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自动注油式提升机天轮的设计,自动,注油,提升,机天轮,设计
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自动注油式提升机天轮的设计 1摘 要天轮是矿井运输提升系统中的重要组成部分，通过改变钢丝绳的导向来实现竖井、斜井提升运输。矿井的工作环境恶劣，天轮装置一般安装在较高的井架上，这给天轮轴承和轴瓦的润滑带来诸多不便。这里对矿井提升机天轮进行改进设计，实现润滑注油的自动化过程。在本论文中，主要通过设计以下几个单元，分别是：天轮空心轴，油脂压注单元，油脂贮存单元，控制单元。结合国内外研究现状，采用干油润滑系统和PLC逻辑控制系统来设计自动注油式天轮。天轮空心轴的设计是实现轴瓦润滑的关键。结合相关文献对注油系统进行合理设计，根据工作要求进行设计。利用PLC来对注油单元进行自动控制，以及传感器来进行天轮状态监测，从而实现天轮的自动注油。关键词：天轮；PLC；干油润滑系统；天轮空心轴VIAbstractHead sheave is an important part of mine transportation and lifting system, the vertical shaft and inclined shaft can be lifted and transported by changing the direction of steel wire rope. The working environment of the mine is bad, and the head sheave device is generally installed on the high derrick, which brings a lot of inconvenience to the lubrication of the crown wheel bearing and the bearing bush. In this paper, the head sheave of mine hoist is improved to realize the automatic process of lubricating oil injection. The following units are designed: hollow shaft of crown wheel, grease injection unit, grease storage unit and control unit. Combined with the research status at home and abroad, the grease lubricating system and PLC logic control system are used to design the automatic oil-injected head sheave. The design of hollow shaft of head sheave is the key to realize the lubrication of bearing bush. Combined with the relevant literature, the oil injection system is designed reasonably according to the work requirements. PLC is used to control the oil filling unit automatically, and the sensor is used to monitor the status of the crown wheel, so as to realize the automatic oil filling of the head sheave.Keywords: head sheave; PLC; grease lubricating system; hollow shaft of head sheave目 录摘 要I目 录III1 绪论11.1 概述11.2 国内外研究现状22 自动注油式提升机天轮装置总体设计62.1 自动注油装置总体要求62.2 小结73 提升机选型83.1 提升机概要83.2 提升机的分类93.3 提升机型号选择113.4 小结124 提升机天轮的设计144.1 天轮概要4.2 天轮参数确定4.3 小结5 天轮空心轴的设计及计算校核165.1 空心轴方案分析165.2 空心轴设计175.3 空心轴计算及校核185.4 轴承的选择及校核205.5 键连接的选择和校核205.6 小结216 润滑方案226.1 轴瓦润滑方案226.2 轴承润滑方案256.3 轴承座设计266.4 小结277 注油回路设计297.1 注油方案297.2 润滑回路总体方案297.3 油脂压注单元设计307.4 油脂贮存单元337.5 管路附件357.6 小结368 控制单元378.1 自动控制方案378.2 控制系统的选择378.3 传感器的选型398.4 PLC选型和设计438.5 小结469 总结47参考文献48翻译部分49ContentsAbstractIContentsIII1 Introduction11.1 Introduction11.2 Current Research Situation at Home and Abroad22 General Design of Automatic Oil-injection Head Sheave of Hoist62.1 General Requirements for Automatic Oil Injection Plant62.2 Summary73 Hoist Selection83.1 Introduction of Hoist83.2 Classification of Hoists93.3 Selection of Hoist113.4 Summary124 Design of Head Sheave144.1 Introduction of Head Sheave144.2 Determination of Head Sheave Parameters154.3 Summary155 Design Calculation and Check of hollow shaft of head sheave165.1 Schematic Analysis of Hollow