交流电梯PLC控制及传动系统设计

毕毕 业业 设设 计 论计 论 文 文 题目 交流电梯 PLC 控制系统设计 英文 Alternating Current Elevator of PLC Control System Design 院 别 机电学院 专 业 机械电子工程 姓 名 学 号 指导教师 日 期 交流电梯交流电梯 PLCPLC 控制系统设计控制系统设计 摘要摘要 随着经济的高速发展 高层建筑越来愈多 而作为垂直交通工具的电梯显 得越来越重要 随着人们对其要求的提高 电梯得到了快速的发展 其拖动技 术已经发展到了变压变频调速 其逻辑控制也由 PLC 代替原来的继电器控制 本设计主要是九层乘客电梯的曳引机驱动结构和控制系统的设计 在曳引机驱 动方面主要做了曳引机的选择与其蜗杆涡轮减速器的设计以及机械安全保护的 简单介绍 而在控制系统方面采用了 PLC 和变频器实现电梯常规控制的基础上 通过 对变频器和 PLC 芯片的合理选择和设计 和运用安川 VS 616G5 型变频器可 编制速度曲线的功能 使电梯舒适度得到提高 并利用旋转编码器发出的脉冲 信号构成位置反馈 实现电梯的精确位移控制 通过 PLC 程序设计实现楼层计 数 换速信号 开门控制和平层信号的数字控制 取代井道位置检测装置 提 高了系统的可靠性和平层精度 从而使电梯控制系统具有先进 可靠 经济的 特色 并且具有指层 厅召唤 选层 选向等功能 关键词 关键词 曳引机 减速器 PLC 变频器 旋转编码器 变频调速 Alternating Current Elevator of PLC Control System Design ABSTRACT With the rapid economic development high rise buildings is increasingly the more As the elevator vertical transportation becomes more and more important With the improving requirement of the people the lift has got the fast development the dragging technology has developed to the variable frequency speed regulation the logic control by the PLC to replace the original relay control This design mainly is the nine layer of passenger elevator traction machine drive structure and control system design In tractor driving major to do traction machine selection and a turbine worm reducer design and mechanical safety protection brief While in the aspect of the control system with PLC and frequency converter to realize the elevator control foundation through to the inverter and PLC chip selection and design use of Yaskawa inverter can be compiled VS616G5velocity curve for elevator characteristics improvement in the comfort provide technical support And the use of rotary encoder pulse signal emitted by a position feedback the realization of elevator s precise displacement control PLC program designed to achieve through the floor count for speed signal to open the door of peace control of the digital control signal replacing the hoistway position detection device to improve the reliability of the system accuracy of the peace So that the elevator control system with advanced reliable and economic characteristics Refers to the layer and has a hall call layer selection election to and other features Key words Traction machine Retarder PLC Frequency