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缓降器性能试验机设计【包含CAD图纸+PDF图】

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缓降器性能试验机设计【包含CAD图纸】
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缓降器 性能 试验 设计 包含 CAD 图纸 PDF
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内容简介:
吉林大学本科生毕业论文1 绪 论现代社会高度发展,城市化进程进一步加快,高楼大厦曾出不穷,如何让人们的生活富足且具有更高的安全系数,是消防人员的重大责任。救生缓降器就是在高楼出现火灾等危险情况时,供人们逃生的装置。该装置主要由新型限速器、绳索卷盘、安全带、安全钩、挂环及连接钢丝绳等组成,性能优异,安全可靠。 适用范围该装置适用于各类高层建筑如办公楼、写字楼、公共娱乐场所、宾馆、饭店、住宅、公寓、商厦、机关、医院、学校等场所配备,并是消防部门施救装置,还可用于高空作业等需匀速缓降的场合。产品特点1.降速平稳,安全可靠。采用最新技术,完全消除重力加速度,降速平稳均匀,限速阻尼感、安全感强,无空程。检测结果表明:在使用载荷25-100kg时的下降速度为 0.5-2.0m/s,重复下降速度偏差5%。2.自动+手动,可悬停。除限速器自动调速外,还可进行手动降速干预,可刹车悬停。3.安全裕度高,使用寿命长。采用纯裸镀锌钢丝绳,强度高、阻燃、寿命长。4.灵活实用的两种使用方式。该装置研制出便携式(手提箱)和固定安装式(壁挂箱)两种产品,既可供多人(操控)稳定使用,又可供个人(操控)移动使用。5.设计先进,结构紧凑。限速器采用精铸铝合金外壳,精美,轻质(仅重2.5kg)。 492 总体方案设计设计题目:缓降器性能试验机设计设计要求:1) 了解缓降器性能试验机的用途,主要构成;策划系统的总体结构和实现方案。2) 了解缓降器性能试验机的工作原理,设计缓降器性能试验机的机械结构。3) 完成缓降器性能试验机的电气部分设计。包括:直流电机的加载原理,直流电机控制器的控制电路,拉力测量电路设计,线速度测量电路设计,微机计数卡的原理框图,控制软件流程图。4) 完成翻译译文,最少工作量为5000汉字。5) 针对本课题内容需要绘制4张工作图,撰写2万字设计说明书。设计参数:1、绳的直径:4mm。2、下降速度:1.52.0m/s。3、承载力:100kg。4、机架高度:1.52.0m。5、脉冲测长:100m。6、调速器:欧陆直流调速器。7、采集卡:宏拓7484采集卡。8、电磁离合器:2个,一开一合。本设计为缓降器性能试验机设计。在设计的过程中,需要由电机提供动力。而电动机的转速较高,传递的转矩则较小,故不能将电动机输出轴和电磁离合器输入轴直接联结,须经过减速、增扭过程,再与电磁离合器输入轴联结。在设计中,一般采用减速器作为电动机与工作机之间的联结装置。在本设计中,我们采用锥齿-圆柱齿轮减速器做联结装置,将电动机的动力通过减速器传递给电磁离合器。电磁离合器通过绕在其上面的缓降绳与缓降盘联结,缓降盘上装有拉力传感器,通过传感器测定通过缓降盘的拉力的变化,传递给采集卡及微机控制系统。在电动机上装有测速发电机,测定电动机转速的变化。在设计中,电动机和减速器之间通过V带或联轴器联结,减速器和电磁离合器之间通过联轴器联结。实际选择时应根据实际情况选择V带或联轴器作为电动机输出轴与减速器输入轴之间的联接装置。在设计中,一般将机器之间的传动设计成直线联结形式,因此,我们选择联轴器作为减速器输出轴和电磁离合器输入轴之间的联接装置,选择V带作为电动机输出轴与减速器输入轴之间的联结装置。之所以选择锥齿-圆柱齿轮减速器,是因为用它可实现将机器设计成直线传动形式的目的。考虑到减速的程度问题,选择两级锥齿-圆柱齿轮减速器。综上所述,系统总体传动方案如图2.1所示。在检测中,需采集缓降绳所受拉力的大小及其下降速度的大小,将两个参数分别列在坐标轴横纵坐标上。当拉力在245N980N之间变化时,下降速度在1.52.0m/s之间变化,则试验机是合格的,可作为救生装置装在楼道内。实际上,我们是通过测定电动机的转速来间接测定缓降绳的下降速度的。电动机转速的测定是同过测速发电机来实现的,具体测定过程见6.4节。缓降绳下降速度-所受拉力(V-F曲线)曲线如图2.2 所示。3 电动机的选择3.1 选择电动机的型号和结构型式电动机的选择既要考虑实用性、节能型,又要考虑其满足设计要求的性能,在缓降器性能试验机设计中,人的重量为:25Kg100 Kg,下降速度为:1.0m/s1.5 m/s,设计中,我们均取最大值,作为缓降绳所受拉力和下降速度,则拉力F=mg=1000N,V=2 m/s,去工作机效率=0.9,可求得工作机(即电磁离合器绕绳轮)功率为: =2.22KW (3-1)式中,工作机效率;工作机要求的输入功率;F工作机阻力;V工作机线速度。电动机所需的输出功率为: =(KW) (3-2)式中,工作机要求的输入功率;电动机至工作机的传动效率。设计中要求电动机额定功率。电动动机至工作机的传动效率:=由机械设计课程设计查得V带、轴承、联轴器等的传动效率分别为:0.98、0.99、0.97、0.99、0.97、0.99、0.98,则=0.980.990.970.990.970.990.98=0.8768则=2.532KW故=2.532 KW。