仿真平台毕业设计论文解析.doc

河北能源职业技术学院课程设计摘要目前我国许多煤矿矿井已经转向中、深部开采，矿 井提升设备作为煤矿的关键设备，在矿井机械化生产中 占有重要地位。制动器是提升机（提升绞车）的重要组成 部分之一，直接关系着提升机设备的安全运行。在对提升机的制动器选型过程中，因鼓式制动器是 应用较多的一种传统制动器，它以其独特的优点及良好 的安全性能被广大用户认可，特别是在结合了液压系统 和PLC控制之后，液压系统和PLC超强的控制性能为 鼓式制动器的应用提供了巨大的工作平台。制动盘的制 动力，靠油缸内充入油液而推动活塞来压缩鼓式弹簧来 实现。液压鼓式制动器作为传统制动器，具有许多优点， 所以它在现代多种类型提升机中仍获得广泛的应用。它 具有它造价便宜，而且符合传统设计等特点，对生产安 全具有重要意义。关键词：提升机；制动器；设计；液压传动10目录摘要11矿井提升机系统仿真平台了解分析 41.1 系统介绍41.2系统结构51.3工作原理72制动系统的作用及要求92.1制动系统的作用92.2制动系统的要求103制动器结构方案分析103.1提升机的选用103.2制动器的类型选择113.2.1 块式制动器114块式制动器主要参数的确定 134.1制动盘的厚度h及制动鼓D134.1.1 制动盘的厚度h的确定134.1.2 制动鼓内径D的确定134.2摩擦衬片宽度b、包角二和摩擦系数卩.144.3及传动杠杆系统确定154.4制动盘工作面的加工精度要求155块式制动器主要参数计算 155.1块式制动器所需制动重锤质量155.2重锤块数165.3 校核是否会自锁 166块式制动器主要结构元件156.1 制动鼓196.2摩擦衬片 207结论22设计心得23参考文献25致谢261、矿井提升机系统仿真平台了解分析1.1系统介绍矿井提升机系统自动控制高仿真平台以提高提升效率、 节能降耗、安全运行为设计理念，针对交流提升系统进行仿 真设计。该系统完全模拟井底煤仓装载、定量称重和箕斗自动装 载、井上煤仓卸载及提升机全自动提升过程。可分别实现提 升机全自动运行控制和手动控制。在控制面板上还包括了信 号系统和故障模拟功能，具备以太网通讯功能，可实现与集 中控制平台的连接。系统示意图如图1-1所示。矿#提升嵌4铠旨勧搜制仿衷卑台图1-1仿真平台布局示意图01.2系统结构整个系统分为机械部分和电气控制部分，机械部分包括 提升用交流电机、滚筒、天轮、井架、提升箕斗、钢丝绳、 装卸载机构、摩擦轮等设备；电气部分包括西门子S7-300PLC、变频器、位置传感器、轴角编码器、控制面板、触摸屏和控制软件等。如图1-2所示III矿井提材机崇伉自劲植剧仿宴年台 SeiiJtmuiJ 走 am - -r系统工作示意-B丿控制面板图1-2 自动控制仿真平台系统结构图1.3工作原理该提升机系统属于多绳摩擦式提升系统，靠摩擦轮 与钢丝绳之间的摩擦力传动。摩擦式矿井提升机适用于 凿井以外的各种竖井提升。提升绳搭挂在摩擦轮上，利 用与摩擦轮衬垫的摩擦力使容器上升。提升绳的两端各 连接一个容器，或一端连接容器，另一端连接平衡重。 为提高经济效益和安全性，摩擦式矿井提升机采用尾绳 平衡提升方式，即配有与提升绳重量相等的尾绳。尾绳 两端分别与两个容器（或容器和平衡重）的底部连接， 形成提升绳-容器-尾绳-容器（或平衡重）-提升绳的封闭 环路。容器处于井筒中的任何位置时，摩擦轮两侧的提 升绳和尾绳的重量之和总是相等的。“矿井提升机实训仿真平台”的整个工作过程是由 一个主电机带动，通过联轴器带动主天轮转动，主天轮 通过钢丝绳在摩擦力的作用下带动两个副天轮转动，钢 丝绳的两端分别连着左右萁斗，这样完成了矿井提升机 的上下提升运动（图4）。