converter Rotary encoder Variable frequency speed regulation 目目 录录 1 绪论 1 1 1 电梯的发展史 1 1 1 1 电梯的由来 1 1 1 2 电梯的发明过程 1 1 1 3 电梯的发展趋势 1 1 2 电梯的原理及分类 2 1 2 1 电梯的原理 2 1 2 2 电梯的分类 3 1 3PLC 及其在电梯控制中的应用特点 4 1 3 1PLC 的特点 4 1 3 2PLC 控制电梯的优点 5 1 4 研究内容与章节安排 5 2 电梯的机械装置 6 2 1 电梯的主要组成部分 6 2 2 电梯曳引驱动系统的设计 7 2 2 1 曳引驱动系统方案的确定 7 2 2 2 有齿轮曳引机的选择及计算校核 8 2 2 3 减速器的选择 11 2 2 4 蜗轮蜗杆减速器的设计 11 2 2 5 涡轮轴的结构设计及强度计算 14 2 3 轿厢结构设计 18 2 3 1 轿厢架的设计 18 2 3 2 轿厢体的设计 21 2 3 3 电梯轿厢主要参数的确定 22 2 4 电梯的对重装置 22 2 5 自动门系统的设计 23 2 5 1 门结构的设计 23 2 5 2 门电机的选择 24 2 6 电梯的保护装置 24 2 6 1 超速保护和缓冲保护装置 24 2 6 2 机械安全防护装置 25 2 7 本章小结 25 3 PLC 控制系统系统的硬件设计 26 3 1 系统总体方案的确定 26 3 1 1 电梯操作方式的确定 26 3 1 2 系统的总体设计方案 26 3 2 变频器的选型 27 3 2 1 调速方式的比较及选择 27 3 2 2 变频器的选择 28 3 3 变频器的参数设计 29 3 3 1 变频器的基本组成及特点 30 3 3 2 变频器的参数设置 32 3 3 3 变频器自学习功能的应用方法 35 3 4 PLC 的选择 35 3 4 1 信号控制系统的比较及选择 35 3 4 2 轿厢楼层位置检测方法的比较及选择 36 3 4 3PLC 的选型 37 3 5 控制系统硬件设计的构思 37 3 5 1 电梯控制系统的控制要求 37 3 5 2 信号控制系统 39 3 5 3 电梯拖动调速系统 39 3 6 I O 点数的估算与分配 41 3 6 1I O 点数的估算 41 3 6 2I O 口的分配 42 3 7 PLC 外部接线图 44 3 7 1 变频器主电路 44 3 7 2 变频器控制电路 44 3 7 3 轿厢位置及速度检测电路 45 3 7 4 轿厢开关门电路 46 3 7 5 内选外呼指示灯及轿厢位置显示电路 47 3 8 本章小结 48 4 PLC 控制系统系统的软件设计 49 4 1 电梯的工作状态 49 4 1 1 自诊断工作状态 49 4 1 2 正常工作状态 49 4 1 3 强制工作状态 50 4 2 确定系统软件开发方法 50 4 2 1 模块化编程 50 4 2 2 程序流程图 51 4 3 系统的软件开发过程 52 4 3 1 电梯的开关门程序 52 4 3 2 内指令外召唤信号的登记消除及显示程序 55 4 3 3 电梯的定向程序 58 4 3 4 顺向截梯和反向截梯程序 59 4 3 5 楼层检测程序 61 4 3 6 轿厢位置显示程序 64 4 4 本章小结 65 5 总结与展望 66 参考文献 67 致谢 69 附录 A 图纸目录 70 附录 B 梯形图语句表 71 交流电梯 PLC 控制系统设计 1 1 1 绪论绪论 1 11 1 电梯的发展史电梯的发展史 1 1 11 1 1 电梯的由来电梯的由来 电梯是现代多层及高层建筑物中不可缺少的垂直运输设备 早在公元前 1100 年前 后 我国古代的周朝时期就出现了提水用的辘轳 这是由木制的支架 卷筒 曲柄和 绳索组成的简单卷扬机 公元前 236 年在古希腊 由著名的科学家阿基米德制成了第 一台人力驱动的卷筒式卷扬机 这是电梯的雏形 1 1 21 1 2 电梯的发明过程电梯的发明过程 1887 年 美国奥的斯公司制造出世界上第一台电梯 这是一台以直流电动机传动 的电梯 它被装设在 1889 年纽约德玛利斯大厦 这座古老的电梯 每分钟只能走 10 米左右 当初设计的电梯纯粹是为了省力 1900 年 以交流电动机传动的电梯开始问世 1902 年 瑞士的迅达公司研制成功 了世界上第一台按钮式自动扶梯 采用全自动的控制方式 提高了电梯的输送能力和 安全性 随着超高层建筑的出现 电梯的设计 工艺不断得到提高 电梯的品种也逐渐增 多 1950 年又制成了安装在高层建筑外面的观光电梯 使乘客能在电梯运行中清楚地 眺望四周的景色 中国最早的一部电梯出现在上海 是由美国奥的斯公司于 1901 年安 装的 1932 年由美国奥的斯公司安装在天津利顺德酒店的电梯至今还在安全运转着 1951 年 党中央提出要在天安门安装一台由中国自行制造的电梯 天津从庆生电机厂 荣接此任 四个月后不辱使命 顺利地完成了任务 十一届三中全会后 沐浴着改革 开放的春风 中国电梯业进入了高速发展的时期 如今 在中国任何一个城市 电梯 都在被广泛应用着 电梯给人们的生活带来了便利 也为中国现代化建设的加速发展 提供了强大的保障 1 1 31 1 3 电梯的发展趋势电梯的发展趋势 1 1 电梯的智能化电梯的智能化 2 计算机 通讯技术的发展 使大楼的信息得以快速传递 