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吉林大學(xué)本科生畢業(yè)論文
1 緒 論
現(xiàn)代社會(huì)高度發(fā)展,城市化進(jìn)程進(jìn)一步加快,高樓大廈曾出不窮,如何讓人們的生活富足且具有更高的安全系數(shù),是消防人員的重大責(zé)任。救生緩降器就是在高樓出現(xiàn)火災(zāi)等危險(xiǎn)情況時(shí),供人們逃生的裝置。該裝置主要由新型限速器、繩索卷盤(pán)、安全帶、安全鉤、掛環(huán)及連接鋼絲繩等組成,性能優(yōu)異,安全可靠。
適用范圍
該裝置適用于各類高層建筑如辦公樓、寫(xiě)字樓、公共娛樂(lè)場(chǎng)所、賓館、飯店、住宅、公寓、商廈、機(jī)關(guān)、醫(yī)院、學(xué)校等場(chǎng)所配備,并是消防部門(mén)施救裝置,還可用于高空作業(yè)等需勻速緩降的場(chǎng)合。
產(chǎn)品特點(diǎn)
1.降速平穩(wěn),安全可靠。采用最新技術(shù),完全消除重力加速度,降速平穩(wěn)均勻,限速阻尼感、安全感強(qiáng),無(wú)空程。檢測(cè)結(jié)果表明:在使用載荷25-100kg時(shí)的下降速度為 0.5-2.0m/s,重復(fù)下降速度偏差≤±5%。
2.自動(dòng)+手動(dòng),可懸停。除限速器自動(dòng)調(diào)速外,還可進(jìn)行手動(dòng)降速干預(yù),可剎車懸停。
3.安全裕度高,使用壽命長(zhǎng)。采用純裸鍍鋅鋼絲繩,強(qiáng)度高、阻燃、壽命長(zhǎng)。
4.靈活實(shí)用的兩種使用方式。該裝置研制出便攜式(手提箱)和固定安裝式(壁掛箱)兩種產(chǎn)品,既可供多人(操控)穩(wěn)定使用,又可供個(gè)人(操控)移動(dòng)使用。
5.設(shè)計(jì)先進(jìn),結(jié)構(gòu)緊湊。限速器采用精鑄鋁合金外殼,精美,輕質(zhì)(僅重2.5kg)。
49
2 總體方案設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)題目:緩降器性能試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)要求:
1) 了解緩降器性能試驗(yàn)機(jī)的用途,主要構(gòu)成;策劃系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方案。
2) 了解緩降器性能試驗(yàn)機(jī)的工作原理,設(shè)計(jì)緩降器性能試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
3) 完成緩降器性能試驗(yàn)機(jī)的電氣部分設(shè)計(jì)。包括:直流電機(jī)的加載原理,直流電機(jī)控制器的控制電路,拉力測(cè)量電路設(shè)計(jì),線速度測(cè)量電路設(shè)計(jì),微機(jī)計(jì)數(shù)卡的原理框圖,控制軟件流程圖。
4) 完成翻譯譯文,最少工作量為5000漢字。
5) 針對(duì)本課題內(nèi)容需要繪制4張工作圖,撰寫(xiě)2萬(wàn)字設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。
設(shè)計(jì)參數(shù):1、繩的直徑:4mm。2、下降速度:1.5~2.0m/s。3、承載力:100kg。4、機(jī)架高度:1.5~2.0m。5、脈沖測(cè)長(zhǎng):100m。6、調(diào)速器:歐陸直流調(diào)速器。7、采集卡:宏拓7484采集卡。8、電磁離合器:2個(gè),一開(kāi)一合。
本設(shè)計(jì)為緩降器性能試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中,需要由電機(jī)提供動(dòng)力。而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較高,傳遞的轉(zhuǎn)矩則較小,故不能將電動(dòng)機(jī)輸出軸和電磁離合器輸入軸直接聯(lián)結(jié),須經(jīng)過(guò)減速、增扭過(guò)程,再與電磁離合器輸入軸聯(lián)結(jié)。在設(shè)計(jì)中,一般采用減速器作為電動(dòng)機(jī)與工作機(jī)之間的聯(lián)結(jié)裝置。在本設(shè)計(jì)中,我們采用錐齒-圓柱齒輪減速器做聯(lián)結(jié)裝置,將電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過(guò)減速器傳遞給電磁離合器。電磁離合器通過(guò)繞在其上面的緩降繩與緩降盤(pán)聯(lián)結(jié),緩降盤(pán)上裝有拉力傳感器,通過(guò)傳感器測(cè)定通過(guò)緩降盤(pán)的拉力的變化,傳遞給采集卡及微機(jī)控制系統(tǒng)。在電動(dòng)機(jī)上裝有測(cè)速發(fā)電機(jī),測(cè)定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。