取工作机鼓轮直径(即电磁离合器绕绳轮直径)D=400mm,则工作机轴转速为: =95.54r/min (3-3)查机械设计课程设计表2-3,2-4知,锥齿-圆柱齿轮减速器传动比范围为i=815,则电机的转速范围为:=(815)95.54 = (764.321433.1) r/min,查机械设计课程设计表2.1-2,取电机同步转速为:1000 r/min,电机额定功率为:=3KW,电机型号为:Y132S-6,将电机型号及主要尺寸列表如下(表3.1):表3.1 电机型号及主要尺寸型号额定功率(KW)满载功率(r/min)同步转速(r/min)电机中心高(mm)外伸轴直径和长度DE(mm)Y132S-63960100013238803.2 分配传动比电动机选定以后,根据电动机的满载转速及工作机转速即可确定传动装置的总传动比为:i=10.01 。下面将总传动比分配给锥齿-圆柱齿轮减速器,由机械设计课程设计教材,对于锥齿-圆柱齿轮减速器,取锥齿轮传动比为=0.25i,并应使3,最大允许4,我们取=0.25i=0.2510.01=2.5123,取整数=2.5,符合要求。对于圆柱齿轮,要求=35,而实际上=i/=10.01/2.5=4.004,取=4,符合要求。故锥齿轮和圆柱齿轮传动比分别为:=2.5,=4。3.3 传动装置动力与运动参数设计3.3.1 各轴转速=960 r/min,=384 r/min,=96 r/min,=96 r/min。3.3.2 各轴功率=2.5320.98=2.4814KW,=2.48140.990.97=2.3829 KW,=2.38290.990.97=2.2883 KW,=2.28830.990.98=2.22 KW。3.3.3 各轴转矩=9550=9550=24.6887 Nm,=9550=9550=59.2622 Nm,=9550=9550=227.6382 Nm,=9550=9550=220.8438 Nm。将传动装置运动和动力参数计算结果列表如下(表3.2):4 减速器设计由总体方案知,采用锥齿-圆柱齿轮减速器作为减速装置,在减速器的设计中,总体尺寸主要由锥齿轮及圆柱齿轮的尺寸决定,因此,锥齿轮及圆柱齿轮的设计是至关重要的。4.1 圆锥齿轮设计1. 选择齿轮材料、热处理根据设计要求,选用闭式软齿轮设计。大齿轮:45#,正火,齿面硬度:190200HBS;小齿轮:45#,调质,齿面硬度:220230HBS。2. 选择齿轮精度等级、齿数、齿宽系数缓降器性能试验机为一般性提升、移位装置,故选用8级精度。对闭式软齿轮,推荐小齿轮齿数=2040,选=30,则=75. =2.5=。由机械设计教材知,齿宽系数=0.250.3,取=0.26。3. 确定相关参数cos=0.9285, =,cos=0.3714, =,当量齿数:=32.31,取=32,=201.94,取=202,当量齿轮端面重合度: 。4. 按齿面接触疲劳强度设计由 (4-1)确定式中各项数值:由表3.2知,=24.6887 Nmm, 载荷受中等冲击,查机械设计(以下简称机设),初选载荷系数=1.5,查机设表9-7,取弹性系数=189.8,查机设图9-14,取节点区域系数=2.5,由 =1.7651,查机设图9-13,取接触强度重合度系数=0.875。由机设式9-11知, = (4-2)分别查机设图9-16(d), 9-16(c),取=525MPa,=390 MPa,查机设表9-8,取=1.25,对,设锥齿轮工作寿命为10年,则,查机设图9-15,取,将以上各参数代入式(4-2),得=1=420 MPa, =1.15=359 MPa,取=359 MPa设计。 将以上求得的、u、代入式(4-1),得 = = 77.95mm,则V=3.92m/s,由机设表9-5,取=1.5,由机设图9-7,取=1.17,又锥齿轮齿宽系数=0.4,查机设图9-10,取=1.11,查机设图9-6,取=1.2,则K=1.51.171.111.2=2.34,所以,=77.95=90.94mm,由= m, 所以m=3.013mm,由机设表9-1,选m=3。锥齿轮主要几何尺寸如下:= m=330=90mm,= m=375=225mm,R =121.17mm,b=R = 0.26121.17=31.50mm,因锥齿轮大小齿轮宽度相等,取齿宽=32mm,=-2cos=-21.2mcos=90-21.230.9285=83.315mm,=-2cos=-21.2mcos=225-21.230.3714=222.326mm,=+2cos=+2mcos=90+2130.9285=95.571mm,=+2cos=+2mcos=225+2130.3714=227.228mm。5. 校核齿根弯曲疲劳强度由 (4-3)确定、:由机设知,当量齿数 , ,查机设图9-19,取=2.48,查机设图9-20,取,查机设图9-22(c),在ML上取,同理,在机设图9-22(d)上取,查机设表9-8(c),取,又应力循环次数,查机设图9-21,取,故,将确定出的各项数值代入弯曲强度校核公式(4-3),得,故齿根弯曲疲劳强度满足要求。4.2 圆柱齿轮设计1. 选择齿轮材料、热处理根据设计要求,选闭式软齿轮设计。大齿轮:45#,正火,齿面硬度:190200HBS;小齿轮:45#,调质,齿面硬度:230240HBS。2. 选择齿轮精度等级、齿数、螺旋角因缓降器性能试验机为一般性提升、移位装置,故选用8级精度。对闭式软齿轮,推荐小齿轮齿数=2040,选=25,则,=4=。初选螺旋角。3. 按齿面接触疲劳强度设计 由 (4-4)确定式中各项数值:由表3.2知,=59.2622 Nmm, 因载荷平稳,初选载荷系数,查机设表9-10,取齿宽系数,查机设表9-7,取弹性系数=189.8,查机设图9-14,取节点区域系数=2.42,由式9-7,端面重合度,纵向重合度,查机设图9-13,取接触强度重合度系数,又螺旋角系数,设圆柱齿轮工作寿命为10年,由机设式9-12得应力循环次数,查机设图9-15,取接触强度寿命系数,查机设图9-16(d),按小齿轮齿面硬度平均值235HBS,在MQ和ML线中间(适当延长MQ和ML线)查得小齿轮接触疲劳极限,同理,在图(d)上查得大齿轮接触疲劳极限,查机设表9-8,取齿轮最小安全系数,则许用接触应力, ,取设计。 