1緒論本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是對(duì)纜車式活動(dòng)泵房的牽引絞車的控制系統(tǒng)的改進(jìn)，利用PLC技術(shù)使其控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，并且易于維修。本設(shè)計(jì)的意義是使用軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的硬件電氣的功能。對(duì)于絞車與其控制系統(tǒng)的發(fā)展如下：國(guó)有移動(dòng)組合式全數(shù)字變頻防爆絞車控制系統(tǒng)，對(duì)于變頻調(diào)速技術(shù)和PLC控制技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但還沒有將變頻調(diào)速技術(shù)和PLC控制技術(shù)同時(shí)應(yīng)用于井下防爆絞車控制的報(bào)道。究其原因：一、現(xiàn)有的國(guó)外生產(chǎn)的變頻器大多不適應(yīng)我國(guó)煤礦井下生產(chǎn)所用660V電壓等級(jí)；二、現(xiàn)有的變頻器和PLC控制器均不防爆，不能滿足高瓦斯礦井、煤與瓦斯突出礦井井下工況的要求；三、國(guó)外生產(chǎn)的隔爆變頻器普遍采用油浸或水冷散熱方式，體積龐大、價(jià)格高、不便于安裝和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)；四、沒有適用于井下提升機(jī)的變頻器控制的應(yīng)用軟件和PLC控制應(yīng)用軟件。移動(dòng)組合式全數(shù)字四象限變頻防爆絞車控制系統(tǒng)較好地解決了以上的問題。在國(guó)外，鉆機(jī)制造商德國(guó)Wirth公司、Bentec公司以與美國(guó)Varco公司擁有先進(jìn)的絞車控制技術(shù)、電動(dòng)機(jī)四象限傳動(dòng)技術(shù)以與電子(自動(dòng))司鉆控制技術(shù)。這些絞車控制系統(tǒng)能根據(jù)鉆壓、機(jī)械鉆速、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和扭矩等參數(shù)控制鉆井鋼絲繩的連續(xù)遞送以保持穩(wěn)定的鉆井狀態(tài)，進(jìn)而大大提高鉆井效率。如：一、德國(guó)Wirth公司齒輪傳動(dòng)絞車德國(guó)Wirth公司新一代齒輪傳動(dòng)絞車采用四象限控制技術(shù)，配有2臺(tái)或3臺(tái)直流或交流電動(dòng)機(jī)，能平穩(wěn)地減速和停止下降或上升的載荷，在不超過設(shè)備使用限制的情況下，直流和交流電動(dòng)機(jī)都能運(yùn)用再生制動(dòng)技術(shù)，制動(dòng)能量大部分回饋給電網(wǎng)。絞車控制系統(tǒng)通過控制電動(dòng)機(jī)四象限傳動(dòng)，使能量在一個(gè)起下鉆作業(yè)中按4個(gè)不同傳動(dòng)階段分配。絞車的控制系統(tǒng)是通過一個(gè)30～60kW的交流電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)其它的輔助驅(qū)動(dòng)。在鉆井過程中，自動(dòng)化司鉆控制電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)恒鉆壓自動(dòng)送鉆，保持設(shè)定的參數(shù)，使鉆井工具的壽命得以大大增長(zhǎng)。另外，在主電動(dòng)機(jī)失效時(shí)，還可做為應(yīng)急裝置，將井中鉆具提起。絞車控制系統(tǒng)還包括一套智能防碰系統(tǒng)(ACS)，用來優(yōu)化游車上下運(yùn)行過程中的安全和效率，它監(jiān)控絞車獨(dú)立的3個(gè)剎車系統(tǒng)。系統(tǒng)提供了整個(gè)提升系統(tǒng)動(dòng)能的參數(shù)分析，并考慮了包括系統(tǒng)制動(dòng)能力、鉤載、游車的速度和位置等參數(shù)，在位于司鉆控制室的ACS系統(tǒng)終端設(shè)定系統(tǒng)的上、下限位。兩個(gè)PLC上獨(dú)立計(jì)算大鉤的位置、速度和制動(dòng)距離。根據(jù)控制系統(tǒng)的運(yùn)算法則，并考慮到系統(tǒng)的動(dòng)能和絞車的剎車系統(tǒng)能力，兩個(gè)PLC能獨(dú)立啟用再生制動(dòng)、渦流剎車或盤式剎車。大鉤位置、載荷和所需要的制動(dòng)距離等參數(shù)持續(xù)地由兩個(gè)微處理器檢測(cè)和比較，任何差異都認(rèn)為是ACS系統(tǒng)失效。電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)、渦流剎車和盤剎緊急制動(dòng)將被激活，使載荷制動(dòng)停止。Bentec公司絞車德國(guó)Bentec公司已成功地將四象限傳動(dòng)用于其鏈傳動(dòng)鉆機(jī)上，將電動(dòng)機(jī)用于剎車，并將能量回饋。盤式剎車只用于駐車或緊急制動(dòng)。絞車遙控操作，游車可以準(zhǔn)確定位。自動(dòng)送鉆速度從10m/h到150m/h。三、美國(guó)Varco公司單軸絞車美國(guó)Varco公司最新一代單軸ADS—10絞車，充分利用了交流變頻的控制技術(shù)，可不使用摩擦離合器而使用電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)來保持負(fù)荷。高性能可精確控制的空氣冷卻和水冷卻伊頓(Eaton)組合盤式剎車可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆，并且使該絞車唯一的剎車——空氣冷卻模塊用于緊急制動(dòng)和負(fù)載的靜態(tài)控制，而水冷卻模塊用于鉆井鋼絲繩的均勻遞送、游車運(yùn)行、鉆壓以與其它鉆井參數(shù)的動(dòng)態(tài)控制。而我設(shè)計(jì)的絞車與其控制系統(tǒng)，僅僅是以很簡(jiǎn)單的方式對(duì)絞車進(jìn)行控制，由PLC進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車各種動(dòng)作的控制。2絞車的選型計(jì)算與設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)參數(shù)泵房總重：50噸，斜坡的坡度：20度，絞車的垂直提升高度：25m，泵房的行走速度：2m/min=0.0333m/s2.2絞車鋼絲繩的布局為了安全考慮，采用雙滾筒，雙繩提升泵房。為了使所選的絞車結(jié)構(gòu)和尺寸盡量的小，以降低成本，采用滑輪組來改善泵房的受力情況，從而選擇合適的零部件，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)的目的。我設(shè)計(jì)的絞車不采用固定滾筒和游動(dòng)滾筒的形式，兩個(gè)滾筒使用一樣的繩索布局，并且都以一樣的方式提升絞車。圖2.1鋼絲繩的布局2.3選擇鋼絲繩鋼絲繩的選擇原則是根據(jù)繩的終端最大可能的懸垂重量等條件初選，再進(jìn)行安全系數(shù)的驗(yàn)算。2.3.1每米鋼絲繩質(zhì)量的計(jì)算公式：kg/m(2.1)其中，m每根繩提升的泵房的重量kg鋼絲繩的抗拉強(qiáng)度Pa為斜坡角度，L提升斜長(zhǎng)鋼絲繩安全系數(shù)，其值(參考《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定的提升鋼絲繩的安全系數(shù)的要求，專為升降物料用的鋼絲繩不得小于6.5)。f泵房阻力系數(shù)，取f=0.01~0.015鋼絲繩阻力系數(shù)，取=0.15~0.20參數(shù)：m=G/4=50000/4=12500kg，=1850×10Pa，=20，L=25/sin20°＝73m，=8，f=0.01，=0.2結(jié)果：選型結(jié)果：(YB829-79)表2.1名稱直徑mm全部鋼絲的斷面積mm2參考重量kg/100m鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度N/mm2鋼絲繩鋼絲1*6股芯第一層第二層1850(一)(二)(三)鋼絲破斷拉力總和N三角股鋼絲繩6△(30)股(6+12+12)繩纖維芯210.950.90.951.11.5172.95183.184319500此三角股鋼絲繩的主要用途：它是同向捻鋼絲繩，主要用于立井提升，高爐卷揚(yáng)，露天礦斜坡卷揚(yáng)，纜車，電鏟，以與雙卷揚(yáng)(左同向與右同向繩可成對(duì)使用)的各種起重設(shè)備，例如重型冶煉澆鑄吊車等。2.3.2驗(yàn)算鋼絲繩的安全系數(shù)公式：(2.2)其中，Q為所選鋼絲繩破斷力總和，即Q=319500Ng為重力加速度，即9.8m/s2結(jié)果：結(jié)論：鋼絲繩符合要求。此外，雙繩提升，兩根鋼絲繩同時(shí)斷的概率要比一根繩的小得多。2.4絞車的選擇和計(jì)算主軸的結(jié)構(gòu)尺寸選擇滾筒直徑的主要原則是使鋼絲繩繞經(jīng)滾筒時(shí)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力不要過大，以便保持鋼絲繩的一定承載能力和使用壽命，鋼絲繩彎曲應(yīng)力的大小與其疲勞壽命，取決于滾筒和鋼絲繩的直徑比。2.4.1預(yù)選絞車滾筒的直徑公式：(2.3)其中，D為滾筒直徑mmd為鋼絲繩直徑mm為鋼絲繩中最粗鋼絲直徑mm結(jié)果：2.4.2絞車的最大靜力與最大靜力差的計(jì)算絞車各承力部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是按照絞車系列參數(shù)規(guī)定的鋼絲繩最大靜力和最大靜力差來設(shè)計(jì)的。選擇絞車時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算實(shí)際負(fù)荷所產(chǎn)生的最大靜力和最大靜力差，使它小于所選絞車規(guī)定的最大靜力和最大靜力差?？紤]到泵房的受力情況，則：公式：(2.4)其中，L為提升斜長(zhǎng)，斜坡角度f泵房運(yùn)動(dòng)時(shí)阻力參數(shù)，滾動(dòng)軸承f=0.015，滑動(dòng)軸承f=0.02f提升鋼絲繩運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力系數(shù)，f=0.15~0.2，由于斜坡距離較短，鋼絲繩始終處于繃緊狀態(tài)，鋼絲繩的阻力系數(shù)僅考慮動(dòng)滑輪處的阻力，取值會(huì)小一些，取f=0.03p為鋼絲繩單位長(zhǎng)度重量參數(shù)：G=50000kg，α=20，f=0.02，f=0.03，L=73m結(jié)果：預(yù)選絞車類型：表2.2型號(hào)雙剎2JTK1.6最大靜力值KN45最大靜力差KN25卷筒直徑mm1600卷筒寬度mm900卷筒個(gè)數(shù)2兩卷筒中心距mm1900鋼絲繩直徑mm24.5鋼絲繩繩速m/s2.45外行尺寸長(zhǎng)*寬*高6556×3790×2175主機(jī)重量kg148252.4.3絞車結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上述所選用的礦用提升絞車是根據(jù)參數(shù)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行的初選，考慮到我所設(shè)計(jì)的絞車只是單方向的提升，并且兩卷筒是同時(shí)提升泵房，相當(dāng)于兩卷筒都是固定滾筒，所以，絞車的最大靜力差也應(yīng)該是45KN，則預(yù)選的絞車不滿足要求，需要自行設(shè)計(jì)絞車的結(jié)構(gòu)。