牵引绞车及其控制系统设计（可编辑） .doc

牵引绞车及其控制系统设计 摘 要 绞车,是用卷筒缠绕钢丝绳以提升或牵引重物的轻小型起重设备。本设计以零件疲劳理论和线性累积损伤假说为理论基础,运用静力学的普遍原理,分析和解决了绞车运动过程中的一些受力和运动问题,力求最优化和最可靠设计绞车减速器和卷筒。在最普遍绞车传动方式和结构的基础上,运用位置传感和水位传感技术,采用PLC控制,实现了牵引绞车根据水位提升和下放泵房的自动控制和手动控制。 本文主要介绍了绞车的发展历史,用途,组成及工作原理;牵引绞车的工作特点;设计的一般步骤;使用中存在的问题及改进措施。在本次牵引绞车的设计过程中,着重对减速器、卷筒进行了分析和设计。对重要的部件进行了受力分析、强度的校核,根据其常见失效形式、影响因素及基本设计要求,给出了重要部件的受力分析、强度和刚度的设计方法。关键词:牵引绞车; 减速器; PLC; 自动控制ABSTRACT The winch, is promotes or the hauling heavy item light small hoisting equipment with the reel winding steel wire. This design take the components fatigue theory and the linearity cumulative damage hypothesis as the rationale, the utilization statics general principle, analyzed and has solved in winch rate process some stress and the movement question, made every effort the optimization and the most reliable design winch reduction gear and the reel. In the most universal winch type of drive and in the structure foundation, utilizes the position sensing and the water level sensing technology, uses the PLC control, realized the traction winch to promote and to release the pump house according to the water level the automatic control and the hand control This article mainly introduced winch's historical development, the use, the composition and the principle of work; Traction winch's operating feature; Design general step; In the use exists question and corrective measure. In this traction winch's design process, to the reduction gear, the reel has carried on the analysis and the design emphatically. Has carried on the stress analysis, the intensity examination to the important part, according to its common failure mode, the influencing factor and the basic design request, has