将以上所求各数据代入式(4-4),得 = = 49.94mm,则,由机设表9-5,取使用系数,由机设图9-7,取动载系数,由机设图9-10,取齿向载荷分布系数,由机设图9-6,取齿间载荷分配系数,则载荷系数,由机设表9-1,取斜齿圆柱齿轮模数。圆柱齿轮主要几何尺寸为:中心距,取。螺旋角,故。,取大齿轮齿厚,小齿轮齿厚。5. 校核齿根弯曲疲劳强度由 (4-5)计算当量齿轮端面重合度,由机设表9-11知,端面压力角基圆柱上的螺旋角的余弦为,故,由机设式9-13,重合度系数,由机设图9-28,取螺旋角系数,当量齿数 ,查机设图9-19,取齿形系数,查机设图9-20,取应力修正系数,查机设图9-21,取弯曲疲劳强度寿命系数,由机设9-22(c), 按小齿轮齿面硬度平均值235HBS,在ML线(适当延长)上查得小齿轮弯曲疲劳极限,同理,在图(d)上查得大齿轮弯曲疲劳极限,查机设表9-8,取齿轮最小安全系数,则许用弯曲应力, ,将以上所求各数据代入式(4-5),得,故齿根弯曲疲劳强度满足要求。4.3 锥齿-圆柱齿轮设计数据小结4.3.1 锥齿轮数据;。4.3.2 圆柱齿轮数据;;;; ;;;。4.4 轴、轴承、键及联轴器型号的选择由机械设计课程设计(以下简称机设课设),初估轴径:,电机轴:,取;轴:,取;轴:,取;轴:,取。4.4.1 -轴上轴径、轴承、键及油封的确定4.4.1.1 -轴上各轴段直径根据初估轴径,取,则由机设课设得其他轴段直径分别为:,取;-轴段上有角接触球轴承,初取 ,由机设课设表2.4-3,取;-轴段上有角接触球轴承且应和-轴段上轴承型号尺寸相同,故;。所以各轴段直径分别为:;。-轴上各轴段直径尺寸及轴承安装如图4.1所示。4.4.1.2 -及-轴段上轴承的确定由机设课设,确定两轴承的型号及尺寸如下:型号:滚动轴承7208C GB292-83尺寸: 4.4.1.3 -轴段及-轴段上键的确定-轴段上键:由机设课设表2.3-1,查得键型号:键 GB1096-79 高度:;-轴段上键:由机设课设表2.3-1,查得键型号:键 GB1096-79 高度:。4.4.1.4 -轴上油封的确定因-轴轴径,由机设课设表2.5-4,确定油封的型号及尺寸如下: 型号:垫圈油封30 FZ/T92010-91 尺寸:,。4.4.2 -轴上轴径、轴承、键的确定方法同上,确定各尺寸如下:1. 轴径 ;。-轴上各轴段直径尺寸及轴承安装如图4.2所示。2. 轴承型号:滚动轴承7206C GB292-83尺寸: 3. 键-轴段上键:由机设课设表2.3-1,查得键型号:键 GB1096-79 高度:;-轴段上键:由机设课设表2.3-1,查得键型号:键 GB1096-79 高度:。4.4.3 -轴上轴径、轴承、键及联轴器的确定方法同上,确定各尺寸如下:1. 轴径 ;。-轴上各轴段直径尺寸及轴承安装如图4.3所示。2. 轴承型号:滚动轴承7210C GB292-83尺寸: 3. 键-轴段上键:由机设课设表2.3-1,查得键型号:键 GB1096-79 高度:;-轴段上键:由机设课设表2.3-1,查得键型号:键 GB1096-79 高度:。4. 联轴器型号:YL7联轴器 GB5843-86长度:。5 其它机械结构设计5.1 带传动设计5.1.1 带传动的类型带传动是在两个或多个带轮之间用带作为拉曳元件来传递运动和动力的一种挠性件传动。带传动分为摩擦传动和啮合传动两类。平带V带多楔带圆带都是利用带与带之间的摩擦力实现传动的,同步带则是靠带齿与轮齿相啮合传递运动和动力的。5.1.2 带传动的选择平带传动结构最简单,带轮也容易制造,使用成本低廉,形式多样,传动中心距较大,在农业机械中应用较多。V带是一般机械传动中应用最广泛的。V带的横截面呈等腰梯形,带轮上也做出相应的轮槽。传动时,V带只和轮槽的两个侧面接触,即以两侧面为工作面。根据槽面摩擦原理,在同样的张紧力下,V带传动较平带传动能产生更大的摩擦力。V带传动的传动比较大,结构较紧凑,并且V带多已标准化大批量生产,因而V带传动的应用比平带传动广泛得多。在缓降器性能试验机设计中,我们采用V带传动,将电机的输出功率等传递给减速器。5.1.3 V带轮设计1 V带轮设计的要求设计V带轮时应满足的要求有:质量小;结构工艺性好;无过大的铸造内应力;质量分布均匀;转速高时要经过动平衡;轮槽工作面要精加工,以减少带的磨损;各槽的尺寸和角度应保持一定的精度,以使载荷分布较为均匀等。2 带轮的材料带轮的材料主要采用铸铁,常用的材料牌号为HT150或HT200;转速较高时宜采用铸钢;小功率时可用铸铝或塑料。在本设计中,我们采用HT200作为带轮的材料。3 结构尺寸铸铁制V带轮的典型结构有以下几种形式:(1)实心式;(2)腹板式;(3)孔板式;(4)椭圆剖面轮辐式。带轮基准直径 (d为轴的直径, mm)时,采用实心式;时,采用腹板式(当时,采用孔板式);时,采用轮辐式。带轮的结构设计,主要是根据带轮的基准直径选择结构形式,根据带的型号确定轮槽尺寸,如图5.1所示,根据普通V带轮的结构形式及尺寸,确定电动机输出轴上V带轮的结构尺寸如下:;。减速器输入轴上V带轮的结构尺寸如下:;。5.2 联轴器的设计5.2.1 联轴器的分类联轴器是机械传动中一种常用轴系部件,它的基本功能是联结两轴,并传递运动和扭矩,并兼有安全保险的作用。联轴器的种类较多,通常根据对相应位移有无补偿能力划分为刚性联轴器和挠性联轴器两大类。刚性联轴器对相应位移无补偿能力,且全部由刚性零件组成,也没有缓冲减振能力,故适用于要求被联结的两轴严格对中,载荷平稳的场合。