Axis165.2 Design of Hollow Shaft175.3 Calculation and Checking of Hollow Shaft185.4 Selection and Verification of Bearings205.5 Selection and Checking of Key Connections205.6 Summary216 Lubrication scheme226.1 Bearing Lubrication Scheme226.2 Bearing Lubrication Scheme256.3 Design of Bearing Seat266.4 Summary277 Design of Oil Injection Circuit297.1 Oil Injection Programme297.2 General Scheme of Lubrication Circuit297.3 Design of Oil Injection Unit307.4 Grease Storage Unit337.5 Pipeline Accessories357.6 Summary368 Control unit378.1 Automatic Control Scheme378.2 Selection of Control Systems378.3 Selection of Sensors398.4 PLC Selection and Design438.5 Summary469 Summary47References48Translation Component491 绪论1 绪论1 Introduction1.1 概述（Introduction）煤炭是地球上蕴藏最丰富的化石燃料，被人们誉为黑色的黄金，它是人类十八世纪以来使用的主要能源之一1。我国是世界第一的的煤炭生产国家，煤炭的总产量占世界总产量的37%，煤炭的主要生产方式还是通过井下开采，通过采煤机械，以及输送设备将煤矿开采并输送到地面，矿井提升系统在这个工程中也是不可缺少的2。矿井提升系统包括提升机，游动天轮，提升容器，钢丝绳等组成，用来提升或者下放人员，材料，物资，设备，煤炭，矸石，是连接井上井下的唯一通道，其安全性至关重要，每年发生的矿井事故不计其数，给矿井的生产和经济效益带来的损失十分巨大，对井下工作人员带来生命危险，因此，矿井的安全可靠是研究人员和管理的相关部门应当极力解决改善的重要问题。1.1.1 背景在一个完整的常见矿井提升系统中，一般包括提升机，天轮，提升容器等。提升机和提升容器随工作要求不同有不同的种类，但天轮在提升系统中是必不可少的重要结构。3天轮作为矿井提升系统中的重要部件，是提升机传递动力的主要构件，天轮安装在矿井立井井架顶部，是用来改变钢丝缆绳运动方向的定滑轮，用来提升矿井中容器（例如电梯，物料料斗等容器）。天轮按照安装位置可以分为游动天轮、井上固定天轮、井下固定天轮三种。天轮装置的结构包括天轮轴、固定天轮、游动天轮、天轮轮槽衬垫、轴瓦、轴承座、轴承。随着矿井提升系统向重载化、大型化的发展，提升系统中游动天轮的维护难度逐渐增加，通过人工对天轮进行检查维护风险极大，尤其是在恶劣的工作环境下。为保证天轮运行安全，煤矿安全规程对天轮的维护提出了重要要求：天轮维护工作中应该重点检查轴承润滑、天轮轴瓦润滑、天轮摩擦衬垫磨损、天轮平台是否牢固可靠、天轮螺栓安装的紧固情况等。在检查保养过程中认真负责，才能给矿井的生产安全带来良好保障，否则会影响提升系统的安全运行，乃至矿井的正常生产。在日常维护工作过程中，工作人员需要对天轮的轴承和天轮轴瓦部分进行润滑脂加注，普通天轮的加注点在轴承盖和天轮的辐条上，这需要提升系统停车，人员攀爬至天轮平台上用油枪或者其他手动注油器进行润滑油（脂）的加注操作，这样不仅增加了工人的劳动强度，在严酷的天气下还存在安全隐患。1.1.2 意义由于矿井中工作环境恶劣，且天轮安装位置一般较高，工作工程中不便于添加润滑油，致使设备维护人员需要攀爬到安装位置人工加注润滑油，该课题主要研究设计一种能够使天轮自动检测润滑油使用情况及自动加注润滑油的装置，理论意义在于提高工作效率，节省维护成本。实际意义是提免去设备维护人员的工作风险。1.2 国内外研究现状（Current Research Situation at Home and Abroad）1.2.1 概况通过查询资料，书籍和相关论文，我了解到，国内有一些成熟的技术开始应用在实际生产中，但是仍然不够普遍，可能是技术原因或者成本原因，相关专利较少，一般为机械式注油，缺少检测装置，自动化程度不高。以下是我所查询了解到的部分相关论文，介绍了多种不同的技术及设计方案：摩擦式提升机游动天轮自动注油装置及游动天轮原理：图1-1 摩擦式提升机游动天轮自动注油装置Figure 1-1 Automatic oil injection device for floating wheel of friction hoist21-摆杆，22-摆锤，23、24-传动齿轮，251-柱塞，25-柱塞式注油机，28-单向阀，26-储油箱该装置是一种安装在游动天轮上，包括摆杆、摆锤、传动齿轮、凸轮装置、柱塞式注油机和润滑脂存储箱，所述传动齿轮设置在游动天伦的辐条 上转动连接，所述摆杆一端与传动齿轮连接，另一端与摆锤连接，所述传动齿轮与凸轮装置 啮合带动凸轮装置转动，所述凸轮装置抵住所述柱塞式注油机的柱塞，所述润滑脂存储箱 与柱塞式注油机通过连接管连接，所述连接管上设有单向阀，所述润滑脂存储箱内还设有自动增压装置。结构示意图见图1-1。通过天轮的运动带动注油器的摆杆，将润滑油注入轴瓦内，巧妙的利用了天轮转动产生的转动所提供的能量进行留自动注油。分析： 本发明的优点在于：通过在辐条上设置自动注油装置，包括摆杆、摆锤、传动齿轮、 凸轮装置、柱塞式注油机和润滑脂存储箱，所述摆杆一端与传动齿轮连接，另一端与摆锤连 接，传动齿轮安装在辐条上转动，摆杆带动传动齿轮转动，天轮转动，摆杆在摆锤作用下依 次驱动传动齿轮、二级减速器装置和凸轮转动，凸轮推动柱塞式注油机的柱塞往复运动，实现向该游动天轮的轴瓦注油，巧妙利用摩擦式提升机游动天轮转动所提供的能量进行自动注油。该装置满足了注油自动化，无需人工操作，设计巧妙，可以在天轮工作时使用，省去维护注油的时间，解决了立井井架游动天轮在运转过程中缺润滑油润滑的缺陷，消除了游轮抱轴或烧轴瓦的隐患，提高了经济技术及生产效益。缺点是润滑油得不到完全利用，处于循环油路中，影响润滑质量，且机械装置本身需要润滑油进行维护保养，否则将影响注油效果，储油箱是安装在辐条上的，给储油箱加注油时仍需要人工注油，减少留注油频率但是仍然存在工作风险。