从而可实现大厦智能化 智能化的电梯首先要与智能化的大厦所有自动化信息系统联网 如与消防 保安 楼 宇设备控制等系统交互联系 使电梯成为安全舒适 高效优质的服务工具 串行通讯 以其布线简单 信息传输量大等优点 在电梯控制系统中的应用日益增多 由于去掉 了微机接口板上大量输入和输出电路 减少了井道 机房中的布线数量 可靠性大大 提高 2 2 绿色电梯绿色电梯 绿色电梯的研究的重点主要在电梯的制造 配置以及安装和使用过程中的节能和 减少环境污染等方面 减少电梯能耗的措施是多方面的 主要包括 原材料的充分利 用和再利用 电梯数量和电梯参数的优化配置 选择高效的驱动系统 减少电梯机械 系统的惯性和磨擦阻力 合理应用对重或平衡重 选用节能照明 客流和运货的规划 出入口的布置等 而减少能耗的另一途径是电梯运行过程的能耗控制 利用电梯空载 上行 满载下行时电机处以发电状态的特性 将再生能量反馈给电网 利用电梯机房 在楼顶的优势 充分利用太阳能作为电梯的补充能源也将是新的课题 3 3 电梯的高速化 电梯的高速化 随着建筑物的高层化和电梯基础技术发展 电梯运行速度逐渐向高速化发展 目 前世界电梯的最高速已达 12 5m s 由日本三菱研制和推向市场 并装于日本国内投入 使用 4 4 蓝牙技术广泛应用 蓝牙技术广泛应用 蓝牙技术是一种全球开放的 短距无线通讯技术规范 它可通过短距离无线通讯 把电梯各种电子设备连起来 实现无线组网 这种技术将减少电梯的安装周期和费用 提高电梯的可靠性和控制精度 有利于把电梯归纳到大楼管理系统或智能化管理小区 系统中 1 21 2 电梯的原理及分类电梯的原理及分类 1 2 11 2 1 电梯的原理电梯的原理 曳引绳两端分别连着轿厢和对重 缠绕在曳引轮和导向轮上 曳引电动机通过减 速器变速后带动曳引轮转动 靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力 实现轿厢和对重 的升降运动 达到运输目的 其工作原理如图 1 1 所示 固定在轿厢上的导靴可以沿 交流电梯 PLC 控制系统设计 3 着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往复升降运动 防止轿厢在运行中偏斜或摆动 常闭块式制动器在电动机工作时松闸 使电梯运转 在失电情况下制动 使轿厢停止 升降 并在指定层站上维持其静止状态 供人员和货物出入 轿厢是运载乘客或其他 载荷的箱体部件 对重用来平衡轿厢载荷 减少电动机功率 补偿装置用来补偿曳引 绳运动中的张力和重量变化 使曳引电动机负载稳定 轿厢得以准确停靠 电气系统 实现对电梯运动的控制 同时完成选层 平层 测速 照明工作 指示呼叫系统随时 显示轿厢的运动方向和所在楼层位置 安全装置保证电梯运行安全 1 图 1 1 电梯工作原理图 1 2 21 2 2 电梯的分类电梯的分类 根据建筑的高度 用途及客流量 或物流量 的不同 而设置不同类型的电梯 目前电梯的基本分类方法大致如下 1 1 1 按用途分类 按用途分类 分为 乘客电梯 载货电梯 医用电梯 杂物电梯 观光电梯 船舶电梯 建筑 施工电梯 其它类型的电梯 除上述常用电梯外 还有些特殊用途的电梯 如冷库电 梯 防爆电梯 矿井电梯 电站电梯 消防员用电梯等 2 2 按驱动方式分类 按驱动方式分类 4 分为 交流电梯 直流电梯 液压电梯 齿轮齿条电梯 螺杆式电梯 3 3 按速度分类 按速度分类 电梯无严格的速度分类 中国习惯上按下述方法分类 1 低速梯 常指低于 1 00m s 速度的电梯 2 中速梯 常指速度在 1 00 2 00m s 的电梯 3 高速梯 常指速度大于 2 00m s 的电梯 4 超高速梯 速度超过 5 00m s 的电梯 4 4 按电梯有无司机分类 按电梯有无司机分类 分为 有司机电梯 无司机电梯 5 5 按操纵控制方式分类 按操纵控制方式分类 分为 手柄开关操纵 按钮控制电梯 信号控制电梯 机选控制电梯 并联控制 电梯 群控电梯 6 6 其它分类方式 其它分类方式 1 按机房位置分类 则有机房在井道顶部的 上机房 电梯 机房在井道底部 旁侧的 下机房 电梯 以及有机房在井道内部的 无机房 电梯 2 按轿厢尺寸分类 则经常使用 小型 超大型 等抽象词汇表示 此外 还有双层轿厢电梯等 1 31 3 PLCPLC 及其在电梯控制中的应用特点及其在电梯控制中的应用特点 1 3 11 3 1 PLCPLC 的特点的特点 PLC 是一种专门从事逻辑控制的微型计算机系统 由于 PLC 具有性能稳定 抗干扰 能力强 设计配置灵活等特点 因此在工业控制方面得到了广泛应用 自 80 年代后期 PLC 引入我国电梯行业以来 由 PLC 组成的电梯控制系统被许多电梯制造厂家普遍采用 并形成了一系列的定型产品 在传统继电器系统的改造工程中 PLC 系统一直是主流控 制系统 电梯控制系统分为调速部分和逻辑控制部分 调速部分的性能对电梯运行是乘客 的舒适感有着重要影响 而逻辑控制部分则是电梯安全可靠运行的关键 为了改善电 梯的舒适感和运行的可靠性 现在都改为用 PLC 来控制电梯的运行 这样大大提高了 电梯的性能 2 交流电梯 PLC 控制系统设计 5 1 3 21 3 2 PLCPLC 控制电梯的优点控制电梯的优点 1 在电梯控制中采用了 PLC 用软件实现对电梯运行的自动控制 可靠性大大 提高 2 