人轮组位濟井口締戟位賈邊升财伽井底装超:锻图4 落地戎多纜摩擦提升系统示意图提升机中的萁斗在上下提升运动过程中主要进过几 个阶段：（一）、加速阶段，萁斗在装满煤后速度在不断 增加这段时间很短；（二）匀速阶段，萁斗在加速阶段 后，速度达到额定速度后就不会再增加，一直以这个速 度提升，这个过程时间较长，路程也最长；（三）减速 阶段，其都经过减速开关后，就一直在减速，这段时间 也很短；（四）爬行阶段，萁斗经过减速阶段速度达到 爬行速度，萁斗就一直以这个速度提升，直到萁斗到达 停车点时，萁斗速度就会立即减为零，萁斗停止。提升机的南、北皮带是由一个电机带动，完成运输 过程的。煤炭由采煤机踩得，经过运输皮带进入主煤仓， 再由主煤仓到达南、北皮带，经过南、北皮带进入定量 仓，最后进入萁斗提升机，完成了煤炭的装载过程。煤 炭由其都提升到井上，卸载到井上煤仓，完成煤炭的卸 载过程。2、动系统的作用及要求现代矿井提升机的制动系统是所有提升设备中最重 要、最复杂的装置。它由制动器和传动机构组成。制动 器是直接作用于制动轮或者制动盘上产生制动力矩的部 分，按其结构可分为盘式制动器和块式制动器等。传动 机构是控制兵调节制动力矩的部分，新型号提升机采用 油压盘式闸制动系统，旧型号提升机采用油压或气压块 式闸制动传动系统。2.1制动系统的作用(1) 保证提升容器按给定状态运动，并在需要的位置 制动一工作制动。 在可能造成事故的不正常工作状态下，紧急制动 以保障人员和设备的安全一紧急制动。(3)更换水平调节绳长时，制动活卷筒。 工作制动、紧急制动都可以用手动或自动。手动 操作时，由司机进行；自动操作时，紧急制动由提升设河北能源职业技术学院课程设计备的保护装置进行，工作制动由行程调节器进行2.2制动系统的要求 提升机除有制动装置外，还装有Mz定车装置，一边 在调整卷筒未知时使用。全部制动力矩，不得小于提升机最大设计静载荷所需转矩的3倍，即：Mj m ax一副制动器的制动力矩M；应大于调绳力矩的1.2倍，即 :Mz _1.2M ji紧急制动时，对于提升重物，减速度必须小于5m/s对于下放重物，减速度应大于1.5m/s 对于摩擦轮式提升，紧急制动时的减速度不应使钢丝 绳在摩擦轮上产生滑动。紧急制动闸必须采用配重式或弹簧是的制动装置。当井筒倾角在30 °以下时，制动力矩的倍数必须符合 要求。3、制动器结构方案分析3.1提升机的选用KJ型（】.84多绳摩擦轮）提升机是基于挠性体 摩擦传动原理实现的。它利用提升钢丝绳与驱动共同滚 筒之间的摩擦力拖动提升容器在井筒中往复运行，加之 采用多根钢丝绳共同承担载荷的方式，因而多绳摩擦提 升机具有以下优点：(1) 提升机体积小；(2) 钢丝绳断绳的危害性减小；(3) 提升高度大。3.2制动器的类型选择3.2.1 块式制动器块式制动器一般都是闸块压在提升机滚筒的制动轮 上而产生制动力矩，出于闸块与制动轮的作用方式差别， 块式制动器有角移式、平移式和综合式之分。图(a)是角移式块闸的原理图，两个闸瓦块始终绕基 座上的固定铰接点转动，故名为角移式。当制动动力向 上拉三角块杠杆时，杠杆的联动会产生连杆拉力，从而 迫使块闸压向制动轮，产生制动力；当外动力使三角块 向下压时，连杆的压力则使块闸分离开制动轮，即达到 松闸的目的。图(b)是常见平移式块闸的原理图，两个闸瓦始终由 一连杆在其中心铰接，连杆的另一端则与基座铰接。两 个闸瓦块的端头用杠杆系统约束起来，在三角块杠杆是 上提作用下，各连杆内部的拉力使两闸块压向制动轮， 从而产生制动力；当三角块杠杆下放时，各连杆内部的压力迫使闸块与制动轮分离。