卷扬机移动天轮自动注油器设计的与应用原理：在移动天轮轮毂两端面增设一套牵引装置，在牵引装置一端的滑圈端面连接带导油槽的圆弧滑块，另一侧与天轮轴瓦轴相接，保证在移动天轮转动时靠重力作用实现自动注油，带导油槽的圆弧形滑块滑块通过油管与蓄油器连接，在储油桶下侧连接阀门来控制油量的大小。结构示意图见图1-2。图1-2 卷扬机移动天轮自动注油器Figure 1-2 Automatic oil injector for hoist moving wheel分析：优点：保证了天轮润滑的均匀性和持续性，降低了维护人员的劳动强度，降低润滑油的成本投入，降低留安全风险性。缺点：润滑油路密闭性不强，容易造成润滑油污染，泄露，对油管的规格要求较高，润滑均匀性不强，不能及时观测润滑油的使用情况。多绳摩擦式提升机天轮自动注油系统原理：在天轮主轴一端轴心位置开有主油道，轴瓦部位有与主油道相连通的分油道，主油道端口有一个旋转接头，连接主油道和油管，油管连接注油泵。工作时，在注油泵的高压作用下，油管内润滑脂通过旋转接头输入至天轮主轴中心主油道内，并经过分油道最终到达游动轮的轴瓦内，从而确保各游动轮在天轮主轴上能灵活的相对运动。结构示意图见图1-3。 1-注油泵，2-防爆电机，3-储油箱，4-油管，5-压力表，6-旋转接头，7-天轮主轴，7-1-主油道，7-2-分油道，8-固定轮，9-游动轮，10-轴瓦，11-防爆型控制器图1-3 多绳式摩擦式提升机天轮自动注油系统Fig 1-3 Automatic Oil Injection System for multi-rope friction hoist分析：优点：以自动化控制减少人为操作，大大提高了企业安全生产科技保障能力，保护了注油工人的身心健康，提高了工作效率，节省油脂，降低成本。缺点：定期注油节省人力，但是不能实时监测润滑脂的使用消耗情况，在高负载时未能及时注油，将缩短使用寿命。天轮轴承的自动加油器原理：天轮自动加油装置包括脚踏式注油器，加油装置，压缩弹簧，活塞，活塞杆，手柄，工作时通过脚踏式注油器向油缸内注油，注油完成后，拉动手柄，打开出油孔阀门，利用天轮旋转产生的离心力给轴承加油，即当轴承内油量减少、油压不足时，其与油腔产生油压差，润滑油呗自动推进轴瓦内，直至两者油压相等。结构示意图见图1-4。1- 油嘴，2-阀门，3-出油孔，4-进油孔，5-前端盖，6-油腔，8-活塞，9-加油装置，10-压缩弹簧，11-活塞杆，12-后端盖，13-手柄，14-加油管，15-注油器，16-缸体，17-缸壁图1-4 天轮轴承的自动加油器Fig 1-4 Automatic oiler for wheel bearings分析：优点：可以有效解决停车后才能进行注油的问题，可以在运转过程中自动加油，减少维修时间，降低成本，注油的频率降低，只需3-4月对加油装置进行油品补充。缺点：需要人工在地面将储油器中的油注入油缸内，过程中耗费时间，天轮处的注油装置需要高密闭性，才能保证注油成功。572 自动注油式提升机天轮装置总体设计2 自动注油式提升机天轮装置总体设计2 Overall Design of The Automatic Oil-injected Head Sheave Device of The Hoist2.1 自动注油装置总体要求（General Requirements for Automatic Oil Injection Plant）根据目前的天轮注油的方案和和相关文献专利等提及的新型注油方案，本论文将打破传统的注油方案的思路，在设计游动天轮轴瓦润滑方案时（轴承的润滑也将通过注油管路来实现），针新型空心轮轴为设计研究方向，设计一套集检测，压注，储存为一体的自动注油式天轮装置。主要内容包括如下几个方面：天轮空心轮轴的设计：图2-1 天轮注油管路示意 Fig 2-1 schematic diagram of the day-wheel injection pipeline提升机天轮装置主要包括一个固定天轮和三个游动天轮，游动天轮与天轮轴之间安装有轴套，以保证游动天轮同天轮轴之间进行相对滑动，转动。为对轴瓦进行润滑，许多天轮装置在天轮的辐条上安装有注油的油路，如图2-1，通过辐条上的注油管路进行注油，实现对轴瓦的润滑。在本课题中，我将重新设计一个注油方式，取代这种传统方式。主要方式就是通过采用空心轮轴，将润滑脂注入轴向的油道中，另外在每个游动天轮轴瓦的轴向中心位置开设一个径向的油道，将润滑脂输送到轴瓦处。这样设计，就可以在不停车的情况下进行油脂加注了。空性轮轴相比实行轮轴强度会削弱，所以还应该重新设计并校核，设计空心轮轴后，为下一步注油回路的设计打下基础。注油管路设计：一般来说，维护工人在对设备进行润滑油脂的加注时，一般采用油枪，油壶，刷子等，这些注油方式都需要人为进行操作，在注油频繁的条件下，不符合本课题的出发方向。因此，为使得注油实现自动化，电气化，这里将采用电动注油泵配合电路进行控制。注油管路主要包括这几个部分：储油箱，电动注油泵，油管，阀。储油箱安装这天轮平台上，与电动注油泵相连，提供润滑所需要的润滑脂，油管连接各个元件，特别的，为实现不停车注油，在油管与天轮轮轴的连接处还需要使用旋转密封接头进行连接，轴承的润滑也通过。因为提升系统包含两个天轮，油管的分支将通过电磁阀来实现控制，采用一个油泵供给一个天轮的方案。初步设计后，将在两个天轮的位置均安装一条注油系统，由一个电路进行控制，实现注油的不停车。电控部分的设计：自动化的实现离不开电气控制，为了将电动注油泵，和温度传感器，振动传感器等元器件连接控制起来，需要使用程序进行控制和监测，保证在天轮工作异常时能及时报警，注油。上述方案结构比较简单，在控制系统上，本设计选择了PLC控制系统作为自动注油系统的控制单元，PLC程序设计简单快捷，且物理尺寸小，耗能低的优点。传感器需要根据天轮工作时的参数变动范围选择，将采集到的数据经由处理后发送至PLC系统中，由程序来判断是否需要注油。另外，PLC还具有定时功能，这样也能满足七天注一次油的任务要求。利用TIA Portal博途软件进行程序设计和程序模拟，能更加高效的完成对电控系统的设计。其他部分的设计：本课题是建立在提升系统上进行的改进设计，自动注油装置所包含的电动注油泵，储油箱，控制器，油管需要安装这提升系统中的天轮平台上，考虑到天轮安装位置较高，润滑脂流动性差，不能将电动注油泵安装这地面上，否则重力带来的影响会使电动注油泵无法将润滑脂压注到天轮处，所以，应该将注油装置安装在天轮平台上，控制部分安装在地面上。除此之外还涉及到天轮上部分结构之间的位置干涉，经过简单分析，旋转密封接头和轴端的安装存在干涉，需要将轴端伸出轴承座，在轴承端盖上设计通孔并进行轴和轴承端盖之间的密封。