在設(shè)計(jì)中,電動(dòng)機(jī)和減速器之間通過(guò)V帶或聯(lián)軸器聯(lián)結(jié),減速器和電磁離合器之間通過(guò)聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)。實(shí)際選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇V帶或聯(lián)軸器作為電動(dòng)機(jī)輸出軸與減速器輸入軸之間的聯(lián)接裝置。在設(shè)計(jì)中,一般將機(jī)器之間的傳動(dòng)設(shè)計(jì)成直線聯(lián)結(jié)形式,因此,我們選擇聯(lián)軸器作為減速器輸出軸和電磁離合器輸入軸之間的聯(lián)接裝置,選擇V帶作為電動(dòng)機(jī)輸出軸與減速器輸入軸之間的聯(lián)結(jié)裝置。之所以選擇錐齒-圓柱齒輪減速器,是因?yàn)橛盟蓪?shí)現(xiàn)將機(jī)器設(shè)計(jì)成直線傳動(dòng)形式的目的??紤]到減速的程度問(wèn)題,選擇兩級(jí)錐齒-圓柱齒輪減速器。
綜上所述,系統(tǒng)總體傳動(dòng)方案如圖2.1所示。
在檢測(cè)中,需采集緩降繩所受拉力的大小及其下降速度的大小,將兩個(gè)參數(shù)分別列在坐標(biāo)軸橫縱坐標(biāo)上。當(dāng)拉力在245N~980N之間變化時(shí),下降速度在1.5~2.0m/s之間變化,則試驗(yàn)機(jī)是合格的,可作為救生裝置裝在樓道內(nèi)。
實(shí)際上,我們是通過(guò)測(cè)定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)間接測(cè)定緩降繩的下降速度的。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)定是同過(guò)測(cè)速發(fā)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,具體測(cè)定過(guò)程見(jiàn)6.4節(jié)。
緩降繩下降速度-所受拉力(V-F曲線)曲線如圖2.2 所示。
3 電動(dòng)機(jī)的選擇
3.1 選擇電動(dòng)機(jī)的型號(hào)和結(jié)構(gòu)型式
電動(dòng)機(jī)的選擇既要考慮實(shí)用性、節(jié)能型,又要考慮其滿足設(shè)計(jì)要求的性能,在緩降器性能試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)中,人的重量為:25Kg~100 Kg,下降速度為:1.0m/s~1.5 m/s,設(shè)計(jì)中,我們均取最大值,作為緩降繩所受拉力和下降速度,則拉力F=mg=1000N,V=2 m/s,去工作機(jī)效率=0.9,可求得工作機(jī)(即電磁離合器繞繩輪)功率為:
===2.22KW (3-1)
式中,
——工作機(jī)效率;
––工作機(jī)要求的輸入功率;
F——工作機(jī)阻力;
V——工作機(jī)線速度。
電動(dòng)機(jī)所需的輸出功率為:
=(KW) (3-2)
式中,
––工作機(jī)要求的輸入功率;
––電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)的傳動(dòng)效率。
設(shè)計(jì)中要求電動(dòng)機(jī)額定功率≥。
電動(dòng)動(dòng)機(jī)至工作機(jī)的傳動(dòng)效率:=…
由機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)查得V帶、軸承、聯(lián)軸器等的傳動(dòng)效率分別為:0.98、0.99、0.97、0.99、0.97、0.99、0.98,則
=0.98×0.99×0.97×0.99×0.97×0.99×0.98
=0.8768
則===2.532KW
故≥=2.532 KW。
取工作機(jī)鼓輪直徑(即電磁離合器繞繩輪直徑)D=400mm,則工作機(jī)軸轉(zhuǎn)速為:
===95.54r/min (3-3)
