电梯曳引机与控制系统设计.doc

徐州工程学院08届本科毕业论文摘 要本次设计是以三菱FX2n为核心的电梯控制系统的硬件组成及软件设计，采用PLC来控制轿箱提升电机的起、停和正、反转。这里主要是对电梯曳引机的参数进行设计、计算、（包括电动机、减速器、轴、轴承、联轴器、制动器）以及工艺的编排和相关图形的绘制，另外对PLC控制系统的设计，主要是PLC控制电路图、程序流程图以及PLC编程。其中对曳引机的设计重点是减速器的选择和箱体零件的设计和加工。减速器选择的是蜗杆减速器，轴承是调心滚子轴承，联轴器选择的是弹性柱销联轴器。PLC控制程序设计是考虑到电梯的上升和下降逻辑，以及楼层显示，运作时的加速和减速。现在电梯都采用传统的继电器群的控制方法，由于所用的继电器较多，控制柜体积庞大，控制系统成本高，而且众多继电器的动作会产生较大的噪音，污染环境。采用PLC配合接口进行控制，可将传统的继电器控制逻辑变为计算机程序控制逻辑，去掉所有用于逻辑控制的中间继电器，使电梯系统的成本和噪音大大降低，控制柜的体积也可大大缩小。关键词：PLC ;曳引机 ;电动机 ;减速器 ;联轴器 ;制动器AbstractThis design is take FX2n as the core elevator control system hardware composition and the software design, uses the PLC integrated circuit to control the sedan box to promote the electrical machinery, to stop with, the reverse. Here mainly is carries on the design, the computation to the elevator tractor parameter, (including electric motor, reduction gear, axis, bearing, shaft coupling, brake) as well as the craft arrangement and the correlation graph plan, moreover to the PLC integrated circuit control system design, mainly is the PLC integrated circuit control circuit diagram, the program flow diagram as well as the PLC integrated circuit programming.The most important of this design is changed huge parts of contents. The new version increases plenty of new technical contents and new calculation method.PLC integrated circuit control system design. Besides a few parts are changed according to the Chinse lift situations, this revised version is basically compliantNow the elevator all uses the method of traditional the relay group control, because of many relay have been used, control the cabinet volume huge, the cost of control system is high, most of the multitudinous relay movement have the big