传感器要选择易于安装且尺寸较小的型号。另外的设计改动就是油管线路的固定和电动注油泵以及储油箱的安装固定。以上各种元件的选用要考虑防火防爆的性能要求。2.2 小结（Summary）自动注油的实现主要是靠电路控制PLC程序来实现，因此，程序的设计就显得十分重要，既要实现定时注油，又要能够实时监测。注油管路的设计重点在于空心轴的设计，空心轴的特殊性使得天轮整体结构也需要进行改进设计，涉及到轮毂大小，轴承座尺寸等。外接旋转密封接头会与轴承端盖干涉，因此还需要设计新型端盖来解决干涉问题。3提升机选型3 提升机选型3 Hoist selection在矿井提升系统中，提升机作为动力输出，是至关重要的部分，确定了提升机的型号和尺寸，才能确定天轮的外形尺寸，根据提升机要求的尺寸选择钢绳的直径。在研究自动注油式天轮装置之前，应当确定所应用的天轮的型号，因此，这里先进行提升机的选型，方便后续计算工作。3.1 提升机概要（Introduction of Hoist）矿井提升机是沿着矿井通过钢丝绳牵引提升容器来运输井下矸石，矿石，升降人员、下放材料和工具的运输设备。罐笼和箕斗是矿井提升系统中的主要提升容器。根据提升机上钢丝绳包角和钢丝绳倾角的不同，提升容器也分为斜井式和立井式两种，立井式提升容器主要是箕斗和罐笼，箕斗分为侧卸式、底卸式和翻转式，罐笼分为普通罐笼和翻转罐笼。斜井箕斗分为翻转式和后壁卸载式两种。罐笼可以用来提升矿石、人员、材料和设备等，但是箕斗不能用来提升人员。不同矿井的提升机的工作方式不同，但是其原理是相似的，矿井提升机原理如图所示：通过提升机滚筒带动钢丝绳，经由天轮的导向后，实现井下提升容器的升降，在井下与地面之间往复运动，进行对矿石、人员、物资材料的运输。3.2 提升机的分类（Classification of Hoists）目前我国在矿井中广泛使用的提升机设备主要有单绳缠绕式和多绳摩擦轮式两种，其工作原理如下：单绳缠绕式提升机单绳缠绕式提升机的主要部件有主轴、卷筒、主轴承、调绳离合器、减速器、深度指示器和制动器，如图3-1所示。图3-1 单绳缠绕式提升机Figure 3-1 Single rope winding hoist单绳缠绕式提升机是较早出现的一种类型，工作原理比较简单，提升机的卷筒固定钢丝绳的一端，钢丝绳另一端绕过井架上的天轮与提升容器相连接。提升容器的升降动作的实现，是依靠两个提升机卷筒上钢丝绳的不同的缠绕方向，当提升机转动时，使两个容器一个上升，一个下降。这种类型的矿井提升机在我国矿山中得到广泛使用。按照提升机卷筒的数目，分为有单筒式及双筒式提升机两种。双筒式提升机指的是在主轴上装有两个卷筒，其中一个卷筒与主轴是固定连接（键装或者热装）的，称为固定卷筒；另一卷筒则是通过离合器与主轴连接，称为游动卷筒。将两种卷筒做成这样的目的，是为了在需要调绳或者调整提升高度时，两个卷筒可以有相对运动。单卷筒提升机只有一个卷筒，一般用于单钩提升，如果在单卷筒上固定两根缠绕方向相反的钢丝绳，也可以实现双钩提升。这时，由于一根钢丝绳从卷筒上脱离缠绕，而另一根则向卷筒上缠绕，提升机卷筒工作表面得到了充分的利用，所以单卷筒提升机相对于双卷筒提升机而言，质量和体积都有很大的差别。不过单卷筒提升机做双钩提升时，绳长的调节就显得不太方便，为此，人们把卷筒制成可分离式的两部分结构，一部分与主轴固接，另一部分则通过离合器与主轴相连，这种型式的称为可分离式单卷筒提升机。多绳摩擦式提升机多绳摩擦式提升机的主要部件包括主轴、主导轮、主轴承、车槽装置、减速器、深度指示器、制动装置及导向轮。由于使用了多根钢丝绳代替了一根钢丝绳，当承受载荷时，各个钢丝绳所承受的分力变小，因此可以使用直径更小的钢丝绳。摩擦轮改为摩擦筒（亦称主导轮），尺寸稍有加宽，摩擦轮的直径也适当减小，在体积上相比于单绳式更小巧，占用的空间资源少。得益于多绳的布置，钢丝绳在起吊时更不易断裂，提升系统的安全性也大大提高了，多绳摩擦式提升机的结构图示如图3-2。图3-2 多绳摩擦式提升机Figure 3-2 Multi-rope friction hoist随着开采深度的增加，所需钢丝绳长度大大增加，需要缠在卷筒上的钢丝绳也变长，同时导致了矿井提升机的卷筒宽度的增大，从而导致了一系列问题，如提升机的主轴过长、绳弦偏角太大、机器自重增大导致转动惯量加大等。为了解决这个问题带来的影响，德国人Koepe提出将钢丝绳搭在摩擦轮.上，利用摩擦衬垫与钢丝绳之间的摩擦力来带动钢丝绳运动。与卷筒缠绕式相比，摩擦轮的宽度明显变窄了，同时由于跨距变小，从而减小了主轴直径和提升机的外形尺寸，提升机机身重量也减轻了，由于回转力矩的减少，提升机电机的性能得到了充分发挥。常见的多绳摩擦提升设备的布置方式有塔式和落地式。其提升系统示意图如图3-3所示。图3-3 矿井提升系统示意图 Figure 3-3 Schematic diagram of mine lifting system多绳摩擦提升机的结构特点是与它的安装特点以及动力传递原理密切相关的。提升机主要是靠钢丝绳与天轮轮槽之间产生的摩擦力来传递动力的，这就意味着轮槽处必须安装有较高摩擦系数的衬垫。为了使钢丝绳的绳槽深度保持相同，即每根钢丝绳具有相同的摩擦半径，需要使用切槽装置。为了补偿钢丝绳在深度指示器位置上蠕动或滑动的影响，提供了深度指示器自动归零装置。笼子底部装有尾绳悬挂装置，以防止在使用圆形尾绳时发生扭曲。摩擦提升依靠衬垫与钢丝绳之间的摩擦力来传递动力，因此其工作可靠性就在于提升钢丝绳与安在主导轮.上的摩擦衬垫之间是否产生滑动，即是否有足够的摩擦力。3.3 提升机型号选择（Selection of Hoist）本课题所选择的天轮是游动天轮，游动天轮上可缠绕多组钢绳，因此在这里我们主要考虑多绳摩擦式提升机。根据相关资料和一些矿井中的提升系统中的提升机，了解到常见提升机型号有JKM，JKMD系列。该系列的提升机命名的规则如图3-4所示：图3-4 JKM系列命名规则Figure 3-4 JKM Series naming rules根据课题要求，我们着重于自动注油方向的研究，为探究此方案的可行性，所以选择提升机的时候，不宜选择超大尺寸或极小尺寸的提升机，考虑常见尺寸和较小功率的提升机型号即可。根据相关厂家所生产提升机的技术参数表1，确定提升机型号为JKMD-1085X4PI。表3-1 JKMD型落地式多绳摩擦式提升机基本参数Table 3-1 Basic parameters of JKMD floor multi-rope friction hoist具体参数如下：摩擦轮直径D=1.60m，钢丝绳根数N=4，摩擦系数=0.25，最大提升速度v=8m/s，天轮直径D0=1.85m=1850mm。