去掉了选层器及大部分继电器 控制系统结构简单 外部线路简化 3 PLC 可实现各种复杂的控制系统 方便地增加或改变控制功能 4 PLC 可进行故障自动检测与报警显示 提高运行安全性 并便于检修 5 用于群控调配和管理 并提高电梯运行效率 6 更改控制方案时不需改动硬件接线 1 41 4 研究内容与章节安排研究内容与章节安排 本设计所研究的主要内容是基于变频调速的九层电梯的 PLC 控制系统的设计 首 先是电梯曳引机减速器的设计以及电梯机械部分的介绍 然后是控制方案的选择 确 定控制系统的总体结构 再然后是 PLC 和变频器的选择 PLC 的 I O 口的分配以及硬件 接线的设计 最后是控制系统的软件设计以及编程 而研究重点在于控制系统的硬件 设计和软件编程 本设计论文的章节安排如下 第一章主要阐述电梯的发展 原理及分类和 PLC 在 电梯控制中的特点 第二章除了介绍电梯的结构外 只要是电梯曳引驱动系统的设计 第三章主要是控制系统硬件设计方案的分析及其设计 画出其硬件接线图 第四章为 PLC 控制系统的软件设计 在编程过程中采用了模块化的编程方法进行编程 第五章 对设计过程进行总结 6 2 2 电梯的机械装置电梯的机械装置 2 12 1 电梯的主要组成部分电梯的主要组成部分 1 1 曳引系统 曳引系统 主要功能是输出与传递动力 使电梯运行 主要由曳引机 曳引钢丝绳 导向轮 反绳轮组成 2 2 导向系统 导向系统 主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度 使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运 动 主要由导轨 导靴和导轨架组成 1 4 3 3 轿厢和重量平衡系统 轿厢和重量平衡系统 轿厢是运送乘客和货物的电梯组件 是电梯的工作部分 轿厢由轿厢架和轿厢体 组成 重量平衡系统主要功能是相对平衡轿厢重量 在电梯工作中能使轿厢与对重间 的重量差保持在限额之内 保证电梯的曳引传动正常 主要由对重和重量补偿装置组 成 4 4 门系统 门系统 主要功能是封住层站入口和轿厢入口 由轿厢门 层门 开门机 门锁装置组成 1 4 5 5 电力拖动系统 电力拖动系统 其功能是提供动力 实行电梯速度控制 电力拖动系统由引电动机 供电系统 速度反馈装置 电动机调速装置等组成 6 6 电气控制系统 电气控制系统 主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制 电气控制系统主要由操纵装置 位置 显示装置 控制屏 平层装置 选层器等组成 7 7 安全保护系统 安全保护系统 其功能是保证电梯安全使用 防止一切危及人身安全的事故发生 由电梯限速器 安全钳 缓冲器 安全触板 层门门锁 电梯安全窗 电梯超载限制装置 限位开关 装置组成 1 4 交流电梯 PLC 控制系统设计 7 图 2 1 电梯基本结构 2 22 2 电梯曳引驱动系统的设计电梯曳引驱动系统的设计 2 2 12 2 1 曳引驱动系统方案的确定曳引驱动系统方案的确定 用于驱动电梯的曳引机一般电动机 制动器 减速箱 曳引轮及联轴器组成 以 电动机与曳引轮之间又无减速箱可分为有齿轮曳引机和无齿轮曳引机 无齿轮曳引机用在运行速度 v 2 0m s 的高速电梯上 这种曳引机的曳引轮紧固在 曳引电动机轴上 没有减速器 因此使用寿命长 整机机构比较简单 它是专为电梯 设计和制造的 能适应运行特点 有良好的调速性能 但由于无减速器 所以制动力 矩比有减速器的大得多 其制动器也比较大 因其多数用于复绕传动机构中 所以其 轴也显得粗大 8 而有齿轮曳引机广泛应用于运行速度 v 2 0 的电梯上 为了减小曳引机运行时的 噪声和提高平稳性 一般采用蜗轮副做减速传动装置 这种曳引机主要由曳引电动机 蜗杆 制动器 曳引轮 机座等构成 也有行星齿轮作减速器的行星曳引机 EPD 1 根据设计参数及要求 本设计电梯运行的速度 v 1 75m sP 17 2kW 2 根据电梯运行的速度计算校核 电梯运行速度的计算公式 1 3 2 21 60 ii Dn v 式中 v 电梯运行速度 m s D 曳引轮直径 m i1 曳引比 i2 减速比 n 曳引电动机转速 r min 根据公式得 v 1 74m s v额 1 75m s 3 主轴静态载重的计算校核 曳引绳 13 的重量 q 0 25kg m n 6 跟 主轴载重量 3 3 D PnqHQGm 算出 m 4405Kg40 满足要求 1 2 2 32 2 3 减速器的选择减速器的选择 电梯常用的减速器主要有以下几种 1 1 蜗轮蜗杆减速器 蜗轮蜗杆减速器 它具有传动平稳 噪声低 抗冲击承载能力大 传动比大和体积小的优点 这是 电梯曳引机最常用的减速器 2 2 斜齿轮减速器 斜齿轮减速器 斜齿轮减速器具有传动效率高 制造方便的优点 但其也存在传动平稳性不如蜗 轮蜗杆传动 抗冲击承载能力不高 噪声大的缺点 由于本设计是九层乘客电梯的设计 而且电梯的工作特性要求曳引机具有体积小 重量轻 传动平稳 承载能力大 传动比大 噪声低等特点 还要有工作可靠 寿命 长 维护保养方便的要求 而蜗轮蜗杆减速器正好符合这方面的要求 故选择蜗轮蜗 杆减速器 2 2 42 2 4 蜗轮蜗杆减速器的设计蜗轮蜗杆减速器的设计 1 1 选择材料并确定许用应力 选择材料并确定许用应力 