挠性联轴器具有挠性,对相应位移具有补偿能力。按是否具有弹性元件又分为无弹性元件的挠性联轴器和有弹性元件的挠性联轴器两种。有弹性元件的挠性联轴器可以依靠弹性元件的变形与储能性来缓冲减振,改善传动系统的工作性能。5.2.2 联轴器的选择凸缘联轴器结构简单成本低可传递较大的转矩,在低速无冲击轴的刚性大对中性较好时常采用凸缘联轴器。在缓降器性能试验机设计中,减速器输出轴与电磁离合器输入轴的联结要求无冲击,两轴的刚性强,对中性要好,故选用凸缘联轴器联结两轴。我们知道,联轴器所联两轴的尺寸由联轴器决定,结合其所联两轴(减速器输出轴与电磁离合器输入轴)的尺寸大小,选择联轴器型号及尺寸如下:型号:YL7联轴器 GB5843-86长度:。5.3 电磁离合器的选择5.3.1 电磁离合器的特点电磁离合器是利用通过激磁线圈的电流所产生的磁力来操纵离合器的各种结合元件,以达到离合器的接合或分离。电磁离合器具有结构简单、操纵方便等优点。主要表现在以下几个方面:(一) 提高系统的机械性能1. 传动系统使用电磁离合器后,可实现该系统的快速启动,快速制动及频繁的正反向控制。由于电动机与传动系统不直接连接,在启动或制动过程中,避免电动机出现过大的冲击电流。2. 能使传动系统获得较高的启动转矩。电动机的启动力矩通常为额定力矩的1.52.0倍,在电磁离合器作传动系统的启动过程中,可利用电动机的惯性能量来增加 启动力矩。一般可增加到电动机额定力矩的2.53.0倍。所以,在传动系统的相同条件下,利用电磁离合器启动,能使电动机的容量减小。3. 除牙嵌式电磁离合器外,其它形式的电磁离合器均可以在较频繁地接地和脱开的场合下应用。4. 利用电的控制方法,可调节电磁离合器的力矩上升时间,以实现传动系统的连续平滑启动。5. 利用磁粉或转差式电磁离合器的力矩调节特性,可实现传动系统的精密调节。又可利用其力矩与滑差速度无关的特性,在机械装置中实现恒张力控制。6. 能实现分支启动和多元化利用电动机动力。7. 与所传递的力矩相比,电磁离合器耗能很小。(二)提高传动系统的操作性能1. 可实现集中控制与远距离操纵。2. 能简化操作程序,减少操作时间。3. 容易实现控制自动化。(三)操作安全和具有过载保护1. 减少误操作和误动作,提高操纵安全性。2. 除牙嵌式电磁离合器外,其它形式的电磁离合器均可以起到过载保护的作用。(四)维护方便,控制简单机械式、液压式、气动式离合器均需配备操纵杆、管路、阀门和测量仪表等辅助设备,而电磁离合器控制线路却很简单,维护也方便。特别是湿式电磁离合器在正常使用中,其寿命是半永久性的。当然,电磁离合器也有其缺点,主要有以下几点:1. 剩磁问题,严重影响离合器的动特性,使其力矩时间曲线上出现无响应区。尽管人们为消除电磁离合器剩磁问题作了不少努力,但仍不能满意地解决这个问题。2. 电磁离合器属于磁性物件,在使用中有关部件被不同程度地磁化,吸引铁屑影响传动系统寿命和精度。3. 在使用中电磁离合器的发热也是不可避免的。如果电磁离合器在传动系统中的位置不当或散热不良,均能影响传动系统得精度。5.3.2 电磁离合器的分类电磁离合器的分类比较复杂,但归纳起来可分为四种类型:(一)摩擦片式电磁离合器;(二)牙嵌式电磁离合器;(三)磁粉式电磁离合器;(四)转差片式电磁离合器。摩擦片式电磁离合器按不同情况可分为:1. 根据使用条件可分为:湿式和干式。湿式在使用时,用油来润滑摩擦片和进行冷却。干式在空气中使用,不 加油,自冷。2. 根据摩擦片在磁路中的情况,可分为在磁路内和在磁路外两种。摩擦片在磁路内,摩擦片本身是磁路的一部分,有磁力线通过。摩擦片在磁路外,在摩擦片中没有磁力线通过。3. 根据线圈供电方式,有线圈静止式和线圈回转式两种。线圈静止式就是由馈线直接供电,没有集电环。线圈回转式则用电刷、集电环供电。4. 根据摩擦片数目,有单片式和多片式。单片式只有一对摩擦片。多片式有两对以上的摩擦片。5. 根据摩擦片的磨损调整方式,可分为自动调整式和人工调整式。自动调整式要有特殊的磨损自动调整机构。人工调整式则是在摩擦片达到某一磨损量时,需要人工进行调整摩擦片间的间隙。牙嵌式电磁离合器通常分为有滑环和无滑环两种。磁粉式电磁离合器又可根据供电方式、气隙形式和励磁线圈位置来分类。 1. 根据供电方式,磁粉式电磁离合器分为线圈回转式和线圈静止式两种。线圈静止式离合器供电方式简单,应用较多。2. 根据气隙,可分为单隙式和复隙式。单隙式结构简单。复隙式磁粉离合器有双层磁粉气隙结构,它相当于多片型摩擦离合器。复隙式磁粉离合器的特点是:外形尺寸小,能获得较大的传递力矩;能使输出轴的惯性力矩设计得较小,从而提高离合器的反应速度。复隙式磁粉离合器又可分为非分离复隙式磁粉离合器和分离复隙式磁粉离合器两种。3. 根据线圈位置,有外置线圈、内置线圈和侧置线圈三种形式。外置线圈是将励磁线圈装于外部,而磁粉气隙则在线圈的内侧。内置线圈几乎全是线圈回转型的。侧置线圈仅用于非分离复隙式结构中。转差式电磁离合器有双电枢和单电枢之分。单电枢又分为爪式和感应式两种。馈电方式也分静止式和回转式。5.3.3 各种电磁离合器的使用范围(一)湿式有滑环多摩擦片的电磁离合器优点:摩擦片几乎没有磨损,不必调整,寿命长。缺点:有空转力矩、残余力矩衰减过程时间长,接合与脱开动作迟缓,接合频率有限,要有给油装置。使用范围:1. 不允许摩擦片因磨损而产生铁屑的场合;2. 多油的条件;3. 要求外形尺寸小,结合功不大的场合;4. 装拆不太方便的地方。(二)干式有滑环多摩擦片的电磁离合器优点:动作快;空转力矩小。缺点:摩擦片有磨损;为了进行人工填证摩擦片的间隙,在机械上要提供方便,因此占用空间较大;允许接合功小;温升高会出现摩擦性能衰减现象。使用范围:1. 要求动作快,接合功小而力矩大的场合;2. 便于调整的场合。