3.4 小结（Summary）提升机是矿井运输提升系统中最主要的部分，矿井提升机作为驱动部分，带动钢丝绳在天轮轮槽中运动，带动提升容器实现矿井中的物资和人员运输。提升机有多种类型，根据所提升载荷的不同，选用合适的提升机能够更加高效的进行工作。在本课题对天轮装置的设计中，确定提升机型号是至关重要的一步，确定了提升机的尺寸参数和许用钢丝绳的直径，就可以确定天轮的轮槽底圆直径，和绳槽宽度，为下一步设计的进行打下基础。4 提升机天轮的设计4 提升机天轮的设计4 Design of hoist head sheave4.1 天轮概要（Introduction of Head Sheave）天轮是安装在矿井立井井架上的用于引导钢丝绳转向的装置，是用来连接提升机卷筒和提升容器的钢丝绳，并引导钢丝绳转向的，其中轮槽部分一般安装有绳槽带和橡胶衬垫，用来增加钢丝绳的寿命和与绳槽之间的摩擦力，提高工作效率，减少打滑现象。天轮主要分为立井天轮，凿井天轮，和游动天轮，立井天轮及凿井天轮在工作时，天轮只作旋转运动，起到了定滑轮的作用。立井天轮主要用于立井提升和斜井提升，凿井天轮的主要是立井凿时悬吊吊盘及稳绳。游动天轮的轮体除了作旋转运动以外，还可以进行轴向移动，主要适用于串车提升。每种类型天轮对应于不同应用场景具有不同的直径和不同的制造工艺。根据结构型式不同可分为两类：直径3.5m以下的天轮常常采用铸造辐条式，这种天轮的轮辐是放射状分布的，尺寸不同，其辐条数量也不同。轮辐两端是铸造连接在轮缘和轮毂内，轮毂与轮轴采用键连接方式固定。另外，轮轴上装有限位挡环，防止轴向移动。直径4m以上的天轮采用型钢装配式，目的是为了运输，装配的便捷，制造安装这类大型构件时，轮辐的一端用精制螺栓与轮毂连接，另一端用铆钉与轮缘固定安装。按照煤炭安全规程，天轮的直径与钢丝绳直径之比应符合如下要求：井上提升装置的滚筒和围抱角大于90的天轮，不得小于80；井下围抱角大于90的天轮，不得小于80；围抱角小于90的天轮，不得小于40。常见天轮结构如图4-1：1.主轴承 2.固定轮 3.游动轮 4.衬垫 5.轮缘 6.轴瓦 7.天轮轴 8.辐条 9.固定轮毂10.游动轮毂 11.挡环图4-1 常见天轮装置结构 Figure 4-1 Structure of Common Head Sheave以上是一种游动天轮的图纸，其中最左侧的天轮是固定天轮，右侧三天轮是游动天轮，以轴瓦连接在天轮主轴上，进行轴向和周向的运动。游动天轮能够很好的提升工作效率，且可承受的负载量大，在矿井下常用游动天轮和多绳摩擦式提升机来组成矿井提升系统。4.2 天轮参数确定（Determination of Head Sheave Parameters）天轮的有效尺寸是由提升系统中提升机所规定的，另外，根据一些公司所生产的天轮的参数，和所选的JKMD-1850X4PI提升机所要求，具体的主要参数如下：绳槽底圆直径D0=1850mm；天轮轮毂处宽度b=120mm；钢丝绳直径ds=20mm；轴承中心距l=700mm；单个天轮自重m=1t；轴承型式采用滚动轴承；天轮轮体采用铸钢结构， 材料选用ZG310-570。天轮轮缘绳槽处安装有橡胶衬垫，用来延长钢丝绳寿命。所选天轮是游动天轮，其中包含一个通过平键连接固定在轮毂上的固定天轮，以及三个通过轴瓦嵌套在天轮主轴上的游动天轮，除了能够作旋转运动，还能轴向移动部分距离。4.3 小结（Summary）根据煤炭安全规程所要求的天轮的绳径之比，以及现有天轮的相关尺寸，如轮毂宽度，轴承中心距，辐条数量，轮槽深度。天轮的外形尺寸确定之后，才能根据提升机功率，载荷，钢丝绳直径来进行轴的设计以及校核，这对于本课题的研究是很重要的，在选定了合适的天轮以后，才能够展开设计计算。5天轮空心的轴设计及计算校核5 天轮空心轴的设计及计算校核5 Design, calculation and check of hollow shaft of head sheave游动天轮装置主要包括以下几个部分：固定轮毂，游动轮毂，天轮轴，轴承座，轴承，轴瓦，等主要结构，天轮轴是天轮装置的核心，承载着径向的载荷和弯矩，是天轮能够进行转动的必要条件，轮轴一般采用45#钢，因为要考虑刚强度，本课题所涉及到的天轮额定载荷为10t，为保证提升系统能够正常工作，州的设计和校核是十分重要的。一般来说，天轮装置的轮轴为实心轴，且为光轴，主要承受径向载荷，钢丝绳在轮槽内因摩擦产生扭转力产生对轴的扭矩，通过弯扭条件进行校核。轮轴两端与轴承配合，固定天轮轮毂部分与轮轴接触面上有一个固定轮毂的键槽，一般使用平键。根据这些条件进行轴的设计。5.1 空心轴方案分析（Schematic Analysis of Hollow Axis）5.1.1 要求一般来说，游动天轮在对轴瓦进行润滑脂添加时，是通过游动天轮辐条上的油脂加注孔来加注润滑脂的，对于尺寸大，安装位置较高，且工作环境恶劣的天轮装置，人工从辐条处进行润滑脂的加注就显得十分不便，为了省去这种注油方式带来的困扰，该设计舍弃了原有实心轴的设计，选择在天轮主轴轴心处开设一条轴向油道至最远游动天轮处，再加工几条连接通往游动天轮轮毂内的轴瓦处的径向油道，将润滑脂输送至轴套与轮轴之间，且需要保证空心轴的强度仍然满足设计需求，满足提升机工作的额定载荷强度条件，同时，轴向和径向的油道的直径要满足润滑脂顺利进行压注的需求，这样才能实现利用油泵将润滑脂从外部压入轴瓦。一般来说，作为主路的轴向油道直径应该大于作为支路油道的径向油道，才能确保泵送的油脂能均匀的去往每个轴瓦处。径向油道的分布不能再同一平面上，否则会对轴的强度带来较大影响。5.1.2 分析设计中心油道的时候，轮轴中心油道的直径不易过大，否则内径过大，空心孔道会极大的削弱轴的强度，也可能导致天轮主轴的设计外径会太大，增加加工难度和生产成本，影响天轮装配及天轮装置的尺寸，并且容易形成干涉。另外，天轮轮轴的长度不宜过长，过长的轴在承受很大弯矩的情况下容易弯曲变形甚至折断，更高强度的材料会带来更高的成本，增加加工难度。因此，我在原有的天轮轴的基础上进行设计，不破坏轴的整体结构设计，适当增加直径以满足强度要求，并且达到使用要求。5.2 空心轴设计（Design of Hollow Shaft）根据设计方案的思路，对天轮主轴轴向油道的设计只需在主轴一侧进行，轴向油道需要加工脂最远游动天轮处，径向的油道垂直于中心油道，连通中心油道和轮轴外表面，新型空心轮轴的结构设计草图如图5-1所示：2 1 1.径向油道2.轴向油道图5-1 空心轴设计草图Figure 5-1 Sketch of hollow shaft design此外，还需要考虑润滑脂输送到天轮轴外表面处的润滑脂分布均匀性。