noise, the pollution environment. Uses the PLC integrated circuit coordination connection to carry on the control, may become the traditional black-white control logic the computer program control logic, removes all uses in the logical control intermediate relay, causes the cost of the elevator system and the noise reduces greatly, controls the cabinet the volume also to be possible to reduce greatly. Key words：PLC integrated circuit；Tractor;Electricmotor;Reduction gear;Shaft coupling;Brake目录1绪论1 1.1电梯的起源1 1.2电梯的种类1 1.2.1按用途分类1 1.2.2按速度分类2 1.2.3按拖动电动机类型分类2 1.2.4按驱动方式分类2 1.2.5按控制方式分类3 1.3电梯主要组成及结构3 1.3.1曳引机构的组成4 1.3.2曳引机构的减速器52有关参数的计算7 2.1曳引机的确定7 2.1.1选择曳引机8 2.1.2曳引机容量的计算8 2.1.3曳引力计算8 2.2减速器设计9 2.2.1常用减速器的型式及其应用9 2.2.2减速器的基本构造10 2.2.3蜗杆减速器设计12 2.3轴的设计与计算16 2.3.1轴的分类16 2.3.2轴的常用材料16 2.3.3轴的结构设计16 2.3.4轴的强度计算16 2.4轴承的设计与计算20 2.5联轴器的设计与计算22 2.5.1联轴器选择应考虑的问题 22 2.5.2联轴器的理论转矩22 2.5.3主要尺寸计算23 2.6制动器的设计与计算23 2.7工艺24 2.7.1零件的分析24 2.7.2工艺规程设计263 PLC 电梯控制系统的设计29 3.1 PLC 系统概述293.1.1 PLC 的定义293.1.2 PLC 的特点303.1.3PLC 与继电器控制系统的比较323.1.4 PLC 的基本结构333.1.5 PLC 的工作原理353.2 PLC 控制系统的设计分析373.2.1 PLC 控制系统的设计基本原则373.2.2PLC 控制系统的设计的主要内容383.2.3.PLC 控制系统程序设计的步骤39 3.3 电梯PLC控制系统的设计403.3.1电梯的运行过程403.3.2选择 PLC413.3.3PLC 规模的估算423.3.4PLC 输入输出模块的选择433.3.5PLC 的选择444结论465参考文献476翻译48 6.1外文资料48 6.2译文547致谢5949 1绪论1.1电梯起源电梯是现代多层及高层建筑物中不可缺少的垂直运输设备。早在公元前1100年前后，我国古代的周朝时期就出现了提水用的辘轳，这是一种由木制的支架、卷筒、曲柄和绳索组成的简单卷扬机。公元前236年在古希腊，由著名的科学家阿基米德制成了第一台人力驱动的卷筒式卷扬机。这些就是电梯的雏形。1.2电梯的种类电梯作为一种通用垂直运输机械，被广泛用于不同的场合，其控制、拖动、驱动方式也多种多样，因此电梯的分类方法也有下列几种。1.2.1按用途分类这是一种常用的分类方法，但由于电梯有一定的通用性，所以按用途分类在使用中用得较多。但实际标准不很明确。a乘客电梯用于运送乘客为主，兼以运送重量和体积合适的日用物件。适用于高层住宅、办公大楼、宾馆或饭店等人流较大的公共场合。其轿厢内部装饰要求较高，运行舒适感要求严格，具有良好的照明与通风设施，为限制乘客人数，其轿厢内面积有限，轿厢宽深比例较大，以利于人员出入。为提高运行效率，其运行速度较快。