(三)干式有滑环单摩擦片的电磁离合器优点:结构简单,价格低;动作快;允许接合功大;接合频率高;没有空转力矩;动力矩调节方便。缺点:径向尺寸大;摩擦片会磨损,常需更换;温升太高会出现摩擦性能衰减现象。 使用范围:1. 对径向尺寸没有限制;2. 操作频率高;3. 要求接合功大、动作快。(四)牙嵌式电磁离合器优点:传递力矩大;没有空转力矩;没有磨损,不必调整;没有摩擦发热;传动无滑差;脱开快;能干湿两用。缺点:一般在停车中接合,接合时没有摩擦片式的缓冲作用,有冲击。使用范围:1. 允许停车接合或负载力矩及惯量很小的场合;2. 不希望有空转力矩的场合;3. 要求无滑差传动的场合。(五)湿式无滑环多摩擦片的电磁离合器这种离合器与有滑环离合器相比有如下特点:1. 线圈处于固定静止状态,能不间断平稳地引入电流,减少了元件的转动惯量,特别有利于励磁电路和控制电路的设计与布置;2. 可避免电刷与滑环接触时所产生的火花现象,因而较有滑环式安全可靠,特别是能符合防爆安全的使用条件;3. 和有滑环相比不怕振动,不怕高速磨损,因而不需要更换电刷和滑环,特别适合于不宜拆装的位置;4. 由于磁性组件与传动部分之间保持着气隙,对离合器的断开特性有很大好处;5. 必须在有润滑油的情况下使用。润滑方式可以用外滴油法、油雾法及由轴心供油的办法等。由于这种离合器结构紧凑,体积小,操作方便,运行可靠,故被广泛应用于机床、纺织、造纸、化工等工业部门和机械传动装置中,大大地提高了机械自动化水平。(六)转差式电磁离合器这种离合器启动平稳,可以用来限制由电动机传给从动轴的力矩振动,平稳接通及断开运动链,又可作为制动装置和安全保护装置。在具有通风机负载的深度调节问题上,这种离合器提供了解决的途径。若改变接入的励磁电流,输出力矩便改变,转差也随之改变,所以可用于普通机床的主传动中,还可以用于压力机、拉丝机等专用机床上。(七)磁粉式电磁离合器特点:1. 输出力矩与它的转速无关;2. 在整个工作范围内,力矩随励磁电流成线性地变化,因此具有很大的调整倍数;3. 电磁时间常数最小(约毫秒级),没有机械移动的过渡过程,从动部分惯性小;4. 接通及控制无冲击;5. 所有滑动都被局限在工作气隙中,因此接合面能自动地防磨损;6. 在整个工作过程中,不需调整气隙。除了具有摩擦式电磁离合器的功用外,磁粉式电磁离合器还特别适用于连续滑动工作。所以,它可以组成闭环调节系统实现无级变速。但在使用过程中要特别注意磁粉老化、高温和密封三个问题。上面叙述了各种电磁离合器的一般使用范围,但选型时应该全面地掌握各种电磁离合器的结构性能,按照用途和使用目的进行综合考虑,选定合适的电磁离合器,才能有效地达到预期使用效果。5.3.4 电磁离合器在机械传动装置上的应用形式 电磁离合器的应用已经遍及所有机械行业。小到仪表系统的调速,大到轧钢机的动力传动,都有电磁离合器的身影出现。在机械装置中,电磁离合器的应用形式主要有以下几种:(一)作为动力连接所谓动力连接时指将电磁离合器设置在同一中心线上的两根轴之间,在对接状态下将两根轴连接起来,也能自由地分离开,以此为主要目的的作用叫连接。(二)用作传动离合离合是这样一种作用,在一根轴上用电磁离合器来控制着传递给其它轴的动力。这种作用的离合器结构如图5.2所示,它用两个离合器互相连接在一起,并与负载轴组装成一体,磁轭与轴固定,“联结”与轴滑动,通断离合器的电源就能变换传动的动力。传动离合器可以实现分支驱动,即在一个动力源通过电磁离合器驱动几个机构的体系中,可以任意地或者根据规定的程序驱动其中一部分机构运动或停止。这种形式的离合器将在本课程设计中得到应用。(三)用作制动当离合器电源切断时,在弹簧力的作用下实现制动。离合器电源接通,电磁力克服弹簧力,使原动机轴呈自由状态而运转。(四)用于正反转在这种形式的应用中,主动轴沿一定方向旋转,用两个电磁离合器与其组合起来,由电磁离合器的离合作用使负载的驱动轴实现正转和反转。利用电磁离合器实现正反转,与利用电机实现正反转相比,有如下优点:1. 此结构仅将需要反转的部分加以反转,故正反转的转动惯量小,可快速实现正反转; 2. 可以任取正反转速比;3. 可以利用电动机的惯性,使所需电机的容量小,电机不因反转时过载电流而升温;4. 不需要用特殊电机,使用普通电机就能获得良好的正反转效果;5. 耗能少。 除了上述电磁离合器的主要用途外,电磁离合器还用于变速、高频度运转及过载保护等。总之,电磁离合器非常实用,用处也非常广泛。 5.3.5 电磁离合器的选择 1-固定磁轭;2-中间导磁体;3-永久磁铁组;4-膜片弹簧;5-绕绳轮;6-轴在缓降器性能试验机设计中,要求用两个电磁离合器相互连接在一起,装在同一根轴上,一开一合地分别控制绕在离合器绕绳轮上的缓降绳的上升与下降。当左侧离合器与轴连接时,右侧离合器则与轴脱离,缓降绳按逆时针方向运动;反之,当左侧离合器与轴脱离时,右侧离合器则与轴连接,缓降绳按顺时针方向运动。这样,可实现往复循环测试,从而能够节省时间,提高测试的效率。根据这一原理,我们选择无滑环带永久磁铁的电磁离合器。因为,第一,它可以将两个同样类型的离合器相互连接地装在同一根轴上,实现交互控制,循环使用;第二,可以将其结构改进,将原来的带轮结构改换成绕绳轮结构,从而实现绕绳控制功能;第三,其结构不是太复杂,制造较为简单,成本较低;第四,它的工作原理浅显易懂,符合设计要求。下面介绍一下这种离合器的工作原理:磁轭1及线圈固定不动,当线圈未通电时,永久磁铁组3与中间导磁体2吸合,主动轴6与件2以键连接,输入的动力同过膜片弹簧4传到绕绳轮5。当线圈通电后,建立与永久磁铁组相反的磁场,而排斥永久磁铁,线圈产生的磁场通过件2形成闭合回路,而永久磁铁组的磁力线在其内部形成闭合回路,离合器分离。5.4 传感器的选择5.4.1 传感器的分类通常,人们把能使物理量或化学量转变为电量(或电磁量)的器件或元件叫做传感器。