而上述所選的雙剎2JTK1.6型絞車的技術(shù)參數(shù)可以作為參考，從而有利于設(shè)計(jì)的合理性。1、原始數(shù)據(jù)滾筒直徑：D=1600mm繩纏繞圈數(shù)：繩的間距：l=2mm摩擦圈：nm=3滾筒寬度(至少)：B=(29.1+3)×21+(28+3)×2=736.1mm，取B=900mm纏繞層數(shù)：一層滾筒個(gè)數(shù)：2鋼絲繩最大靜力：T=45KN鋼絲繩最大靜力差：鋼絲繩最大直徑：d=21mm鋼絲繩的鋼絲最大直徑：鋼絲繩單位長(zhǎng)度重量：p=1.832kg/m鋼絲繩所有鋼絲總斷面積：鋼絲繩所有鋼絲破斷力總和：，(抗拉強(qiáng)度為1850Mpa)提升速度：取v=0.0333×2＝0.067m/s環(huán)境溫度：0~40環(huán)境濕度：不小于95%傳動(dòng)方式：機(jī)械式傳動(dòng)2、滾筒支輪輪緣的直徑，取因?yàn)闈L筒支輪輪緣的作用之一是定位鋼絲繩，使其始終處在滾筒的寬度之，所以，支輪輪緣直徑取的比計(jì)算值要高出一些。3、最大提升高度公式：?jiǎn)螌犹嵘叨?2.5)其中，H1為纏繞單層的最大提升高度mB為滾筒兩擋繩板之間的寬度mmd為使用鋼絲繩的最大直徑mmb為由滾筒擋繩板側(cè)至筒殼出繩孔中心的距離mm滾筒筒殼鋼板厚度mmt為鋼絲繩在滾筒上的纏繞節(jié)距mmD滾筒的名義直徑mnm鋼絲繩在滾筒上纏繞的摩擦圈，通常取LS試驗(yàn)用鋼絲繩長(zhǎng)度(絞車實(shí)際使用的頻率較低，但是，為了保證絞車的安全運(yùn)行，每隔一定的時(shí)間還是要進(jìn)行檢查，間隔的時(shí)間可以取的長(zhǎng)些)，則取Ls=3m參數(shù)：B=900mm，d=21mm，=25mm，b=d/2-(1~1.5)=35.5~48，取b=40mm，t=d+(2~3)=23mm，=3，D=1.6m結(jié)果：結(jié)論：斜坡提升的繩長(zhǎng)是73×2＝146mm，所以，單層提升高度值滿足要求。4、變位質(zhì)量計(jì)算(1)、筒殼參考《液壓絞車》中的相關(guān)參數(shù)，并由設(shè)計(jì)圖紙，取筒殼的質(zhì)量為圖1.2滾筒筒殼參數(shù)：Di零件i的慣性回轉(zhuǎn)直徑mGi零件的實(shí)際重量kgD滾筒直徑m(2.6)(2.7)(2)、支輪支輪的結(jié)構(gòu)如下圖，由輪、圈、環(huán)、筋四部分組成，其尺寸已經(jīng)在圖中標(biāo)注出，以便于后續(xù)的計(jì)算。SHAPE圖1.3滾筒支輪支輪重量，將支輪分解為四部分：主軸裝置變位質(zhì)量為：5、筒殼強(qiáng)度計(jì)算(1)、已知條件，絞車滾筒的筒殼的結(jié)構(gòu)尺寸如下：圖1.4滾筒筒殼結(jié)構(gòu)尺寸筒殼材質(zhì)：16Mn筒殼厚度：筒殼厚度中線半徑：r=700mm筒殼彈性模數(shù)：E=鋼絲繩彈性模數(shù)：鋼絲繩橫向彈性模數(shù)：(2)、筒殼自由段強(qiáng)度計(jì)算查表得16Mn是低合金結(jié)構(gòu)鋼，含碳量0.16%，用于制造大型容器和管道。其抗拉強(qiáng)度，屈服點(diǎn)，伸長(zhǎng)率，則許用應(yīng)力參數(shù)：T鋼絲繩最大靜力，T=45000N筒殼厚度，=5.0cmt繩圈間距，t=d+=21+2=23mm，取鋼絲繩排列間隙，=2mmC由于筒殼變形，使鋼絲繩拉力降低的系數(shù)B滾筒寬度，B=900，筒殼的彈性系數(shù)p鋼絲繩單位長(zhǎng)度重量，p=1.832kg/m斜坡傾角，計(jì)算：纏繞一層繩時(shí)，筒殼自由段壓縮應(yīng)力：<=21530結(jié)論：該絞車滾筒采用16Mn，鋼板時(shí)，可以滿足要求。(3)、筒殼在支輪處的強(qiáng)度計(jì)算當(dāng)時(shí)，可認(rèn)為筒殼與支輪的連接為固接結(jié)構(gòu)；當(dāng)時(shí)，可認(rèn)為筒殼與支輪的連接為鉸接結(jié)構(gòu)。該絞車筒殼的尺寸，筒殼的彈性系數(shù)：故認(rèn)為該絞車筒殼與支輪連接為鉸接結(jié)構(gòu)，可按下述方法計(jì)算筒殼在支輪處的強(qiáng)度。支輪區(qū)筒殼彎矩為：最大彎矩可由求出，即在處，相應(yīng)的彎曲應(yīng)力：相應(yīng)的壓縮應(yīng)力：根據(jù)最大剪應(yīng)力理論，合成應(yīng)力：據(jù)計(jì)算最大合應(yīng)力發(fā)生在處，此時(shí)合應(yīng)力為：筒殼在支輪處的強(qiáng)度計(jì)算如下，筒殼上單位面積的壓力：支輪處鋼絲繩拉力降低系數(shù)取平均值：在處，在處，筒殼符合要求。6、主軸的結(jié)構(gòu)尺寸主軸使用的材料為45號(hào)鋼，經(jīng)熱處理正火加回火，相應(yīng)得參數(shù)：主軸的尺寸設(shè)計(jì)是根據(jù)軸上承載的各個(gè)部件的尺寸，并考慮各個(gè)零部件的定位情況而確定。在主軸上有：兩個(gè)滾筒、一對(duì)滑動(dòng)軸承、開式齒輪、深度指示器、光電旋轉(zhuǎn)編碼器的安裝。此外，還要考慮盤形制動(dòng)器的尺寸。主軸結(jié)構(gòu)尺寸如圖紙。2.5主軸承的選擇主軸處的軸承，我采用對(duì)開式四螺柱正滑動(dòng)軸承。主軸承的結(jié)構(gòu)，它是由鑄鐵制作的軸承體、軸承蓋，鑄鐵制的上、下瓦襯和巴氏合金襯層等部件組成。在上、下瓦襯的接口處有瓦口墊，以便調(diào)整軸頸與軸瓦間的間隙用。2.6滑輪組的設(shè)計(jì)滑輪組的布局不同，會(huì)導(dǎo)致絞車的提升鋼絲繩的長(zhǎng)度不同，從而影響到對(duì)滾筒強(qiáng)度的要求的不同，同時(shí)，鋼絲繩本身的受力情況也要發(fā)生變化，所以，應(yīng)該合理進(jìn)行布局。繩索滑輪一般用來導(dǎo)向和支承，以改變繩索與其傳遞拉力的方向或平衡繩索分支的拉力?；喗M分為省力和倍增兩種，省力滑輪組用于提升物品，它的撓性件的自由端或者經(jīng)過導(dǎo)向滑輪，或者直接卷上絞車卷筒。我所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中使用的是省力滑輪組，并且使用鋼絲繩作為撓性件，鋼絲繩經(jīng)過導(dǎo)向滑輪，一端卷上絞車滾筒，另一端連接于液壓缸。2.6.1滑輪主要尺寸參考纜索式起重機(jī)(GB3811-83)，裝卸用吊鉤式主起升機(jī)構(gòu)，取機(jī)構(gòu)的工作級(jí)別M7，則系數(shù)h的值，查表得，卷筒h=22.4，滑輪h=25圖2.5：滑輪主要尺寸鋼絲繩直徑d=21mm滑輪繩槽底半徑R=(0.53~0.6)d=0.55×21=11.55mm繩槽兩側(cè)面夾角，一般為，取滑輪直徑平衡滑輪直徑D>350mm屬于大尺寸滑輪，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。查表得，標(biāo)記為：繩槽斷面11.5-2ZBJ80006.1-87，即滑輪繩槽半徑R=11.2mm，表面精度為2級(jí)的繩槽斷面。查表，選擇滑輪，滑輪A21×525-80ZBJ80006.3-872.6.2滑輪強(qiáng)度驗(yàn)算計(jì)算假定：假定輪緣是多點(diǎn)支點(diǎn)梁，繩索拉力s使輪緣彎曲。圖2.6滑輪輪緣的受力參數(shù)：s繩索拉力N繩索在滑輪上包角的圓心角l兩輪輻間的輪緣弧長(zhǎng)mmw輪緣抗彎段面模數(shù)mm許用彎曲應(yīng)力，對(duì)于Q235型鋼應(yīng)小于100N/F輻條段面積斷面折減系數(shù)許用壓應(yīng)力，對(duì)于Q235鋼大約為100N/繩索拉力的合力：由于鋼絲繩的最大靜力小于其破斷力總和，使用鋼絲繩破斷力總和值進(jìn)行驗(yàn)算，若滿足，則滑輪的選型符合要求。輪緣最大彎矩：最大彎曲應(yīng)力：滿足要求輻條壓應(yīng)力：當(dāng)p力方向與輻條中心線重合時(shí)，輻條中產(chǎn)生的壓力最大，查表，以輻條斷面為正方形，F(xiàn)=，=0.84，則：符合要求。2.6.3滑輪組設(shè)計(jì)選用省力滑輪組。參數(shù)：p撓性件自由端牽引力NQ起重物的重力N滑輪倍率，單聯(lián)滑輪組m=n，雙聯(lián)滑輪組m=n/2n懸掛物品撓性件分支數(shù)撓性件自由端牽引速度m/min動(dòng)滑輪組速度m/min撓性件自由端：牽引力：牽引速度：滑輪的結(jié)構(gòu)尺寸可由查表得相應(yīng)得值，通過手冊(cè)來確定。2.7預(yù)選絞車使用的電動(dòng)機(jī)計(jì)算：(2.8)其中，F(xiàn)jm是鋼絲繩最大靜力vm鋼絲繩最大繩速動(dòng)力系數(shù)，取=1.2~1.4絞車減速器的傳動(dòng)效率。當(dāng)減速器的傳動(dòng)比時(shí)，=0.92；當(dāng)時(shí)，=0.85。考慮到此處的電動(dòng)機(jī)只作一般用途，初定為常用的Y系列，而其常用的同步轉(zhuǎn)速中最低為600r/min，而絞車的提升速度是0.067m/s，由公式ω＝2πn/60和n=rω得到絞車的轉(zhuǎn)速是n＝0.8r/min，則整個(gè)系統(tǒng)的傳動(dòng)比較大，取=0.75。由計(jì)算結(jié)果，選用Y160L—8型，功率是7.5KW的異步電動(dòng)機(jī)。同步轉(zhuǎn)速750r/min，工作轉(zhuǎn)速720r/min。2.8設(shè)計(jì)的驗(yàn)算計(jì)算(1)、驗(yàn)算滾筒寬度計(jì)算：(2.9)其中，H為提升斜長(zhǎng)m相鄰繩圈的間隙，取=2mm纏繞層數(shù)：層計(jì)算出的滾筒寬度小于所設(shè)計(jì)絞車的寬度，應(yīng)為一層，因此，符合要求。(2)、驗(yàn)算主電機(jī)功率計(jì)算：(2.10)其中，考慮附加阻力備用系數(shù)，一般取=1.1~1.2滿載系數(shù)，一般取=0.7~0.85最大靜力差，=45000N絞車總傳動(dòng)效率，一般取=0.75~0.78經(jīng)驗(yàn)算，可以選用Y160L—8型異步電動(dòng)機(jī)，功率為7.5KW，而且有較大的余量，能夠保證系統(tǒng)的正常工作。3總體方案設(shè)計(jì)牽引絞車的設(shè)計(jì)是參考礦用絞車的設(shè)計(jì)方法完成的，完成絞車的選型設(shè)計(jì)后，應(yīng)考慮整個(gè)系統(tǒng)的總體布局方案，以便于充分利用現(xiàn)場(chǎng)的條件。首先，要考慮到對(duì)于絞車的控制要求，并應(yīng)該考慮絞車硐室的大小和布置問題。3.1絞車的控制要求(1)、牽引絞車是提升泵房系統(tǒng)的重要組成部分之一，其安全可靠性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行安全。由于水廠泵房的工作環(huán)境較惡劣，運(yùn)行工況復(fù)雜，各種操作要求準(zhǔn)確，因此對(duì)絞車電控系統(tǒng)來說，除了能夠滿足各種復(fù)雜的控制要求外，更重要的是其可靠性和安全保障。(2)、要求有很好的調(diào)速性能，能夠較精確地完成泵房的提升和下放的各個(gè)運(yùn)行階段。能重載起動(dòng)，有一定的過載能力。(3)、工作方式轉(zhuǎn)換容易，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。(5)、技術(shù)先進(jìn)，維護(hù)簡(jiǎn)單、方便，在保證安全可靠運(yùn)行前提下，控制線路簡(jiǎn)潔明了，便于維修排除故障。(6)、盡量降低投資成本，減少運(yùn)行費(fèi)用，提高節(jié)電效果和經(jīng)濟(jì)效益，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的長(zhǎng)期運(yùn)行，具有較長(zhǎng)的工作壽命。