故计算卷筒强度时可忽略不计，简化设计计算。4.2.4卷筒筒壳厚度卷筒壁的强度按下式计算 (4.6)则筒壁厚度为 (4.7)式中 钢丝绳的额定拉力（）,；卷筒壁环向压缩应力（）；多层缠绕系数，；钢丝绳轴向卷绕节距（）,；卷筒材料的许用应力（），。结果 ，取整4.2.5卷筒端侧板厚度考虑到结构尺寸、压力、载荷等影响因素，端侧板厚度计算公式为 (4.8)式中 综合影响系数，； 端侧板材料的许用应力，。结果 ，取整。卷筒直径大小对端侧板强度影响较大，且卷筒筒壁和端侧板过度处的圆角半径对端侧板强度有重要影响，所以不能取得太小。过渡圆角半径取在范围内比较合适。4.3卷筒的受力分析卷筒是绞车直接承载零件。受力比较复杂，分析清楚卷筒上所受的力，对绞车整体设计具有十分重要的意义。卷筒受力分析见图4.2。作用在卷筒上的外载荷有： 4.3.1钢丝绳拉力与卷筒支撑处反力工作中，钢丝绳拉力使卷筒像空心轴一样被弯曲，支反力为图4.2卷筒的受力分析 (4.9)其弯矩随钢丝绳缠绕位置不同而变化，具有瞬变效应。另外卷筒自重也会使卷筒产生弯曲。当时，由于弯矩较小，在强度计算时通常忽略不计。4.3.2由钢丝绳拉力产生在筒壁上的转矩在钢丝绳拉力作用下，卷筒就好像空心轴一样被扭转。其转矩可用下式计算: (4.10)其中 最外层钢丝绳中线到卷筒轴轴心的距离。该转矩产生的筒壁剪应力较小，一般情况可忽略不计。4.3.3卷筒筒壁的径向压力由钢丝绳缠绕产生的对筒壁外缘表面圆周方向的径向压力，除对筒壁产生圆周方向的挤压应力（称环向应力）外，还将引起筒壁局部弯曲应力。该力是影响筒壁强度的重要因素。4.3.4钢丝绳对端侧板产生的轴向推力该力是由于钢丝绳缠绕至端侧板根部并向新的一层过渡过程中，钢丝绳与侧板之间的楔入作用产生的。随缠绕层数的增多而增大。此力是计算端侧板强度的主要外力。5 减速器的设计计算图5.1设计传动方案、齿轮轴1、2、3、4、5、6、7、8齿轮5.1传动方式的拟定减速器是应用于电动机和卷筒之间的独立的传动装置。其主要功能是降低转速，增大转矩，以满足对机械的各种要求。实践表明，传动装置设计得合理与否，对整部装置的性能，成本以及整体尺寸都有很大影响。因此，合理地设计传动装置是整部机器设计工作中的重要环节，即合理地拟定传动方案又是保证传动装置设计质量的基础。根据设计要求，可得到如下的传动方案：（1）、不需要立式结构,故采用卧式减速器；（2）、行星传动结构紧凑，但成本高，维护困难；锥齿轮及蜗杆传动方式的输入轴与输出轴垂直，与卷筒配合布置较复杂，加工也较困难，效率低，故拟采用圆柱齿轮传动，圆柱齿轮传动具有成本低，设计制造维护都很方便的优点；（3）、根据工作机构卷筒的直径及钢丝绳绳速计算卷筒转速 (5.1)式中 钢丝绳绳速， 卷筒节径，结果 根据计算结果，准备选用的YB系列隔爆异步电动机，因此初步的总传动比。选用三级的半开式圆柱齿轮减速器。虽然采用了低转速的电动机，增加了电机成本，但是传动系统简单，减少了齿轮等零件的数量，一定程度上提高了机械效率降低了零件加工使用的费用并提高了系统的可靠性，综合衡量寿命周期总成本不会增加；（4）、为了便于加工拆卸及维护，采用水平剖分式；（5）、功率小，转速也较低，所以轴承全部采用深沟球轴承；（6）、电动机和输入轴之间采用弹性套柱销联轴器（GB4323-84），卷筒与减速器之间采用开始齿轮传动连接。传动方案的最后形式，如图5.1所示。5.2电动机的选型设计计算负载功率 (5.2)式中 额定拉力，；钢丝绳绳速， 传动机构总效率，查机械设计手册得：弹性联轴器效率，深沟球轴承效率，闭式圆柱齿轮效率（按8级精度），开式加工圆柱齿轮效率，卷筒效率（含滚动轴承效率）结果 根据绞车的工作情况，取功率储备系数，故电动机选型结果见表5.1表 5.1选型电动机参数电动机型号YB160M1-8额定功率（）4额定转速（）720额定电压（V）380额定电流（A）9.9额定转矩（）2效率0.84功率因数0.73该型号属YB系列电机。该系列电动机是全封闭、外扇冷鼠笼隔爆型三相电机。它具有高效、高的起动力矩、低噪音、振动小、性能好、温升速度大、先进隔爆结构等特点。安装尺寸符合IEC标准， 功率与机座号的配置关系符合DIN标准。YB系列电机的防爆性能符合中国国家标准GB3838.1-83爆炸性环境用防爆电气设备通用要求和GB3836.2-83爆炸性环境用防爆电气设备隔爆型电气设备。可用于引燃温度高于135，1级区域或2级区域的气体爆炸性危险场所。该型电动机的工作条件为：1.环境空气温度：随季节而变化,但不会超过+40C；2.海拔高度：不超过1000M；3.最湿月月平均再高相对湿度为90%；4.额定频率：50HZ；5.防护等级：IP44；6.绝缘等级：F；7.冷却方式：IC441；8.工作方式：S1。5.3总传动比及传动比分配5.3.1总传动比按额定转速初定传动比，总传动比按下式计算 (5.3)式中 电动机额定转速，； 卷筒转速，结果 5.3.2传动比分配总传动比等于各级传动比的连乘积，即 (5.4)合理分配传动比是设计的一个重要步骤。如果把传动比分配得合理时，传动系统结构紧凑，重量轻，成本低，润滑条件也好；但传动比分配不合理，则结果正好相反，所以传动比分配应尽量遵循以下原则：1. 各级传动比最好在推荐的范围内选取，以符合各种传动形式的特点；2. 应充分发挥各级传动的承载能力。可按满足某一质量指标分配传动比，如按外啮合接触强度相等原则分配传动比；3. 传动零件之间不应造成相互干涉碰撞，如绞车的开式齿轮传动，若传动比太小，大齿轮直径小于卷筒直径，则会使小齿轮与卷筒产生干涉；4. 各级传动尺寸要协调、合理，使得各传动部分从动齿轮的浸油深度相近，各级齿轮得到方便、充分的润滑，减小搅油损失；5. 应使传动装置的总体尺寸紧凑，质量最小。图5.2 三级圆柱齿轮减速器传动比分配图设计时，绞车的实际传动比的准确值必须在各级传动零件具体参数确定后才能计算出来，故应验算卷筒轴实际转速是否在允许误差范围呢，如不满足要求，应重新调整传动比，一般情况下，设计时允许卷筒有（3%5%）的转速误差。减速器为三级展开式圆柱齿轮减速器，其传动比按图5.2选取分配。由图5.2得，传动比分配见表5.2。将闭式齿轮传动部分的传动比全部取整，只在开式齿轮传动部分才将传动比取小数，这样分配便于了加工和计算，减小了传动速度误差。表5.2 圆柱齿轮减速器传动比的分配总传动比第一级传动比第二级传动比第三级传动比开式传动比610.1696545.0855.4传动装置运动参数计算5.4.1各轴转速计算第轴转速（输入轴）第轴转速（中间轴）第轴转速（中间轴）第轴转速（输出轴）第轴转速（卷筒轴） 5.4.2各轴功率计算第轴功率（输入轴）第轴功率（中间轴）第轴功率（中间轴）第轴功率（输出轴）第轴功率（卷筒轴）式中 弹性联轴器效率，； 深沟球轴承效率，； 闭式圆柱齿轮效率（按8级精度），； 开式加工圆柱齿轮效率（按8级精度），；5.4.3各轴扭矩计算第轴扭矩（输入轴）第轴扭矩（中间轴第轴扭矩（中间轴第轴扭矩（输出轴）第轴扭矩（卷筒轴）表5.3各轴转速、输出功率、输出扭矩表轴号转速输出功率输出扭矩传动比效率电动机轴720453.056（输入轴）7203.92051.99410.981（中间轴）1203.765299.63160.960（中间轴）243.6151438.46950.960（输出轴）63.4725526.26740.960（卷筒轴）1.1803.23326165.3815.0850.9315.5齿轮参数计算具体设计参数及结果见附表1，只介绍开式齿轮传动部分的设计方法和步骤。5.5.1开式齿轮齿面接触疲劳强度设计计算设计项目及说明结果齿轮材料及许用应力 小齿轮 40Cr表面淬火大齿轮 45表面淬火接触疲劳极限 查机械设计手册 应力循环次数 接触强度寿命系数 接触强度最小安全系数 查机械设计手册 许用接触应力 齿轮公差等级 估取齿宽系数 齿轮为硬齿面，且相对于轴承对称布置小轮齿数 开式齿轮大轮齿数 圆整齿数比 传动比误差小轮转矩 使用系数 查机械设计手册动载系数 由推荐值1.051.4齿间载荷分配系数 由推荐值1.01.2齿向载荷分配系数 由推荐值1.01.2载荷系数 材料弹性系数 查机械设计手册节点区域系数 查机械设计手册（）重合度系数 由推荐值0.850.92小齿轮分度圆直径 齿轮模数 圆整小齿轮分度圆直径 标准中心距 齿宽 大齿轮齿宽 小齿轮齿宽 HBS1=50HRCHBS2=45HRC级公差组10级合适 5.5.2开式齿轮齿根弯曲疲劳强度校核计算设计项目及说明结果弯曲疲劳极限 查材料手册，双向传动乘0.7疲劳强度寿命系数 弯曲强度尺寸系数 弯曲强度最小安全系数 许用弯曲应力 齿形系数 查机械设计手册应力修正系数 查机械设计手册重合度 重合度系数 齿根弯曲疲劳强度 齿根弯曲强度满足5.5.3齿轮其他主要参数根据计算整理得到齿轮具体参数如下表：表5.5 齿轮参数表名称代号12345678齿数301802010020801892模数（）24610分度圆直径（）6036080400120480180920齿宽（）6054807280729590齿顶高（）24610齿根高（）2.557.512.5全齿高（）4.5913.522.5齿顶圆直径（）6436488408132492200940齿根圆直径（）5535570390105465155875传动比6545.085齿数比6545.111中心距（）210240300550应力角（）205.6轴的设计计算轴是绞车中重要零件之一。其主要功能是支撑回转运动的零件，并传递运动和动力。轴通过轴承与卷筒或减速器箱体相联，装在轴上的零件都围绕轴心线作回转运动，形成了一个以轴为基础的轴系部件。因此，在轴的设计中，不能只考虑轴本身，还必须计及轴系零（部）件对轴的影响。设计轴时，应解决的主要问题有结构设计和工作能力计算两个方面的内容。轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。而对刚度较高的轴（如车床主轴）和受力大的细长轴，还应进行刚度计算，以防止工作时产生过大的弹性变形。对高度运转的轴，还应进行振动稳定性计算，以防发生共振而破坏。5.6.1轴的材料选择绞车中轴的材料应具有足够的静强度和疲劳强度，并具有一定的韧性、耐磨性和抗腐蚀性。