派生品种有住宅电梯、观光电梯等。b载货电梯用于运送货物为主，并能运送随行装卸人员。因运送货物的物理性质不同，其轿厢内部容积差异较大。但为了适应装卸货物的要求，其结构要求坚固。由于运送额定重量大，一般运行速度较低，以节省设备投资和电能消耗。轿厢的宽深比例一般小于1。c客货两用电梯主要用于运送乘客，也可运送货物。其结构比乘客电梯坚固，装饰要求较低。一般用于企业和宾馆饭店的服务部门。d病床电梯用于医疗单位运送病人，医疗救护器械。其特点为轿厢宽深比小，深度尺寸=2.4m，以能容纳病床，要求运行平稳，噪声小，平层精度高。e杂物电梯这是一种专用于运送小件品的的电梯，最大载重量为500g，如果轿厢额定载重量大于250Kg应设限速器和安全钳设施。为防止发生人身事故，严禁乘人和装卸货物将头伸入，为此限制轿厢分格空间高度不得超过1.4m，面积不得大于1.25m*m，深度不得大于1.4m。其他特种用途的电梯还有汽车电梯，船舶电梯等。1.2.2按速度分类电梯的额定运行速度正在逐步提高，因此按速度分类的国家标准正待颁布。目前的习惯划分为：a低速电梯这种电梯的额定速度=1m/s2.5m/s。c高速电梯这种电梯的额定速度2.5m/s4m/s。d超高速电梯这种电梯的额定速度4m/s。1.2.3按拖动电动机类型分类a交流电梯将采用交流电动机拖动的电梯。其中又可分为单、双速拖动，采用该变电动机极对数的方法调速。调压拖动，通过改变电动机电源的方法调速。调频调压拖动，采用同时改变电动机电源电压和频率的方法调速。b直流电源这是一种采用直流电动机拖动的电梯。由于其调速方便，加减速性好，曾被广泛采用随着电子技术的发展，直流拖动正被节省能源的交流调速拖动代替。1.2.4按驱动方式分类a钢丝绳驱动式电梯它可分成两种不同的型式，一种是被广泛采用的摩擦曳引式。另一种是卷筒强制式。前一种安全性和可靠性都较好，后一种的缺点较多，已很少采用。b液压驱动式电梯这种驱动式电梯历史较长，它可分为柱塞直顶式和柱塞侧置式。优点是机房设置部位较为灵活，运行平稳，采用直顶式时不用轿厢安全钳及底坑地面的强度可大大减小，顶层高度限制较宽。但其工作高度受柱塞长度限制，运行高度较低。在采用液压油作为工作介质时，还须充分考虑防火安全的要求。c齿轮齿条驱动式电梯它通过两对齿轮齿条的齿和来运行；运行振动、噪声较大。这种型式一般不需要设置机房，由轿厢自备动力机构，控制简单，适用于流动性大的建筑工地。目前已划入建筑升降机类。d链条链轮驱动式电梯这是一种强制驱动型式，因链条自重较大，所以提升高度不能过高，运行速度也以因链条链轮传动性能局限而较低。但它在用于企业升降物料的作业中，有着传动可靠，维护方便，坚固耐用的优点。其他驱动方式还有气压式。直线电机直接驱动，螺旋驱动等。1.2.5按控制方式分类目前电梯技术的发展使电梯控制日趋完善，操作趋于简单，功能趋于多样，控制方式正向广泛应用微电子新技术的方向发展。目前常见的控制方式有：微机集选控制（按钮操作）；门微机并联、梯群控制（按钮操作）；继电器信号控制和手柄控制（手柄或按钮操作）。除上述常见的分类外，目前还有按机房位置、钢丝绳传动型式等分类方法。1.3电梯的主要组成及结构机房内的主要部件通常有主机、控制屏（柜）、限速器、选层器、极限开关等。井道内的主要部件通常有轿厢（及其安装在它上面的一些附件或设施如轿门、轿顶轮、导靴、安全钳、悬挂装置、随行电缆等）、对重装置（及其安装在它上面的设施如导靴、悬挂装置等）、层门（及其附属设施如门锁、地坎等）等。底坑内的主要部件通常有缓冲器、对重侧护栏、限速绳张紧装置等。图1-1所示： 图1-11.3.1电梯的曳引机构1.3.1.1曳引机构的组成电梯曳引机构一般由电动机、制动器、减速箱、联轴器及曳引轮所组成。以电动机与曳引轮之间有无减速箱可分为有齿轮曳引机和无齿轮曳引机。a无齿轮曳引机（无减速器曳引机）无齿轮曳引机用在运行速度v2.0m/s的高速电梯上。这种曳引机的曳引轮紧固在曳引电动机轴上，没有机械减速机构，整机结构比较简单。曳引电动机是专为电梯设计和制造的，能适应电梯运行工作特点，具有良好调速性能的直流电动机（或交流变频电动机）。