3.2絞車房的布局絞車房的布置方式有以下兩種：(1)、集中布置將絞車主機(jī)部分與液壓傳動(dòng)部分，電氣控制部分都集中布置在一個(gè)絞車房中。這種集中布置的方式結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，維護(hù)檢查方便。但是液壓傳動(dòng)裝置(特別是主油泵)的噪聲大，對(duì)液壓絞車司機(jī)的操作有不良的影響。(2)、設(shè)單獨(dú)的泵站絞車的液壓傳動(dòng)的動(dòng)力部分是由油泵、閥組、油箱、冷卻器、濾油器等組成。將液壓站單獨(dú)安放在一個(gè)相鄰的小房中。這種布置的優(yōu)點(diǎn)是便于采取措施減輕絞車噪聲對(duì)司機(jī)操作的影響。上述兩種方案的比較：集中布置要比單獨(dú)為泵站設(shè)置小房的占地小，而且，成本相對(duì)較低些，適用于噪聲不是很大的絞車系統(tǒng)。而單獨(dú)設(shè)泵站的方案比集中布置易于設(shè)置隔音系統(tǒng)，保證操作員不受噪音的影響，使用于噪音較大的場(chǎng)合。3.3根據(jù)減速器選擇的不同，絞車的布局也會(huì)不同(1)、采用圓柱齒輪減速器和開式齒輪傳動(dòng)的方式進(jìn)行減速。其優(yōu)點(diǎn)是占地少，緊湊。缺點(diǎn)是傳動(dòng)效率低。(2)、采用三級(jí)行星減速器，并使用直線式布置。其優(yōu)點(diǎn)是效率高。缺點(diǎn)是占地大。因此，選用第一種方案，會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。4減速器的選用4.1減速器對(duì)于減速器的選擇有兩種方案：一種是采用圓柱齒輪減速器配合開式齒輪傳動(dòng)；另一種是選用行星齒輪減速器。兩者的特點(diǎn)如下：行星齒輪減速器的特點(diǎn)：體積小，重量輕，承載能力大，傳動(dòng)效率高，占地面積小，噪聲低和運(yùn)行平穩(wěn)可靠。平行軸漸開線齒輪減速器的特點(diǎn)：傳動(dòng)速度和功率圍大。漸開線齒廓嚙合具有可分性，對(duì)中心距偏差的敏感性小，裝配和維修簡(jiǎn)單。我選用三級(jí)展開式圓柱齒輪減速器圖4.1：減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖減速器參數(shù)初算：開式小齒輪的轉(zhuǎn)速=4r/min，選用Y系列電動(dòng)機(jī)Y160L—8型，功率7.5KW，轉(zhuǎn)速n=720r/min。4.1.1總傳動(dòng)比與傳動(dòng)比分配總傳動(dòng)比，取則：4.1.2傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算1、各軸轉(zhuǎn)速計(jì)算式中，n電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速r/min，電動(dòng)機(jī)至Ⅰ軸的傳動(dòng)比，是Ⅰ軸至Ⅱ軸，Ⅱ軸至Ⅲ軸，Ⅲ軸至Ⅳ軸的傳動(dòng)比。2、各軸功率計(jì)算其中，聯(lián)軸器或帶傳動(dòng)效率，查表齒輪式聯(lián)軸器的=0.99軸承效率，查表得球軸承=0.99，滾子軸承=0.98齒輪或蝸桿的傳動(dòng)效率，對(duì)于閉式圓柱齒輪效率(跑合良好6級(jí)精度和7級(jí)精度的齒輪傳動(dòng)，稀油潤(rùn)滑)=0.993、各軸扭矩計(jì)算4、參數(shù)表表4.1型號(hào)轉(zhuǎn)速r/min輸出功率KW輸出扭矩N.m傳動(dòng)比i效率電動(dòng)機(jī)軸7207.596.810.97Ⅰ軸7207.396.8Ⅱ軸93.47.17267.710.97Ⅲ軸176.93876.25.510.97Ⅳ軸46.715996.34.240.97齒輪46.515996.310.975、直齒圓柱齒輪減速器中Ⅰ、Ⅱ軸上的齒輪的基本參數(shù)表4.2軸號(hào)齒輪分度圓直徑mm齒寬mm中心距mm齒數(shù)模數(shù)齒輪材料Ⅰ軸小輪7064297.5203.545＃鋼調(diào)質(zhì)Ⅱ軸大輪525591503.545＃鋼正火小輪13011541526545＃鋼調(diào)質(zhì)6、直齒圓柱齒輪減速器中Ⅲ、Ⅳ軸上的齒輪的基本參數(shù)表4.3軸號(hào)齒輪分度圓直徑mm齒寬mm中心距mm齒數(shù)模數(shù)齒輪材料Ⅲ軸大輪700110415140545＃鋼正火小輪176145.844822845＃鋼調(diào)質(zhì)軸大輪720140.890845＃鋼正火使用《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》軟件驗(yàn)算，減速器中各對(duì)嚙合齒輪的設(shè)計(jì)滿足其齒根彎曲強(qiáng)度要求。4.2齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)開式齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比是5。已知條件：減速器低速級(jí)軸端的齒輪的功率，即小齒輪的功率P=6.5KW，轉(zhuǎn)速n=4r/min，傳動(dòng)比i=5，工作預(yù)期壽命三年，即26280h。雙向運(yùn)轉(zhuǎn)，工作條件是減速器低速軸工作平穩(wěn)，而絞車主軸也工作平穩(wěn)。開式齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算如下所示：計(jì)算項(xiàng)目與說明結(jié)果(1)、選擇齒輪材料小齒輪選40CrC-N共滲淬火，回火；大齒輪選40Cr調(diào)質(zhì)。(2)、按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算確定齒輪傳動(dòng)精度，按估取圓周速度?、蚬罱M9級(jí)小齒輪模數(shù)如下：尺寬系數(shù)，按齒輪相對(duì)軸承為懸臂布置，硬齒面，直齒，取值小齒齒數(shù)在推薦值17~20中選大齒齒數(shù)，齒數(shù)比u，傳動(dòng)比誤差，誤差在圍小輪轉(zhuǎn)矩，載荷系數(shù)K，使用系數(shù)KA動(dòng)載荷系數(shù)KV，查表得初值KVt齒向載荷分布系數(shù)齒間載荷分配系數(shù)，由得查表得=0.2=20=96u=4.8合適=1.00=1.01=1.07=1.42則載荷系數(shù)K的初值，齒形系數(shù)，小輪大輪應(yīng)力修正系數(shù)，小輪大輪重合度系數(shù)，許用彎曲應(yīng)力彎曲疲勞極限應(yīng)力循環(huán)次數(shù)彎曲壽命系數(shù)尺寸系數(shù)安全系數(shù)，較高的可靠性，則比較下列兩式：=1.53=2.81=2.25=1.55=1.78=0.7=1=1.25取較大的帶入設(shè)計(jì)公式計(jì)算得，模數(shù)的設(shè)計(jì)初值為：小齒輪分度圓直徑的參數(shù)圓整值圓周速度與估取的很相近，對(duì)影響不大，用修正，取為安全考慮，以與滿足強(qiáng)度的要求，?。?，取m=16小輪分度圓直徑大輪分度圓直徑中心距尺寬大輪尺寬b2=b小輪尺寬b1=b2+(5~10)KV=1.01K=1.53a=928mm取b2=67mmb1=72mm(3)、與滾筒相連的齒輪基本尺寸(即大輪)標(biāo)準(zhǔn)齒輪的基本參數(shù)：模數(shù)m=16，齒數(shù)Z2＝96系數(shù)ha*=1，c*=0.25壓力角α＝20°分度圓直徑d2齒頂高h(yuǎn)a=ha*m=1×16齒根高h(yuǎn)f＝(ha*+c*)m=(1+0.25)×16齒全高h(yuǎn)＝(2ha*+c*)m=(2×1+0.25)×16齒頂圓直徑da=d+2ha=1536+2×16齒根圓直徑df=d-2hf=1536-2×20基圓直徑db=dcosα＝1536×cos20°齒距p=πm=3.14×16齒厚s=πm/2齒槽寬e=πm/2基圓齒距pb=pcosα＝50.2×cos20°法向齒距pn=pb=47mm頂隙c=c*m=0.25×16由于齒頂圓直徑da>500mm，所以將齒輪制造成輪輻式的圓柱齒輪，聯(lián)接鍵使用A型鍵，其參數(shù)是：鍵寬b＝56mm鍵長(zhǎng)L=160~500mm鍵高h(yuǎn)=32mmd2＝1536mmha=16mmhf＝20mmh＝36mmda=1568mmdf=1496mmdb=1443.4mmp=50.2mms=25.1mme=25.1mmpb=47mmc=4mm5聯(lián)軸器和制動(dòng)器的選型5.1電動(dòng)機(jī)與減速器的輸入軸處的聯(lián)軸器我國(guó)使用KJ型提升機(jī)的高速軸和低速軸的聯(lián)軸器是齒輪聯(lián)軸器；2JK型和JKM型提升機(jī)，低速軸均配套齒輪聯(lián)軸器，高速軸則采用蛇形彈簧聯(lián)軸器。齒輪聯(lián)軸器的特點(diǎn)：具有制造加工方便，安裝找正容易，但存在著在減速、停車和安全制動(dòng)時(shí)，齒面沖擊大、磨損快、維修量大、更換頻繁等。蛇形彈簧聯(lián)軸器的齒輪沖擊方面有明顯的效果，但蛇形彈簧易折斷損壞，而且制造空難，購置費(fèi)用高。系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)與減速器的輸入軸處的聯(lián)軸器，考慮到電動(dòng)機(jī)的需要制動(dòng)的要求，我選用帶制動(dòng)輪的鼓形齒式聯(lián)軸器NGCLZ型(A型)的。聯(lián)軸器一般根據(jù)負(fù)荷情況，計(jì)算轉(zhuǎn)矩，軸端直徑和工作轉(zhuǎn)速來選擇。已知條件是減速器高速軸扭矩T=96.8N·m，軸徑d=40mm；電動(dòng)的工作轉(zhuǎn)速n=720r/min，軸徑d=42mm，則選型如下：表5.1型號(hào)NGCLZ3許用轉(zhuǎn)矩[Tn]，N·m1600許用轉(zhuǎn)速[n]，r/min3800軸孔直徑d，mm40、42軸孔長(zhǎng)度L，mm，Y型112制動(dòng)輪直徑D4，mm200轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I，kg·m20.193干油用量，mL65重量，kg18.8計(jì)算轉(zhuǎn)矩如下：公式：Tc=K·T=K·9550×PW/n≤[Tn](5.1)其中，T理論轉(zhuǎn)矩，N·m[Tn]許用轉(zhuǎn)矩，N·mN工作轉(zhuǎn)速，r/minPW驅(qū)動(dòng)功率，KWK工作情況系數(shù)，取K＝1.5結(jié)果：Tc=1.5×9550×7.5/720＝149.2N·m≤1600N·m對(duì)于齒式聯(lián)軸器，還應(yīng)考慮轉(zhuǎn)速與角向補(bǔ)償量的變化對(duì)傳遞轉(zhuǎn)矩的影響。即：Tc≤K1·Tn，式中K1為轉(zhuǎn)矩修正系數(shù)，其由角向補(bǔ)償量Δα=1°30’=90min和轉(zhuǎn)速系數(shù)Kn查表得到，而Kn＝n/[n]=720/3800=0.19，式中n工作轉(zhuǎn)速r/min[n]許用轉(zhuǎn)速r/min所以查表得到K1＝0.62，則：Tc≤0.62×1600＝992N·m結(jié)論：選型滿足要求。5.2絞車電動(dòng)機(jī)的電磁制動(dòng)器電磁鐵式制動(dòng)器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作安全可靠。但工作是響聲大，沖擊大，電磁線圈壽命短，磨損嚴(yán)重。用于操作頻繁，快速起動(dòng)的場(chǎng)合。雖然，我設(shè)計(jì)的系統(tǒng)起動(dòng)不是很頻繁，但是要求其能夠快速起動(dòng)，以便于實(shí)現(xiàn)絞車的準(zhǔn)確定位。