由于闸块是在连杆转动时 压向制动轮的，故闸块是整体平移运动，故称之为平移 式。图（C）是综合式闸块的一种形式，由于闸块与角移杆 铰接，又与基座连杆铰接，故有些相似于四连杆平行移 动机构，但闸块压向制动轮的运动都是靠角移杠杆带动 的，所以综合式块闸是介于角移式和平移式之间的一种 闸块。块式制动器原理如图3-1所示：力-源工作制 动弹簧工作制动缸安全制动缸块式制动器力学原理图0）角移式；（b（平平移式综合综合式图3-1块式制动器原理4、块式制动器主要参数的确定4.1制动盘的厚度h及制动鼓D4.1.1制动盘的厚度h的确定由于一般实心制动盘厚度可取为10 20mm，通风式制 动盘厚度取为20 50mm 采用较多的是20 30mm,为此 我取 h=25mm。4.1.2 制动鼓内径D的确定输入力Fo 一定时，制动鼓内径越大，制动力矩越大， 且散热能力也越强。但D的增大受轮辋内径限制。制动 鼓与轮辋之间应保持足够的间隙，通常要求该间隙不小 于20mm否则不仅制动鼓散热条件太差，而且轮辋受热 后可能粘住内胎或烤坏气门嘴。制动鼓应有足够的壁厚， 用来保证有较大的刚度和热容量，以减少制动时的温升。 制动鼓的直径小，刚度就大，并有利于保证制动鼓的加 工精度。制动鼓直径与轮辋直径之比D/Dr，对于才乘用 车其值在0.640.74 的范围内。取其值为0.7.从提升机 整体参数中可知轮辋直径Dr为13英寸，即为390.2mm， 则可得制动鼓直径：D =0.7Dr =0.7 390.301.14mm按QTC309-1999标准 取其为300mmR = D / 2 = 300 / 2 = 150mm4.2摩擦衬片宽度b、包角二和摩擦系数卩1) 摩擦衬片宽度尺寸b的选取对摩擦衬片的使用寿命有影响。衬片宽度尺寸取窄些，则磨损速度快，衬 片寿命短；若衬片宽度尺寸取宽些，则质量大，不易加 工，并且增加了成本。设计时，一般b/D取值范围在 0.160.26，取其值为0.25，则可得摩擦衬片的宽度：b = 0.25D = 0.25 280 = 70mm根据制动衬片宽度尺寸系列标准QC/T309-1999选b值为 70mm。2) 试验表明，摩擦衬片的包角二在900 1000之间 时，磨损最小。制动鼓温度最低，制动效能最高。减小 二角，有利于散热，但单位压力增大，磨损加剧；增大 二角延伸两端的衬片，以减小单位压力的作用也不大， 此时包角两端处单位压力较小；二过大，制动作用不平 顺，包角一般不宜大于120°。综上所述，选取包角二为 100°。衬片摩擦面积Ap制动鼓半径R确定后，摩擦衬片宽度尺寸b确定 后，便可求出衬片的摩擦面积：根据国外统计资料分析，此数值符合所选提升机类别的 制动器总质量对应的单个制动器总的衬片摩擦面积的范 围。3) 根据产品SY-1107规格选摩擦衬片摩擦系数卩 为0.44.3及传动杠杆系统确定提升机为KJ2 5 23D型，其静力矩Mj=7500ND.m, 制动环直径Dx = 4.8m，制动器传动杠杆系统：li =2.4m,丨2 =0.6m, I3 = 1.2m和 l 0.4m4.4制动盘工作面的加工精度要求平面度公差为0.012mm，表面粗糙度Ra值为 0.7 1.5 "m,两摩擦表面的平行度公差不应该大于 0.05mm，制 动盘的端面圆跳动公差不应大于0.03mm。为 保证足够的强度和耐磨性能，其牌号不应低于HT250。5、块式制动器主要参数计算矿井提升机的制动完全靠重锤的质量，松闸时则靠 油压力。为使制动系统能准确儿可靠工作，利用重锤进 行紧急制动和工作制动时，应根据所需制动力矩大小来 确定重锤的质量，通常采用杠杆比的方法。