given the important part's stress analysis, the intensity and the rigidity design method. Keywords:Traction winch;Reduction gear; PLC;Automatic control目 录1 概述.11.1绞车的应用11.2绞车的发展概况.11.3国外绞车概况.21.4绞车发展趋势.42 绞车的计算基础.52.1绞车工作级别划分的理论基础.52.2绞车的工作级别与类别.62.2.1利用等级.62.2.2载荷状态.72.2.3绞车工作级别的划分.82.3绞车计算载荷.92.3.1额定拉力.92.3.2当量拉力.92.3.3静强度计算拉力.92.3.4动载系数.102.3.5试验拉力.102.3.6许用应力和安全系数.102.3.7零件强度的可靠性计算安全系数和许用应力.133 钢丝绳的选择.173.1概述.173.1.1安全系数法.173.1.2选择系数法.183.2钢丝绳选择.183.3钢丝绳在卷筒上的固定.193.3.1钢丝绳在卷筒上的固定方式.193.3.2钢丝绳固定端承载能力验算.193.3.3钢丝绳的出绳方向及其偏角.204 卷筒设计计算.214.1卷筒结构.214.2卷筒容绳尺寸参数计算.224.2.1卷筒节径.224.2.2卷筒边缘直径.224.2.3卷筒容绳宽度.224.2.4卷筒筒壳厚度.234.2.5卷筒端侧板厚度.234.3卷筒的受力分析.234.3.1钢丝绳拉力与卷筒支撑处反力.244.3.2由钢丝绳拉力产生在筒壁上的转矩.244.3.3卷筒筒壁的径向压力.244.3.4钢丝绳对端侧板产生的轴向推力.255 减速器的设计计算.265.1传动方式的拟定.265.2电动机的选型设计.275.3总传动比及传动比分配.285.3.1总传动比.285.3.2传动比分配.285.4传动装置运动参数计算.295.4.1各轴转速计算.295.4.2各轴功率计算.295.4.3各轴扭矩计算.305.5齿轮参数计算.315.5.1开式齿轮齿面接触疲劳强度设计计算.315.5.2开式齿轮齿根弯曲疲劳强度校核计算.335.5.3齿轮其他主要参数.345.6轴的设计计算.355.6.1轴的材料选择.355.6.2轴的设计计算.355.7滚动轴承的选择及校核计算.455.7.1轴承的类型选择.455.7.2滚动轴承常见的失效形式及计算准则.455.7.3滚动轴承的校核计算.465.8键连接的校核计算.485.9联接螺栓的校核计算.505.9.2螺栓剪切强度校核.505.10减速器的润滑和密封.505.10.1减速器的润滑.505.10.2减速器的密封.515.11减速器箱体及附件的选型设计.515.11.1减速器箱体的设计.515.11.2减速器附件的选型设计.516 联轴器与制动器的选型设计.546.1联轴器的选型设计.546.2制动器的选型设计.556.2.1制动器的选型计算.567 牵引绞车控制系统的设计.577.1牵引绞车降压起动.577.2绝对式旋转编码器.577.2.1绝对式旋转编码器的工作原理.577.2.2绝对式旋转编码器的特点与应用.587.2.3绝对式旋转编码器的选型.597.2.4绝对式旋转编码器的机械安装使用.607.2.5编码器脉冲转换.617.3水位传感器的选型.617.4可编程控制器控制系统.627.4.1PLC的主要功能.627.4.2PLC的特点.627.4.3被控绞车的工作情况.637.4.4PLC选型.647.4.5PLC控制系统图.657.4.6I/O接线及I/O分配.657.4.7PLC自动控制程序设计.667.5提高PLC控制系统可靠性的措施.707.5.1PLC安装的环境条件.707.5.2PLC的抗干扰措施.70设计总结.73参考文献.74翻译部分.75英文原文.75中文译文.80致 谢.851 概述1.1绞车的应用 绞车,用卷筒缠绕钢丝绳或链条以提升或牵引重物的轻小型起重设备,也可称为卷扬机。