(1)、制動(dòng)力矩的確定對(duì)于提升機(jī)構(gòu)，制動(dòng)力矩M通常是根據(jù)重物可靠的懸吊在空中來確定的，因有較大的安全系數(shù)，可略去慣性力矩。公式：(5.2)其中，W重物與吊具重力之和，ND提升卷筒直徑，m制動(dòng)軸到卷筒的傳動(dòng)比η制動(dòng)軸到卷筒S制動(dòng)安全系數(shù)參數(shù)：W＝50000×9.8＝490000N，D=1.6m，設(shè)備類型是機(jī)動(dòng)的重級(jí)工作制，所以S=2，JC=40%，η＝(0.97)5＝0.86，＝180×5＝900結(jié)果：(2)、選型：TJ2交流電磁鐵塊式制動(dòng)器，TJ2-200／100型，技術(shù)性能如下：表5.2制動(dòng)器型號(hào)TJ2-200/100制動(dòng)輪直徑D，mm200制動(dòng)閘瓦寬度mm90電磁鐵型號(hào)(不包括在制動(dòng)器)MZD1-100制動(dòng)力矩N.cmJC25%~40%4000JC100%2000電磁鐵力矩N.cmJC25%~40%550JC100%300重量kg24.45.3盤形制動(dòng)器的選型盤形制動(dòng)器的作用是實(shí)現(xiàn)絞車的停車。盤形制動(dòng)器的主要特點(diǎn)：閘瓦不作用于制動(dòng)輪上，而是作用在制動(dòng)盤上。與其他類型的制動(dòng)器相比，盤形制動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕，慣量小，結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)作迅速，安全可靠，制動(dòng)力矩可調(diào)性好，零件通用，方便制造與維修等。液壓式盤形制動(dòng)器的基本工作原理是液壓松閘，彈簧力制動(dòng)。其主要參數(shù)如下：5.3.1正壓力公式：盤形制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)力矩：MZ=2NfRmn同時(shí)制動(dòng)力矩MZ應(yīng)能滿足三倍最大靜力矩Mj的要求，則有MZ=2NfRmn=3Mj=3FC(D/2)即：(5.3)其中，MZ制動(dòng)力矩，N·mf閘盤對(duì)制動(dòng)盤得摩擦系數(shù)，f=0.35~0.4Rm制動(dòng)盤的平均摩擦半徑，mN制動(dòng)器閘瓦副數(shù)D滾筒名義直徑，mFC絞車最大靜力，N參數(shù)：D=1.6m，F(xiàn)C=45000N，f=0.35，n=2，Rm=(1.85-1.6)/4+1.6/2=0.863m結(jié)果：由正壓力的值選擇TP1-10型盤形制動(dòng)器，其最大正壓力是98000N。5.3.2最大工作油壓公式：在松閘時(shí)，壓力油作用于活塞上的推力需要克服三部分力，即：彈簧的預(yù)壓力，其數(shù)值等于正壓力；為保持必須的閘瓦間隙使彈簧壓縮的反力；制動(dòng)器部分的阻力.活塞推力：F1=N+Kδ／n1+C(5.4)其中，N所需正壓力δ閘瓦最大間隙，mmK碟形彈簧的剛度，取K＝54300N/mmn1一組碟形彈簧的片數(shù)C盤形閘制動(dòng)器各運(yùn)動(dòng)部分的阻力，取C＝0.1N制動(dòng)器所需最大工作油壓力：P=4F1/[π(D2-d2)](5.5)其中，D油缸直徑，cmD活塞小端直徑，cm參數(shù):N=89389N，K=54300N/mm，δ＝2mm，C=0.1，n1=9，D=140mm，d=50mm結(jié)果：F1=N+Kδ／n1+C＝98389+54300×2/9+0.1＝101456NP=4F1/[π(D2-d2)]＝4×101456/［3.14×(1402-502)］＝7.5N/mm2＝7.5MPa5.3.3盤形制動(dòng)器選型結(jié)果與其參數(shù)表5.3項(xiàng)目名稱單位型號(hào)TP1-10最大正壓力N98000設(shè)計(jì)摩擦系數(shù)0.4最大工作油壓MPa10.8閘瓦最大比壓MPa1.30閘瓦允許最大溫度°C≤210活塞有效面積mm213420活塞直徑mm140/50閘瓦(長(zhǎng)×寬×厚)mm320×235×27閘瓦有效面積mm275200閘瓦有效厚度mm20允許閘瓦間隙mm2外形尺寸mm485×360×258重量kg1305.4液壓站的設(shè)計(jì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的組成有能源裝置、執(zhí)行裝置、控制調(diào)節(jié)裝置、輔助裝置、工作介質(zhì)。其中，能源裝置是把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成油液的壓力能；執(zhí)行裝置是將油液壓力能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，并對(duì)外做功；控制調(diào)節(jié)裝置是控制液壓系統(tǒng)中油液的壓力、流量和流動(dòng)方向的裝置；輔助裝置對(duì)保證液壓系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定、持久的工作，有重要作用；工作介質(zhì)是液壓油或其他合成液體。液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是工作壓力和流量，是選擇液壓元件的主要依據(jù)，而系統(tǒng)的工作壓力和流量分別取決于液壓執(zhí)行元件的工作壓力，管路上的壓力損失和液壓執(zhí)行元件所需的流量、回路泄漏。所以，確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)實(shí)質(zhì)上是確定液壓執(zhí)行元件的主要參數(shù)。在我設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中主要是考慮對(duì)于盤形制動(dòng)器提高液壓油。5.4.1液壓站的組成本系統(tǒng)的液壓站是由油泵，電動(dòng)機(jī)，過濾器，溫度計(jì)，電液調(diào)壓裝置，減壓閥，蓄能器，電磁換向閥(G1、G2)等組成。5.4.2液壓站的結(jié)構(gòu)雙繩雙滾筒絞車的液壓站原理如圖紙，由于我所設(shè)計(jì)的絞車工作不是很頻繁，而且絞車的運(yùn)行速度很慢。為了確保絞車的正常工作，以一套油泵和電動(dòng)機(jī)提供液壓油，就可以滿足液壓站的安全要求。設(shè)置溫度計(jì)可以方便的了解油箱液壓油的溫度，從而決定是否換油。5.4.3液壓站的工作原理液壓站通過電液調(diào)壓裝置來調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的油壓，為盤形制動(dòng)器提供所需的油壓值。油壓得變化，通過絞車司機(jī)控制電液調(diào)壓裝置的信號(hào)電流大小來實(shí)現(xiàn)的，從而達(dá)到調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩的目的。絞車正常工作時(shí)，液壓站的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，油泵產(chǎn)生的壓力油經(jīng)過濾油器，一部分經(jīng)減壓閥進(jìn)入調(diào)繩液壓缸處的電磁換向閥G1，再進(jìn)入調(diào)繩液壓缸和蓄能器。另一部分經(jīng)電磁換向閥G2進(jìn)入盤形制動(dòng)器的油缸，使盤形制動(dòng)器松閘，滾筒正常轉(zhuǎn)動(dòng)。絞車實(shí)現(xiàn)停車制動(dòng)或是處于停車狀態(tài)時(shí)，電磁換向閥G1、G2經(jīng)彈簧復(fù)位，此時(shí)，調(diào)繩液壓缸的壓力油與繩的力平衡，并由蓄能器提供壓力能。而盤形制動(dòng)器的壓力油流回油箱，使盤形制動(dòng)器由碟形彈簧復(fù)位，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)操作。5.4.4電液調(diào)壓裝置的作用電液調(diào)壓裝置是液壓站中的重要工作機(jī)構(gòu)，它的作用是：一、根據(jù)絞車的實(shí)際工作額定負(fù)荷，確定最大工作油壓值，并通過電液調(diào)壓裝置的固定的手柄進(jìn)行調(diào)定的；二、通過改變電液調(diào)壓裝置的線圈的電流的大小實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)油壓的可調(diào)性，保證實(shí)際制動(dòng)力矩的需要。5.4.5液壓站元件的選型和計(jì)算1、調(diào)繩液壓缸調(diào)繩液壓缸的設(shè)計(jì)目的是補(bǔ)償由提升鋼絲繩變形引起的變化。提升鋼絲繩經(jīng)過多次的提升絞車，時(shí)間長(zhǎng)了，由于多種原因，繩子會(huì)出現(xiàn)塑性伸長(zhǎng)，需要進(jìn)行補(bǔ)償。通過繩的最大靜力和液壓缸液壓油的油壓力的平衡原理，來設(shè)計(jì)液壓缸。調(diào)繩液壓缸可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償繩的拉伸變化，使調(diào)整繩長(zhǎng)更簡(jiǎn)單。液壓缸是液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件，它的職能是將液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。液壓缸由缸筒、活塞、活塞桿、端蓋、活塞桿密封件等主要部件組成。根據(jù)設(shè)計(jì)目的和用途，我選用單作用單活塞液壓缸，由于單作用缸是向缸的一側(cè)輸入高壓油，靠其它外力使活塞反向回程。如圖8，液壓缸缸體固定，而液壓缸的活塞桿連于提升鋼絲繩，由P1處輸入高壓油，由高壓油產(chǎn)生的壓力和鋼絲繩的靜力處于平衡狀態(tài)，當(dāng)鋼絲繩發(fā)生變形時(shí)，液壓缸的活塞受力不平衡，液壓油會(huì)自動(dòng)向缸補(bǔ)充，從而達(dá)到補(bǔ)償鋼絲繩的變化的目的。已知條件：負(fù)載大小，F(xiàn)=45000N；工作壓力，P=10.8MPa(為了便于液壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，使液壓缸的工作壓力盡量與盤形制動(dòng)器的最大工作油壓相近)。圖5.1：液壓缸設(shè)：無桿腔活塞的有效面積A1=(π／4)D2有桿腔活塞的有效面積A2=(π／4)(D2-d2)當(dāng)壓力油進(jìn)入有桿腔時(shí)的輸出力是F2，而且活塞桿受拉伸，查表取d=(0.3~0.5)D=0.3D，由平衡原理，則有：F2＝P1A2-P2A其中，F(xiàn)=P2A1=45000N，P1=P=10.8MPa，F(xiàn)2P1A2＝P(π／4)(D2-d2)=10.8×(3.14/4)×［D2-(0.3D)2結(jié)果：D=72.86mm由標(biāo)準(zhǔn)系列選缸筒的徑D=80mm，則活塞桿直徑d=0.3×80＝24mm，圓整取d=25mm，缸長(zhǎng)L≤20×80＝1600mm，則實(shí)際的工作壓力為：PS=F2/A2=45000/[(3.14/4)×(802-252)]=9.93MPa(5.7)選型：W140L-1LB80C含義：型號(hào)W140L，采用丁腈橡膠密封，缸徑80mm，桿型為C，額定壓力為14MPa，無緩沖，行程長(zhǎng)度600mm，進(jìn)出油口位置A(GB/T2348-1993)。