直接输送至轴瓦处，在旋转及压力作用下，润滑脂将分布在径向油道所经过的轨迹周围，而轴瓦的面积较大，无法均匀的将润滑脂分布在整个轴瓦内部，在查阅相关文献，以及螺纹形状带来的启发下，设计了如下的方案，如图5-2所示：图5-2 表面油槽设计图 Figure 5-2 Surface Tank Design如之前所设计，径向油道一共有六个，而轴瓦的工作面是一个圆柱面，为了使游动天轮在作旋转运动时能带动润滑脂均匀散布，这里拟采用在轴的外表面即与轴瓦的接触面上加工出来两条螺旋油槽，呈8字分布，这样一来，润滑脂输送至轴瓦处，将沿着油槽分布开来，最终均匀的在轴瓦处形成油膜。5.3 空心轴计算及校核（Calculation and Checking of Hollow Shaft）根据前面所选的提升机JKMD-1.85*4的功率及转速，已知总载荷Q，初步估算天轮轴的直径：P=200kW,v=10ms，Q=98000N所设计的天轮参数：绳槽底圆直径D=1.85m；单个天轮自重m=1.5t；初步估算轴的最小直径。根据经验，选取轮轴的材料为45钢，调质处理，查机械设计手册，取A0=112，得：dmin=A03Pn=1123220324=95mm (5-1)拟设计中心油道的直径为d1=20mm：查机械设计（第九版）第366页，根据空心轴直径计算公式，得：dmin1=A03Pn1-4=95.425mm (5-2)考虑到键槽对轴强度的削弱，对于直径d100mm的轴，有一个键槽时，直径增大3%，所以：dmin2=dmin13%=100.19mm (5-3)初步设计轴承中心距为700mm；经过简单校核，发现，该直径下的空心轴强度不符合要求，故增加轴径到：dmin3=130mm计算轴的支反力：水平面支反力：FNH=0垂直面支反力：FNV=Q+4m2=68600N (5-4)计算轴的弯矩，并做弯矩图：截面A处的弯矩：MA=22295000Nmm截面B处的弯矩：MB=30870000Nmm截面B处的合成弯矩：M=MB=30870000Nmm作合成弯矩图5-3：图5-3 弯矩图 Figure 5-3 Moment diagram每个游动天轮所受扭矩由钢丝绳与天轮轮槽之间的摩擦力提供：摩擦力f=Q=24500N (5-5)转矩T=22662500Nmm (5-6)按弯扭组合强度条件校核轴的强度：通常只校核轴上承受最大弯矩和转矩的截面（即危险截面B）的强度。必要时也对其他危险截面（转矩较大且轴颈较小的截面）进行强度校核。根据公式，取= 0.6，则有：ca=McaW=M12+T12W=308700002+0.62266250020.112031-4=178.8MPa15L; （7-4）通常润华脂储量不宜超过箱体总容量的80%，因此，该尺寸的箱体满足设计要求。材料方面，选择不锈钢作为储脂容器的壳体材料，在兼顾壳体的结构强度上，还能避免润滑脂受到光照，影响润滑脂的润滑性能。7.5 管路附件（Pipeline Accessories）选定好注油回路里的各部分组件之后，接下来要确定用于电动润滑泵、分配器、润滑点、油箱之间连接的油路材料，包括主油路所用油管，分配器到润滑点的支路油管。主路管道根据机械设计手册中干油润滑系统部分的设计要求，配管材料中，主管部分所用材料应该根据工作压力来确定。根据干油润滑系统中所选择的电动润滑泵的技术参数，以及表格中的规格尺寸确定管路系统用钢管的参数如下：公称通径d=15mm；管路外径D=22mm；采用螺纹连接的方式和泵体以及分配器，储脂容器进行连接，则管路壁厚为3.5mm； 单位容积176.7mL/m3。支路管道由分配器到润滑点的这段管路通常被称为润滑管，材料一般为铜制管路，推荐使用GB/T 1527-1997铜及铜合金拉制管中拉制或轧制铜管。润滑管路所用管路尺寸如下：公称通径d=10mm；管路外径D=14mm；壁厚为2mm。7.6 小结（Summary）天轮注油回路的设计是实现天轮自动注油的首要条件，设计好外部执行回路，才能进行内部控制电路的设计。注油执行回路的主要元件包括油脂压注单元、油脂贮存单元、管路附件、其他元件等。油脂压注单元可以使用常见的润滑泵，根据机械设计手册上干油润滑系统的说明，选择适用于润滑脂压注的电动润滑泵；油脂贮存单元的设计，应考虑润滑脂的存放要求，要保证润滑脂能在存储容器中保持良好的润滑性能，同时还应该考虑壳体强度和防火，选择强度足够的金属材料作为壳体的材料，壳体结构上要设计注油孔、出油孔、通气孔和传感器安装位置。管路附件的选用应考虑电动润滑泵的工作压力，选用强度足够的管材，主管路所用管材应当便于线路布置安装。接头方面，选用易于安装且密封性能好的接头方式，能够防止润滑脂泄露造成管道内降压，无法进行注油。整个注油回路的设计，应该讲主油路末端连接储油容器，给主管路进行降压，防止油路堵塞造成系统损坏。8控制单元8 控制单元8 Control unit天轮注油工作的自动化，就是说在没有人为进行直接参与的情况下，完全通过电路控制来实现注油操作，它的优点在于能够将工作人员从复杂且具有高风险的维护工作中解放出来，同时也提高了工作效率，而且工作质量相对于人工操作提高了许多，带来了更高的经济效益，减少了人工成本。通常的自动控制是指通过计算机、PLC或者单片机等编写的程序以及相配合的传感器，控制器来进行工作过程的自动化控制，是一种十分便捷且简单的方法。实现自动注油，除了设计相应的注油回路，还需要通过对回路中执行元件的控制和执行状态的反馈来进行调节，实现这一系列复杂功能的单元就是该自动方案中的控制单元。8.1 自动控制方案（Automatic Control Scheme）根据课题所要求的的补充润滑脂的周期和润滑点，对自动控制方案进行设计。在整个控制回路中，包括以下几种元件：控制器（例如计算机程序软件，单片机程序，或者PLC控制系统），被控对象（润滑脂），执行机构（电动齿轮泵），传感器（温度传感器，振动传感器和油压传感器）。润滑脂要确保每周一注，可以通过定时器来实现该功能。定时器计时七天结束，通过控制电路启动电动润滑泵，开始向轴承和轴瓦处进行注油操作，以保证在天轮正常工作时能实现按周期对润滑点进行润滑脂的补给。此外，还应该考虑天轮在工作异常情况下是否对轴承或者轴瓦进行润滑脂加注，例如在高强度、高工作载荷或长时间运行的情况下，润滑脂的消耗量增加，在下一次补给之前，润滑脂已经消耗完，此时，天轮继续工作将对主轴和轴承造成很大损伤，拟考虑在天轮工作不正常的时候通过技术检测来判断天轮当前是否需要提前补充润滑脂。8.2 控制系统的选择（Selection of Control Systems）控制系统是整个自动化装置的核心所在，控制系统可以按照我们所需求的方式来对系统中的软件或者硬件模块进行控制，改变它们的工作状态，或者改变某些数值，量，从而达到对外部输出状态，设备运行状态的改变。