查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)表2-3,2-4知,錐齒-圓柱齒輪減速器傳動(dòng)比范圍為i=8~15,則電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為:=×=(8~15)×95.54 = (764.32~1433.1) r/min,查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)表2.1-2,取電機(jī)同步轉(zhuǎn)速為:1000 r/min,電機(jī)額定功率為:=3KW,電機(jī)型號(hào)為:Y132S-6,將電機(jī)型號(hào)及主要尺寸列表如下
(表3.1):
表3.1 電機(jī)型號(hào)及主要尺寸
型號(hào)
額定功率
(KW)
滿載功率
(r/min)
同步轉(zhuǎn)速
(r/min)
電機(jī)中心高
(mm)
外伸軸直徑和長(zhǎng)度D×E
(mm)
Y132S-6
3
960
1000
132
38×80
3.2 分配傳動(dòng)比
電動(dòng)機(jī)選定以后,根據(jù)電動(dòng)機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速及工作機(jī)轉(zhuǎn)速即可確定傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比為:
i===10.01 。
下面將總傳動(dòng)比分配給錐齒-圓柱齒輪減速器,由機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)教材,對(duì)于錐齒-圓柱齒輪減速器,取錐齒輪傳動(dòng)比為=0.25i,并應(yīng)使≤3,最大允許<4,我們?nèi)?0.25i=0.25×10.01=2.512≤3,取整數(shù)=2.5,符合要求。對(duì)于圓柱齒輪,要求=3~5,而實(shí)際上=i/=10.01/2.5=4.004,取=4,符合要求。
故錐齒輪和圓柱齒輪傳動(dòng)比分別為:=2.5,=4。
3.3 傳動(dòng)裝置動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)
3.3.1 各軸轉(zhuǎn)速
===960 r/min,
===384 r/min,
===96 r/min,
==96 r/min。
3.3.2 各軸功率
=×=2.532×0.98=2.4814KW,
=××=2.4814×0.99×0.97=2.3829 KW,
=××=2.3829×0.99×0.97=2.2883 KW,
=××=2.2883×0.99×0.98=2.22 KW。
3.3.3 各軸轉(zhuǎn)矩
=9550=9550=24.6887 N·m,
=9550=9550=59.2622 N·m,
=9550=9550=227.6382 N·m,
=9550=9550=220.8438 N·m。
將傳動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算結(jié)果列表如下(表3.2):
4 減速器設(shè)計(jì)
由總體方案知,采用錐齒-圓柱齒輪減速器作為減速裝置,在減速器的設(shè)計(jì)中,總體尺寸主要由錐齒輪及圓柱齒輪的尺寸決定,因此,錐齒輪及圓柱齒輪的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。
4.1 圓錐齒輪設(shè)計(jì)
1. 選擇齒輪材料、熱處理
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,選用閉式軟齒輪設(shè)計(jì)。
大齒輪:45#,正火,齒面硬度:190~200HBS;
小齒輪:45#,調(diào)質(zhì),齒面硬度:220~230HBS。
2. 選擇齒輪精度等級(jí)、齒數(shù)、齒寬系數(shù)
緩降器性能試驗(yàn)機(jī)為一般性提升、移位裝置,故選用8級(jí)精度。
對(duì)閉式軟齒輪,推薦小齒輪齒數(shù)=20~40,選=30,則
=×=75. ==2.5=。
由機(jī)械設(shè)計(jì)教材知,齒寬系數(shù)=0.25~0.3,取=0.26。
3. 確定相關(guān)參數(shù)
cos===0.9285, =,
cos===0.3714, =,
當(dāng)量齒數(shù):===32.31,取=32,
===201.94,取=202,
當(dāng)量齒輪端面重合度: 。
4. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由≥ (4-1)
確定式中各項(xiàng)數(shù)值:
由表3.2知,==24.6887× N·mm,
載荷受中等沖擊,查機(jī)械設(shè)計(jì)(以下簡(jiǎn)稱機(jī)設(shè)),初選載荷系數(shù)=1.5,
查機(jī)設(shè)表9-7,取彈性系數(shù)=189.8,
查機(jī)設(shè)圖9-14,取節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)=2.5,