选择轴的材料时除首先满足使用要求外，还要考虑轴材料的工艺性及经济性等。轴的材料主要是碳钢和合金钢。毛坯多数用轧制圆钢和锻件。碳钢价廉，对应力集中的敏感性较低，可以用热处理或化学热处理的方法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故而应用广泛，其中最常见的是45号钢。合金钢比碳钢具有更高的机械性能和更好的淬火性能。因此，在传递大动力，并要求减小尺寸和重量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。在一般工作温度先（低于200），碳钢和合金钢的弹性模量相差不多，因此不能单为提高轴的刚度而采用合金钢。合金铸铁和球墨铸铁容易做成复杂的形状，且具有价廉、良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低等优点，可用于制造外形复杂的轴。综合考虑使用工况，载荷分布及整体的经济性，轴全部采用45号钢制成，并进行调制处理。5.6.2轴的设计计算卷筒轴的结构设计应该综合考虑如下几点：1） 便于起吊和安装；2） 卷筒轴的断面变化不应太剧烈，并要防止其他类型的、过大的应力集中；3） 卷筒轴的加工和热处理需要严格遵守规程，并于机械加工前在轴头切样检验，此外还应进行探伤检验；4） 卷筒轴的材料选择最常用的45号结构钢，并进行调制和表面淬火处理。牵引绞车中共有各种轴6根，其中齿轮轴2根。卷筒轴为心轴，其余皆为转轴。各轴的设计校核验算有许多相似之处，这里只详细介绍承受较大载荷的减速器输出轴和卷筒轴的设计和校核验算。图5.2 卷筒轴结构尺寸示意图图5.1 输出轴结构尺寸示意图1.输出轴设计校核计算及说明结果1）计算作用在齿轮上的力转矩 轴上小齿轮分度圆直径 圆周力 径向力 各方向受力如图5.3所示2）初步估算轴的直径 由机械设计手册查得，并加大3%以考虑阶梯的影响，则3）轴的结构设计 （1）确定轴的结构方案 左轴承从轴的左侧装入，靠轴肩和轴承透盖定位。齿轮和右轴承从轴的右侧装入，齿轮左侧靠轴肩定位，齿轮的右端面使用套筒进行定位。右轴承靠轴肩、套筒和轴承闷盖进行定位。 （2）确定轴各段轴的直径及长度 段 该段将安装开式小齿轮,采用冷压或热压装配，传递的扭矩较大，故该段的直径应较大，该段的长度应略小于开式小齿轮的齿宽，以便于开式小齿轮的拆装。段 该段将安装轴端轴承透盖，该段的表面质量低于前一段，为简化制造工艺，此段的直径应大于前一段，而且，该段有密封要求，根据选用的密封件的公称直径作为该段的直径；该段的长度应便于轴承透盖的安装。段 该段将安装调心滚子轴承，其直径应与选用的调心滚子轴承相匹配，长度应小于选用的调心滚子轴承的宽度。段 该段将安装调心滚子轴承，其长度和直径的选择与段相同。段 该段的作用是为了右端调心滚子轴承的轴向定位，直径应大于轴承手册中调心滚子轴承的轴向定位最小尺寸；该段还安装一段轴套，便于大齿轮的轴向定位，其长度应保持各传动齿轮间不产生干涉。段 该段将安装大齿轮，直径应等于齿轮的内径，长度应略小于齿轮的长度。段 该段为轴环是为了齿轮的轴向定位而设计的。该段的直径；该段的长度段 该段的直径应小于段而大于段，这样可避免了结构上的断面变化剧烈和引起应力集中；该段的长度根据箱体宽度和其它段的长度计算得到。轴的结构图5.2。4）绘制轴的弯矩图和扭矩图（1）求支撑反力H水平面V垂直面（2）求齿宽中点处弯矩合成弯矩 扭矩 5)按弯扭合成强度校核轴的强度当量弯矩,取折合系数，则齿宽中点处的当量弯矩为：输出轴的材料为45号钢，调制处理。由机械设计手册查得，,输出轴的计算应力为合格2卷筒轴设计校核计算及说明结果1）计算作用在齿轮上的力转矩 轴上齿轮分度圆直径 圆周力 径向力 各方向受力如图5.4所示2）初步估算轴的直径 由机械设计手册查得，并加大3%以考虑阶梯的影响，则3）轴的结构设计 （1）确定轴的结构方案 右轴瓦从轴的右侧装入，靠轴肩定位。齿轮和左轴瓦从轴的左侧装入，齿轮右侧靠轴肩定位，齿轮的左端面使用套筒进行定位。卷筒靠轴肩和齿轮端面进行定位。 （2）确定轴各段轴的直径及长度 段 根据圆整获得该段的直径；根据支架及挡板的厚度并便于安装和拆卸，取该段长度为60mm。段 为了便于轴瓦的装拆，并选用标准内径的轴瓦，确定该段的直径为180mm；因为选用的轴瓦为标准优选的长度并且为了便于轴瓦的装拆，该段的长度应略小于轴瓦的长度，所以该段的长度为175mm段 该段为轴环是为了齿轮的轴向定位而设计的。该段的直径，为使齿轮也得到良好的轴向定位，对该段直径进行加大，；该段的长度、段 结构与尺寸与段相同，作用也相似。段 该段的直径应小于段而大于段，这样可避免了结构上的断面变化剧烈和引起应力集中；该段的长度根据卷筒宽度和其它段的长度计算得轴的结构图5.3。4）绘制轴的弯矩图和扭矩图（1）求支撑反力H水平面V垂直面（2）求支撑弯矩H水平面V垂直面合成弯矩5）按弯曲强度校核轴的强度卷筒轴为心轴，只有弯矩，没有转矩。又图5.2可知，最大弯矩发生在B处。卷筒轴的材料为45号钢，调制处理。由机械设计手册查得，,卷筒轴的计算应力为6）精确校核轴的疲劳强度（1）轴的细部结构设计卷筒轴各部分倒角，配合见设计图纸。卷筒轴各部分精加工方法参考设计图纸或设计手册、图册（2）选取危险截面由图可知，各截面都有应力集中源，选取应力集中较为严重，应力较大的截面进行校核计算。（3）计算危险截面工作应力截面弯矩 抗弯截面系数 截面弯曲应力弯曲应力幅 脉动循环应力弯曲平均应力 材料特性系数 （4）确定各种系数轴肩圆角处有效应力集中系数 查机械设计手册插值计算得：尺寸系数 根据查图表得表面状况系数 根据和表面加工方法得（5）计算疲劳强度安全系数取许用安全系数（6）静强度安全系数动载荷系数 静强度计算安全系数合格轴段和轴段交面为危险截面合格合格图5.3 输出轴受力分析图5.4 卷筒轴受力分析5.7滚动轴承的选择及校核计算按轴承所承受的外载荷不同，滚动轴承可以分为向心轴承、推力轴承和向心推力轴承三大类。按滚动体的形状，滚动轴承可分为球轴承和滚子轴承。按自动调心性能，轴承可分为调心轴承和非调心轴承。5.7.1轴承的类型选择选用滚动轴承的类型时，应先考虑轴承的工作条件、各种轴承的特点、价格等因素。在选用滚动轴承应考虑的主要问题有：图5.2 卷筒轴受力分析图1）轴承承受的载荷（1）载荷的大小 载荷较轻或中等载荷时，可选用球轴承；载荷较大时宜选用滚子轴承。（2）载荷的方向 根据各类轴承所能承受的载荷方向来选择。当径向载荷和轴向载荷联合作用时，可选用向心轴承和推力轴承联合使用，用以分别承受径向载荷和轴向载荷。（3）载荷的性质 承受径向冲击载荷时，宜选用螺旋滚子轴承或圆锥滚子轴承。2）轴承的转速通常，转速较高，载荷较小或要求旋转精度较高时，宜选用球轴承；转速较低，载荷较大或有冲击载荷时宜选用滚子轴承。推力轴承的极限转速很低。工作转速较高时，若轴向负荷不十分大时可采用角接触球轴承来承受轴向载荷。3）调心性能的要求当轴承的内、外圈轴线有很大的相对转角时，应采用调心求轴承或调心滚子轴承。4）安装和拆卸当轴承座没有剖分面而必须沿轴线安装和拆卸轴承部件时，应优先选用内外圈可分离的轴承（如圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承等）。当轴承在长轴上安装时，为了便于装拆，可选用其内圈孔为1：12的圆锥孔的轴承。5）经济性要求一般来说，深沟球轴承价格最低，滚子轴承比球轴承价格高。轴承精度越高，则价格越高。选择轴承时，必须详细了解各种轴承的价格，在满足使用要求的前提下，应尽可能地降低成本。综合考虑以上各种选型要素，本设计中选用的轴承从高速级到低速级分别为：带防尘盖深沟球轴承6006-Z(GB/T 276-1994)一对；调心球轴承1208 TN1(GB/T 281-1994)一对；调心滚子轴承22214 CC/W33(GB/T 288-1994)一对；调心滚子轴承24026 CC/W33(GB/T 288-1994)一对；5.7.2滚动轴承常见的失效形式及计算准则（1）疲劳点蚀 在正常使用条件下，滚动体与套圈在相互摩擦的表层内产生脉动循环接触应力，经过一定次数的循环后，此应力就导致零件浅表层形成微观裂纹，微观裂纹被渗入其中的润滑油挤裂而引起点蚀，这是滚动轴承常见的失效形式。（2）塑性变形 在过大的静负荷或冲击负荷的作用下，滚动体或套圈滚道上出现不均匀塑性变形凹坑，这种情况多发生在转速极低或摆动的轴承。（3）磨损 滚动轴承在密封不可靠以及多尘的运转条件下工作时，易发生磨粒磨损。转速越高，磨损越严重。（4）裂纹和断裂 由于材料缺陷和热处理不当，当配合过盈量过大或轴承组合设计不当引起应力集中，及不正常的安装，拆卸操作等，会使座圈或者保持架出现裂纹，甚至断裂。对于中速运转的轴承，其主要的失效形式为疲劳点蚀，应按疲劳强度寿命进行校核计算。对于高速轴承，由于发热大，常产生过度磨损和烧伤，为了避免轴承产生失效，除保证轴承具有足够的疲劳寿命之外，还应限制其转速不超过极限值。对于不转动或转速极低的轴承，其主要的失效形式是产生过大的塑性变形，应进行静强度的校核计算。5.7.3滚动轴承的校核计算根据滚动轴承的的失效形式及计算准则，分别对输入轴的深沟球轴承和第一根中间轴的调心球轴承进行疲劳寿命校核，对输出轴和卷筒轴进行静强度的校核计算。1.输入轴深沟球轴承校核计算项目及说明结果1） 计算当量载荷所选轴承为深沟球轴承6006-Z，其额定动载荷,额定静载荷载荷系数 无冲击或轻微冲击径向力 由轴校核计算取合成最大值轴向力 由载荷情况则 2）计算轴承寿命 温度系数 轴承温度不高于120 寿命系数 球轴承 则 2.中间轴调心球轴承校核计算项目及说明结果1） 计算当量载荷所选轴承为调心球轴承1208 TN1，其额定动载荷,额定静载荷载荷系数 无冲击或轻微冲击径向力 由轴校核计算取合成最大值轴向力 由载荷情况则 2）计算轴承寿命 温度系数 轴承温度不高于120 寿命系数 球轴承则 3.中间轴调心滚子轴承校核计算项目及说明结果1） 计算当量载荷所选轴承为调心球轴承22214，其额定动载荷,额定静载荷载荷系数 无冲击或轻微冲击径向力 由轴校核计算取合成最大值轴向力 由载荷情况则 2）计算轴承寿命 温度系数 轴承温度不高于120 寿命系数 球轴承则 4.