工作原理主要是通过检测被控制量党的实际值，利用控制系统中事先编译好的计算机程序来进行运算，比较，与给定的数据值进行比较，计算出输入量和输出量之间的偏差，利用这个偏差值对整个控制系统进行控制调节，使其输出保持系统设定的期望值，将不确定的外部变化因素所带来的影响消除掉，使得控制系统在任何情况下都能够进行准确判断对比，保证系统的恒定输出。控制系统按照有无反馈可以分为开环控制系统和闭环控制系统。其中开环控制系统是由系统输出量直接控制输出量，及执行元件的工作，从而实现对受控对象的控制作用。开环控制系统的结构简单，成本较低，但它的缺点也十分明显。因为控制器只是对执行器进行直接控制，没有输入量的输入，控制部分不参与对执行情况的判断，容易受到外部因数的干扰，精确程度较低，这种控制方式仅仅适用于简单的控制系统，不需要进行调节反馈的简单系统。闭环控制系统相比于开环系统就显得复杂许多，除了必要的控制单元和执行单元，还增加了反馈单元，反馈单元一般是传感器或者其他可以采集工作状态参数的元器件，将系统进行工作时的各种变化参数反馈到控制系统中，由控制系统对反馈量进行分析，将反馈量与给定值进行偏差比较，然后改变控制器的输出量，从而实现对受控对象的控制和调节，这种反馈又称为负反馈。相比于开环控制系统，负反馈控制系统的结构就比较复杂，成本昂贵，不易于维护检修。负反馈控制系统的优点在于它的抗干扰能力强，能减少或者消除外界对系统带来的影响，比如温度、湿度、电压波动等。闭环控制系统的动态性能好，抗干扰能力很强，工作精度也很高。根据自动注油式天轮装置的工作要求，一周一注的需要可以通过开环系统来直接进行控制，设定计时器进行控制，计时一个周期以后，控制器启动润滑脂加注系统，完成给定的任务动作。但是，考虑到方案中涉及对天轮高负荷工作可能导致润滑脂消耗过快，所以要提前注油，将天轮工作时的振动信息，温度信息来作为反馈信息，再让控制系统进行处理，从而控制电动润滑泵的启停，动态性的读天轮注脂进行控制。所里在这里选择选择带有反馈的闭环控制系统作为自动注油式天轮的控制系统结构。自动控制技术是20世纪发张最快、使用最广泛的工业控制技术之一，也是现今最重要的高新技术之一。囊括了诸如工业生产、军工技术、管理以及日常生活的各种领域，这些都离不开自动控制技术。从工作原理来看，自动控制技术是通过具有一定的控制功能的自动控制系统，来实现某种控制任务，保证整个工作过程能够按照人们的预期来进行，达成设定的某个目标。诚如人们所见，自动控制已经走进了人们的日常生活中，我们最常见的莫过于计算机控制，智能手机软件等，这些使用计算机编程软件实现的智能化控制，能够很准确的实现人们所需求的各种功能。在工业生产中，计算机控制可以实现各种庞大复杂的的运算任务，能够同时对多个事件进行处理和计算，有着高效率，动态性能好，精确性高的优点，但是计算机控制的成本高，且复杂程度高，适用于大规模，大型控制任务的自动控制。另外还有用于小型控制系统的控制技术，譬如单片机，这是一种使用集成电路技术将具有处理数据的能力的CPU，随机存储器，只读存储器ROM，以及I/O接口和其他模块，例如定时器集成到一个芯片上组成的微型但是结构功能完善的计算机系统，成本低。虽然结构简单，但是其功能完善，使用起来十分仿版，可以使用汇编语言，C语言编译程序写入单片机，再将其安装在系统中，进行自动控制。应用于人们的日常生活中，例如自动报警设备，智能语音电子设备。在工业生产中，控制方式上常用PLC可编程逻辑控制器来作为控制元件，PLC是一种专门为工业环境下应用而设计的数字逻辑运算操作系统。PLC系统的组成包括内部存储器执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、和算术操作、位操作、字符操作等指令和模块，通过数字或者模拟量的输入来控制各种类型的机械设备或生产过程。PLC逻辑控制器在工作流程中，以扫描端口的方式依次读取每个输入端口的状态和数据，并将它们存入相应的地址内，之后再在内部启动各个模块对数据进行处理，可以通过信号板来采集外部数据，将其转化为PLC可以进行处理的状态量或者模拟数值。经过PLC内部的处理之后，再通过输出端口将信号量发送给执行单元，完成控制过程。PLC所采用的集中采样、集中输出的工作方式，极大的减少了外界干扰带来的影响，PLC的体积小，安装尺寸小。对于外部输入量的变化有着较快的反应速度。结合自动注油方案的分析，这里采用PLC控制系统来做为自动注油装置的控制单元最适宜，程序编写简单直观，系统线路连接简单可靠，可以处理多种模拟量参数，能够处理方案中所涉及的温度传感器和振动传感器，以及油压传感器等，还能对电动润滑泵的三相异步电动机进行控制，在控制电动润滑泵的同时还可以通过指示灯来告知工作人员当前天轮的工作情况和润滑脂存储量是否充足。8.3 传感器的选型（Selection of Sensors）传感器是一种可以将采集到的物理量，例如温度、速度、位移、压力、光照强度等等转化为电信号（电压或者电流）进行信息输出，主要组成部分包括敏感元件、转换元件、变换电路三部分，其中转换原件和变换电路一般需要辅助电源进行供电。图8-1示为传感器的基本结构。图8-1 传感器结构图 Figure 8-1 Sensor structure传感器根据所测物理量不同可以分为很多种类，如压力传感器、位移传感器、温度传感器、加速度传感器。根据不同的使用情况，使用合适的传感器能够极大的帮助我们对机械运行时的工作状态进行监控。天轮轴承和轴瓦的工作状态监测可以通过安装传感器来实现。天轮工作时会产生振动，在工作稳定，润滑足够的情况下，天轮的振动幅度小，且呈现稳定性；当天轮润滑不充分时，轴瓦与轴之间摩擦剧烈，容易造成游动轮和主轴之间卡死，钢丝绳和天轮轮槽之间产生滑动摩擦，引起天轮振动，轴承处润滑失效，轴承内滚子与轴承内外圈摩擦不顺长也会引起主轴的整栋。所以，可以选用振动传感器来检测天轮的振动情况，作为判断天轮工作状态的一项指标。轴承在工作时因旋转会产生热量，轴承部分的温度会有所提高，当润滑脂润滑充分的时候，轴承因摩擦产生的热量较少，且热量可以通过润滑脂迅速的传递出去；当轴承润滑不足时，轴承会因摩擦而产生高温，肯会引起变形；轴瓦处得不到充分润滑，轴瓦和主轴之间难以进行相对运动，也会产生高温。相比于正常工作时产生的温度，在非充足润滑时产生的高温更容易被温度传感器所探测，所以，以温度变化来作为天轮工作状态监测的另一项指标，采用温度传感器对天轮的工作温度进行监测。结合天轮的轴瓦和轴承这两种工作数据，可知，当振动和温度两者之中任意一个出现工作异常的情况，控制系统就应当考虑对天轮进行注脂操作。传感器的选择如下：温度传感器：在本系统中，温度传感器需要安装在轴承座腔体内对轴承温度进行采集，以及轴瓦外侧对轴瓦温度的测量。