该曳引机制动时所需要的制动力矩要比有减速器曳引机大得多，因此无减速器曳引机的制动器比较大。由于无减速器曳引机多数情况是用于复绕传动结构中，所以曳引轮轴、复绕轮轴及其轴承的受力要比有减速器曳引机大得多，相应的轴也显得粗大。由于无减速器曳引机没有减速器等有利因素，所以使用寿命比较长。b有齿轮曳引机有齿轮曳引机广泛用于运行速度v=2.0m/s的各种货梯、客梯、杂物电梯上。为了减小曳引机运行时的噪声和提高平稳性，一般采用蜗轮副作减速传动装置。这种曳引机主要由曳引电动机、蜗杆、制动器、曳引绳轮、机座等构成，也有行星齿轮作减速器的行星曳引机（EPD）。根据设计参数及要求，选择有齿轮曳引机1.3.1.2曳引机构的减速器电梯的工作特性要求曳引机减速器具有体积小、重量轻、传动平稳，承载能力大、传动比大、噪声低等特点。还要有工作可靠、寿命长、维护保养方便的要求。电梯常用的减速器有以下几种：a蜗轮蜗杆减速器蜗轮蜗杆减速器具有传动平稳、噪声低、抗冲击承载能力大，传动比大和体积小的优点。这是电梯曳引机最常用的减速器。电梯用蜗轮蜗杆减速器通常有上置、下置和侧置三种蜗杆布置型式。早期蜗杆减速器因润滑要求常采用下置式布置蜗杆，这种配置方式由于润滑液面加至蜗杆轴心线平面，因此蜗轮摩擦面润滑条件较好，有利于减少起动磨损，提高润滑效率。但是蜗杆轴伸处容易漏油，增加了蜗杆轴油封的复杂性。随着蜗杆传动润滑技术的发展和曳引机轻量化的发展要求，采用法兰盘套装连接电动机的上置和侧置形式的减速器大量出现。这种布置可减小曳引机座面积，安装方便，布置灵活，但润滑设计要求较高。b斜齿轮减速器斜齿轮减速器斜齿轮减速器在20世纪70年代开始用于电梯曳引机构。斜齿轮传动具有传动效率高，制造方便的优点。也存在着传动平稳性不如蜗轮传动，抗冲击承载能力不高，噪声较大的缺点。因此斜齿轮减速器在曳引机上应用，要求有很高的疲劳强度，齿轮精度和配合精度；要保证总起动次数2000万次以上不能发生疲劳断裂。在电梯紧急制动，安全钳和缓冲器动作等冲击载荷作用时，确保齿轮不会有损伤，保证电梯运行安全。c行星齿轮减速器行星齿轮减速器具有结构紧凑，减速比大，传动平稳性和抗冲击承载能力优于斜齿轮传动，噪声小等优点。在交流拖动占主导地位的中高速电梯上有广阔的发展前景。它有利于采用小体积，高转速的交流电机；且有维护要求简单、润滑方便、寿命长的特点，是一种新型的曳引几减速器。由于我设计的是四层乘客电梯，要求运行平稳、噪声低等特点，而蜗轮蜗杆减速器正好符合这方面的要求，所以选择蜗轮蜗杆减速器。接下来开始进行有关参数的计算。2有关参数的计算2.1曳引机的确定图2-1为满足上面曳引条件，在设计曳引系数时应按下式进行T1C1C2/T1C1=(g+a)/(g-a)=(9.8+2)/(9.8-2)=1.51按GB7588-95的电梯制造与安全规范中规定，C1的最小允许值为1.150.63m/sv=1.00m/s对于曳引轮绳槽为半圆行和半圆形下部开切口的C2=1，对于曳引绳槽为V形的C2=1.2采用有齿轮曳引机的电梯v=v电梯运行速度(m/s)D曳引绳轮直径(m)iy曳引比ij减速比N曳引电动机转速(r/min)根据设计参数知：电梯曳引机系列表2-1载重量/kg速度/(m/s)曳引比中心距/mm模数节模比速比绳轮直径/mm钢丝绳直径/mm静阻距/Nm原动机功率/kW平均转速/(r/min)电机型号10000.63(0.50)1:12506(7)91/53(1/61)660(620)2039.87.5980990JTD1.01:1250792/616202039.811.2980JTD1.61:1200792/616402039.816.01450YTD-2001.751:1200792/617002334171450YTD-2002.1.1选择曳引机 曳引机通常由电动机、制动器、减速箱及底座组成。由于电动机和制动器是非常重要的部件，故对电动机和制动器的计算或审核至关重要。 2.1.1.1电动机容量计算 根据提供的的参数，我们可以初选曳引电动机的容量。