输出轴调心滚子轴承校核计算项目及说明结果1） 计算当量载荷所选轴承为调心球轴承24026 CC/W33，其额定动载荷,额定静载荷载荷系数 无冲击或轻微冲击径向力 由轴校核计算取合成最大值轴向力 由载荷情况则 2）计算轴承寿命 温度系数 轴承温度不高于120 寿命系数 滚子轴承则 5.8键连接的校核计算键连接具有结构简单、工作可靠、装拆方便等优点，因此获得了广泛的应用，减速器中轴与轴上零件的径向固定均采用了普通平键连接。平键连接可能的失效形式有:（1）静连接时，键、轴槽和轮毂槽中较弱零件的工作面可能被压溃；（2）动连接时，工作面出现过度磨损；（3）键被剪断。实际上，平键连接最容易发生的失效形式通常是压溃和磨损，一般不会发生键被剪断的现象（除非有严重过载）。因此键连接的强度计算一般只需要进行挤压或耐磨性计算。本设计中所有的键均采用静联结，所以只需要进行挤压强度的校核计算。挤压强度校核计算公式为： （5.4）式中 转矩，； 轴径，； 键的高度，；键的工作长度，；对于A型键；对于B型键；对于C型键，其中为键的长度，为键的宽度；许用挤压应力，。计算项目及说明结果1） 输入轴 联轴器处 键 C845 GB/T 1096-2003键的工作长度 小齿轮处 键 845 GB/T 1096-2003键的工作长度 2） 中间轴 大齿轮处 键 2070 GB/T 1096-2003键的工作长度 3） 中间轴 大齿轮处 键 2895 GB/T 1096-2003键的工作长度 4） 输出轴 大齿轮处 键 40130 GB/T 1096-2003键的工作长度 合格合格合格合格合格5.9联接螺栓的校核计算卷筒与开式齿轮之间的联结是靠12颗M20螺栓联结的，完全靠螺栓传递动力，所以需要对此处的联结螺栓进行校核计算。5.9.1计算工作剪力此处选择的螺栓连接方式为配合螺栓连接，由公式5.5 （5.5）式中 旋转力矩，； 配合螺栓数目，； 每个螺栓所受的工作剪力； 旋转半径，。则 5.9.2螺栓剪切强度校核由公式5.6 （5.6）式中 螺栓承受的剪切应力，； 螺栓所承受的工作剪力，； 螺栓抗剪面直径（螺栓光杆直径），； 螺栓抗剪面数目，； 螺栓材料的许用剪切应力，螺栓等级4.6级，。结果 安全。5.10减速器的润滑和密封5.10.1减速器的润滑良好的润滑,可降低传动件和轴承的摩擦功率损耗，减少磨损，保护其锈蚀。提高其使用寿命和效率，由于润滑油膜的分隔作用，能减少润滑表面的摩擦阻力，减轻工作时的冲击，降低振动和噪音。润滑还能起到散热、冷却、冲洗金属磨粒的作用。1）齿轮润滑 采用油池润滑三级减速器各级中大齿轮的齿定高各不相同，为保证三级齿轮逗能得到良好的润滑，且具有最小齿顶圆的齿轮浸油深度不小于10mm，油池中油的深度不低于116mm。根据齿轮的材料，极限强度，各级传动圆周速度平均值查机械设计手册得齿轮润滑油的运动粘度，再根据润滑油的运动粘度查机械设计手册得润滑油型号：工业齿轮油N220（GB3141-84）换油周期为：1年2）轴承润滑轴承润滑方式的选择是以值为标准的，根据计算得：轴承润滑方式：脂润滑润滑脂型号：ZG-2钙基润滑脂润滑脂补充时间：每次小修5.10.2减速器的密封减速器的密封包括箱体、轴承等处的密封，密封的作用是防止灰尘、水分、酸气和其它杂物进入轴承和箱体内，并阻止润滑剂的泄漏。本设计中用到毡圈密封，引密封结构简单，价格低廉，毡圈密封将毡圈安装在轴上的梯形槽中，与轴紧密接触，或通过压板压紧毛毡，调整毛毡与轴的啮合程度。而且输入轴轴承采用带防尘罩的深沟球轴承，进一步增强了防尘效果。而在其他闷盖端均设有挡油环或能起挡油作用的轴套，从而防止油液从轴承端盖的泄露5.11减速器箱体及附件的选型设计5.11.1减速器箱体的设计箱体是减速器的重要组成部件。它是传动零件的基座，应具有足够的强度和刚度。设计中箱体采用用灰铸铁制造。灰铸铁具有很好的铸造性能和减振性能。为了便于轴系部件的安装和拆卸，箱体制成沿轴心线水平剖分式。上箱盖和下箱体用螺栓联接成一体。轴承座的联接螺栓应尽量靠近轴承座孔，而轴承座旁的凸台，应具有足够的承托面，以便放置联接螺栓，并保证旋紧螺栓时需要的扳手空间。为保证箱体具有足够的刚度，在轴承孔附近加支撑肋。为保证减速器安置在基础上的稳定性并尽可能减少箱体底座平面的机械加工面积，箱体底座没有采用完整的平面。5.11.2减速器附件的选型设计为了保证减速器的正常工作，除了对齿轮、轴、轴承组合和箱体的结构设计给予足够的重视外，还应考虑到为减速器润滑油池注油、排油、检查油面高度、加工及拆装检修时箱盖与箱座的精确定位、吊装等辅助零件和部件的合理选择和设计。其结构尺寸见图纸。1） 轴承端盖 轴承端盖是用来封闭减速器箱体上的轴承座以及固定轴系部件的轴向位置应承受轴向载荷。设计中全部采用凸缘式轴承端盖。它是一种外装的结构形式，利用螺栓将其固定在箱体上，结构尺寸大，零件数目较多，但加工、装拆和调整轴承游隙都比较方便。设计中输入轴和输出轴伸出箱体端采用透盖结构，并有密封装置。其他部分均采用闷盖结构，没有密封装置。表5.1 箱体的结构尺寸名称符号尺寸（）箱座壁厚25箱盖壁厚20箱座上部凸缘厚度37.5箱盖凸缘厚度30箱座底部凸缘厚度55地脚螺栓直径30地脚螺栓数目12（个）轴承旁连接螺栓直径24盖与座连接螺栓直径16检查孔盖螺栓直径10定位销直径12、至外箱壁距离40、35、25、至凸缘边缘距离35、30、20轴承旁凸台半径30凸台高度135外箱壁至轴承座端面距离70最大齿顶圆与内箱壁距离30齿轮端面与内箱壁距离25箱盖肋厚17箱座肋厚222） 通气器 减速器工作时，由于箱体内部工作升高，气体膨胀，压力增大，使得箱体的内外压力不等。为使箱体内受热膨胀的气体能自由排出，以保持内外箱体内外压力平衡，不致使润滑油沿分箱面或轴伸密封件处向外渗漏，在箱体顶部窥视孔盖板上设置了通气器。3） 观察孔及观察孔盖 观察孔，又称窥视孔或检查孔，用于检查传动零件的啮合、润滑及轮齿损坏情况，并兼作注油孔，可向减速器箱体内注入润滑油，观察孔设置在减速器的上方适当的位置，三级传动减速器啮合区域较长，所以设置了两个观察孔。观察孔具有足够的尺寸，能够便于直接进行观察并使手伸入箱体内部进行操作，平时观察孔用观察孔盖盖住，观察孔盖用螺栓将其固定在箱盖上，并在其上安装了通气器。观察孔盖用薄钢板制造。在箱体观察孔和观察孔盖之间加了密封垫片。4） 油标 为指示减速器内油面的高度是否符合要求，以便保持箱内正常的油量，在减速器箱体上设置了油面指示装置。设计中采用A型旋入式圆形油标（GB1160.2-89）。5） 放油孔及放油螺栓 为排放减速器箱体内部污油和便于清洁箱体内部，在箱座油池的最低处设置了放油孔，箱体内底面做成斜面、向放油孔方向倾斜12，放油孔附近做成凹坑，便于污油排净。平时用放油螺栓将放油孔堵住，螺塞是六角头圆柱细牙螺纹。其自身并不能防止漏油，所以在六角头螺塞与放油孔接触处加了油封垫片。6） 起吊装置 为了便于减速器搬运，箱体上设置了起吊装置。起吊装置是在减速器箱体上铸出的吊耳和吊钩。箱盖上的吊耳用于起吊箱盖，而箱座上的吊钩则用于起吊箱座或整个减速器。7） 定位销 减速器的箱盖和箱座是通过连接而组成的剖分式箱体，为了保证其各部分在加工和装配时能够保持精确位置，特别是为保证箱体轴承座孔的加工精度及安装精度，并保证减速器每次装拆后轴承座的上下半孔始终保持加工时的位置精度，在箱盖与箱座的联结凸缘上设置了两个定位销。定位销孔须在减速器箱盖与箱座用螺栓连接紧固后，镗削轴承孔之前加工。两定位销距离较远，并采用圆锥销定位。为了使定位销在装拆时不与其他零件相干涉，定位销长度稍大于上下箱体连接凸缘总厚度，使两头露出，便于装拆。8） 起盖螺钉 由于装配减速器时在箱体剖分面上涂有密封用的水玻璃或密封胶，因而在装拆时往往因为胶结紧密难于开盖。为此，在箱盖凸缘的适当位置加工出1个螺孔。装入起盖用的圆柱端面螺钉或平端面螺钉，旋动起盖螺钉可将箱体顶起。9） 地脚螺栓 为了防止减速器倾倒和振动，减速器底座下部凸缘设有地脚螺栓与绞车底座联接。6 联轴器与制动器的选型设计6.1联轴器的选型设计联轴器用来联接两轴，使之一同回转并传递运动和转矩。图6.1 带制动轮弹性柱销联轴器结构选择联轴器时应综合考虑以下因素：电动机的机械特性和负载特性，对缓冲、减振性能的要求以及是否可能发生共振等；能否补偿由制造和装配误差、轴向载荷和热膨胀变形以及部件之间的相对运动等引起联轴器两轴轴线的相对位移；外形尺寸和安装方法应便于装配、调整和维护，考虑必须的操作空间等考虑使用环境和使用要求，设计中采用带制动轮的弹性柱销联轴器（GB/T 5014-2003）。该型联轴器结构简单、制造容易、更换方便、柱销较耐磨，有一定的缓冲和减振性能，允许呗联接的两轴有一定的轴向位移以及少量的径向位移和角位移。广泛用于载荷平稳，正反转起动频繁，轴向窜动量大对缓冲要求不高的传动系统中，其使用性和经济性均能满足设计要求。选定合适的联轴器类型后，可按转矩、轴径和转速等确定联轴器的型号和结构尺寸。考虑起动引起的动载荷及过载等现象，在名义转矩中引入工作情况系数，得联轴器的计算转矩为：式中 联轴器所需传递的名义转矩， 工作情况系数，结果 根据计算转矩，轴径，转速从有关手册中选取联轴器的具体型号为：LXZ1。其具体参数见表6.1。表6.1 LXZ1型带制动轮弹性柱销联轴器参数型号LXZ1(GB/T5014-2003)公称转矩 560许用转速 5600轴孔直径、 22轴孔长度（Y型） 52 200 120 55 85 25 2.5 42转动惯量 0.055质量 11图6.2 TJ2电磁铁制动器6.2制动器的选型设计为了确保绞车的安全、可靠地工作，必须装设制动器。制动器应满足的基本要求是：能产生足够的制动力矩，制动平稳可靠、操作灵活，散热好，体积小，有足够强度、刚度和耐久性，结构简单，维修方便。根据系统特点，选用TJ2磁铁制动器，该系列制动器是一种由交流电磁铁操纵的，常闭式抱闸制动器。当电磁铁断电时，由制动器的压缩弹簧保持制动状态，在电磁铁通电吸合时，产生松闸，使机构可以运转。改型制动器的结构见图6.2。制动器的杠杆由刚料制成，主要组成部分有支持、闸瓦、调整杆、弹簧及基座。