考虑矿井提升系统的工作环境，在选择传感器时，应该考虑传感器的防爆、抗震、抗干扰等必要因素。本系统采用由长春东煤高技术股份有限公司生产的GWD100矿用温度传感器。主要技术参数和性能如下：1. 额定电压：24V/DC2. 工作条件：工作温度-540；相对湿度：98%；大气压力：80-106kPa；工作环境：无显著震动和冲击的场合。3. 测量范围：0100；4. 测量误差：2.5%5. 输出信号：4-20mA接线引脚：表8-1 温度传感器接线引脚表Table 8-1 Temperature sensor wiring pin table接插件管脚定义对应电缆1电源+黑2电源-红3输出信号蓝4空脚绿图8-2为接线图：图8-2 温度传感器接线图Figure 8-2 Temperature sensor wiring diagram安装时，将探头安装在轴承座外部，接近轴瓦处，用于测量轴瓦的温度；另一组传感器安装在轴承座腔体内，固定在轴承端盖上，用于测量轴承的温度。振动传感器：在设备进行工作时，所产生的振动能够反映出设备的健康状况。在天轮工作时，轴承与轴之间也会产生一些微小的整栋，轴瓦和轴之间也是如此。在平稳运行时，振动的幅度较小，在润滑不足时，轴瓦和轴之间的摩擦也会变得剧烈，振动强度会增加。使用振动传感器能够采集天轮在工作时的振动强度，通过振动强度可以判断天轮的工作是否正常，是否需要添加润滑脂。考虑工作环境，振动传感器应该满足防爆、防火、抗干扰能力强等要素。这里采用矿用GB20型振动传感器。主要技术参数和性能如下;1. 额定电压：24/DC；2. 测量范围：0-20mm/s3. 误差：5%4. 输出信号：4-20mA图8-3为接线图：图8-3 振动传感器接线图 Figure 8-3 Vibration sensor wiring diagram振动传感器安装在轴承座外壳体上，用于采集整个天轮工作时的振动强度数据。油压传感器：润滑脂不同于润滑油，润滑油的储存余量可以通过液位传感器来测量，利用浮球的位置来测量液面高低。所以润滑脂的余量检测可以通过润滑脂的质量来进行测量，质量的测量可以转化为更加小型的压力传感器，将压力传感器置于润滑脂箱体底部，通过压力大小来判断润滑脂的余量。这里选用由吉创仪表科技有限公司生产的JC-1000YHSM型压力变送器来进行对润滑脂贮存箱体中润滑脂剩余量的监测。主要技术参数和性能如下：1. 额定电压：24V/DC；2. 测量范围：-0.1100MPa3. 输出信号：4-20mA；接线图如图8-4所示：图8-4 压力传感器接线图Figure 8-4 Pressure sensor wiring diagram传感器安装在储脂容器的底部，用于监测剩余润滑脂容量。8.4 PLC选型和设计（PLC Selection and Design）PLC是一种专门用于工业控制的逻辑控制器，它具有编程能力能够完全满足用户对设备进行顺序控制、逻辑控制，图8-5为PLC结构图：图8-5 PLC结构图 Figure 8-5 PLC StructurePLC可编程逻辑控制器有多种型号，常见的比如西门子（SIMATIC）公司生产的如S7系列的PLC主机，包括S7-200、S7-300、S7-400、S7-1200、S7-1500、ET-200系列CPU，其中200、300系列属于 超小型PLC，满足中小型规模，低性能需求的场合中的自动检测，监测及控制。S7-400系列用于中、高档性能范围的可编程序控制器。采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别（功能逐步升级）的CPU，并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。S7-1200是西门子公司所制造生产的新一代小型的模块化PLC系统，主要有CPU模块、信号板、信号模块、通信模块、和编程软件组成。在硬件组成上具有高度的灵活性，可以根据用户的需求进行PLC的扩展。比较上述几种型号的PLC系统，结合自动控制方案的控制要求，选择SIMATIC S7-1200作为自动注油系统的控制硬件。该系列集成了最大150KB的工作存储器，最大4MB的装载存储器和10KB的保持性存储器。包括了1211-1215等多种子系列，每个型号又分为DC/DC/DC、AC/DC/Rly、DC/DC/Rly等。根据本课题控制方案的的要求，输入的模拟量数据接口应该有3个，分别是温度传感器数据输入、振动传感器数据输入和油压传感器数据输入，输出包括指示灯和电动油脂泵。根据S7-1200系列CPU 技术规范，如表8-2所示：表8-2 S7-1200系列PLC技术规范 Table 8-2 S7-1200 series PLC technical specifications选择CPU 1214C AC/DC/Rly作为该PLC控制系统的CPU，由于接口模拟量I/O数量只有两个，因此需要添加信号板SM1214 AI/AQ作为增加的模拟量输入模块，才能满足自动控制方案的输入输出要求。国际标准指定的PLC编程语言有指令表、结构文本、梯形图、函数块图、顺序功能图等五种编程方式。其中S7-1200系列可以使用梯形图、函数块图、机构化控制语言这三种。其中梯形图是目前使用最为广泛的PLC图形编程语言。他的结构和继电器电路图很相似，直观易懂，在编译过程中可以通过每个模块上对应的地址轻易的找到其控制的逻辑开关或者计时器，计数器，比较器等运算模块。梯形图主要由触点、线圈和方框表示的指令模块组成。通过触点的开断，来控制线圈的通断，结合指令模块进行运算，最终达到控制外部硬件启停的目的。通过编写程序实现以上两种情况下对电动润滑泵的控制，具体的流程图如下：图8-6 自动注油流程图Figure 8-6 Flow chart of automatic oil injection如图，优先进行对天轮工作状态的检测，来判断天轮当前的工作状态，是否需要进行润滑脂加注；在正常工作时，开始判断第二个条件，是否工作周期满一周。这一部分是对天轮工作状态和注脂时机的判断，除此之外，在注脂进行之前，还需要对储脂容器中润滑脂剩余量进行检测，当润滑脂出储量充足时，启动电动油脂泵进行注脂操作，当润滑脂余量不足时，点亮相应的报警提示灯来提醒工作人员对储脂容器内进行润滑脂补给。这就是自动注油系统的总体工作流程。实现一周一注的工作要求的基础上，同时满足了天轮在高负荷工作时能够及时的对润滑脂进行补充，使得整个系统更加自动化，智能化。8.5 小结（Summary
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