由 =1.7651,查機(jī)設(shè)圖9-13,取接觸強(qiáng)度重合度系數(shù)=0.875。
由機(jī)設(shè)式9-11知,
=· (4-2)
分別查機(jī)設(shè)圖9-16(d), 9-16(c),取=525MPa,=390 MPa,
查機(jī)設(shè)表9-8,取=1.25,
對(duì),設(shè)錐齒輪工作壽命為10年,則
,
,
查機(jī)設(shè)圖9-15,取,,
將以上各參數(shù)代入式(4-2),得
=·=×1=420 MPa,
=·=×1.15=359 MPa,
取=359 MPa設(shè)計(jì)。
將以上求得的、、、u、、、、代入式(4-1),得
≥
=
= 77.95mm,
則V===3.92m/s,
由機(jī)設(shè)表9-5,取=1.5,
由機(jī)設(shè)圖9-7,取=1.17,
又錐齒輪齒寬系數(shù)====0.4,
查機(jī)設(shè)圖9-10,取=1.11,查機(jī)設(shè)圖9-6,取=1.2,則
K==1.5×1.17×1.11×1.2=2.34,
所以,==77.95=90.94mm,
由= m, 所以m===3.013mm,由機(jī)設(shè)表9-1,選m=3。
錐齒輪主要幾何尺寸如下:
= m=3×30=90mm,
= m=3×75=225mm,
R ===121.17mm,
b=·R = 0.26·121.17=31.50mm,
因錐齒輪大小齒輪寬度相等,取齒寬==32mm,
=-2cos=-2×1.2m×cos=90-2×1.2×3×0.9285=83.315mm,
=-2cos=-2×1.2m×cos
=225-2×1.2×3×0.3714=222.326mm,
=+2cos=+2m×cos=90+2×1×3×0.9285=95.571mm,
=+2cos=+2m×cos=225+2×1×3×0.3714=227.228mm。
5. 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
由 (4-3)
確定、、、:
由機(jī)設(shè)知,,
當(dāng)量齒數(shù) ,
,
查機(jī)設(shè)圖9-19,取=2.48,,
查機(jī)設(shè)圖9-20,取,,
查機(jī)設(shè)圖9-22(c),在ML上取,
同理,在機(jī)設(shè)圖9-22(d)上取,
查機(jī)設(shè)表9-8(c),取,又應(yīng)力循環(huán)次數(shù),,查機(jī)設(shè)圖9-21,取,,故
,
,
將確定出的各項(xiàng)數(shù)值代入彎曲強(qiáng)度校核公式(4-3),得
,
故齒根彎曲疲勞強(qiáng)度滿足要求。
4.2 圓柱齒輪設(shè)計(jì)
1. 選擇齒輪材料、熱處理
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,選閉式軟齒輪設(shè)計(jì)。
大齒輪:45#,正火,齒面硬度:190~200HBS;
小齒輪:45#,調(diào)質(zhì),齒面硬度:230~240HBS。
2. 選擇齒輪精度等級(jí)、齒數(shù)、螺旋角
因緩降器性能試驗(yàn)機(jī)為一般性提升、移位裝置,故選用8級(jí)精度。
對(duì)閉式軟齒輪,推薦小齒輪齒數(shù)=20~40,選=25,則
,==4=。
初選螺旋角。
3. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由 (4-4)
確定式中各項(xiàng)數(shù)值:
由表3.2知,==59.2622× N·mm,
因載荷平穩(wěn),初選載荷系數(shù),
查機(jī)設(shè)表9-10,取齒寬系數(shù),
查機(jī)設(shè)表9-7,取彈性系數(shù)=189.8,
查機(jī)設(shè)圖9-14,取節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)=2.42,
由式9-7,端面重合度,
縱向重合度,
查機(jī)設(shè)圖9-13,取接觸強(qiáng)度重合度系數(shù),
又螺旋角系數(shù),
設(shè)圓柱齒輪工作壽命為10年,由機(jī)設(shè)式9-12得應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
,
,
查機(jī)設(shè)圖9-15,取接觸強(qiáng)度壽命系數(shù),,
查機(jī)設(shè)圖9-16(d),按小齒輪齒面硬度平均值235HBS,在MQ和ML線中間(適當(dāng)延長(zhǎng)MQ和ML線)查得小齒輪接觸疲勞極限,同理,在圖(d)上查得大齒輪接觸疲勞極限,
查機(jī)設(shè)表9-8,取齒輪最小安全系數(shù),則許用接觸應(yīng)力
,
,
取設(shè)計(jì)。
將以上所求各數(shù)據(jù)代入式(4-4),得
=