闸瓦与支持、支持与基座均有轴销连接，支持的一边可以安装电磁铁，主弹簧安装在支持的上方，调整杆的顶端与电磁铁的停档相近，为了增加闸瓦与制动轮之间的摩擦系数，在闸瓦上装有可更换的石棉刹车带。6.2.1制动器的选型计算制动器的型号主要是根据制动轴所需的计算制动力矩来选择，再进行必要的发热、制动时间（或距离、转角）等的验算。制动轴上所需的计算制动力矩，可由稳定工况时的驱动力矩(即根据外载荷计算所需的制动力矩或要求的给定值)和传动机构的效率及安全系数算得。 (6.1)式中 安全系数，； 驱动力矩， 电动机到输入轴的效率，结果 根据计算制动转矩所选的制动器的具体型号为TJ2-200/300 JB/ZQ4715-1998。技术参数见表6.2。表6.2 TJ2-200/300制动器技术参数型号TJ2-200/300 JB/ZQ4715-1998制动轮直径200mm制动闸瓦宽90mm闸瓦退距正常0.5mm最大0.8mm调整杆行程开始2.5mm最大3.8mm制动电磁铁型号MZD1-300制动力矩JC=25%或40%500JC=100%200电磁铁力矩JC=25%或40%100JC=100%407 牵引绞车控制系统的设计7.1牵引绞车降压起动设计中选用的笼型转子异步电动机虽然具有转子结构坚实、效率高、价格低、控制设备简单和维护方便等优点，但其起动性能较差。起动电流很大，一般为额定电流的57倍。由于转子回路的漏感抗相对转子电阻是比较大的，因此起动电流虽大，但其有功分量很小，故起动转矩比较小，一般等于或稍大于额定转矩。设计中考虑的电动机的起动问题有：（1） 起动转矩应大于负载静转矩；（2） 起动电流在供电电网上造成的瞬间压降不能超过允许值；（3） 在起动中电动机内的能量损失要小。常见的降压起动方式有：电阻降压、电抗器降压、自耦变压器降压。图7.1 自耦变压器降压起动的接线与特性设计中采用自耦变压器降压起动，这种起动方式多用了低压电动机。其接线方式及机械特性见图7.1自耦变压器一般设有三个输出电压抽头（40%、60%、80,也有的是55%、64%、73%）。在使用时只需要调整抽头，不需要进行计算。7.2绝对式旋转编码器7.2.1绝对式旋转编码器的工作原理由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。 由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。 编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。 分辨率编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度510000线。 信号输出: 信号输出有正弦波（电流或电压）,方波（TTL、HTL）,集电极开路（PNP、NPN）,推拉式多种形式，其中TTL为长线差分驱动（对称A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。 信号连接编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。 如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。 A.B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。 A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置测量。 A、A-，B、B-，Z、Z-连接，由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为0，衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离。 7.2.2绝对式旋转编码器的特点与应用绝对型旋转光电编码器，因其每一个位置绝对唯一、抗干扰、无需掉电记忆，已经越来越广泛地应用于各种工业系统中的角度、长度测量和定位控制。绝对式旋转编码器光码盘上有许多道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对式旋转编码器。这样的编码器是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。绝对式旋转编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。绝对式旋转编码器已经越来越多地应用于工控定位中。绝对式旋转编码器因其高精度，输出位数较多，如仍用并行输出，其每一位输出信号必须确保连接很好，对于较复杂工况还要隔离，连接电缆芯数多，由此带来诸多不便和降低可靠性，因此，绝对式旋转编码器在多位数输出型，一般均选用串行输出或总线型输出，德国生产的绝绝对式旋转编码器串行输出最常用的是SSI（同步串行输出）。 旋转单圈绝对式编码器，以转动中测量光码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码器只能用于旋转范围360度以内的测量，称为单圈绝对式编码器。如果要测量旋转超过360度范围，就要用到多圈绝对式旋转编码器。 编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，这样的绝对式旋转编码器就称为多圈式绝对式旋转编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。多圈绝对式旋转编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多，这样在安装时不必要费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，而大大简化了安装调试难度。多圈绝对式旋转编码器在长度定位方面的优势明显，已经越来越多地应用于工控定位中。7.2.3绝对式旋转编码器的选型综合比较各种型号的编码器，设计中选用了GD-32768光电多圈绝对编码器。见图7.2.图7.2 绝对式编码器GD系列光电式绝对编码器是集光、机、电精密技术于一体的高科技产品，通过光电转换，将输出轴的角位移转换成相应的数字量。当码盘在转动时，可连续输出与码盘旋转位置相对应的一组二进制编码，以此确认绝对位置。具有断电记忆功能。GD系列光电编码器具有体积小、量程大，旋转阻力小，跟踪测量准确等优点。GD-32768/64C（A）光电式绝对编码器将其并行数据转换为串行数据及4-20mA电流进行传送。表7.1 绝对式旋转编码器技术指标：型 号GD-32768测量范围0-32767每圈分辨率1/512连续圈数64消耗电流60mA输出接口A、B、C、S电源电压DC530V使用环境温度-15+65（不结露）保存环境温度-35+80相对湿度不大于95海拔高度不超过2500m防护等级IP64允许最高机械转速1000rpm轴允许负载径向40N 轴向30N信号增量方向面对编码器输入轴顺时针转动为增量信号输出线芯数并行26芯航空插座,串行5芯航空插座寿命100万转外形尺寸79108mm外伸尺寸35mm安装尺寸输入轴端50圆上均布3M5安装方式轴伸水平使用环境要求7.2.4绝对式旋转编码器的机械安装使用绝对型旋转编码器的机械安装有高速端安装、低速端安装、辅助机械装置安装等多种形式。高速端安装：安装于动力马达转轴端（或齿轮连接），此方法优点是分辨率高，由于多圈编码器有4096圈，马达转动圈数在此量程范围内，可充分用足量程而提高分辨率，缺点是运动物体通过减速齿轮后，来回程有齿轮间隙误差，一般用于单向高精度控制定位，例如轧钢的辊缝控制。另外编码器直接安装于高速端，马达抖动须较小，不然易损坏编码器。低速端安装：见图7.3安装于减速齿轮后，如卷扬钢丝绳卷筒的轴端或最后一节减速齿轮轴端，此方法已无齿轮来回程间隙，测量较直接，精度较高，此方法一般测量长距离定位，例如各种提升设备，送料小车定位等。图7.3 编码器低速端安装方式辅助机械安装：常用的有齿轮齿条、链条皮带、摩擦转轮、收绳机械等。设计中为了提高泵房的定位精确，绝对型旋转编码器安装在了卷筒轴。7.2.5编码器脉冲转换已知：编码器分辨率：512（即编码器每转输出的脉冲个数） 卷筒周长： 泵房每行进一米编码器输出的脉冲个数： 泵房全行程脉冲总数：30225/sin20299397.3水位传感器的选型水位传感器有浮子式,压力式,谐波式等多种多样,各有优缺点,我选用的图7.4 自收缆式水位传感器是自收缆式水位传感器,见图7.4，具体参数见表7.2。这种 选用光电式或接触式系列编码器,该传感器结构合理,无温度、时间漂移，无功耗机械自动收缆平衡器，无须外部平衡锤，工作长期稳定。输出信号有：并行格雷码、RS485串行通讯、4-20mA标准模拟量。遥测组网方便。适应于地下水、地表水、斜井等各种使用环境。它与我选用的旋转式编码器采用同一种输出形式,简化了系统组成及设计工作。表7.2 自收缆式水位传感器参数型号ZLC-3自收缆水位传感器测量范围80m分辨率1cm测量误差2cm7.4可编程控制器控制系统图7.6 自收缆式水位传感器可编程控制器（Programmable Controller，英文缩写为PC、后又称为PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令。并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。PLC控制技术代表着当前程序控制的先进水平，PLC装置已成为自动化系统的基本装置。7.4.1PLC的主要功能PLC在不断地发展，其性能在不断地完善、功能在不断的增强。其主要功能有：1.开关量逻辑运算；2.模拟量控制；3.闭环过程控制；4.定时控制；5.技术控制；6.顺序（步进）控制；7.数据处理；8.通信和联网。7.4.2PLC的特点PLC是专为工业环境下应用而设计的，具有面向工业控制的鲜明特点。1.