传感器也叫换能器或探测器。传感器的分类方法很多,通常采用以下两种方法分类传感器。第一种是按照传感器的结构特点或物理效应分类。主要有应变式(将被测量转换成相应电阻输出)、电容式(利用弹性电极在输入作用下产生位移,使电容量变化而输出)、压电式(利用压电材料的物质效应,将被测量转换成电荷输出)、压阻式(利用半导体材料和集成电路等先进工艺制成的一种输出电阻变化的固体传感器)等传感器。第二种是按照传感器的使用来分类。主要有压力传感器(测量各种压力)、测力传感器(测定静压力、动压力、拉压力等)、振动传感器(测量振幅、速度、加速度等)、温度传感器(测量各种温度)等。5.4.2 传感器的选择 在缓降器性能试验机设计中,需测定缓降绳所受的拉力变化,故选择测力传感器,型号为型拉力传感器。工作时,传感器将感应到的缓降绳的拉力变化转化为电量的变化,通过宏拓7484采集卡,将电量的变化传递到微机上,显示出来。6 数据采集与处理在缓降器性能试验机系统中,拉力传感器感应并将采集到的信息传递到数据采集系统,然后对采集到的数据进行处理,其目的是:1) 将连续的模拟信号转换成计算机可以接收的离散数据信号。2) 还原采集到的电信号的物理意义。在数据采集系统中,被采集的物理量(温度、压力、流量等)经传感器转换后变成电量,因而采集到的数据是以电量的形式表现的。它虽然含有被采集物理量的信息,但没有明确的物理意义,不便于处理和使用,必须把它还原成原来对应的物理量。3) 消除数据中的干扰信号。在数据的采集、传送和转换过程中,由于系统内部和外部干扰和噪声的影响,会在采集的数据中混入干扰信号,因而应采用各种方法最大限度地消除混入数据中的干扰信号,以保证采集数据的精度。4) 分析数据的内在特征。通过对采集到的数据进行变换加工,或在有关联的数据之间进行某些相互的运算,以得到能表达数据内在特征的二次数据。数据处理有多种类型。按处理的方式划分,数据处理可分为实时处理、在线处理和离线处理。一般来说,实时处理或在线处理由于处理时间受到限制,因而只能对有限的数据进行一些简单、基本的处理;而离线处理由于处理时间不受限制,因而可以做各种复杂的处理。按处理的性质划分,数据处理可分为预处理和二次处理两种。预处理通常是剔出数据奇异项、去除数据趋势项,对数据进行数字滤波和转换等。二次处理有各种数学运算,如微分、积分、傅立叶变换和小波变换等。对数据进行二次处理之前应先对采集到的数据做某些预处理,使信号得到一次增强或净化,从而使分析处理获得高质量的有用信号或更准确的特征信息。6.1 数据采集原理计算机是一台数字化设备,它只能处理数字信息,故使用计算机处理信号时必须将模拟信号转换成数字信号,即模/数(A/D)转换或数据采集。将连续的模拟信号转换成计算机可以接收的离散数字信号,需要两个环节:首先是采集,由连续的模拟信号得到离散信号;然后再通过A/D转换,变为数字信号。模拟信号的数字化过程如图6.1所示。6.2 数据采集系统数据采集就是将被测对象的各种参量通过各种传感元件做适当转换后,再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤,最后送到计算机进行数据处理或存储记录的过程。用于数据采集的成套设备称为数据采集系统(data acquisition system, DAS),它是计算机与外部世界联系得桥梁,是获取信息的重要途径。6.2.1 数据采集系统的基本组成 数据采集系统框图如图6.2所示,它的输入信号分为模拟信号和数字信号两类。模拟信号由模拟类的传感器输出信号经调理后得到,数字信号则由数字类传感器输出的数字信号或开关信号得到。传感器的作用是把非电量转变成电量(如电压、电流或频率)。在本课程设计中,我们使用的是拉力传感器,其作用是将拉力的变化转变成电量的变化,输出到A/D转换器中。放大器用来放大和缓冲输入信号。由于传感器输出的信号较小,需要将其放大,以满足大多数A/D转换器的满量程输入要求。此外,某些传感器内阻比较大,输出功率较小,这样,放大器还起到了阻抗变换器的作用,用来缓冲输入信号。常用的放大器有差分放大器、仪器放大器和隔离放大器等。在传感器和电路中的器件常会产生噪声,人为的发射源也会通过各种耦合渠道使信号通道感染上噪声,这种噪声可以用滤波器来衰减,以提高模拟输入信号的信噪比。在数据采集系统中,往往要对多个物理量进行采集,即多路巡回检测,这可以通过多路模拟开关来实现。多路模拟开关可以分时选通来自多个输入通道的某一信号。多路模拟开关之后是模拟通道的转换部分,它包括采样/保持和A/D转换电路。采样/保持电路的作用是快速拾取多路模拟开关输出的子样脉冲,并保持幅值恒定,以提高A/D转换器的转换精度。如果将采样/保持电路放在多路模拟开关之前,还可以实现对瞬时信号进行同步采样。采样/保持器输出的信号送至A/D转换器,A/D转换器是模拟输入通道的关键电路。由于输入信号变化速度不同,系统对分辨力、精度、转换速度及成本的要求也不同。6.2.2 数据采集系统的特点1)数据采集系统一般都由计算机控制,使得数据采集的质量和效率等大为提高,也节省了硬件投资。2)软件在数据采集系统中的作用越来越大,这增加了系统设计的灵活性。3)数据采集与数据处理相互结合得日益密切,形成数据采集与处理系统,可实现从数据采集、处理到控制的全部工作。4)数据采集过程一般都具有“实时”特性,实时的标准是能满足实际需要;对于通用数据采集系统一般希望有尽可能高的速度,以满足尽可能多的应用环境。5)随着微电子技术的发展,电路集成度的提高,数据采集系统的体积越来越小,可靠性越来越高。6)总线在数据采集系统中有着广泛的应用,总线技术对数据采集系统结构的发展起着重要作用。6.2.3 数据采集系统的主要性能指标1)系统分辨率 是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量。