參數(shù)：表5.4額定壓力14MPa最大允許壓力21MPa耐壓值21MPa最低起動(dòng)壓力<3MPa使用溫度-10~80°C語序最大速度300mm/s效率>90%傳動(dòng)介質(zhì)常規(guī)礦物液壓油缸徑80mm受壓面積無桿腔50.2cm2有桿腔C型40.3cm2速度比C型1.25允許行程1600mm2、液壓泵液壓泵是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它把驅(qū)動(dòng)它的原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成輸送到系統(tǒng)中去的油液的壓力能。(1)、液壓泵工作壓力：PP≥P+ΣΔP(5.8)其中，P盤形制動(dòng)器和調(diào)繩液壓缸額最大工作壓力，取P＝10.8MPaΣΔP進(jìn)油路上壓力損失，在簡(jiǎn)單系統(tǒng)中取ΣΔP＝0.3MPa結(jié)果：PP≥10.8+0.3＝11.1MPa(2)、液壓泵流量：QP≥K(ΣQi)max(5.9)其中，K回油泄漏折算系數(shù)K＝1.1～1.3(ΣQi)max同時(shí)工作的執(zhí)行元件流量之和的最大值。由于調(diào)繩液壓缸的主要作用是平衡鋼絲繩的力的，對(duì)其流量要求不是很嚴(yán)格，可以不予考慮。主要考慮盤形制動(dòng)器的最大流量，取其松閘的時(shí)間是t=1s，閘瓦的允許間隙是δ＝2mm，而活塞的有效面積是A＝13430mm2，由于有兩副，即四個(gè)制動(dòng)頭，則盤形制動(dòng)器的流量是：Q1=4Aδ(60×10-6)／t＝4×13430×2×(60×10-6)／0.1=6.4L/min若取K=1.3，則：結(jié)果：QP≥K(ΣQi)max＝KQ1＝1.3×6.4＝8.32L/min(3)、計(jì)算所得的PP是系統(tǒng)的靜壓力。系統(tǒng)在工作過程常因過渡過程的壓力超調(diào)或周期性的壓力脈動(dòng)而存在著動(dòng)態(tài)壓力，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過靜態(tài)壓力.所以液壓泵的額定壓力，應(yīng)比系統(tǒng)最高壓力大出25％～60％，至于液壓泵的流量應(yīng)與系統(tǒng)所需的最大流量相適應(yīng)即可。則液壓泵的額定壓力PN=11.1×(1+30％)＝14.43MPa，取PN＝14MPa選型：Y2B型雙級(jí)雙作用葉片泵，其特點(diǎn)是具有工作可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但軸向尺寸較大，容積效率較低。參數(shù)：表5.5型號(hào)Y2B-A9C-*F排量8.9ml/r壓力額定14MPa最高16MPa轉(zhuǎn)速額定1000r/min最高1800r/min驅(qū)動(dòng)功率2.88KW重量(腳架式)31kg液壓泵理論流量Q＝Vn=8.9×10-3×1000＝8.9L/min，即最大流量。3、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)油泵電動(dòng)機(jī)的功率的計(jì)算公式：Nb=Kb·Km·Fc·Vmax/(1000ηZ)(5.10)其中，Nb油泵電動(dòng)機(jī)功率，kwFc絞車最大靜力，NVmax鋼絲繩最大繩速，m/sKb備用系數(shù)，一般取Kb＝1.1～1.2Km滿載工作系數(shù)，一般取Km＝0.7～0.85ηZ液壓絞車總效率，一般ηZ＝0.75～0.8參數(shù)：Kb＝1.1，Km＝0.8，ηZ＝0.75，Vmax＝0.067m/s，F(xiàn)c＝45000N結(jié)果：P=1.1×0.8×45000×0.067／(1000×0.75)＝3.54KW選型：液壓泵的應(yīng)用圍很廣，但可以歸納為兩大類：一類為固定設(shè)備用液壓裝置，另一類為移動(dòng)設(shè)備用液壓裝置，這兩類液壓裝置對(duì)液壓泵的選用有較大的差異。由于本系統(tǒng)中的液壓泵為盤形制動(dòng)器和液壓缸提供壓力油，屬于固定設(shè)備用液壓裝置，則原動(dòng)機(jī)是電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速較穩(wěn)定，且多為1450r/min左右。由計(jì)算結(jié)果與液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率，選用Y132M1型電動(dòng)機(jī)，其功率是4KW，同步轉(zhuǎn)速是1000r/min，即可滿足要求。4、電液調(diào)速閥控制閥的規(guī)格是根據(jù)系統(tǒng)最高壓力和通過該閥的實(shí)際流量，在標(biāo)準(zhǔn)元件的產(chǎn)品樣本中選取，在選擇時(shí)，要注意液壓系統(tǒng)有串聯(lián)油路和并聯(lián)油路之分。元件選定的額定壓力和流量應(yīng)盡量與其計(jì)算所需的值接近，必要時(shí)，應(yīng)允許通過元件的最大實(shí)際流量超過其額定流量的20％.系統(tǒng)最大的壓力Pmax=14MPa，實(shí)際流量Q＇＝8.32L/min。選型：Y2D1※-HC10L，其含義是Y2型交流濕式二級(jí)同心電磁溢流閥，滑閥機(jī)能為H常開式，壓力調(diào)節(jié)圍8～20MPa，連接形式L為螺紋聯(lián)接。參數(shù)：表5.6通徑10mm壓力32MPa額定流量40L/min調(diào)壓圍8~20MPa重量4.5kg生產(chǎn)廠家液壓件二廠5、減壓閥減壓閥的功用是能使其出口壓力低于進(jìn)口壓力，并使出口壓力可以調(diào)節(jié)。系統(tǒng)最大的壓力Pmax=14MPa，實(shí)際流量Q＇＝4.16L/min。選型：JF-L10H，其含義是減壓閥JF，連接形式L為螺紋聯(lián)接，通徑為10mm，工作壓力圍H為7～21MPa。參數(shù)：表5.7通徑10mm流量20L/min壓力圍7~21MPa重量3.5kg生產(chǎn)廠家液壓件二廠等6、電磁換向閥換向閥是利用閥芯與閥體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來切換油路中液流的方向的液壓元件。系統(tǒng)最大的壓力Pmax=14MPa，實(shí)際流量Q＇＝4.16L/min。(1)、換向閥G1選型：24DJ-B10HT※，其含義是二位四通閥，干式交流電磁鐵，滑閥機(jī)能為J型，板式連接，通徑為10mm，最大工作壓力21MPa，結(jié)構(gòu)是彈簧復(fù)位。參數(shù)：表5.8通徑10mm壓力21MPa流量30L/min允許背壓<7MPa電源電壓交流220V重量4.7kg(2)、換向閥G2選型：23D※-B10HT※，其含義是二位三通閥，干式交流電磁鐵，滑閥機(jī)能為J型，板式連接，通徑為10mm，最大工作壓力21MPa，結(jié)構(gòu)是彈簧復(fù)位。參數(shù)：表5.9通徑10mm壓力21MPa流量30L/min允許背壓<7MPa電源電壓交流220V重量4.7kg7、過濾器過濾器的主要功用就是對(duì)液壓油進(jìn)行過濾，控制油的潔凈程度，其主要的性能指標(biāo)有過濾精度、通流能力、壓力損失等，其中過濾精度為主要指標(biāo)。選型：(1)、粗過濾器：型號(hào)WU-63×80-J，通徑25mm，公稱流量63L/min，過濾精度80μm。(2)、普通過濾器：型號(hào)WU-40×40-J，通徑20mm，公稱流量40L/min，過濾精度40μm。8、壓力表與溫度計(jì)(1)、壓力表選型：普通電接點(diǎn)式壓力表，型號(hào)YTX-153，結(jié)構(gòu)型式為軸向無邊，測(cè)量圍0～25MPa，精度等級(jí)1.5，連接螺紋為M20×1.5mm。(2)、壓力表開關(guān)選型：KF-L8/14E，通徑8mm，壓力35MPa，壓力表的接口螺紋為M14×1.5，進(jìn)油口的接口螺紋為M14×1.5。(3)、溫度計(jì)選型：YW2系列液位液溫計(jì)。9、蓄能器蓄能器是液壓系統(tǒng)中的一種能量?jī)?chǔ)存裝置，它利用力的平衡原理，使工作液體的體積發(fā)生變化，從而達(dá)到儲(chǔ)存或釋放液壓能的作用。選型：彈簧式蓄能器，其工作壓力P≤12MPa。10、管路(1)、管道徑的確定公式：(5.11)其中，d管道徑，mmQ通過管道的流量，m3/sV管道液體平均流速，m/s在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)管路式，要限制流速，允許流速推薦值為吸油管路(有過濾器)0.5～1.5m/s，回路管路2～3m/s。吸油管路：取V＝1m/s，Q=8.32×10-3／60＝0.139×10-3m回油管路：取V＝2.5m/s，Q=8.32×10-3／60＝0.139×10-3m(2)、管路壁厚公式：δ＝5Pd/[σ][σ]=σb/n(5.12)其中，δ管道壁厚，mmP管道承受的最高工作壓力，105Pad管道徑，mm[σ]管道材料的許用拉應(yīng)力，N／cm2σb材料的抗拉強(qiáng)度，N／cm2n安全系數(shù)，n＝4～8，當(dāng)振動(dòng)、壓力沖擊大時(shí)取大值由《實(shí)用機(jī)械零件手冊(cè)》選管道材料為聚酰胺(PA)尼龍66，其材料的抗拉強(qiáng)度σb=6700~8300N/cm2，取σb=6800N/cm2，取安全系數(shù)n=5。吸油回路：δ＝5Pd1·n/σb=5×108×13×5／6800＝5.2mm回油回路：δ＝5Pd2·n/σb=5×108×8×5／6800＝3.2mm11、油箱油箱的主要功用是儲(chǔ)存油液，同時(shí)箱體還具有散熱、沉淀污物、析出油液中滲入的空氣以與安裝平臺(tái)等作用。合理確定油箱的容量是保證液壓系統(tǒng)正常工作的重要條件。公式：V=αQ(5.13)其中，V油箱容量，LQ液壓泵的總額定流量，L/minα經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般低壓系統(tǒng)α＝2～4，中壓系統(tǒng)α＝5～7計(jì)算：取α＝6，Q=8.32L/min則：V=6×8.32＝49.9L12、工作介質(zhì)選擇液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)時(shí)，考慮到液壓設(shè)備所處的環(huán)境沒有著火的危險(xiǎn)，可以選用液壓油，其特點(diǎn)是液壓油的品種較多，制備容易，來源廣，價(jià)格比較便宜。依據(jù)工況為壓力7～14MPa，溫度在50°C以下，環(huán)境是水上。推薦使用HM型的抗磨液壓油。選型：HM-68(GB11118.1-1994)參數(shù)：表5.11項(xiàng)目質(zhì)量指標(biāo)品種(GB/T7631.2)L-HM質(zhì)量等級(jí)一等品黏度等級(jí)(GB/T3141)68運(yùn)動(dòng)黏度/mm2·s-10°C不大于40°C不大于140061.2～74.8黏度指數(shù)不大于95閃點(diǎn)／°C開口不低于閉口不低于180——6深度指示器的選型6.1絞車的深度指示器的用途(1)、給操作者提示所提升的泵房在斜坡的位置；(2)、利用警鈴當(dāng)提升的泵房接近一定的位置時(shí)，發(fā)出減速信號(hào)；(3)、當(dāng)提升容器過卷時(shí)，打開裝在深度指示器上的過卷開關(guān)，切斷保護(hù)電路，進(jìn)行安全制動(dòng)。(4)、在減速階段，通過限速裝置實(shí)現(xiàn)減速點(diǎn)減速保護(hù)。6.2絞車用深度指示器類型絞車上使用的深度指示器有機(jī)械牌坊式和圓盤式兩種形式。我選用圓盤式的。對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)的牌坊式深度指示器，其優(yōu)點(diǎn)是指示清楚，工作可靠；缺點(diǎn)是體積大，指示精度不高，不便于實(shí)現(xiàn)絞車的遠(yuǎn)距離控制。