5.1块式制动器所需制动重锤质量根据矩M的大小可求出钢绳上的静拉力Fi为：Fi =江=275000D5=30000 N制动力矩Mx为：Mx =3Mj =3 750002250(N0m将得出的值代入公式3FD i_4f xDx_3 X 30000 X 5-40.350.94.80.60.42.41 .2-620 kg10厂3FiDI1I3g xg4f xDx I2I4(5.3.2)得出所需重锤的质量Gx为:5.2重锤块数因为重锤质量Gx - 620kg求出重锤块数nq为： nq =62%00 =6.2 块取整数7块，则制动重锤质量为700kg5.3校核是否会自锁计算鼓式制动器，必须检查蹄有无自锁的可能，分 析当c (cos!si n J - R 二 0此时蹄会发生自锁现象，如果C C0Sl ，就不会有R c si28自锁现象，因此，制动蹄不发生自锁现象的条件是:卩 F CCO©1R -c si 心.(5.3.1 )在计算时首先要求出c、R1和；1的值。c 二 a2 c2 = 962 322 = 101.2R1是摩擦力fF1的作用半径，其公式为4R(cos： - cos：)、' ' Q、' Qcos2 - cos2 )(2sin2：sin2 )(5.3.2 )式中：0 = 40° -arcsin 三=40° - 18.4° = 21.6° cJ -100= 100° 21.60 =121.6°R = 150mm将以上所求和已知的数值代入（5.3.2 ）中便可得R仁 164.15mm卄 arctan (cos2 一cos2)、 =13.1。（2 二sin2： sin 2 ）将以上所算得的c、R1和；1的值代入（5.3.1 ）中， 可以求出C COS"R -c si n “101.2cos13.10134.15-101.2 sin13.1°-0.89由于=0.4 0.88 ,则可以断定所选数据不会使制动蹄发 生自锁现象。图5-1制动力矩计算简图图5-2 张开力计算简图6、块式制动器主要结构元件6.1制动鼓制动鼓应当有足够的强度、刚度和热容量，与摩擦 衬片材料相配合，又应当有较高的摩擦因数。制动鼓有 铸造的和组合式两种。铸造制动鼓多选用灰铸铁制造， 具有机械加工容易、耐磨、热容量大等优点。组合式制 动鼓的圆柱部分可以用铸铁铸出，腹部部分用钢板冲压 成型；也可以在钢板冲压的制动鼓内侧，镶装用离心浇 铸的合金铸铁组合构成制动鼓；或者主体用铝合金铸成， 内镶一层珠光体组成的灰铸铁作为工作面。对于组合式 制动鼓的共同特点是质量小，工作面耐磨，并有较高的 摩擦因数。根据设计的领从蹄式制动器应用场合，以及 考虑成本问题，选用铸造的，根据经验，对于提升机， 制动鼓壁厚取为10mm通过前面参数选取，可知制动鼓 内径D为300mm6.2摩擦衬片摩擦衬片的材料应满足如下要求：（1）具有一定的稳定的摩擦因数。在温度、压力 升高和工作速度发生变化时，摩擦因数的变化尽可能小。（2）具有良好的耐磨性。（3）要有尽可能小的压缩率和膨胀率。压缩变形 太大影响制动主缸的排量和踏板行程，降低制动灵敏度。 热膨胀率过大对制动器衬片受热膨胀消除间隙后，可能 产生咬死现象。（4）制动时不易产生噪声，对环境无污染。（5）应采用对人体无害的摩擦材料。（6）有较高的耐挤压强度和冲击强度，以及足够 的抗剪切能力(7) 应将摩擦衬片的热导率控制在一定范围。要 求摩擦衬片在300 C加热板上作用30min后，背板的温 度不超过190 C。防止防尘罩、密封圈过早老化和制动 液温度迅速升高。根据以上的材料应满足的要求选用由金属纤维、粘 结剂和摩擦性能调节剂组成的半金属摩阻材料，它具有 较高的耐热性和耐磨性，特别是因为没有公害，近来得 到广泛的应用。