1 查 机械设计基础第二版 的表 12 5 蜗杆选用 42CrMo 表面淬火 45 55HRC 3 2 机械设计基础第二版 的表 12 6 涡轮选用锡青铜 ZCuSn10P1 砂模铸造 H 200MPa F 51MPa 单向运转 12 2 2 按涡轮齿面接触疲劳强度设计 按涡轮齿面接触疲劳强度设计 1 确定蜗杆头数 z1 涡轮齿数 z2 传动比 i2 2 55 查 机械设计基础第二版 的表 12 2 选 Z1 2 则 z2 iz1 2 55 2 55 3 2 初估效率 1 由 机械设计基础第二版 的 12 3 2 节推荐 初估 1 0 8 3 3 计算涡轮转矩 T2 3 7 额 机 n 1055 9 6 111 2 2 P iTiT 55 2 0 8 9 55 106 18 5 1470 2644115 6Nmm 4 确定载荷系数 K 机械设计基础第二版 的表 12 8 取工作情况载荷系数 KA 1 0 由 12 5 2 节推荐取载荷分布系数 K 1 0 载荷平稳 驱动载荷系数 KV 1 05 初估 v2 3m s 则 K KAK KV 1 0 1 0 1 05 1 05 5 确定模数 m 和蜗杆分度圆直径 d1 和涡轮分度圆直径 d2 3 8 2 2 21 2 480 H Z KTdm 32 2 21 2 5 5286 480 mm Z KTdm H 查 机械设计基础第二版 的表 12 1 得 m2d1 6400mm3 m 8mm d1 100 则 d2 mz2 8 55 440mm 6 计算蜗杆导程角 滑动速度 vs 蜗轮切向速度 v2 因为 3 9 16 0 100 28 tan 1 1 d mz 所以 9 09 3 10 m s79 7 m s 099cos100060 1470100 cos100060 v 1 s 额 nd 3 11 m s23 1 m s 100060100060 v 2 22 2 i ndnd 额 V2 1 23m s 3m s 初选 KV 1 05 合适 7 计算总效率 交流电梯 PLC 控制系统设计 13 根据 Vs 7 79m s 查 机械设计基础第二版 的表 12 4 得 v 1 30 1 5 度 3 12 822 0 tan tan 96 0 96 0 2 v 与初估效率 1 0 80 有一定的偏差 需复核 m2d1 8 复核 m2d1 3 13 2 1 3 TT 3 6400 9 5431 480 32 2 31 2 mmmm Z KTdm H 故原设计何用 3 3 校核涡轮齿根弯曲疲劳强度 校核涡轮齿根弯曲疲劳强度 1 确定涡轮齿形系数 YF 当量齿数 zv z2 cos3 57 13 根据 zv 3 57 13 9 09 按插值法查 机械设计基础第二版 的表 12 9 得 YF 2 28 3 2 确定涡轮螺旋角系数 Y 3 14 94 0 140 1 Y 3 复核涡轮转矩 T3 NmmTT 8 2716828 80 0 822 0 6 2644115 2 1 3 4 校核涡轮弯曲强度 3 15 MPaYY mdd KT FF 48 28 64 1 21 3 F 28 48MPa F 51MPa 弯曲强度足够 4 4 蜗杆 涡轮各部分尺寸计算 蜗杆 涡轮各部分尺寸计算 圆柱蜗杆涡轮主要几何尺寸如表 2 1 所示 14 表表 2 12 1 圆柱蜗杆涡轮主要几何尺寸圆柱蜗杆涡轮主要几何尺寸 名称蜗杆涡轮 齿顶高 mm ha1 8 ha2 8 齿根高 mm hf1 9 6 hf2 9 6 全齿高 mm h1 17 6 h2 17 6 分度圆直径 mm d1 100 d2 440 齿顶圆直径 mm da1 116 da2 456 齿根圆直径 mm df1 80 8 df2 420 8 节圆直径 mm d11 100 d21 440 蜗杆轴向齿距 mm Pa 25 蜗杆导程角 mm 9 09 中心距 mm a 270 顶隙 mm 0 2 5 5 热平衡计算 热平衡计算 1 确定室温 t0 允许油温 t1 散热系数 KS 根据 机械设计基础第二版 12 6 2 节推荐 t0 20 t1 90 KS 17W m2 2 计算工作油温 t1 3 16 85 1 1000 101 tt AK P t S 机 故工作油温合适 6 6 蜗杆传动润滑方式及精度等级选择 蜗杆传动润滑方式及精度等级选择 1 确定润滑油粘度及润滑方式 根据 vs 7 79m s 查 机械设计基础第二版 的表 12 10 选用润滑油粘度为 v40 220mm2 s 润滑方式油池润滑 2 确定精度等级 根据 vs 7 79m s 查 机械设计基础第二版 的表 12 11 选用 7 级精度 3 交流电梯 PLC 控制系统设计 15 2 2 52 2 5 涡轮轴的结构设计及强度计算涡轮轴的结构设计及强度计算 1 1 选择轴的材料 确定许用应力 选择轴的材料 确定许用应力 根据电梯启 制动频繁 冲击载荷大的工作特点 减速器中轴的材料 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 故选用 45 钢并调质 处理 查 机械设计基础第二版 的表 16 1 得到强度极限 B 637MPa 再由表 16 3 得许用弯曲强度 b 60MPa 2 2 按扭转强度估算轴径 最小直径 按扭转强度估算轴径 最小直径 根据 机械设计基础第二版 