為了使系統(tǒng)占地小，也便于看到泵房的位置情況，故我選用圓盤式深度指示器。圓盤式深度指示器結(jié)構(gòu)緊湊，是單向交流同步電機(jī)。其組成有發(fā)送和接收兩部分。發(fā)送部分的自整角機(jī)和絞車主軸或減速器低速軸相連，接收部分的自整角機(jī)則裝在司機(jī)操作臺(tái)上。其傳動(dòng)原理是傳動(dòng)軸經(jīng)過法蘭盤與減速器低速軸或主軸裝置的主軸連接。通過更換齒輪對(duì)，蝸桿和增速齒輪對(duì)，將主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳給發(fā)送自整角機(jī)。該自整角機(jī)再將信號(hào)傳給圓盤深度指示器上的接收自整角機(jī)，二者組成電軸，實(shí)現(xiàn)同步聯(lián)系，從而達(dá)到指示器位置的目的。本系統(tǒng)采用圓盤式深度指示器，其主要目的是向絞車的操作者顯示泵房的實(shí)際位置，以便于初始安裝時(shí)調(diào)整泵房的初始位置。在絞車進(jìn)行調(diào)整時(shí)，也可以實(shí)時(shí)顯示泵房的位置情況，當(dāng)發(fā)生意外時(shí)，絞車的操作者可以與時(shí)的進(jìn)行手動(dòng)操作。圖6.1：圓盤式深度指示器7PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)7.1可編程序控制器(PLC)的特點(diǎn)與應(yīng)用PLC以其日趨成熟的技術(shù)和顯著的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)改造和工業(yè)自動(dòng)化控制中，己成當(dāng)今自動(dòng)化電氣控制的主流。其主要特點(diǎn)有:(1)、編程容易，操作簡(jiǎn)單目前PLC使用的語言主要有:①梯形圖語言適用于原來從事繼電器邏輯控制設(shè)計(jì)的人員。這種語言簡(jiǎn)單、直觀，只要熟悉電氣線路，很容易為現(xiàn)場(chǎng)操作、維修人員所掌握，且編程方法簡(jiǎn)單，二次開發(fā)比一般計(jì)算機(jī)來得容易。②布爾邏輯語言或功能圖語言這種語言適用于熟悉布爾代數(shù)和硬件邏輯設(shè)計(jì)的人員。③匯編語言適用于熟悉并掌握計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的人員。④高級(jí)語言使PLC程序設(shè)計(jì)更加靈活，控制功能更加完善。相對(duì)傳統(tǒng)的電氣控制線路，PLC為設(shè)計(jì)者和使用者提供了極其方面的手段，大大提高了電氣控制功能，縮短了控制設(shè)備的研制開發(fā)周期。(2)、體積小，功耗低，性價(jià)比高由于PLC部繼電器只是數(shù)字邏輯運(yùn)算，并不是真正有觸點(diǎn)的繼電器，其動(dòng)作穩(wěn)定可靠，不需要維護(hù)。用PLC替代繼電器，將大大減少繼電器接點(diǎn)，極提高電氣設(shè)備運(yùn)行的可靠性。對(duì)于一般礦井提升機(jī)來說，采用一套中小容量的PLC就能滿足控制要求，其價(jià)格亦相當(dāng)?shù)土?。隨著PLC技術(shù)的日益完善，使工業(yè)控制器小巧、低功耗、低成本完全成為可能。(3)、可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)PLC是充分考慮實(shí)際生產(chǎn)條件而設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品，它以微處理器為核心，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，輸入和輸出回路均采用光電隔離，輸入輸出獨(dú)立于控制單元，且主機(jī)的輸入電源和輸出執(zhí)行回路電源相互獨(dú)立，抗干擾能力強(qiáng)，具有極高的可靠性和穩(wěn)定性。實(shí)踐表明，一般PLC產(chǎn)品，可抗1KV，lus的窄脈的干擾。(4)、結(jié)構(gòu)模塊化，易于擴(kuò)展和拆裝由于采用插件式結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，用戶可以根據(jù)需要靈活地進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，縮小或更換硬件模塊數(shù)量、規(guī)模與連接方式。根據(jù)需要可在很短的時(shí)間設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)，使設(shè)計(jì)調(diào)試周期大大縮短。采用模塊化組合式結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)構(gòu)成十分靈活，可根據(jù)需要任意組合，易于維修，易于實(shí)現(xiàn)分散式控制。(5)、故障率低，維護(hù)簡(jiǎn)單PLC部一般不會(huì)出現(xiàn)故障，不需要維護(hù)。而其外圍輸入輸出線路，由于PLC的參與，沒有復(fù)雜的邏輯線路，只有簡(jiǎn)單的輸入/輸出線路，使控制系統(tǒng)變得非常簡(jiǎn)單明了，并且每條線路的當(dāng)前工作狀態(tài)在PLC都有相應(yīng)的指示。只要觀察這些狀態(tài)指示，就可知道哪條線路出現(xiàn)故障。在PLC控制系統(tǒng)中，可安裝微機(jī)監(jiān)視器，操作維護(hù)人員可通過監(jiān)視器觀測(cè)到PLC每一條線路的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)異地控制。PLC平均故障運(yùn)行時(shí)間(MTBF)一般可達(dá)5-10萬小時(shí)。(6)、通用性好，輸出能力大由于半導(dǎo)體在存儲(chǔ)技術(shù)的引入，使得PLC在不同控制程序下實(shí)現(xiàn)不同的控制目的，具有較強(qiáng)的通用性。PLC輸出接點(diǎn)功率較大，可直接驅(qū)動(dòng)中小繼電器和各種控制閥，使控制設(shè)備外圍器件數(shù)量大大減少，同時(shí)也降低了故障率。(7)、控制功能逐漸增強(qiáng)按照不同控制類型，PLC具有如下控制功能:①邏輯控制這是PLC最基本的控制功能，可用以取代繼電器控制的電氣線路和二極管矩陣式控制，如:機(jī)床、電梯、起重機(jī)、皮帶運(yùn)輸機(jī)等電器控制。②模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。而PLC中所處理的是數(shù)字量，為了能接受模擬量輸入和輸出模擬量信號(hào)，PLC中配置有A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，將現(xiàn)場(chǎng)需控制的模擬量通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，經(jīng)微處理器進(jìn)行運(yùn)算處理，再通過D/A轉(zhuǎn)換后，變成模擬量去控制被控對(duì)象。這樣就實(shí)現(xiàn)了PLC對(duì)模擬量的控制。③閉環(huán)過程控制運(yùn)用PLC不僅可以對(duì)模擬量進(jìn)行開環(huán)控制，而且可以進(jìn)行閉環(huán)控制?，F(xiàn)代大中型的PLC一般都配備了專門的PID控制模塊。當(dāng)控制過程中某一變量出現(xiàn)偏差時(shí)，PLC就按照PID算法去調(diào)節(jié)控制過程，把變量保持在某一整定值。PLC的PID的控制已廣泛應(yīng)用于加熱爐、鍋爐、反應(yīng)堆、釀酒以與位置和速度等控制中。④定時(shí)控制PLC具有定時(shí)控制的功能，它可以為用戶提供幾十甚至上百個(gè)定時(shí)器，其計(jì)時(shí)的時(shí)間要以由用戶在編寫程序時(shí)設(shè)定，也可以由操作人員在現(xiàn)場(chǎng)通過編程器進(jìn)行設(shè)定，實(shí)現(xiàn)定時(shí)或延時(shí)的控制。⑤計(jì)數(shù)控制計(jì)數(shù)控制也是控制系統(tǒng)不可缺少的，PLC同樣為用戶提供了幾十甚至上百個(gè)計(jì)數(shù)器，設(shè)定方式同定時(shí)器。用戶也可通過選擇高速計(jì)數(shù)器對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。⑥順序(步進(jìn))控制在工業(yè)控制中，采用PLC實(shí)現(xiàn)順序控制，要以用移位寄存器和步進(jìn)指令編寫程序，也可以采用IEC規(guī)定的用于順序控制的標(biāo)準(zhǔn)化語言一一順序功能圖編寫程序，使得PLC在實(shí)現(xiàn)按照事件或輸入狀態(tài)的順序，控制相應(yīng)輸出更加容易。⑦數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC都具有數(shù)據(jù)處理功能。它不僅能進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，數(shù)據(jù)傳送，而且還能進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)顯示和打印以與數(shù)據(jù)通信等。對(duì)于大、中型PLC還可以進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，函數(shù)運(yùn)算等。⑧通信和聯(lián)網(wǎng)PLC的控制已從早期的單元機(jī)控制發(fā)展到了多機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了工廠自動(dòng)化。這是由于現(xiàn)代PLC一般都具有通信的功能，它既可以對(duì)遠(yuǎn)程1/0進(jìn)行控制，以能實(shí)現(xiàn)PLC與PLC，PLC與計(jì)算機(jī)之間的通信。從而可以方便可靠地搭成“集中管理，分散控制”分布式控制系統(tǒng)，因此PLC是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的理想工業(yè)控制器。7.2PLC的選型7.2.1牽引絞車系統(tǒng)的工作情況牽引絞車的工作過程：當(dāng)水位提高時(shí)，主電動(dòng)機(jī)開始正轉(zhuǎn)，提升絞車；當(dāng)水位降低時(shí)，主電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，下放絞車當(dāng)發(fā)生緊急情況或是要停車時(shí)，控制主電動(dòng)機(jī)以與滾筒的制動(dòng)裝置動(dòng)作。為實(shí)現(xiàn)上述功能，采用PLC控制系統(tǒng)，在滾筒的輸出軸上安裝軸編碼器，用PLC的高速計(jì)數(shù)功能對(duì)編碼器輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值與給定的水位變化值一樣時(shí)，就調(diào)用中斷程序，停止泵車升降并進(jìn)行制動(dòng)，從而使泵車可以一次性的準(zhǔn)確停車，而不需要反復(fù)調(diào)整。絞車控制系統(tǒng)的控制點(diǎn)：輸入有編碼器的值、河道水位信號(hào)、泵房的停靠位置信號(hào)；輸出的控制有主電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)、主電動(dòng)機(jī)的電磁制動(dòng)、油泵電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、油泵電動(dòng)機(jī)的停止、滾筒的盤形制動(dòng)器的制動(dòng)等。