摩擦衬片的宽度为60mm，包角为100 ° ，起始角为 40 °。定义、计算、解释测量的不确定性值的方法和使用 Whole图表的方法很难让人明白，即使实际上它们是疲 劳实验的重要的组成部分，并且它们有一些也是可以接 受的。一个重要的问题是这些实验室仅仅包括了那些容 易包括的测量不确定性值的来源，例如刻度表上的一些 刻度误差。在参数计算方面有些许不足，在数值确定方面比较笼 统的选取了整数值。校核方面，由于块式校核在相关书 籍里没有提到，所以在网上选取了一个校核。鼓式制动器也叫块式制动器，说明书里有时容易写 混这些名称。毕业心得毕业设计是我学习阶段一次非常难得的一次理论与 实践相结合的机会，通过这次设计矿井提升机，我摆脱 了单纯学习理论知识的状态。通过实际设计与理论知识 相结合，锻炼了我综合运用所学的专业基础知识去解决 实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设 计手册、设计规范以及电脑制图等其它专业能力水平。 设计矿井提升机要求“快、准、稳”这就要求我们的设 计必须严密可靠。通过这次毕业设计，提高了我的意志 力和品质力，提升了自己的忍耐力，懂得了怎样缓解压 力，学会了独立思考、逻辑思维、提出问题、分析问题、 解决问题的方法。这是我们希望看到的，也是我们进行 毕业设计的目的所在。虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐，但我的收获却 更加丰富。通过与周老师的沟通和交流，我了解到此设 备的适用条件、选用标准，以及各种器件的适用性。我 的能力也得到了提高，提高是有限的但提高也是全面的， 正是这一次的设计是我积累了许多实践经验，必然会让 我在未来的工作学习中表现出更高的学习能力，更强的 沟通能力和理解力。最终按质按量完成了本次的毕业设 计，非常感谢各位老师的指导和帮助。顺利如期的完成本次毕业设计给了我很大的信心， 让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信 心。发现问题，面对问题，才有可能解决问题。不足和 遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，今后我更会 关注新技术新设备新工艺的出现，并争取更快的掌握这 些先进的知识，更好地为社会做出应有的贡献。参考文献1 潘英矿山提升机机械设计M.徐州：中国矿业大学出版社，20012 许福玲，陈晓明.液压与气压传动M 北京：机械工业 出版社，20043 方慎权.煤矿机械J.徐州：中国矿业大学出版社，19864 马天平，张子哲，倪华英，李利芳.液压盘式制动器的性 能特点及应用J.太原重型机械集团.冶金设备.2002年12 月第6期5 成大先，姬奎生.机械设计手册M.北京：化学工业出版社，2002 麻健，李勇忠.提升机新型液压制动系统M.煤矿机械， 1999致谢大专三年的学习阶段伴随着论文的完成就要结束了，在 这里我要向所有关心、帮助我的老师、同学和朋友致以 衷心的感谢。在做毕业设计期间，指导老师周景龙老师在各方面 给了我极大的帮助和亲切关怀，使我顺利完成了毕业设 计工作；同时周老师严谨的学风、渊博的知识、丰富的 实践经验和敏锐的思维将使我受益终身。在此，谨向周 老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！由于知识匮乏，经验欠缺，其中错误、不足之处敬 请诸位老师批评指正，并表示感谢！