的表 16 2 得 C 118 107 由公式 3 17 3 3 d 轴 轴 n P C mm 9 77 4 70 55 21470 822 0 5 18 118 107 3 d 考虑到轴的最小处要安装曳引轮 会有键槽存在 故需将估算的轴直径加大 3 5 取为 73 9 81 8mm 由设计手册取标准直径 d1 75mm 3 3 3 确定轴的结构 确定轴的结构 根据设计参数和要求 得出如图 2 3 的轴结构草图 图 2 3 涡轮轴结构草图 16 4 4 确定各轴段的直径 确定各轴段的直径 1 d1 75 按扭转强度估算的最小直径 2 d2 85 与轴承 深沟球轴承 6217 配合 3 d3 90mm 轴段 与 间非定位轴肩一般去 0 5 3mm 4 d4 100mm d3 2h 90 2 5mm 100mm 式中 h 为轴肩高 h 0 07d3 3 0 1d3 5 6 15 9 5mm 取 h 5mm 5 d5 95mm 轴承 0 系列深沟球轴承 6217 的安装尺寸 5 5 确定各轴段的长度 确定各轴段的长度 1 d1 段 Ll 155mm 根据曳引轮的厚度和安装要求而定 2 d2 右段 L2 116mm 外露尺寸 57mm 箱体壁厚 46mm 齿轮端面到箱体内壁间 隙 15mm 3 d3 段 L3 133mm 比涡轮轮毂长度短 2mm 涡轮轮毂长 L 1 2 1 8 d3 133mm 4 d4 段 L4 b 10mm 宽度 b 1 4h 1 4 7 9 8mm 10mm 5 d5 段 L5 10mm 左端轴承到齿轮轮毂距离为 20mm 减去 L3 6 d2 左段 L6 30mm 轴伸出轴承 2mm 6217 轴承宽 28 轴的总长 L L1 L2 L3 L4 L5 L6 378mm 6 6 轴的强度校核 轴的强度校核 1 计算涡轮上的圆周力 Ft和径向力 Fr 3 18 N d T Ft 2 12349 440 8 271682822 2 3 3 19 7 449420tan 2 12349tan tr FF 2 涡轮轴的的受力分析 其如图 2 4 b 所示 两轴承支撑长度为 202mm 涡轮端面到支撑点的距离为 35mm 3 做水平面内的弯矩图 如图 2 4 c 所示 支点反力为 N Ft FF HBHA 6 6174 2 2 12349 2 截面处的弯矩为 MH 6174 6 101N mm 623634 6N mm 截面处的弯矩为 MH 6174 6 35N mm 216111N mm 4 作垂直面内的弯矩图 如图 2 4 d 所示 支点反力为 交流电梯 PLC 控制系统设计 17 N F FF r VBVA 4 2247 2 7 4494 2 截面的弯矩为 MV 2247 4 101N mm 226987 4N mm 截面的弯矩为 MV 2247 4 35N mm 78659N mm 图 2 4 受力分析图 18 5 作合成弯矩图 如图 2 4 e 所示 3 20 22 VH MMM 合 截面 MI 663659 1N mm II II 截面 MII 229980 9 N mm 6 作转矩图 如图 3 3 f 所示 T T3 2716828 8N mm 7 求当量弯矩 因为减速器单向运转 故可认为转矩为脉动循环变化 修正系数 为 0 6 截面 mm 2 1760017 22 NTMMe 截面 NmmTMMe 7 1646240 22 8 确定危险截面及校核强度 由上图可知 截面 I I II II 所受转矩相同 但弯矩 MeI MeII 且轴上还有键槽 故截面 II II 可能为危险截面 但由于轴径 dI dII 故也应对截面 I I 进行校核 I I 截面 3 21 MPa dW Me e 14 24 1 0 2 1760017 3 3 3 22 MPa dW Me e 81 26 1 0 7 1646240 3 2 查 机械设计基础第二版 的表 16 3 得 1b 60MPa 满足 e 1b 的条件 故设计的轴有足够的强度 并有一定的裕度 3 2 32 3 轿厢结构设计轿厢结构设计 2 3 12 3 1 轿厢架的设计轿厢架的设计 在轿厢架系统中 轿厢架主体结构 上梁 下梁 侧梁及结构附件和悬吊装置属 于专用模块 根据电梯系统不同而不同 而导靴 安全钳只根据速度及载重的变化而 配置不同型号 与电梯系统基本无关 因此作为通用模块 其接口设计成标准形式 同规格型号可应用于不同的梯种 4 1 1 上梁结构设计 上梁结构设计 根据上梁的受力情况 可以近似把它简化为简支梁 承受弯曲应力 作用在上梁 的力主要有轿厢自重 包括所有悬挂物 G 和额定载荷 Q 其受力分析和强度计算如下 交流电梯 PLC 控制系统设计 19 1 上梁的受力分析 如图 2 5 图 2 5 上梁受力分析图 2 上梁的有关技术参数 材料 冷板折弯件 Q235 A 断面的惯性矩 Ix 9850000 00mm4 抗弯界面模量 Wx 167000 00 mm3 梁的长度 L 1628 00mm 材料的屈服强度 s 235 00Mpa 简化计 算时上梁的许用安全系数 n 3 4 3 其强度计算如下 最大正应力 3 23 Wn gLQG W M n 4 max max Mpa W M n 32 57 00 1670004 16288 9 10001400 max max n s max 4 1 3 4 式中 