7.2.2系統(tǒng)配置1、I/O點(diǎn)數(shù)的統(tǒng)計(jì)：輸入點(diǎn)至少10點(diǎn)(SB0、SB1、SB2、SB3、SB4、SB5、SB6、SB7、SB8、SB9)，輸出點(diǎn)至少6點(diǎn)(KM1、KM2、KM3、G0、G1、G2)，其中控制主電動(dòng)機(jī)的是SB1電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，SB2電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，SB3電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。2、估算PLC的用戶程序長(zhǎng)度開關(guān)量輸入：10～20B/點(diǎn)，10點(diǎn)共200B開關(guān)量輸出：5～10B/點(diǎn)，6點(diǎn)共60B定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：2B/點(diǎn)，4點(diǎn)共8B共計(jì)大約是340B結(jié)論：選用S7—200CPU224AC/DC的繼電器輸出的PLC即能夠滿足要求。系統(tǒng)配置表7.1型號(hào)CPU224程序存儲(chǔ)器4096字用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器2560字用戶存儲(chǔ)器類型EEPROM數(shù)據(jù)后備典型時(shí)間190h本機(jī)I/O14入/10出擴(kuò)展模塊數(shù)量7個(gè)數(shù)字量I/O映像區(qū)大小256(128入/128出)模擬量I/O映像區(qū)大小32入/32出33MHz下布爾指令執(zhí)行速度0.37μs/指令部繼電器256計(jì)數(shù)器/定時(shí)器256/256順序控制繼電器256置高速計(jì)數(shù)器6個(gè)(30kHz)模擬調(diào)節(jié)電位器2高速脈沖輸出2(20kHz，DC)脈沖捕捉14通信中斷每個(gè)端口有：1發(fā)送/2接收定時(shí)中斷2(1～255ms)硬件輸入中斷4個(gè)輸入點(diǎn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘有(置)口令保護(hù)有通信口數(shù)量1(RS—485)3、系統(tǒng)得擴(kuò)展模塊由于系統(tǒng)的輸入端子足夠，而輸出端子的個(gè)數(shù)不夠，系統(tǒng)擴(kuò)展一塊直流數(shù)字量輸出模塊EM2228×DC24V，有8個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，分成兩組，每組需用戶提供一個(gè)DC24V的電源。數(shù)字量輸出模塊的每一個(gè)輸出點(diǎn)能控制一個(gè)用戶的離散型負(fù)載。典型的負(fù)載包括：繼電器，接觸器，電磁閥線圈，指示燈等。對(duì)于直流輸出模塊是晶體管輸出方式，或用場(chǎng)效應(yīng)晶體管的驅(qū)動(dòng)。7.2.3系統(tǒng)控制圖系統(tǒng)控制原理如下圖，以西門子公司的S7-200PLC為基礎(chǔ)，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，我所設(shè)計(jì)是絞車的控制系統(tǒng)，其工作過程是由系統(tǒng)絞車處PLC讀取泵房處PLC所取得的水位信號(hào)，將水位信號(hào)與泵房初始位置的值相減，并用絞車處PLC的部程序處理得到絞車的調(diào)整值，再由PLC控制相應(yīng)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作，從而準(zhǔn)確調(diào)整泵房的位置，使泵房的位置變化符合水位信號(hào)的變化。設(shè)定絞車處PLC為主站2，泵房處PLC為從站3。圖7.1系統(tǒng)硬件組成7.2.4I/O接線圖和I/O分配表1、I/O接線圖絞車的PLC的控制系統(tǒng)的I/O接線圖如圖紙。2、I/O分配表(1)、輸入信號(hào)表7.2對(duì)應(yīng)端子功能按鈕部線圈(M)I0.0～I(xiàn)0.2高速計(jì)數(shù)器HS0設(shè)置位I0.3啟動(dòng)系統(tǒng)按鈕SB0I0.4盤形制動(dòng)器制動(dòng)SB4M0.5I0.5盤形制動(dòng)器松閘SB5M0.3I0.6電磁制動(dòng)器制動(dòng)SB6M0.6I0.7電磁制動(dòng)器松閘SB7M0.4I1.0油泵啟動(dòng)SB8M0.2I1.1油泵停轉(zhuǎn)SB9I1.3主電機(jī)正轉(zhuǎn)SB1M0.0I1.4主電機(jī)反轉(zhuǎn)SB2M0.1I1.5主電機(jī)停轉(zhuǎn)SB3M0.7I1.2調(diào)整泵房初始位置SB10(2)、輸出信號(hào)表7.3對(duì)應(yīng)端子功能控制線圈Q0.0主電機(jī)正轉(zhuǎn)接觸器線圈KM1Q0.1主電機(jī)反轉(zhuǎn)接觸器線圈KM2Q0.2電磁制動(dòng)器電磁閥線圈G0Q0.3調(diào)繩液壓缸處電磁閥線圈G1Q0.4盤形制動(dòng)器處電磁閥線圈G2Q0.5油泵電動(dòng)機(jī)接觸器線圈KM3(3)、各處指示燈表7.4指示燈序號(hào)功能對(duì)應(yīng)端子或線圈H1主電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)KM1H2主電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)KM2H3主電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障停車FR1H4油泵電機(jī)啟動(dòng)KM3H5油泵電機(jī)故障停車FR2H6泵房不用調(diào)整Q2.0H7絞車上提信號(hào)Q2.1H8絞車下放信號(hào)Q2.2H9絞車過卷報(bào)警Q2.3H10絞車下放到底報(bào)警Q2.4H11調(diào)整泵房初始位置的信號(hào)燈Q2.5(4)、使用變量地址表7.5PLC部變量地址功能VW90存放水位信號(hào)所需的調(diào)整值轉(zhuǎn)換為泵房在斜坡上的位移值VW100存放水位信號(hào)的初始值，即上次調(diào)整后的水位信號(hào)值VW106存放水位信號(hào)相對(duì)終值，即新獲得的水位信號(hào)值VD112(VW100)-(VW106)的差值存放地址VD116位移脈沖化后的最終結(jié)果VW200參數(shù)脈沖化計(jì)算使用地址，存放水位VW206參數(shù)脈沖化計(jì)算使用地址，存放泵房的位置VW220參數(shù)脈沖化計(jì)算后的結(jié)果VW216調(diào)整值TZ(加減速用去的脈沖個(gè)數(shù))VD208VW208存放5m的倍數(shù)值VW210VB400接收緩沖區(qū)的網(wǎng)絡(luò)指令執(zhí)行狀態(tài)VB401從站3地址，設(shè)為3VD402站3被訪問數(shù)據(jù)區(qū)首地址，設(shè)為&VB500VB406數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，其值為1VB407從遠(yuǎn)程從站3讀到數(shù)據(jù)的存放區(qū)域7.2.5編碼器的選型光電編碼器(又稱編碼式傳感器)以其高精度、高分辨率和高可靠性而被廣泛應(yīng)用于各種線位移和角位移的測(cè)量。光電編碼器是用光電方法將轉(zhuǎn)角和位移轉(zhuǎn)換為各種代碼形式的數(shù)字脈沖傳感器。雖然各種光電編碼器在機(jī)械結(jié)構(gòu)上有一定差異，但其光電檢測(cè)原理都十分相似。光電編碼器的工作原理：在光電編碼器的轉(zhuǎn)軸上附有一個(gè)圓形的碼盤，碼盤是一個(gè)加工極好的黑白相間的精細(xì)圖形，圖形上的每一個(gè)間隔代表轉(zhuǎn)軸上的某一個(gè)角度，當(dāng)光束透過圓片，將會(huì)產(chǎn)生某一間隔的圖形。當(dāng)圖形映射在其后的光電接受器上時(shí)，光電接受器即檢測(cè)出光的有無，而產(chǎn)生“1”或“0”的二進(jìn)制信號(hào)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，透明圓盤也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，在光電接受器上出現(xiàn)另一圖形，因而形成另一組二進(jìn)制信號(hào)，代表另一位置的角度。利用這種原理可制造各種編碼器。編碼器按結(jié)構(gòu)形式分為直線式編碼器和旋轉(zhuǎn)式編碼器。旋轉(zhuǎn)式編碼器按信號(hào)性質(zhì)分為：增量式(可辨向和不可辨向)和絕對(duì)式兩種。增量式編碼器的輸出是一系列脈沖，需要一個(gè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)對(duì)脈沖進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)，一般還需要一個(gè)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)即零位才能完成角度測(cè)量。絕對(duì)編碼器不需要基準(zhǔn)數(shù)據(jù)與計(jì)數(shù)系統(tǒng)，它在任意位置都可給出與位置相對(duì)應(yīng)的固定數(shù)字碼輸出。本系統(tǒng)中的編碼器是用來測(cè)量絞車主軸的轉(zhuǎn)速的，也可安裝于絞車的減速器的低速軸的軸端，并設(shè)定要求的精度為1mm/脈沖，即輸出一個(gè)脈沖，絞車轉(zhuǎn)動(dòng)1mm。因?yàn)殚_式齒輪的傳動(dòng)比是5，所以，需要選用的編碼器的分辨率為πD/（1×5）=3.14×1600/5=1004.8P/R。因此，我選用OMRON的增量型光電旋轉(zhuǎn)編碼器E6C-C型的。其主要參數(shù)如下：表7.6型號(hào)E6C-C外形尺寸φ50mm×60mm，軸徑φ16mm分辨率(P/R)10~1024，取1000輸出相A·B·Z相(可逆的)精度(輸出相位差)90°±45°最高響應(yīng)頻率30Hz允許最大轉(zhuǎn)速5000r/min電源電壓DC5~12V，DC12~24V消耗電流50mA以下輸出容量20mA電壓輸出，80mA開路集電極輸出荷重徑向39.2N橫向29.4N啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩9.8×10-3N·m保護(hù)結(jié)構(gòu)JEM規(guī)格IP52F使用環(huán)境溫度-10~+55°C，不結(jié)冰7.2.6參數(shù)脈沖化的計(jì)算已知條件：編碼器的分辨率為1000P/R，即每轉(zhuǎn)輸出的脈沖個(gè)數(shù)。滾筒的周長(zhǎng)：πD＝3.14×1.6＝5.024m開式齒輪的傳動(dòng)比i=5每米輸出的脈沖個(gè)數(shù)：n＝i×1000／5.024＝995個(gè)／m圖7.2斜坡長(zhǎng)度與高度的值的轉(zhuǎn)換公式：S=h/sin20°C=2.92h=3h1、設(shè)：X0為取得的水位信號(hào)，X1為取得的泵房的位置，Y為脈沖化后的參數(shù)值。B為倍數(shù)值且B=(X0-X1)/5，TZ為調(diào)整值(即絞車起停時(shí)，加減速脈沖化后的脈沖數(shù))。