可靠性高、抗干扰能力强为了确保PLC在恶劣的工业环境下能可靠的工作，在设计中强化了PLC的抗干扰能力，使之能够抗诸如电噪声、电源波动、振动、电磁干扰等的干扰，能抗1000V、1s脉冲的干扰，能在高温、高湿以及空气中存有各种强腐蚀物质粒子的恶劣环境下可靠的工作。2.通用性强、灵活性好、功能齐全PLC是通过软件实现控制的，其控制程序编在软件中，实现程序软件化，因而对于不同的控制对象都可采用相同的硬件进行配置。目前，PLC产品已系列化、模块化、标准化，能方便灵活地组成大小不同、功能不同的控制系统，通用性强。由于可编程序控制功能齐全，几乎可以满足所有控制场合的需求。组成系统后，即使控制程序发生变化，只需要修改软件即可，增强了控制系统的柔性。3.编程简单、使用方便PLC在控制方面采用“梯形图”语言进行编程，这种梯形图是与继电器控制电路相呼应的，形式简练、直观性强。用梯形图编程出错率比汇编语言低得多。PLC还可以采用面向控制过程的控制系统流程图编程和语句表方式编程。4.模块化结构PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O（包括特殊功能I/O）等均采用模块化设计，系统的功能和规模可根据用户的实际需求自行配置，从而实现最佳性能价格比。由于配置灵活，使扩展、维护方便。5.安装简便、调试方便PLC安装简便，只要把现场的I/O设备与PLC相应的I/O端子相连就完成了全部的接线任务，缩短了安装时间PLC的调试工作大都分为室内调试和现场调试。室内调试时，用模拟输入信号，使输入状态和输出状态可以观察PLC上的相应的发光二极管。可以根据PLC上的发光二极管和编程器提供的信息方便地进行测试、排错和修改。室内模拟调试后，即可到现场进行连机调试。6.网络通信PLC提供标准通信接口，可以方便地进行网络通信。7.其他PLC体积小、能耗低，便于机电一体化。7.4.3被控绞车的工作情况当水位提高时，牵引绞车电机正转，提升泵房，当水位降低时，牵引绞车电机反转，下放泵房。牵引绞车工作过程中，发生紧急情况或要停车时，控制制动器，对牵引绞车进行制动。为实现上述过程的自动控制，设计中采用了PLC控制系统。在卷筒上装有绝对型旋转编码器，用PLC的计数功能对编码器输出的脉冲进行计数，当计数值与水位值相接近时，调用中断程序，牵引绞车提升泵房到上一个停靠位，当计数值与水位值相差大于一个停靠间距时，调用中断程序，牵引绞车下放泵房到下一个停靠位。绞车控制系统的控制点：输入有编码器的值、水位值；输出的控制有电动机的正反转、电动机的电磁制动等7.4.4PLC选型根据被控绞车的工作、输入输出及控制情况，选用性价比最佳的PLC，见表7.3表7.3 S7-200CPU模块主要技术指标型号CPU222程序存储器2048字用户数据存储器1024字用户存储器类型EEPROM数据后备典型时间50h本机I/O8入/6出扩展模块数量2个数字量I/O映像区大小256(128入/128出)模拟量I/O映像区大小16入/16出33MHz下布尔指令执行速度/指令内部继电器256计数器/定时器256/256顺序控制继电器256内置高速计数器4个(30kHz)模拟调节电位器1高速脉冲输出2(20kHz,DC)脉冲捕捉8个通信中断每个端口有:1发送/2接收定时中断2(1255ms)硬件输入中断4个输入点实时时钟有(时钟卡)口令保护有通信口数量1(RS-485)为了检测旋转式编码器和水位传感器的模拟量，则需要一个模拟量的输入模块EM231。7.4.5PLC控制系统图绞车控制PLC电磁制动器电动机水位信号绝对式旋转编码器电动机传动装置卷筒图7.5 系统硬件组成系统控制原理图见图7.5。以西门子公司的S7-200PLC为基础，对整个系统进行控制。其工作过程是由系统绞车处PLC读取水位传感器所取得的水位信号，将水位信号与绝对式旋转编码器输出值（即泵房位置）相减（之前进行数据转换），获得绞车位置的调整值，再由PLC控制相应电动机的动作，从而准确调整泵房的位置，使泵房的位置变化符合水位信号的变化。7.4.6I/O接线及I/O分配牵引绞车控制系统接线及继电器控制原理见图纸.输入信号见表7.4。表7.4 输入信号表对应端子功能按钮I0.0停止按钮SB0I0.1正转按钮(提升泵房)SB1I0.2反转按钮(下放泵房)SB2输出信号见表7.5。表7.5 输出信号表对应端子功能控制线圈Q0.0电磁继电器线圈KM6Q0.1电动机正转线圈KM1Q0.2电动机反转线圈KM2Q0.3自耦变压器正向起动线圈KM3Q0.4自耦变压器反向起动线圈KM4Q0.5自耦变压器中性点线圈KM5指示灯见表7.6。表7.6 信号灯信号灯编号功能对应端子H0电机停止Q0.0H1电机正转Q0.1H2电机正向起动KM2H3电机反转Q0.2H4电动机反向起动KM4H5电机故障停车FRPLC内部继电器使用及内存地址使用情况见表7.7表7.7系统内部继电器及内存地址使用情况内部地址或继电器功能VW408值：29939 牵引绞车总牵引行程VD410VW410存放编码器输出值，即泵房位置VW412存放水位传感器返回值VD414VW414存放转换后的水位值VW416存放泵房位置与水位的比较值M0.0标志位，表示泵房正在提升过程中M0.1标志位，表示泵房正在下放过程中M0.2正转继电器自锁，并与反转继电器互锁M0.3反转继电器自锁，并与正转继电器互锁M0.4标志位，表示泵房正在手动提升过程中M0.5标志位，表示泵房正在手动下放过程中T32时间继电器，提供提升自耦变压器起动延时8sT96时间继电器，提供下放自耦变压器起动延时7s7.4.7PLC自动控制程序设计系统初始设置要求，泵房位置的最上端为旋转式编码器的零点，水位的最低值为水位传感器的零点。这两点之间的间距为编码器和水位传感器的最大量程，约为29939（编码器及水位传感器的输出值）。因为这两点间的起点不同，所以在程序中需要将水位传感器的测量值转换到与编码器同一个起点，这样两点见才能够直接进行减法运算。为了实现程序简单明了，降低出错率，PLC的控制程序应该模块化，控制程序编写过程中，添加了5个子程序，各子程序的编号及作用见表7.8。主程序及各主要程序的流程图见图7.6，7.7。表7.8 子程序的编号及作用子程序编号作用SBR1参数初始化SBR2泵房位置信号及水位信号存储处理SBR3电动机正转SBR4电动机反转SBR5电动机停止设计图中，我给出了PLC自动控制程序的继电器原理图。按下正转起动按钮Q0.1(SB1)，主程序调用正转子程序。时间继电器KT1通电吸合（T32开始计时），自耦变压器正向起动继电器线圈KM3通电吸合 (Q0.3置位)，自耦变压器中性点继电器线圈KM5通电吸合 (Q0.5置位)，电磁制动器线圈KM6通电吸合（Q0.0置位）,制动器打开。随着KM3吸合(Q0.3置位)，中间继电器KA1吸合并自锁(M0.2置位)。电动机在降压情况下正向起动。待电动机转速接近额定转速时，时间继电器KT1 (T32)延时完毕（延时7秒），其常闭延时触点动作，接触器KM3，KM5失电(Q0.3,Q0.5复位)，其常闭触点复位，电动机正转线圈KM1吸合 (Q0.1置位)，主触点闭合，电动机进入全压正常运行状态。反转起动与正转起动相同，只是延时时间不同，为8秒。这是考虑到电动机正转起动时，是泵房的下放过程，在泵房的重力势能作用下，起动较为容易，达到额定转速的时间较短。延时时间根据经验公式计算而来，而实际的起动时间可以根据现场运行情况做调整。这种控制电路有如下优点：KM3 (Q0.3)常闭触点在电动机起动过程中锁住KM1 (Q0.1)线圈通路，只有在电动机启动完毕并且KM3线圈失电(Q0.3复位)后，KM1线圈才能得电吸合（Q0.1置位）。KM1(Q0.1)的常闭触点与SB1(I0.1)，KA2(M0.3)串联，在电动机正常运行时，如果有人误按起动按钮SB1(I0.1),KM1(Q0.1)的常闭触点能够防止KM3(Q0.3)通电动作而不至于造成电源短路，使电路工作更可靠，同时也可防止接触器KM1的主触点由于焊住或机械故障而没有断开时，可能出现的电源短路事故。电动机绕组正常运行后，随着KM3失电(Q0.3复位)，KT1也失电复位(T32复位)，为第二次起动做准备。子程序：停止开始子程序：参数初始化子程序：读取泵房与水位信号信号转换后相减相减值=883？否是子程序：下放泵房相减值=10？是否子程序：提升泵房下放到位？是是否提升到位？否是7.6 主程序流程图结束是否Q0.3,Q0.5置位（自耦变压器线圈KM3,KM5吸合）降压起动开始M0.2置位（中间继电器吸合）自锁并锁住反转回路Q0.6置位（制动器开闸）达到启动延时时间？Q0.3,Q0.5复位（自耦变压器线圈KM3,KM5断开）降压起动完毕Q0.1置位（正转继电器吸合）绞车提升泵房结束图7.7 提升泵房流程图7.5提高PLC控制系统可靠性的措施PLC专为工业环境下应用而设计，其显著特点就是高可靠性，为了提高PLC的可靠性，PLC本身在软、硬件上均采用了一系列抗干扰措施，在一般使用情况下，可以无故障使用几万小时。但这并不意味着对PLC的环境条件及安装条件使用可以随意处理。在过于恶劣的环境下，如强电磁干扰、超高温、超低温、过欠电压等情况，或者安装使用不当等，都有可能导致PLC内部存储信息的破坏，引起控制紊乱，严重时还会使系统内部的元器件损坏。为了提高PLC控制系统的可靠性，必须选择合适的抗干扰措施，使系统正常可靠的工作。7.5.1PLC安装的环境条件良好的环境条件是PLC系统正常运行的重要保证。通常应满足以下条件：（1）环境温度约在055，环境温度过高或过低，使PLC长期处于极限温度下工作，会影响PLC工作的稳定性和可靠性。因而PLC安装时应远离热源；安装在控制柜内时，柜的上下应有通风散热的百叶窗；不要把发热量大的元器件，如变压器、稳压电源、加热器、大功率电阻等放在PLC的下方；PLC四周应有一定的通风散热空间。（2）PLC允许的湿度一般在35%80%，湿度太高不仅使漏电流增大影响绝缘性能，而且直接影响模拟量输入输出装置的精度，必要时可设置小加热器。（3）周围不应该有导电尘埃、油性物或者有机溶剂、腐蚀性气体。以防腐蚀元器件，造成绝缘降低、严重漏电、局部短路等故障，甚至损坏设备。（4）PLC能承受的振动和冲击有一定规定，振动过大会引起插件松动。