Mmax 最大弯矩 千克力 厘米 P 轿厢及随行件总重量 Q 额定载重量 2 2 侧梁结构设计 侧梁结构设计 20 1 侧梁的有关技术参数材料 冷板折弯件 Q235 A 材料的屈服强度 s 235 00Mpa 简化计算时上梁的许用安全系数 n 7 5 2 将立柱受力状态简化为简单的拉伸 其强度计算方法 3 24 A QP a g 2 10743358mmA mmN a 9 21 1074 8 910001099 5 7 3 12 2 19 235 a s n 式中 A 立柱截面面积 根据 TKJU001001 立柱图算得立柱横截面展开长为 358mm 板厚 3mm 所以 3 3 底梁结构设计 底梁结构设计 1 假设下梁与两端的刚性连接简化为铰接结构 下梁的受力分析如图 2 6 2 上梁的有关技术参数 材料 冷板折弯件 Q235 A 断面的惯性矩 Ix 5640000 00mm4 抗弯界面模量 Wx 80500 00mm3 梁的长度 L 1628 00mm 材料的屈服强度 s 235 00Mpa 简化计算 时上梁的许用安全系数 n 2 3 3 其强度计算如下 最大正应力 3 25 Wn QgL W M n 4 max max Mpa W M n 55 49 00 80500 4 1628 8 9 1000 max max n s max 4 7 2 3 式中 Mmax 最大弯矩 千克力 厘米 Q 额定载重量 交流电梯 PLC 控制系统设计 21 图 2 6 下梁受力分析图 2 3 22 3 2 轿厢体的设计轿厢体的设计 一般电梯的轿厢体由轿底 轿壁 轿顶 轿门等机件组成 轿厢出入口内部净高 度至少为 2m 轿厢的面积应按 GB7588 2003 的 8 2 条的规定进行有效控制 因此本次 设计 轿厢的最大有效面积为 2 4 1 4 1 1 轿底 轿底 轿底用 6 10 号槽钢和角钢安设计要求的尺寸焊接成框架 然后在框架上铺设一层 3 4mm 厚的钢板或木板二层 2 2 轿壁 轿壁 轿壁采用厚度为 1 2 1 5mm 的薄钢板制成槽钢形式 壁板的两头分别焊接一根角 钢堵头 轿壁间以及轿壁与轿顶 轿底间采用螺钉紧固成一体 观光电梯轿壁可使用厚度不小于 10mm 的夹层玻璃 玻璃上应有供应商名称或商标 玻璃形式和厚度的永久性标志 在距轿厢地板 1 1m 高度以下 若使用玻璃轿壁 则应 在 0 9 1 1m 的高度设一个扶手 这个副手应牢固固定 3 3 轿顶 轿顶 轿顶的结构与轿壁相仿 轿顶装有照明灯 电风扇 安全窗等 电梯的轿顶应能 承受三个带一个一般常用工具的检修人员的重量 22 2 3 32 3 3 电梯轿厢主要参数的确定电梯轿厢主要参数的确定 已知客梯额定载重量为 1000kg 按公式额定载重量 75 计算向下圆整到最近的整数 可得出乘客人数 1000kg 75kg 13 人 按照 GB T7025 1 3 1997 规定 客梯轿厢宽度为 1600mm 深度为 1400mm 高度 为 2300mm 轿门宽度为 1100mm 高度为 2100mm 开门形式为中分门 为了防止由于轿厢内人员过多引起超载 轿厢的有效面积应予以限制 轿厢的有 效面积指轿厢内的实用面积 根据 GB7588 2003 的 8 2 条的规定 额定载重为 1000Kg 乘客人数为 13 人的轿厢的最小有效面积为 2 15 最大有效面积为 2 40 本设计设计的电梯其有效面积为 1 6m 1 4m 2 24 其大于最小值 2 15 小于 最大值 2 40 符合国家标准 5 2 42 4 电梯的对重装置电梯的对重装置 对重可以相对平衡轿厢的重量和部分电梯负载重量 减少曳引机功率的损耗 当 电梯负载与对重十分匹配时 还可以减少钢丝绳与曳引轮之间的曳引力 延长钢丝绳 的寿命 使轿厢或对重撞在缓冲器上后 电梯失去曳引条件 避免了冲顶事故的发生 也使电梯的提升高度大大提高 1 4 1 1 对重装置的种类及其结构 对重装置的种类及其结构 对重装置一般分为无对重轮式 曳引比为 1 1 的电梯 和有对重轮 反绳轮 式 曳引比为 2 1 的电梯 两种 不论事有对重轮式 还是无对重轮式的对重装置 其结构组成是基本相同的 一 般由对重架 对重块 导靴 缓冲器碰块 压块 以及与轿厢相连的曳引绳和对重轮 指 2 1 曳引比的电梯 组成 2 2 对重重量值的确定 对重重量值的确定 为了使对重装置能对轿厢其最佳的平衡作用 必须正确计算其重量 对重的重量 值与电梯轿厢本身的净重和轿厢的额定在总量有关 一般在电梯满载和空载时 曳引 钢丝绳两端的重量差值应为最小 以使曳引机组消耗功率少 钢丝绳也不易大滑 对重装置过轻或过重 都会给电梯的调整工作造成困难 影响电梯的整机性能和 使用效果 甚至造成冲顶或蹲底事故 交流电梯 PLC 控制系统设计 23 对重的总重量通常以下面基本公式计算 W G K Q 2 26 式中 W 对重总重量 Kg Q 轿厢额定载重量 Kg G 轿厢自量 Kg K 电梯平衡系数 为 0 4 0 5 以钢丝绳两端重量只差值最小为好 平衡系数选值原则是 尽量使电梯接近最佳工作状态 本设计的对重总重量 1900Kg 2 52 5 自动门系统的设计自动门系统的设计 2 5 12 5 1 门结构的设计门结构的设计 1 1 门形式的选择 门形式的选择 电梯门主要有两类 即滑动门和旋转门 而滑动门又分为中分式 旁开式和直分 式 