由于本系統(tǒng)中，為了便于工人便于裝卸泵房的水管，為泵房設(shè)置每5米一個(gè)停靠位，則每5米的脈沖數(shù)是995×5＝4975P/R，則得到公式:Y=4975B-TZ2、調(diào)整值的計(jì)算(1)、絞車速度的確定上提時(shí)速度：Vm1=0.067下放時(shí)速度：Vm2=(n0/nN)Vm1=(750/720)×0.067＝0.070式中，n0電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，n0=750r/minnN電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，nN=720r/min(2)、主加速度的確定參考煤礦安全規(guī)程規(guī)定，對(duì)斜巷運(yùn)輸物料時(shí)的最大加速度，規(guī)程中無明確限制，在實(shí)際運(yùn)行中，主加速度一般按不超過1.0m/s2考慮。這類似于絞車提升泵房的情況。本系統(tǒng)中的絞車起?；顒?dòng)不是很頻繁，而且每次調(diào)整的斜坡距離最少是5m(相當(dāng)于是水位變化1.7m)。因此，它對(duì)主加速度無明確的限制。上提時(shí)取加速度值：a0=0.2m/s2下放時(shí)取加速度值：a3=0.3m/s2(3)、主減速度的確定參考煤礦安全規(guī)程規(guī)定，下放重載的制動(dòng)減速度不得小于0.75m/s2，提升重載時(shí)的制動(dòng)減速度不得大于自然減速度an，則：自然減速度：an＝g(sin20°+fcos20°)＝9.8×(0.342+0.015×0.9397)＝3.49m/s2式中，f為泵房的阻力系數(shù)，f＝0.01～0.015上提時(shí)減速度：a2=0.5m/s2<an=3.49m/s2下放時(shí)減速度：a5=1.0m/s2>0.75m/s2(4)、計(jì)算調(diào)整值上提時(shí)，已知：V0=0m/s，Vm1=0.067m/s，V=0m/s，a0=0.2m/s2，a2=0.5m加速階段：減速階段：調(diào)整值：TZ1=(h1+h2)×995＝12.9，取TZ1=13下放時(shí)，已知：V0’=0m/s，Vm2=0.018m/s，V’=0m/s，a3=0.3m/s2，a5=1.0m/s加速階段：減速階段：調(diào)整值：TZ2=(h1’+h2’)×995＝7.97.2.7電氣接線絞車控制系統(tǒng)的主電路的電氣接線如圖紙，主要是對(duì)主電動(dòng)機(jī)和油泵電動(dòng)機(jī)的控制。圖中的電路保護(hù)環(huán)節(jié)有：(1)、熔斷器FU的電路短路保護(hù)；(2)、熱繼電器FR的過載保護(hù)作用；7.2.8操作臺(tái)的設(shè)計(jì)1、操作臺(tái)的組成操作臺(tái)的布局結(jié)構(gòu)如下圖，由以下幾部分組成：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)、調(diào)整泵房初值位置、主電動(dòng)機(jī)的控制、油泵電機(jī)的控制、盤形制動(dòng)器和電磁制動(dòng)器的控制、油溫指示、液位指示、絞車深度指示、壓力指示、一些相關(guān)的指示燈等。圖7.3：操作臺(tái)面板示意圖2、操作臺(tái)上各按鍵與儀表的作用(1)、啟動(dòng)系統(tǒng)按鍵，做啟動(dòng)系統(tǒng)的準(zhǔn)備，相當(dāng)于合上電氣電路中的閘開關(guān)。(2)、調(diào)整泵房初值位置的按鍵，系統(tǒng)安裝后或是修理后，重新定位泵房與水位對(duì)應(yīng)的初始位置。(3)、溫度計(jì)，用來觀察和了解油箱油液的溫度。(4)、液位指示表，指示水位的信號(hào)。(5)、絞車深度指示表，指示泵房的位置信號(hào)。(6)、壓力表，用來觀察和了解液壓站中的相關(guān)的油壓值，以便于與時(shí)調(diào)整。(7)、指示燈區(qū)，指示各種操作的狀態(tài)，通過觀察指示燈，絞車操作者可以完成相應(yīng)的操作，從而使泵房準(zhǔn)確的調(diào)整。(8)、主電動(dòng)機(jī)區(qū)，對(duì)于主電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)與停車操作。(9)、油泵電動(dòng)機(jī)區(qū)，對(duì)于油泵電動(dòng)機(jī)的起停操作。(10)、制動(dòng)器區(qū)，對(duì)于盤形制動(dòng)器和電磁制動(dòng)器的松閘、制動(dòng)的操作。7.2.9程序設(shè)計(jì)對(duì)于PLC中的程序設(shè)計(jì)，其程序流程圖如附錄1所示，源程序如附錄2所示。程序?qū)崿F(xiàn)的功能：(1)、在系統(tǒng)第一次工作時(shí)，按下SB10按鍵，調(diào)整泵房的初始位置，使泵房的初始位置與水位的零位對(duì)應(yīng)。(2)、正常工作時(shí)，按下SB0啟動(dòng)系統(tǒng)按鍵，指示燈H11亮，PLC部程序開始檢測(cè)水位信號(hào)，從而確定是否需要調(diào)整泵房的位置與怎樣調(diào)整，并控制相應(yīng)的指示燈的亮滅，顯示調(diào)整動(dòng)作，指示操作員工作。(3)、按下SB1按鍵，做正轉(zhuǎn)調(diào)整，指示燈H1亮。(4)、按下SB2按鍵，做反轉(zhuǎn)調(diào)整，指示燈H2亮。(5)、按下SB3按鍵，絞車停車。(6)、當(dāng)出現(xiàn)絞車過卷或是下放到底時(shí)，指示燈區(qū)相應(yīng)的指示燈亮，提醒操作員，做相應(yīng)的應(yīng)急操作。(7)、按鍵SB8是手動(dòng)控制油泵電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，指示燈H4亮。(8)、按鍵SB9是手動(dòng)控制油泵電動(dòng)機(jī)的停止。(9)、當(dāng)出現(xiàn)主電動(dòng)機(jī)故障停車時(shí)，指示燈H3亮；當(dāng)出現(xiàn)油泵電動(dòng)機(jī)故障停車時(shí)，指示燈H5亮。7.2.10提高系統(tǒng)可靠性的措施PLC專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而沒計(jì)，其顯著特點(diǎn)之一就是高可靠性，為了提高PLC的可靠性，PLC本身在軟.硬件上均采取了一系列抗干擾措施，在一般工廠使用完全可以可靠地工作，一般平均無故障時(shí)間可達(dá)幾萬小時(shí)，但這并不意味著對(duì)PLC的環(huán)境條件與安裝使用可以隨意處理。在過于惡劣的環(huán)境條件下，如強(qiáng)電磁干擾.超高溫、超低溫、過欠電壓等情況，或安裝使用不當(dāng)?shù)龋伎赡軐?dǎo)致PLC部存儲(chǔ)信息的破壞，引起控制紊亂，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使系統(tǒng)部的元器件損壞。為了提高PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，必須選擇合理的抗干擾措施，使系統(tǒng)正常可靠的工作。良好的環(huán)境條件是PLC系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要保證。各廠家的PLC對(duì)安裝環(huán)境都有規(guī)定，通常應(yīng)滿足以下條件：(1)環(huán)境溫度約在0～55°C，環(huán)境溫度過高或過低，使PLC長(zhǎng)期處于極限溫度下工作，會(huì)影響PLC工作的穩(wěn)定性和可靠性。因而PLC安裝時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離熱源。PLC安裝在控制柜時(shí)，柜的上下應(yīng)有通風(fēng)散熱的百葉窗，必要時(shí)應(yīng)安裝電風(fēng)扇降溫；注意不要把發(fā)熱量大的元器件，如變壓器.穩(wěn)壓電源、加熱器.大功率電阻等放在PLC下方。PLC四周底留有一定的空間供通風(fēng)散熱用。(2)PLC允許的相對(duì)濕度一般在35％～80％，濕度太高不僅使漏電流增大影響絕緣性能，而且直接影響模擬量輸入/輸出裝置的精度，必要時(shí)可設(shè)置小加熱器或夜間不切斷電源。(3)周圍不應(yīng)有導(dǎo)電塵埃、油性物或有機(jī)溶劑、腐蝕性氣體。以防銹蝕元器件，造成絕緣降低、嚴(yán)重漏電、局部短路等故障，甚至損壞設(shè)備。(4)PLC能承受的振動(dòng)和沖擊有一定規(guī)定，振動(dòng)過大會(huì)引起插接件松動(dòng)。為了減少震動(dòng)和沖擊，可將PLC控制柜與振動(dòng)和沖擊源分開，或用抗震墊來固定PLC控制柜。8結(jié)論本次設(shè)計(jì)的主要目的是實(shí)現(xiàn)牽引絞車的自動(dòng)化控制。在設(shè)計(jì)中，我主要完成的是牽引絞車的控制系統(tǒng)。我使用可編程序控制器(PLC)對(duì)牽引絞車進(jìn)行控制，對(duì)PLC編程來實(shí)現(xiàn)控制回路的功能，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)，使系統(tǒng)的工作更可靠、穩(wěn)定，并且易于維修。在設(shè)計(jì)的過程中，由于自身的經(jīng)驗(yàn)不足，考慮的問題不夠周全，系統(tǒng)中還存在著很多的問題。如在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)實(shí)際的情況估計(jì)不足，使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，并增加了相應(yīng)的成本。在選擇液壓系統(tǒng)各元器件時(shí)，其流量的匹配做得不夠，使得系統(tǒng)的冗余較大，造成了一定的浪費(fèi)，這方面有待優(yōu)化。在控制方面，指示燈的設(shè)置有些重復(fù)，需要改進(jìn)。此外，我所設(shè)計(jì)的控制功能較簡(jiǎn)單，僅僅是實(shí)現(xiàn)絞車的上提和下放的簡(jiǎn)單調(diào)整，以與過卷報(bào)警和下放到坡底的報(bào)警動(dòng)作。系統(tǒng)的控制功能還可以進(jìn)一步完善。這里有兩點(diǎn)改進(jìn)的想法：一、在絞車下放時(shí)，要考慮泵房的自重產(chǎn)生的影響，會(huì)引起泵房下放過快，需要調(diào)節(jié)制動(dòng)力的大小，以便于絞車正常的工作，實(shí)現(xiàn)勻速下放。思路是利用傳感器檢測(cè)泵房的下放速度，再將速度信號(hào)傳入PLC中，比較檢測(cè)到的速度值是否超過某一固定值，若超過，則由PLC輸出信號(hào)去控制液壓站的調(diào)壓裝置，改變液壓站的工作壓力，進(jìn)而調(diào)節(jié)盤形制動(dòng)器的制動(dòng)力的大小，以便于調(diào)節(jié)泵房的下放速度。當(dāng)然，由于速度和控制液壓站的信號(hào)均是模擬信號(hào)，需要擴(kuò)展模擬量模塊。二、液壓站的蓄能器與盤形制動(dòng)器處都可以檢測(cè)壓力信號(hào)，并將信號(hào)送入PLC中，當(dāng)檢測(cè)的壓力不足時(shí)，可由PLC輸出相應(yīng)的信號(hào)控制液壓泵動(dòng)作，以補(bǔ)償其壓力損失。檢測(cè)壓力值可選用電接點(diǎn)式壓力表或是壓力繼電器。由于壓力信號(hào)與控制信號(hào)均為模擬量，也需要擴(kuò)展模擬量模塊。所以，可以選用模擬量輸入輸出模塊EM235。最后，通過本次設(shè)計(jì)，我了解了