通常用最低有效位(LSB)占系统满度信号的百分比表示,或用系统可分辨的实际电压数值来表示,有时也用满度信号可以分的基数来表示。2)系统精度 是指当系统工作在额定采集速度下,每个离散子样的转换精度。A/D转换器的精度是系统精度的极限值。而实际上系统精度往往达不到A/D,转换器的精度,这是因为系统精度取决于系统的各个环节的精度。如前置放大器、滤波器、多路模拟开关等,只有这些部件的精度都明显优于A/D转换器精度时,系统精度才能达到A/D转换器的精度。3)采集频率 又称系统通过速率、吞吐率等,是指在满足系统精度指标的前提下,系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采集次数,或者说是系统每个通道每秒钟可采集的子样数目。这里所说的“采集”包括对被测物理量进行采样、量化、编码、传输、存储等的全部过程。另外,在时间域上,与采集频率对应的指标是采集周期,它是采集频率的倒数,表示了系统每采集一个有效数据所用的时间。4)动态范围 是指某个物理量的变化范围。信号的动态范围是指信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数,数据采集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅值与最小幅值之比的分贝数,即 (6-1)5)非线性失真 也称谐波失真。当给系统输入一个频率为f的正弦波时,其输出中出现很多频率为kf(k为正整数)的新的频率分量的现象,称为非线性失真。6.2.4 数据采集系统的结构形式选择数据采集系统的结构形式,主要考虑被测信号的变化速率和通道数以及被测量精度分辨率速度的要求等。此外,还要考虑性能价格比等。常见的数据采集系统有以下几种结构形式。1多通道共享采样/保持器和A/D转换器如图6.3所示,这种结构形式采用分时转换的工作方式,各路被测信号共用一个采样/保持器和一个A/D转换器。在某一时刻,多种开关只能选择其中某一路,把它接入到采样/保持器的输入端。当采样/保持器的输出已经充分逼近输入信号时,在控制命令的作用下,采样/保持器由采样状态进入保持状态,A/D转换器开始进行转换,转换完毕后输出数字信号。在转换期间,多路开关可以将下一路接通到采样/保持器的输入端。系统不断重复上述操作,实现多通道模拟信号的数据采集。采样方式按顺序或随即进行。这种结构形式很简单,所用芯片数量少,适用于信号变化速率不高,对采样信号不要求同步的场合。如果信号变化速率慢,也可以不用采样/保持器。如果信号比较弱,混入的干扰信号比较大,还需要使用前置放大器和滤波器。2多通道同步型数据采集系统如图6.4所示,这种结构虽然也是分时转换系统,各路共用一个A/D转换器,但每一路通道都有一个采样/保持器,可以在同一个指令控制下对各路信号同时进行采样,得到各路信号在同一时刻的瞬时值。模拟开关分时地将各路采样/保持器接到个A/D转换器上进行数模转换。这些同步采样的数据可以描述各路信号的相互关系,这种结构被成为同步数据采集系统。例如,为了测量三相瞬时功率,数据采集系统必须对同一时刻的三相电压电流进行采样,然后进行计算。由于各路信号串行地在共用的A/D转换器中进行转换,因此这种结构的速度仍然较慢。3 多通道并行数据采集系统如图6.5所示,每个通道都有独自的采样/保持器和A/D转换器,各个通道的信号可以独立进行采样和A/D转换。转换的数据可以经过接口电路直接送到计算机中。这种结构的数据采集系统速度最快,所用的硬件也最多,成本高。6.3 程序控制设计以采用为CPU的微型计算机对64路模拟信号进行数据采集为例,介绍程序控制的原理。测量物理参数的各传感器的输出电信号经调理化处理(变化、放大、滤波等),输入到多路转换器。多路转换器采用八片八通道的CD4051,用八位锁存器和74LS138译码器进行地址锁存和译码,选通64路开关。通道选择及采样速率由程序设定。采样/保持器选用LF398,A/D转换器选用选用ADC0804,外接RC电路,转换时间约为100us。在定时中断下,要求以中断方式每隔10ms检测一个通道,且用CTCO作为定时器,则应对CTC编程如下:(1)确定通道控制字。CTCO号通道的地址由地址译码器硬件决定为84H,并让该CTC通道工作在自动启动方式,上升沿启动,定标系数为256,允许中断,则控制字为B5H。(2)确定输入的时间常数。设时钟周期,定标系数,检验间隔为,则输入的时间常数为(3)确定中断向量。中断向量的高八位有编程决定。中断向量的低八位应在CTC初始化时送到CTC0通道。CTC的中断向量以为标志,表示通道地址,就CTC0而言,设,则中断向量为F8H。数据采集系统在CTC的2中断方式下,对64路巡回检测一边的主程序和中断服务程序流程图如图6.6666所示。 该. 程序是针对8位A/D转换器编写的,若为12A/D转换器需适当修改。多路转换器的口地址为01H,启动A/D转换器的控制信号的口地址为02H,8212(1)、8212(2)的口地址分别为03H、04H。这时不采用采样保持器。按中断方式巡回检测的主程序及中断服务程序如图6.6所示。