按静功率计算见公式式中：N-电动机功率，kW； Q-电梯额定载重量，kg； V-电梯额定速度，m/s； K-平-电梯平衡系数，取0.40.5； h-电梯机械传动总效率； I-钢丝绳（曳引绳）绕绳倍率。 按125%额定载重量计算，Q为1250kg，K平取0.5，h取0.7，I取1，那么计算结果 N=12501(1-0.5)/(1020.71)=8.753(kw) 因此，选用上海南洋型号JTD-430,功率11kW的电机作为曳引电动机即可满足要求。 2.1.1.2曳引力计算 根据GB7588-1995电梯制造与安装安全规范，曳引应满足下列条件见公式T1C1C2/T2 式中T1/T2在载有125%额定载荷的轿厢位于最低层站及空载轿厢位于最高层站的情况下，曳引轮两边曳引钢丝绳中的较大静拉力与较小静拉力之比；C1与加速度、减速度有关的动力参数，C1=(g+a)/(g-a),g为自由落体标准加速度，g=9.8m/s2.a为轿厢制停减速度（或启动加速度）（m/s2）.按GB7588-95的电梯制造与安装安全规范中的规定，C1的最小允许值如下：C1值 电梯额定速度1.10 v=0.63m/s1.15 0.63m/sv=1.00m/s1.20 1.00m/sv=1.60m/s1.25 1.60m/svu0所以曳引条件符合要求。 假定电梯用户选定VJVF10型调速曳引机，其参数如下：载重量1000kg，速度1.0m/s，电机功率11kW，电机电流28A，绳轮节径530mm，绳轮槽数5个，曳引绳径13mm，绕绳倍率1:1。 减速器的计算2.2减速器设计2.2.1常用减速器的型式及其应用按照传动结构的特点，可将减速器分为四大类。a圆柱齿轮减速器（1） 渐开线圆柱齿轮减速器（2） 圆弧齿圆柱齿轮减速器b圆锥齿轮减速器（1） 渐开线圆锥齿轮减速器（2） 双曲面齿轮减速器（3） 圆弧齿圆锥齿轮减速器c蜗杆减速器（1） 圆柱蜗杆减速器（2） 环面蜗杆减速器（3） 锥蜗杆减速器d行星齿轮减速装置（1） 渐开线行星齿轮减速装置（2） 少齿差行星齿轮减速装置（3） 摆线针轮减速装置（4） 谐波齿轮减速装置2.2.2减速器的基本构造减速器主要由箱体、轴系部件（传动件、轴及轴承组合）及其附件组成。2.2.2.1齿轮、轴及轴承组合 齿轮、轴及轴承组成典型的轴系部件，是减速器的重要组成部分，设计时应特别注意它们之间的相互影响。齿轮的设计对轴的强度、刚度及轴承的寿命影响很大。原则上齿轮相对支撑应尽可能对称布置，这对减小载荷集中是有利的；高速轴和低速轴上的齿轮布置应远离输入、输出端，以便在弯曲和扭转变形的综合作用下，有利于缓和载荷集中；多级传动的中间轴，其上若采用斜齿轮传动，且一轮为主动，另一轮为从动，两轮旋向应相同，这样轴向力可以抵消一部分，这对轴承的设计是有利的。当齿轮的齿根圆直径减速器常采用滚动轴承。应根据载荷大小和方向及其他性能要求，选择合适的轴承型号。同一轴上的轴承应尽量成对使用，这对轴系部件的受力以及提高轴承孔的加工精度都是有利的。设计时还需注意轴承的润滑和箱内齿轮的润滑的匹配以及轴承的寿命与减速器设计寿命的匹配问题。减速器的轴为转轴，起着支撑齿轮、承受弯矩、传递转矩和对轴上零件进行轴向定位的作用，因此轴必须有足够的强度和刚度以及合理的结构形状。轴的形状应力求简单，以减缓应力集中。在结构允许的情况下，应尽量减小支撑间的跨距，增加轴承和支座的刚度。轴的悬臂端应尽可能短。2.2.2.2箱体 箱体是减速器中结构和受力最复杂的零件，目前尚无完整的理论设计方法。因此，一般是在满足强度、刚度的前提下，同时考虑结构紧凑、制造方便、质量轻及使用方便等方面要求，作经验设计。 箱体通常用灰铸铁铸造，对于重载荷或有冲击载荷的减速器也可以采用铸钢箱体。箱体通常做成沿轴心线水平剖分的形式，以便于轴承部件的装卸。上箱盖和下箱盖用螺栓联接成一体，轴承座的联接螺栓应尽量靠近轴承底孔，而轴承座旁的凸台，应具有足够的承托面，以便放置联接螺栓，并保证旋紧螺栓时所需的扳手空间，为保证箱体具有足够的刚度，在轴承孔附近应加支撑肋。