绞车可以单独使用,也可作为起重、筑路和矿井提升等机械中的组成部件,因具有结构简单、操作方便、搬运安装灵活,维护保养简单、绕绳量大、价格低廉和可靠性高的有点而广泛应用于物料提升、水平或倾斜拽引重物、打桩、集材、冷拉钢筋、设备安装等工作中。 绞车除在建筑工地、设备安装等方面被广泛应用外,在冶金、矿山、水电、农业、军事、化工及交通运输等行业中亦广泛应用,如高炉料钟和物料的提升,矿井的物料提升,水平、倾斜牵引运输,矿车调度、回柱,船舶上锚链的提升等。1.2绞车的发展概况 现在矿山所用绞车都是由建筑卷扬机发展而来的,所以我们有必要先谈谈建筑卷扬机的发展,从而了解整个矿用绞车的发展历程。 我国在很久以前的古代,就知道采用辘轳等来提升重物,以减轻体力劳动的强度和提高工作效率。但由于旧中国的工业落后,劳动力便宜,所以在物料的提升和搬运过程中大都是靠工人的肩挑背扛,而绞车只有在一些大型企业中才被使用,应用很少,而且所适用的绞车也均为国外生产,国内基本没有生产绞车的厂家。 我国的绞车生产是解放后才开始的,已有近60年的历史。50年代为满足恢复经济的需要和第一个五年计划的需要,绞车的生产被提到了日程上。原沈阳国泰机器厂(阜新矿山机械厂前身)等成批仿制了两种绞车,一种为日本的JIS8001型动力绞车,它是一种原动机为电动机,传动形式是开式圆柱齿轮传动,双锥体摩擦离合器,操作为手扳脚踩的快速绞车;另一种是按苏联图纸制造的1011型和1012型普通蜗杆传动、电控慢速绞车。 随着生产的发展,到了60年代,绞车的生产和使用越来越多。为了协调生产,主要绞车生产厂家(阜新矿山机械厂、天津卷扬机厂、山西机器厂、宝鸡起重运输机厂等)组成了卷扬机行业组织,隶属于第一机械工业部矿山机械行业下。为了发展绞车的生产,行业组织了相关厂家的人员对全国绞车的生产和应用情况进行了调查。在调查的基础上,开始自行设计和制造新的卷扬机,先后试制了0.5t、1t、3t电动卷扬机,但由于对当时各厂家的生产能力估计不足,无法推广。 从70年代起,我国绞车的生产进入了技术提高、品种增多、定性生产的新阶段。在各厂自行设计和生产的基础上,1973年,由卷扬机行业组织了有关厂家和院校联合进行了绞车基型设计,并充分考虑到了当时中小厂家的生产能力。快速绞车的基型采用半开半闭式齿轮传动,离合器采用单锥面石棉橡胶摩擦带结构,操纵用手扳刹车带制动。慢速绞车的基型为闭式传动(圆柱齿轮传动或蜗杆传动减速器)、电磁铁制动结构。这两种基型一直到今天还在生产。为了适应生产发展的需要,当时第一机械工业部发布了JB926-74建筑卷扬机形式与基本参数和JB1803-76建筑卷扬机技术条件两个部标准,并把卷扬机行业划归常德建筑机械研究所(长沙建筑机械研究院前身)领导。随着部标准的颁布,使绞车有了大发展的基础。为了满足经济发展的需要,各厂家相继生产了20t和32t绞车。 从70年代末开始,我国实行了改革开放政策,国民经济大发展,作为国民经济的动力,煤炭产业现代化和机械化的要求日益强烈,许多产品逗进行了防爆改造,从而进入到煤矿井下,其中绞车是最成功的一种产品,JD系列的调度绞车和JH系列的回柱绞车至今还在大量的生产,是矿山井下,运输调度不可替代的机械设备。但这种设备的自动化的程度不高,无法实现无人值守的自动操作,往往由于绞车操作工的操作失误或精神不集中造成安全生产事故。 矿山绞车的发展是伴随着煤炭产业发展,九十年代中后期,是我国煤炭生产的一个低潮,矿用绞车的发展十分缓慢,没有什么新的结构,产品出现。但是,2000年以后,国际油价居高不下,煤炭再一次被人们所重视,煤炭价格一路上涨,绞车等一系列的矿山机电产品需求量剧增,促进了绞车的发展,这一时期绞车品种增加,自动化水平增加,新结构、新功能不断出现,但是仍然具有一定的技术瓶颈,即自动控制设备的防爆问题。现在,变频调速技术和PLC控制技术十分的成熟,但是,也只是在矿井的主井和副井的提升系统中得到了最广泛的最成熟的应用。然而,自动化和数字化是矿井发展的必然趋势,为了实现这一目的,矿山设备的自动化和数字化是实现这一目的的基础。 