主程序如下: ORG 2000HSTART:LD SP,3000H ;设堆栈指针 LD A,40H ;中段向量页面地址为40H LD I,A ;40H送I寄存器 LD A,B5H OUT (84H),A ;送通道控制字 LD A,62H OUT (84H),A ;置时间常数 LD A,F8H OUT (84H),A ;置中断向量 LD HL,4200H ;设置数据区首址 LD B,40H ;B为计数器,采集64个点 LD C,00H ;置起始模拟信号通道为0通道 IM 2 ;置中断方式2 EI ;开中断LOOP: HALT ;等待中断 INC HL ;数据地址加1INC C ;通道数加1DEC B ;采样次数减1JR NZ,LOOP ;64次未采完返回再采LD A,F3H ;关中断OUT (84H),A ;复位CTCEND中断服务程序如下:ORG 40F8HTAB: DW 2500H ORG 2500H PUSH AF ;保护现场 PUSH BC PUSH DE PUSH HLLD A,COUT (01H),A ;通道数送所存器LD D,040H ;延时,等待电路稳定LOOP1:DEC D LD A,DJR NZ,LOOP1 OUT (02H),A ;启动A/D转换TEST: IN A,(04H) ;打开接口8212(2) ADD A,80HJR NC,TEST ;没有进位再检测“转换结束”标志IN A,(03H) ;打开接口8212(1)LD (HL),A ;存A/D转换结果POP HL ;恢复现场POP DE POP BC POP AF EIRETIORG 4200HDATA: DS 40H ;给数存保留64单元 END 6.4 转速测量在缓降器性能试验机设计中,需测定缓降绳的下降速度,将测定的速度与拉力大小分列在坐标轴横纵坐标上,以检测试验机是否合格。我们是通过测定电机的转速来间接测定缓降绳的下降速度的。常用的测速设备是测度发电机。测速发电机是用于测定和自动调节电机转速的一种传感器。它由带有绕组的定子和转子组成。根据电磁感应原理,当转子绕组被供给励磁电压并随被测电动机转动时,定子绕组则产生与转速成正比的感应电动势。根据励磁电流的种类,测速发电机可分为直流测速发电机(他励式和永励式两种)和交流测速发电机两大类。在实际应用中,对测速发电机的主要要求包括:输出电压对转速应保持较精确的正比关系;转动惯量小;灵敏度高,即测速发电机的输出电压对转速的变化反应要灵敏。由于测速发电机比较容易满足上述要求,且性能稳定,所以常被用来进行电动机转速的测量和自动调节。一般其测量范围为20400r/min。6.4.1 直流测速发电机直流测速发电机是一种微型直流发电机。按定子磁极的励磁方式不同,可分为电磁式和永磁式两大类;按电枢的结构形式不同,可分为无槽电枢、有槽电枢、空心杯电枢和圆盘印刷绕组等几种。(1)直流测速发电机的输出特性直流测速发电机的工作原理与一般直流发电机相同。在恒定磁场中,旋转的电枢绕组切割磁通,并产生感应电动势。由电刷两端引出的电枢感应电动势为 (6-2) 式中,为感应系数;为磁通数;为转速;为感应电动势与转速的比例系数。空载时,直流测速发电机的输出电压和电枢感应电动势相等,因而输出电压与转速成正比。有负载时,直流测速发电机的输出电压为 (6-3) 式中,为电枢回路的总电阻(包括电刷和换向器之间的接触电阻等)。在理想情况下,若不计电刷和换向器之间的接触电阻,为电枢绕组电阻。显然,有负载时,测速发电机的输出电压应比空载时小,这是电阻的电压降造成的。有负载时,电枢电流为 (6-4)式中,为测速发电机的负载电阻。由式(6-1)式(6-3)可得 (6-5)式中, (6-6)(2)产生误差的原因和改进方法直流测速发电机在工作中,其输出电压与转速之间不能保持比例关系,主要有以下三个原因:有负载时,电枢反映去磁作用的影响,使输出电压不再与转速成正比,遇到这种情况可以在定子磁极上安装补偿绕组,或使负载电阻大于规定值;电刷接触压降的影响。这是因为电刷接触电阻是非线性的,即当电机转速较低、相应的电枢电流较小时,接触电阻较大,从而使输出电压很小。只有当转速较高、电枢电流较大时,电刷压降才可以认为是常数。为了减小电刷接触压降的影响,即缩小不灵敏区,应采用接触压降较小的铜-石墨电极或铜电极,并在它与换向器相接处的表面上涂银;温度的影响。这是因为励磁绕组中长期流过电流易发热,其电阻值也相应增大,从而使励磁电流减小的缘故。在实际使用中,可在直流测速发电机的绕组回路中串联一个电阻值较大的附加电阻,再接到励磁电源上。这样,当励磁绕组温度升高时,其电阻虽有增加,但励磁回路总电阻的变化却很小,故可保证励磁电流几乎不变。6.4.2 交流测速发电机交流测速发电机可分为永磁式、感应式和脉冲式三种。(1)永磁式交流测速发电机永磁式交流测速发电机实质上是单向永磁转子同步发电机,定子绕组感应的交变电动势的大小和频率都随输入信号(转速)的变化而变化,即 (6-7) (6-8)式中,K为常系数,;为电机极对数;N为定子绕组每相匝数;为定子绕组基波绕组系数;为电机每极基波磁通的幅值。这种测速发电机尽管结构简单,也没有滑动接触,但由于感应电动势的频率随转速而改变,致使电动机本身的阻抗和负载阻抗均随转速而变化,故其输出电压不与转速成正比关系。通常这种电机只作为指示式转速计使用。(2)感应式测速发电机感应式测速发电机是利用定子、转子齿槽相应位置的变化,使使输出绕组中的磁通产生脉动,从而感应出电动势。在这种发电机的结构中,定子、转子铁心均为高硅薄钢片冲制叠成,定子内圆周和转子外圆周上都有均匀分布的齿槽。在定子槽中放置节距为一个齿距的输出绕组,通常组成三相绕组,定子、转子的齿数应符合一定的配合关系。当转子不转时,永久磁铁在电动机气隙中产生的磁通不变,所以定子输出绕组中没有感应电动势。当转子以一定速度旋转时,定、转子齿之间的相对位置发生周期性变化,定子绕组中有交变电动势产生。每当转子转过一个齿距,输出绕组的感应电动势也变化一个周期,因此,输出电动势的频率应为 (6-9)式中,为转子的齿数;n为电动机转速(r/min)。由于感应电动势频率和转速之间有严格的关系,相应感应电
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本文标题:缓降器性能试验机设计【包含CAD图纸+PDF图】
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