层门和轿门要用同一总类型 根据功能和设计要求 本设计选用中分式 2 2 开关门结构的选择 开关门结构的选择 开关门形式分为手动开关门和自动开关门两种 如今的电梯大多数都是采用自动 式开关门 故本设计也采用自动式开关门 而传动结构采用带式传动 其结构如图 2 7 所示 图 2 7 电梯门机构 1 电动机 2 皮带轮 3 防滑同步皮带 4 门导轨 5 门刀 6 皮带 其工作过程是 有电动机 1 带动带轮 2 和与带轮同轴的同步皮带 3 使同步皮带轮 上的门刀 5 作水平运动 从而实现电梯门在门导轨 4 上的开门和关门 24 2 5 22 5 2 门电机的选择门电机的选择 由于直流电机具有优良的调速特性 调速平滑 范围广 方便 过载能力强 能 承受频繁的冲击负载 可实现频繁的无极快速启动 制动和反转 能满足自动化系统 各种不同的特殊运行要求 4 5 鉴于此 本设计采用直流电动机为开关门电机 图 2 8 电梯开关门直流电机 2 62 6 电梯的保护装置电梯的保护装置 2 6 12 6 1 超速保护和缓冲保护装置超速保护和缓冲保护装置 1 1 超速保护超速保护 为了确保乘用人员和电梯设备的安全 限速装置和安全钳就是防止轿厢或对重装 置意外坠落和轿厢冲顶的安全设施之一 限速器是检测轿厢超速的装置 一般安装在机房内 它总是和安全钳连用的 张 紧装置位于井道底坑 用压导板固定在导轨上 限速器在电梯超速并在超速达到临界 值时起检测及操纵作用 而安全钳则是在限速器操纵下强制轿厢停住的执行机构 限速器包括电梯运行速度的转动部分 当电梯达到极限速度时将限速器绳夹紧的 机械自锁部分 钢丝绳下部张紧装置 它按照检测超速的原理有惯性式和离心式两种 目前绝大部分电梯均采用离心式限速器 而安全钳装置包括安全钳本体 安全钳提拉 联动机构 安全期按结构和工作原理可分为瞬时式安全钳和渐进式安全钳 4 2 2 缓冲保护装置缓冲保护装置 电梯由于控制失灵 曳引力不足或制动失灵等发生轿厢或对重蹲底时 缓冲器将 交流电梯 PLC 控制系统设计 25 吸收轿厢或对重的动能 提供最后的保护 以保证人员和电梯的安全 缓冲器按工作原理不同 可分为弹簧式缓冲器和油压式缓冲器 强制驱动电梯除 在轿厢和对重的行程底部极限位置设置缓冲器外 还应在轿顶上设置能在行程上部极 限位置起作用的缓冲器 若有对重 则在对重缓冲器被完全压缩之前 这些上部缓冲 器应不起作用 2 6 22 6 2 机械安全防护装置机械安全防护装置 1 1 轿顶护栏 轿顶护栏 轿顶护栏用于防止检修人员不慎坠落井道 要求护栏上应有俯伏或斜靠护栏危险 的警示符号或须知 并适当的位置妥当固定 2 2 轿厢护脚板轿厢护脚板 轿厢护脚板是非常重要的防护装置 在轿厢不平层时轿厢与层门地坎间产生空间 这个空间会使乘客或检修人员的脚踏入或伸入井道 导致事故发生 3 3 底坑对重侧防护 底坑对重侧防护 为了防止人员进入底坑对重侧而造成人身伤害 对重的运行区域应采用刚性隔障 防护 该隔障防护应自电梯底坑地面上不大于 0 3m 处向上延伸到至少 2 5m 处 其宽 度至少等于对重宽度两边各加 0 1m 1 2 72 7 本章小结本章小结 本章主要是对电梯曳引机的减速器进行设计和校核计算 还有就是驱动方案的确 定 轿厢结构的设计以及电梯的对重装置和机械保护装置的介绍 26 3 3 PLCPLC 控制系统系统的硬件设计控制系统系统的硬件设计 本设计的系统为九层九门的交流变频调速电梯的 PLC 控制系统的设计 3 13 1 系统总体方案的确定系统总体方案的确定 3 1 13 1 1 电梯操作方式的确定电梯操作方式的确定 单台电梯的操作方式有手柄操纵控制 按钮控制 信号控制和集选种植等 在乘 客电梯中几乎全部采用集选控制方式 而集选控制方式有分为以下两种 1 1 单轿厢下集选控制 单轿厢下集选控制 这种方式登记所有轿厢和厅门下行召唤 轿厢上行时 只应答轿厢召唤 直至最 高层 自动改变运行方向为下行 应答厅门下行召唤 2 2 单轿厢全集选控制 单轿厢全集选控制 此种方式登一记所有厅门和轿厢召唤 上行时顺应答轿厢和厅门上召唤 直至最高 层自动反向应答下行召唤和轿厢召唤 6 7 由于本设计的系统是乘客电梯的 故采用全集选操作方式 3 1 23 1 2 系统的总体设计方案系统的总体设计方案 系统采用全集选控制方式 主要包括信号控制系统和拖动调速控制系统两大部份 控制系统的核心是 PLC 操纵盘 呼梯盒 位置 安全保护及变频器工作状态等信号输 入 PLC 经 PLC 运算处理后由输出接口分别向显示电路发出呼梯 定向等显示信号 通 过变频器主拖动曳引机和向门电机发出控制信号 然而 一般的国内 VVVF 电梯控制器由于采用专用变频器进行调速 使得整个控制 系统的成本居高不下 性价比无法达到理想的水平 鉴于此 本设计经过大量的调研 和分析以及比较 确定出如图 3 1 所示的控制方案 交流电梯 PLC 控制系统设计 27 图 3 1 电梯控制方案图 3 23 2 变频器的选型变频器的选型 3 2 13 2 1 调速方式的比较及选择调速方式的比较及选择 1 1 直流电动机调速 直流电动机调速 直流电动机调速的平滑性好 范围广 无噪音 能满足人们快捷 舒适的要求 但直流电动机具有结构复杂 制造和维修困难 体积大 占地面积大等缺点 2 2 交流电动机的变极调速 交流电动机的变极调速 交流电动机的转速公式为 3 1 p sf N 1 6