本设计也力求用最成熟的PLC控制技术,实现矿井水仓的无人值守,达到牵引绞车能够根据水位自动提升和下降泵房的目的,探索一条能够实现绞车自动化控制的路径。1.3国外绞车概况 在国外,绞车的品种繁多,应用也很广泛。在西方技术先进的国家中,钻机制造商德国Wirth公司、Bentec公司以及美国Varco公司拥有先进的绞车控制技术、电动机四象限传动技术以及电子自动 司钻控制技术。这些绞车控制系统能根据钻压、机械钻速、转盘转速和扭矩等参数控制钻井钢丝绳的连续递送以保持稳定的钻井状态, 进而大大提高钻井效率。下面简单介绍三款国外绞车及其控制。一、德国Wirth公司齿轮传动绞车 德国Wirth公司新一代齿轮传动绞车采用四象限控制技术,配有2台或3台直流或交流电动机,能平稳地减速和停止下降或上升的载荷,在不超过设备使用限制的情况下,直流和交流电动机都能运用再生制动技术,制动能量大部分回馈给电网。绞车控制系统通过控制电动机四象限传动,使能量在一个起下钻作业中按4个不同传动阶段分配。 绞车的控制系统是通过一个3060kW的交流电动机来实现其它的辅助驱动。在钻井过程中,自动化司钻控制电动机实现恒钻压自动送钻,保持设定的参数,使钻井工具的寿命得以大大增长。另外,在主电动机失效时,还可做为应急装置,将井中钻具提起。 绞车控制系统还包括一套智能防碰系统ACS,用来优化游车上下运行过程中的安全和效率,它监控绞车独立的3个刹车系统。系统提供了整个提升系统动能的参数分析,并考虑了包括系统制动能力、钩载、游车的速度和位置等参数,在位于司钻控制室的ACS系统终端设定系统的上、下限位。 两个PLC上独立计算大钩的位置、速度和制动距离。根据控制系统的运算法则,并考虑到系统的动能和绞车的刹车系统能力,两个PLC能独立启用再生制动、涡流刹车或盘式刹车。大钩位置、载荷和所需要的制动距离等参数持续地由两个微处理器检测和比较,任何差异都认为是ACS系统失效。电动机再生制动、涡流刹车和盘刹紧急制动将被激活,使载荷制动停止。Bentec公司绞车 德国Bentec公司已成功地将四象限传动用于其链传动钻机上, 将电动机用于刹车,并将能量回馈。盘式刹车只用于驻车或紧急制动。绞车遥控操作,游车可以准确定位。自动送钻速度从10 m/ h到150 m/ h 。三、美国Varco公司单轴绞车 美国Varco公司最新一代单轴ADS ?10绞车,充分利用了交流变频的控制技术, 可不使用摩擦离合器而使用电动机再生制动来保持负荷。高性能可精确控制的空气冷却和水冷却伊顿 Eaton 组合盘式刹车可实现自动送钻,并且使该绞车唯一的刹车?空气冷却模块用于紧急制动和负载的静态控制, 而水冷却模块用于钻井钢丝绳的均匀递送、游车运行、钻压以及其它钻井参数的动态控制。1.4绞车发展趋势1.大型化 由于基础工业大发展,大型设备和建筑构件要求整体安装,促进了大型绞车的发展。2.采用先进电子技术 为了实现绞车的自动控制和遥控,广泛采用先进的电子技术,传感器技术,可编程控制技术。3.发展手提式绞车 为了提高机械化程度,减轻工人的劳动强度,大力发展小型手提式绞车,如以汽车蓄电池为动力的直流电动小型绞车。4.大力发展不带动力源装置的绞车 此种绞车借助汽车和拖拉机动力,结构简单,有一个卷筒和一个减速器即可。2 绞车的计算基础2.1绞车工作级别划分的理论基础 绞车工作级别的理论基础是零件疲劳理论和迈内尔的线性累积损伤假说。我们知道,金属材料或零部件在变应力作用下,近似应力-循环次数的试验曲线(曲线),如图2.1所示。由图2.1可知,2.1 2.2按迈内尔理论,零件损伤可按下式计算 2.3当时,零件损坏。设为,中的最大值,则公式2.3可改写为 2.4令应力循环系数 2.5则 2.6如果保持,不变,并以,代替,以及以代替,同时公式2.6中的和均保持不变,则上式载荷具有相同的应力循环系数,因此公式2.3可改写为2.7如果足够大,则可达到,零件随即损坏。称时的为临界应力,并以表示,则有 2.8 公式中的与材料、零件特性、应力类型及等因素有关,这些因素决定了和值,此外还和总循环次数和应力循环系数有关。 