为了减少振动和冲击，可将PLC控制柜与振动冲击源分开，或者用抗振垫来固定PLC控制柜。7.5.2PLC的抗干扰措施电源、输入、输出接线是外部干扰入侵PLC的重要途径，应采取相应的抗干扰措施。1.抑制电源系统引入的干扰电源是PLC引入干扰的重要途径，PLC应尽可能取用电压波动较小、波形畸变较小的电源，这对提高PLC的可靠性有很大帮助。PLC的供电线路应与其他大功率用电设备或强干扰设备（如高频炉、弧焊机等）分开。在干扰较强或着可靠性要求较高的场合，对PLC交流电源系统可采用的抗干扰措施有一下几种方法：（1）在PLC电源的输入端加接隔离变压器，由隔离变压器的输出端直接向PLC供电，这样可抑制来自电网的干扰。（2）在PLC电源的输入端加接低通滤波器可滤去交流电源输入的高频干扰和高次谐波。2.抑制输入、输出电路引起的干扰为了抑制输入、输出信号传输线引入的干扰，应注意以下几点。（1）开关量信号不易受外界干扰，可用普通单根导线传输。（2）数字脉冲信号频率较高，传输过程中易受外界干扰，应选用屏蔽电缆传输。（3）模拟量信号是连续变化的信号，外界个各种干扰信号都会叠加在模拟信号上面造成干扰，因此要选用屏蔽电缆或者带防护的双绞线。对于功率较大的开关量输入、输出线最好与模拟量输入、输出线分开敷设。（4）PLC的输入、输出线要与动力线分开，距离应在20cm以上，如果不能保证上述最小距离，可将这部分动力线穿套管，并将管接地。绝uibu允许把PLC的输入、输出线与动力线、高压线捆扎在一起。（5）应尽量减小动力线与信号线平行敷设的长度，否则应增大两者的距离以减小噪声干扰。一般两线间距离为20cm。当平行敷设的长度在100200m时，两线间距应该在40cm以上；当平行敷设的长度在200300m时，两线间距应该在60cm以上.（6）PLC的输入、输出线最好单独敷设在封闭的电缆槽架内（线槽外壳良好接地）。（7）当PLC的输入线较长（大约30m以上），如果使用交流输入模块，由于感应电动势的干扰，即使没有输入信号也可能引起误动作。必要时可在输出端子两端并联电阻，或改用直流输入模块，以降低上述异常感应电动势。（8）对于输入、输出信号在300m以上的长距离场合，建议使用中间继电器转换信号或使用远程I/O控制。3.PLC的接地良好的接地是PLC抑制干扰的重要措施。PLC接地应注意以下几个方面：（1）PLC接地最好采用专用接地极。如果不可能，也可与其他盘板共用接地系统，但必须用自己的接地线直接与公用接地极相连。绝对不允许与大功率晶闸管装置和大型电动机之类的设备共用接地系统。（2）PLC的接地极离PLC越近越好，即接地线越短越好。PLC如由多单元组成，各单元之间应采用同一点接地，以保证各单元之间等点位。当然，一台PLC的I/O单元如果有分散在较远的现场（超过100m），这种情况可分开接地，但必须遵守上述相应规定。（3）PLC输入、输出信号线采用屏蔽电缆时，其屏蔽层应采用一点接地，并且在靠近PLC这一端的电缆接地，电缆另一端不接地。如果信号随噪声而波动，可连接一个0.10.47F/25V的电容器到接地端。（4）接地线截面积应大于2mm2，接地线一般最长不超过20cm。PLC控制系统的接地电阻一般应小于4。实践证明，在PLC控制系统中，PLC本身的故障率是很低的，系统中其他元器件的故障率往往比PLC的故障率高，特别是机械限位开关等比较容易出问题。为了提高整个PLC控制系统的可靠性，设计和应用时应注意这类易出故障元器件的选取和维护，以保证全系统稳定可靠的运行。设计总结本次设计题目时牵引绞车及其控制系统，主要目的是设计并控制牵引绞车。我机械设计的能力较强于自动控制，所以在设计中，我偏重于牵引绞车的设计计算。绞车设计的每一步我都十分认真的去做，计算和校核都力求精确，每一部分结构都有理论或实践依据，所有零件尺寸逗按照机械设计手册的要求绘制。对于控制部分我也下功夫进行了钻研，但终究不是我特长，仍有许多的不足之处。控制部分我使用可编程序控制器(PLC)对牵引绞车进行自动控制，用PLC程序来实现继电器控制的功能，从而简化系统，使系统的工作更可靠、稳定，并且易于维修。在设计的过程中，由于自身的经验不足，考虑的问题不够周全，系统中还存在着很多的问题。如在机械结构设计时，对实际的情况估计不足，使得结构复杂化，造成了一定的浪费，并增加了相应的成本，这方面有待优化。在控制方面，只使用了3个PLC的输入口，这样在一定方面造成了控制保护功能的不全面。此外，我所设计的控制功能较简单，仅仅是实现绞车的上提和下放的自耦变压器降压起动和运行。系统的控制功能还可以进一步完善。在绞车下放时，只考虑到泵房自重对降压起动产生的影响，而对下放速度引起的影响没有进行控制，需要调节控制电磁制动器制动力的大小，以便于绞车正常的工作，实现匀速下放。思路是利用传感器检测泵房的下放速度，再将速度信号传入PLC中，比较检测到的速度值是否超过某一固定值，若超过，则由PLC输出信号去控制液压站的调压装置，改变液压站的工作压力，进而调节盘形制动器的制动力的大小，以便于调节泵房的下放速度（不再使用电磁制动器是因为液压更容易实现制动力的调节）。当然，由于速度和控制液压站的信号均是模拟信号，需要扩展模拟量模块，为了防止控制系统的震荡，还必须引入PID调节模块。最后，通过本次设计，我了解了完成一项设计的基本步骤，从收集相关资料，了解课题的发展，到分析实际工作情况，确定相关参数，再到选择正确的原理、公式及元器件等。每一步都要认真考虑，才能使设计的结果符合要求。而且机械设计是一个枯燥而繁琐的过程，要求我们设计人员要有足够的耐心和钻研精神，只有不断的钻研和探索才能设计出性价比更高的机械产品。参考文献1 齐治国,张义举,赵灿等.建筑卷扬机设计.北京: 机械工业出版社,19962 程志红.机械设计.南京:东南大学出版社,20063 秦曾煌.电工学.北京:高等教育出版社,20044 谢桂林,黄章.电力拖动与控制.徐州:中国矿业大学出版社,19975 甘永立.几何量公差与检测.上海:上海科学技术出版社,20056 李宜民,王慕龄,宫能平.理论力学. 徐州:中国矿业大学出版社,19967 刘鸿文.材料力学. 北京:高等教育出版社,20048 洪小华.矿井运输提升. 徐州:中国矿业大学出版社,20059 李仪钰.矿山提升运输机械. 北京: 冶金工业出版社,198010 吴中俊，黄永红.可编程控制器原理及应用.北京:机械工业出版社,200511 成大先.机械设计手册，第2 卷.北京：化工工业出版社，199912 成大先. 机械设计的错例与禁忌.北京:化学工业出版社,199713 王绍定.矿用小绞车.北京：煤炭工业出版社，198114 中国机械工程学会，中国机械设计大典编委会.中国机械设计大典：第5 卷，机械控制系统设计.南昌：江西科学技术出版社，200215 任远志.钢丝绳直径的计算与选择探讨.建筑机械.1995,第10期:182016 蒋乃顺,肖华辉,甘继光等. 矿用小绞车设计计算中不可忽略的问题.江西煤炭科技.2004,第4期:656617 王学亮，马红刚，赵荣华. 旋转编码器在提升定位控制中的应用.冶金动力.2001,第6期:697018 付本庆.用PLC可编程序控制器对提升机绞车信号系统改造.煤炭技术.2003，第22 卷第2 期：848519 卢宁,张晋宏. 一种用PLC和旋转编码器测量位移的方法.机械工程及自动化.2007,第4期:15415520 王功勇,栾有均. 卷扬机构减速器选型方案的探讨.港口装卸.2000,第4期:212221 F. T. Thwaites，S. M. Gallager，C. S. Davis， A. M. Bradley，A. Girard，and W. Paul.A Winch and Cable for the Autonomous Vertically Profiling Plankton Observatory.IEEE.1998， 0-7803-5045-6/9:323722 J.M. Corteza，J. Ellis，D.P. Bishop. Cellulase finishing of woven，cotton fabrics in jet and winch machines.Biotechnology.2001，Journal of Biotechnology 89：23924523 Derek J.Bennett.Techniques for high-speed winch deployment of cable suspendeddeep-ocean instrumented payloads.IEEE.1979，CH1478-7/79: 415421英文原文Electrical Winch Controlsby Tom YoungThe form of motor control we all know best is the simple manual station with up and down pushbuttons. While these stations may still be the perfect choice for certain applications， a dizzying array of more sophisticated controls is also available. This article addresses the basic electrical requirements of the motors and user interface issues you will need to address before specifying， building or buying winch controls.To begin with， the manual control stations should be of the hold-to-run type， so that if you take your finger off of the button the winch stops. Additionally， every control station needs an emergency stop (E-stop) that kills all power to the winch， not just the control circuit. Think about itif the winch isnt stopping when it should， you really need a failsafe way to kill the line power. Its also a great idea to have a key operated switch on control stations， especially where access to the stations is not controlled.Safe operation by authorized personnel must be considered when designing even the simplest manual controls.Controlling Fixed Speed MotorsThe actual controlling device for a fixed speed winch is a three phase reversing starter. The motor is reversed by simply switching the phase sequence from ABC to CBA. This is accomplished by two three-pole contactors， interlocked， so they cant both be closed at the same time. The NEC requires both overload and short circuit protection. To protect the motor from overheating due to mechanical overloads a thermal overload relay is built into the starter. This has bi-metallic strips that match the heating pattern of the motor and trips contacts when they overheat. Alternatively， a thermistor can be mounted in the motor winding to monitor the motor temperature. Short circuit protection is generally provided by fuses rated for use with motors.A separate line contactor should be provided ahead of the reversing contactor for redundancy. This contactor is controlled by the safety circuits: E-stop and overtravellimits. This brings us to limit switches. When you get to the normal end of travel limit the winch stops and you can only move it in the opposite direction (away from the limit). There also needs to be an overtravel limit in case， due to an electrical or mechanical problem， the winch runs past the normal limit. If you hit an overtravel limit the line contactor opens so there is no way to drive off ofthe limits. If this occurs， a competent technician needs to fix the problem that resulted in hitting the overtravel limit. Then， you can override the overtravels using the spring return toggle switch inside the starteras opposed to using jumpers or hand shooting the contactors.Variable Speed RequirementsOf course， the simple fixed speed starter gets replaced with a variable speed drive. Heres where things start to get interesting! At the very least you need to add a speed pot to the control station. A joystick is a better operator interface， as it gives you a more intuitive control of the moving piece.Unfortunately， you cant just order any old variable speed drive from your local supplier and expect it to raise and lower equipment safely and reliably over kids on stage. Most variable speed drives wont， as they arent designed for lifting. The drive needs to be set up so that torque is developed at the motor before the brake is released， and (when stopping) the brake is set before torque is taken away.For many years DC motors and drives provided a popular solution as they allowed for good torque at all speeds. The large DC motors required for most winches are expensive， costing many times what a comparable AC motor costs. However， the early AC drives were not very useful， as they had a very limited speed range and produced low torque at low speeds. More recently， as the AC drives improved， the low cost and plentiful availability of AC motors resulted in a transition to AC drives.There are two families of variable speed AC drives. Variable frequency inverters are well known and readily available. These drives convert AC to DC， then convert itback to AC with a different frequency. If the drive produces 30 Hz， a normal 60 Hz motor will run at half speed. In theory this is great， but in reality there are a couple of problems. First， a typical 60 Hz motor gets confused at a line frequency below 2 or 3 Hz， and starts to cog (jerk and sputter)， or just stops. This limits you to a speed range of as low as 20:1hardly suitable for subtle effects on stage! Second， many lower cost inverters are also incapable of providing full torque at low speeds. Employing such drives can result in jerky moves， or a complete failure to lift the pieceexactly what you dont want to see when you are trying to start smoothly lifting a scenic element. Some of the newer inverters are closed loop (obtain feedback from the motor to provide more accurate speed control) and will work quite well.The other family of AC drives is flux vector