为保证减速器安置在基础上的稳定性并尽可能减少箱体底座平面的机械加工面积，箱体底座一般不采用完整的平面。 按照现代工业美学的要求，箱体造型设计出现了下列趋势：外表几何形状简单，限于直线平面，轴承孔露在外面而肋藏在箱体里面；装地脚螺栓用地脚不伸出箱体的外表面；起吊减速器用的吊耳与箱体铸成一体，箱体没有伸出部分，使减速器在传动的总体布局中易于配置；箱盖顶部的水平面是加工剖分面和安装时对准减速器用的工艺基准面；箱体内的贮油空间增大。当然这种外貌比较整齐美观的箱体结构也存在某些公认的缺点：质量稍有增加；铸造造型工时多；内部清理和涂漆困难。为了减少这些缺点，对中小型减速器，可只在低速级轴孔处下设肋板，一减少肋板数目。2.2.2.3附件 为了保证减速器的正常工作，除了应对齿轮、轴、轴承组合和箱体的结构设计予以足够的重视外，还应考虑到为减速器注油、排油、检查油面高度、加工及拆装检修时箱盖与箱座的精确定位，吊装等辅助零件和部件的合理选择和设计。2.2.2.4减速器的传动比分配在设计两级或多级减速器时，合理地分配各级传动的传动比很重要，因为它将影响减速器的传动性能、尺寸、质量及润滑方式等。根据所选的是齿轮-蜗杆减速器，这类减速器，当齿轮布置在高速级时，为使箱体内结构紧凑和便于润滑，通常取齿轮传动比i1=22.5；。当蜗杆布置在高速级时，可使传动有较高的效率，这时取齿轮传动的传动比i2=(0.030.06)i为宜。2.2.2.5减速器的润滑与密封 减速器中的传动件和轴承需要良好的润滑。其主要目的是减少摩擦、磨损和提高传动效率，并同时起冷却和散热作用。另外，润滑油还可以防止零件锈蚀、降低减速器噪声和减小振动。 减速器密封的主要目的是防止润滑剂漏出减速器箱体，同时防止灰尘、水分及杂物进入箱体。a减速器的润滑1） 传动件的润滑 圆周速度v=1215m/s的齿轮减速器、圆周速度v=10m/s的蜗杆减速器以及圆周速度v12m/s、蜗杆减速器蜗杆的圆周速度v10m/s、行星齿轮减速器齿轮的圆周速度v10m/s，宜采用压力循环喷油润滑。b滚动轴承的润滑 滚动轴承主要采用飞溅润滑、刮板润滑和油浴润滑，以及油脂润滑，并尽可能利用传动件的润滑方法来实现。对齿轮减速器，当浸油齿轮的圆周速度（减速器中只有一个浸油齿轮的圆周速度）v=1.52m/s时，滚动轴承多采用飞溅润滑；当v1.52m/s时，则常采用油脂润滑。对下置式蜗杆减速器中的蜗杆轴承一般采用油浴润滑，此时油面不应高于轴承最下面滚动体的中心，以免油的搅动使功率损失太大。蜗轮轴轴承多采用刮板润滑或油脂润滑。对上置式蜗杆轴承的润滑比较困难，可根据具体情况分别采用刮板式、滴油式或特制油槽式等润滑装置，也可采用油脂润滑。当轴承转速较高时，为保证正常的润滑和冷却，应采用喷油润滑。采用润油脂润滑轴承，其充填量一般不超过轴承空间的1/31/2。c减速器的密封 减速器的密封主要指箱盖和箱座结合面的密封；轴承盖和箱体之 间的密封、轴承透盖通孔与轴之间的密封以及各接触面的密封。箱盖和箱座剖分面的密封只允许涂密封油漆或水玻璃，不允许使用其他任何填料。轴承盖与箱体之间的密封通常采用调整垫片，调整垫片材料多用08F，并成组使用。2.2.3蜗杆减速器设计我根据上面减速器的优缺点及设计要求与参数采用的是蜗杆减速器2.2.3.1蜗杆传动的主要参数a模数m 轴面模数mx，端面模数mtb蜗杆分度圆直径d1 d1=qm q蜗杆直径系数 c蜗杆头数Z1和蜗轮齿数Z2 一般Z1=110，常为1，2，4，6。Z2一般取2780。传动比大时及要求自锁的蜗杆传动取Z1=1 17i1/i240Z164342323121Z229362832275228725081288040d蜗杆导程角 tg= Z1m/d1=m/d1，对于要求具有自锁性能的传动，则应采用3m/s时，Kv=1.11.2；取Kv=1为载荷分布系数，载荷平稳时，=1；载荷变化时，=1.11.3；2取=1d2=mz2=387.5 所以满足要求2.2.3.2.2齿根弯曲强度计算 a设计公式：YFS为蜗轮复合齿形系数，按及变位系数x2查图2-3近似求得YFS =4.1