= 49.94mm,
則,
由機(jī)設(shè)表9-5,取使用系數(shù),
由機(jī)設(shè)圖9-7,取動(dòng)載系數(shù),
由機(jī)設(shè)圖9-10,取齒向載荷分布系數(shù),
由機(jī)設(shè)圖9-6,取齒間載荷分配系數(shù),則載荷系數(shù)
,
,
,
由機(jī)設(shè)表9-1,取斜齒圓柱齒輪模數(shù)。
圓柱齒輪主要幾何尺寸為:
中心距,取。
螺旋角,
故。
,
,
,
取大齒輪齒厚,小齒輪齒厚。
5. 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
由 (4-5)
計(jì)算當(dāng)量齒輪端面重合度,
由機(jī)設(shè)表9-11知,端面壓力角
基圓柱上的螺旋角的余弦為
,
故,
由機(jī)設(shè)式9-13,重合度系數(shù),
由機(jī)設(shè)圖9-28,取螺旋角系數(shù),
當(dāng)量齒數(shù) ,
查機(jī)設(shè)圖9-19,取齒形系數(shù),,
查機(jī)設(shè)圖9-20,取應(yīng)力修正系數(shù),,
查機(jī)設(shè)圖9-21,取彎曲疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù),,
由機(jī)設(shè)9-22(c), 按小齒輪齒面硬度平均值235HBS,在ML線(適當(dāng)延長(zhǎng))上查得小齒輪彎曲疲勞極限,同理,在圖(d)上查得大齒輪彎曲疲勞極限,
查機(jī)設(shè)表9-8,取齒輪最小安全系數(shù),則許用彎曲應(yīng)力
,
,
將以上所求各數(shù)據(jù)代入式(4-5),得
,
故齒根彎曲疲勞強(qiáng)度滿足要求。
4.3 錐齒-圓柱齒輪設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)小結(jié)
4.3.1 錐齒輪數(shù)據(jù)
;;;;;;
;;;;;
;。
4.3.2 圓柱齒輪數(shù)據(jù)
;;;;;;;;;; ;
;;
;
;
。
4.4 軸、軸承、鍵及聯(lián)軸器型號(hào)的選擇
由機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)(以下簡(jiǎn)稱機(jī)設(shè)課設(shè)),初估軸徑:,
電機(jī)軸:,??;
Ⅰ軸:,取;
Ⅱ軸:,取;
Ⅲ軸:,取。
4.4.1 Ⅰ-Ⅰ軸上軸徑、軸承、鍵及油封的確定
4.4.1.1 Ⅰ-Ⅰ軸上各軸段直徑
根據(jù)初估軸徑,取,則由機(jī)設(shè)課設(shè)得其他軸段直徑分別為:
,
取;
Ⅲ-Ⅳ軸段上有角接觸球軸承,
初取 ,
由機(jī)設(shè)課設(shè)表2.4-3,?。?
;
Ⅴ-Ⅵ軸段上有角接觸球軸承且應(yīng)和Ⅲ-Ⅳ軸段上軸承型號(hào)尺寸相同,故
;
。
所以各軸段直徑分別為:;;;
;;。
Ⅰ-Ⅰ軸上各軸段直徑尺寸及軸承安裝如圖4.1所示。
4.4.1.2 Ⅲ-Ⅳ及Ⅴ-Ⅵ軸段上軸承的確定
由機(jī)設(shè)課設(shè),確定兩軸承的型號(hào)及尺寸如下:
型號(hào):滾動(dòng)軸承7208C GB292-83
尺寸:
4.4.1.3 Ⅰ-Ⅱ軸段及Ⅵ-Ⅶ軸段上鍵的確定
Ⅰ-Ⅱ軸段上鍵:由機(jī)設(shè)課設(shè)表2.3-1,查得鍵
型號(hào):鍵 GB1096-79
高度:;
Ⅵ-Ⅶ軸段上鍵:由機(jī)設(shè)課設(shè)表2.3-1,查得鍵
型號(hào):鍵 GB1096-79
高度:。
4.4.1.4 Ⅱ-Ⅲ軸上油封的確定
因Ⅱ-Ⅲ軸軸徑,由機(jī)設(shè)課設(shè)表2.5-4,確定油封的型號(hào)及尺寸如下:
型號(hào):墊圈油封30 FZ/T92010-91
尺寸:,,。
4.4.2 Ⅱ-Ⅱ軸上軸徑、軸承、鍵的確定
方法同上,確定各尺寸如下:
1. 軸徑
;;;
;。
Ⅱ-Ⅱ軸上各軸段直徑尺寸及軸承安裝如圖4.2所示。
2. 軸承
型號(hào):滾動(dòng)軸承7206C GB292-83
尺寸:
3. 鍵
Ⅱ-Ⅲ軸段上鍵:由機(jī)設(shè)課設(shè)表2.3-1,查得鍵
型號(hào):鍵 GB1096-79
高度:;
Ⅳ-Ⅴ軸段上鍵:由機(jī)設(shè)課設(shè)表2.3-1,查得鍵
型號(hào):鍵 GB1096-79
高度:。
4.4.3 Ⅲ-Ⅲ軸上軸徑、軸承、鍵及聯(lián)軸器的確定
方法同上,確定各尺寸如下:
1. 軸徑
;;;;
;;。
Ⅲ-Ⅲ軸上各軸段直徑尺寸及軸承安裝如圖4.3所示。
2. 軸承
型號(hào):滾動(dòng)軸承7210C GB292-83
尺寸:
3. 鍵
Ⅱ-Ⅲ軸段上鍵:由機(jī)設(shè)課設(shè)表2.3-1,查得鍵
型號(hào):鍵 GB1096-79
高度:;
Ⅶ-Ⅷ軸段上鍵:由機(jī)設(shè)課設(shè)表2.3-1,查得鍵