公式2.8为临界状态,它是划分工作级别的基础表达式。2.2绞车的工作级别与类别 绞车根据载荷状态和利用等级分为A1A8八个工作级别。其目的就是为了合理地设计,制造和使用绞车,提高零部件的三化水平,取得满意的技术经济效果。2.2.1利用等级利用等级是表示绞车使用的频繁程度,以其在设计寿命期内应完成的总工作循环次数表征。而一个工作循环是指从一个载荷准备提拉时开始到下一个载荷准备提拉时为止的全过程。绞车的寿命一般不少于5年,在这个期间内依据工作频繁程度的不同,总工作循环数可分为8个利用等级,见表2.1表2.1绞车利用等级利用等级总的工作循环次数说明U0U1U2U3不经常使用U4经常轻闲使用U5经常中等使用U6有时繁忙使用U7繁忙使用2.2.2载荷状态 载荷状态表示绞车钢丝绳受拉力作用的轻重与频繁程度,它与整个使用寿命期限内钢丝绳每次承受的拉力与额定拉力之比()和钢丝绳每次承受拉力作用下的工作循环次数和总工作循环次数之比()有关。表达这种关系的图形称为载荷谱,见图2.2. 载荷谱系数可用下式计算 2.9式中 ?载荷谱系数; ?钢丝绳承受的第个拉力,(); ?钢丝绳承受的额定拉力(); ?在钢丝绳拉力作用下的工作循环次数,; ?总的工作循环次数,; ?由应力换算成载荷的耐久曲线指数,此处取。绞车的载荷状态可根据钢丝绳承受的拉力(载荷)大小和频繁程度,按名义载荷谱系数分为四级,见表2.2。表2.2载荷状态载荷状态名义载荷谱系数当量拉力系数说明Q1轻0.125 通常承受1/3的额定拉力,很少承受额定拉力时使用Q2中0.25 通常承受(1/32/3)的额定拉力,有时承受额定拉力时使用Q3重0.5通常承受2/3以上额定拉力时使用,较多承受额定拉力时使用Q4特重1.0 频繁地承受额定拉力或者鱼额定拉力相近时使用在表2.2说明栏中的内容选择一个适合的载荷谱系数确定载荷状态。如果钢丝绳的在拉力作用下的时间为,可以得出当量拉力系数,按以下公式计算 2.10式中 ?当量拉力系数; ?作用下的时间;,根据载荷谱系数的分级可以得出相应的当量拉力系数。2.2.3绞车工作级别的划分按利用等级和载荷状态的不同,可将绞车分为A1A8八个工作级别,见表2.3。表2.3绞车工作级别每日平均使用时间h0.250.250.50.5112244881616使用寿命期限内的总使用时间h40040080080016001600320032006400640012500125002500025000利用等级U0U1U2U3U4U5U6U7载荷Q1轻A1A2A3A4A5A6A7Q2中A1A2A3A4A5A6A7A8状态Q3重A2A3A4A5A6A7A8Q4特重A3A4A5A6A7A8 绞车按工作级别和用途可分为四种类型,见表2.4。表2.4绞车分类类别工作级别说明举例A1A4不经常使用,轻或中等载荷状态的快速和慢速绞车工程安装A3A5经常中等使用,中等载荷状态的快速绞车垂直或倾斜吊运,水平拽引,牵引A4A6有时经常频繁使用,中等载荷状态的快速绞车与井字架、人字架和桅杆等配合使用垂直吊运A6A8经常频繁使用,重级载荷状态的快速和慢速绞车斜坡拽引、牵引、冷拉钢筋、冲抓、拉桩2.3绞车计算载荷2.3.1额定拉力 绞车钢丝绳的额定拉力规定为作用在基准层(在规定的拉力下,钢丝绳在卷筒上顺序紧密排列时,恰为1/2容绳量处所在的缠绕层),方向为沿钢丝绳出绳方向的拉力。钢丝绳出绳方向偏角:对于自然排绳,;对于排绳器排绳,。2.3.2当量拉力这是用来计算绞车零件疲劳、磨损和发热的一种拉力,也称寿命计算拉力,它所考虑的工况是绞车在正常工作情况下钢丝绳的拉力,可按公式2.11计算 2.11当绞车的实际载荷状态为已知时,应按公式2.9和公式2.10计算实际载荷谱系数和当量拉力系数。当无法确定实际载荷状态时,可根据用途或与用户协商按表2.2选取合适值。2.3.3静强度计算拉力经强度计算拉力是考虑绞车正常工作时可能出现的最大拉力,此时零件的强度不得超过材料的许用应力。 (2.12)式中 ?动载系数。2.3.4动载系数 当绞车启动或制动时,载荷将对绞车承载结构和传动结构产生附加动载作用,钢丝绳速度越大,启动或制动时间越短,冲击也就越大,值也就越大,值可按表2.5选取。 表2.5 动载系数 1.001.10 1.20 1.05+0.4(-0.2) 1.35 1.10+0.6(-0.2) 1.90注:?电动机启动完成时或制动开始时载荷的速度,即钢丝绳的速度当较大,以至按表中公式计算出的值大于1.90时,应在控制方面采取措施,使载荷的加速度不致太大,且去2.3.5试验拉力 当绞车的强度用试验拉力计算时,取下面两种情况的最大值: (一)静载试验拉力 静载试验拉力为钢丝绳额定拉力的1.25倍,即 (2.13) (二)动载试验拉力 动载试验拉力为钢丝绳额定拉力的1.10倍,即 (2.14) 若用动载拉力进行强度校核时,应考虑动载系数。2.3.6许用应力和安全系数绞车的寿命计算可保证绞车在规定的使用期限内,零件不失效或者有局部失效(如齿轮传动的齿面有部分点蚀)但不影响使用。绞车的静强度计算可保证绞车零件在最大拉力作用下不失效,即零件最大应力应小于材料的屈服极限,并有足够的安全裕量。在具体的零件强度计算中没有给出许用应力和安全系数时,应按本节介绍的许用应力和安全系数选取。静强度计算的许用应力与安全系数静强度计算公式为 (2.15)式中 ?塑性材料的许用应力(); ?塑性材料的屈服极限(); ?零件危险断面的最大计算应力或复合应力(); ?安全系数。对于塑性较好的材料,用材料的屈服极限作为零件的屈服点。当材料的屈服极限与抗拉强度之比大雨0.7时,为了减小偶人超过材料屈服极限而引起的脆性断裂的危险,我们规定按下面公式计算的屈服点作为零件的假想抗拉屈服极限。(2.16) (2.17) 式中 ?零件假想抗拉屈服强度(); ?塑性材料的抗拉强度(); ?零件假想抗剪屈服强度()。安全系数,见表2.6。表2.6安全系数的规定值条件疲劳强度和寿命计算拉力静强度计算静强度计算拉力试验拉力1.251.501.15(二)疲劳强度计算的许用应力与安全系数1.材料的疲劳曲线及疲劳极限 在任一给定的循环特性的条件下,以应力为纵坐标,以应力循环数为横坐标,可绘出图2.3所示的曲线。 对数坐标上的曲线由两段直线组成,一段是斜直线,另一段是水平直线。两直线的交点的横坐标为,称为循环基数。对一般结构钢,硬度350HBS时,;硬度350HBS时,。水平直线段的纵坐标,称为疲劳极限。当时,疲劳极限用表示;当时,疲劳极限用表示。常用的疲劳极限见表2.7所示。 表2.7 常用材料疲劳极限材料变形形式对称循环疲劳强度脉动循环疲劳强度结构钢弯曲拉伸扭转铸铁弯曲拉伸扭转青铜弯曲?注:?屈服强度;?抗拉强度;?拉伸注脚。由疲劳试验得知,疲劳曲线AB段程下面函数关系,即 (2.18)式中 ?材料常数; ?材料常数。当时,可得(2.19)由公式2.19可得 (2.20)式中 ?寿命系数; ?材料常数,此处取; ?材料有限期内疲劳强度(); ?材料长期的疲劳强度(); ?与相对应的基本循环次数; ?零件在有限使用期内盈利循环次数。可按下式计算 (2.21)式中 ?零件在使用期内,应力循环的总次数,可按公式2.22计算; ?系数,零件在使用期限内,等于的应力循环次数与循环总次数之比;, 的数值应根据所计算零件的载荷特性和材料特性来决定,如果缺乏有关数 据,可近似地取。计算公式如下 (2.22)式中 ?电动机额定转数(); ?零件妹一转经受的应力循环次数; ?电动机到计算零件间的传动比; ?绞车的设计寿命()。材料的疲劳极限由试验或计算来决定,在这个应力下有90%零件不失效,其值大小取决于盈利循环特性、材料质量、零件形状、零件尺寸和零件的表面质量等。2.疲劳强度计算的许用应力 疲劳强度计算公式为(2.23)式中 ?零件危险截面的疲劳计算应力或复合应力(); ?材料在有限期内的疲劳许用应力(); ?安全系数,见表2.6。2.3.7零件强度的可靠性计算安全系数和许用应力常规的疲劳强度计算,咩有将载荷