drives. These units require an encoder mounted on the motor shaft allowing the drive to precisely monitor the rotation of the armature. A processor determines the exact vector of magnetic flux (thus flux vector drive) required to rotate the armature the next few degrees at a given speed. These drives allow an infinite speed range， as you can actually produce full torque at zero speed. The precise speed and position control offered by these drives make them a favorite in high performance applications.PLC-based controls provide system status as well as control options. This screen give the operator full access to Carnegie Halls nine stage floor lifts.PLC Based SystemsA PLC is a programmable logic controller. First developed to replace the relay based industrial control systems of the 50s and 60s， these controls are at home in rugged， industrial environments. These are modular systems with a great variety of I/O modules allowing semi-custom hardware configurations to be assembled easily at a reasonable price. These include position control modules， counters， A/D and D/A converters and all sorts of solid state or hard contact closure outputs. The great variety of I/O components and the modular nature of the PLC make this an effective way to build custom and semi-custom control systems.The greatest drawback to PLC systems is the lack of really great displays to tell you what they are doing or to help you program them. Monochrome and medium resolution color displays are the norm， as the primary use for these components in on a factory floor.One of the first major PLC systems used in a large entertainment venue is the complex lift and wagon system at the original MGM Grand (now Ballys) in Las Vegas. Several manufacturers offer standard PLC-based systems and a host of semi-custom acoustic banner， shell， and lift control systems is also available. The ability to build custom systems from standard building blocks is the greatest strength of PLC-based controls.High End ControllersThe most sophisticated rigging controllers go well beyond speed， time， and position control. They include the ability to write complex cues， record profiled moves， and manage multiple cues running at once.Many of the larger opera houses are moving toward point hoist systems， where there is a separate winch for each lift line (the rigging equivalent of dimmer per cir cuit). When multiple winches are used to carry a single piece， the winches must be perfectly synchronized， or the load can shift so that an individual winch can become dangerously overloaded. The control system must be able to keep selected winches in synch or provide a rapid， coordinated stop if a winch is unable to stay in synch with the others. With a typical top speed of 240 fpm and a requirement to keep the winches within a 1/8 of each other， you have less than three milliseconds to recognize a problem， attempt to correct the errant winchs speed， determine that youve failed and initiate a coordinated stop of all the winches in the group. This takes a lot of computing， fast I/O， and well-written software.There are two very different approaches to large rigging control systems. Originally， a single console was used， with the usual problem of where it should be located for the operators optimum view. Unfortunately this can change not only from show to show， but also from one cue to the next. This dilemma has been partially addressed by using video cameras at different locations in conjunction with 3D screen graphics that allow the operator to view the expected rigging motion three dimensionally from any viewpoint. This allows the operator to view the on screen movement of the rigging from a viewpoint that matches his actual view of the stage， or the actual view of a closed circuit camera. For complex moves with inter-related pieces this makes the control and understanding of what is happening much simpler.The other approach is a distributed system， with several portable consoles. This allows different operators to control different aspects of the rigging， in the same manner we have done with manual sets. A dramatic example of this approach is used by the Royal Opera at Covent Garden， where there are ten consoles controlling a total of 240 motors. Each
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