型號(hào):鍵 GB1096-79
高度:。
4. 聯(lián)軸器
型號(hào):YL7聯(lián)軸器 GB5843-86
長(zhǎng)度:。
5 其它機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5.1 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)
5.1.1 帶傳動(dòng)的類型
帶傳動(dòng)是在兩個(gè)或多個(gè)帶輪之間用帶作為拉曳元件來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種撓性件傳動(dòng)。
帶傳動(dòng)分為摩擦傳動(dòng)和嚙合傳動(dòng)兩類。平帶﹑V帶﹑多楔帶﹑圓帶都是利用帶與帶之間的摩擦力實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的,同步帶則是靠帶齒與輪齒相嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的。
5.1.2 帶傳動(dòng)的選擇
平帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單,帶輪也容易制造,使用成本低廉,形式多樣,傳動(dòng)中心距較大,在農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用較多。
V帶是一般機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用最廣泛的。V帶的橫截面呈等腰梯形,帶輪上也做出相應(yīng)的輪槽。傳動(dòng)時(shí),V帶只和輪槽的兩個(gè)側(cè)面接觸,即以兩側(cè)面為工作面。根據(jù)槽面摩擦原理,在同樣的張緊力下,V帶傳動(dòng)較平帶傳動(dòng)能產(chǎn)生更大的摩擦力。V帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比較大,結(jié)構(gòu)較緊湊,并且V帶多已標(biāo)準(zhǔn)化大批量生產(chǎn),因而V帶傳動(dòng)的應(yīng)用比平帶傳動(dòng)廣泛得多。
在緩降器性能試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)中,我們采用V帶傳動(dòng),將電機(jī)的輸出功率等傳遞給減速器。
5.1.3 V帶輪設(shè)計(jì)
1. V帶輪設(shè)計(jì)的要求
設(shè)計(jì)V帶輪時(shí)應(yīng)滿足的要求有:質(zhì)量?。唤Y(jié)構(gòu)工藝性好;無(wú)過(guò)大的鑄造內(nèi)應(yīng)力;質(zhì)量分布均勻;轉(zhuǎn)速高時(shí)要經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡;輪槽工作面要精加工,以減少帶的磨損;各槽的尺寸和角度應(yīng)保持一定的精度,以使載荷分布較為均勻等。
2. 帶輪的材料
帶輪的材料主要采用鑄鐵,常用的材料牌號(hào)為HT150或HT200;轉(zhuǎn)速較高時(shí)宜采用鑄鋼;小功率時(shí)可用鑄鋁或塑料。
在本設(shè)計(jì)中,我們采用HT200作為帶輪的材料。
3. 結(jié)構(gòu)尺寸
鑄鐵制V帶輪的典型結(jié)構(gòu)有以下幾種形式:(1)實(shí)心式;(2)腹板式;(3)孔板式;(4)橢圓剖面輪輻式。
帶輪基準(zhǔn)直徑 (d為軸的直徑, mm)時(shí),采用實(shí)心式;時(shí),采用腹板式(當(dāng)時(shí),采用孔板式);時(shí),采用輪輻式。
帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主要是根據(jù)帶輪的基準(zhǔn)直徑選擇結(jié)構(gòu)形式,根據(jù)帶的型號(hào)確定輪槽尺寸,如圖5.1所示,根據(jù)普通V帶輪的結(jié)構(gòu)形式及尺寸,確定電動(dòng)機(jī)輸出軸上V帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸如下:
;;;;;。
減速器輸入軸上V帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸如下:
;;;;;。
5.2 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)
5.2.1 聯(lián)軸器的分類
聯(lián)軸器是機(jī)械傳動(dòng)中一種常用軸系部件,它的基本功能是聯(lián)結(jié)兩軸,并傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩,并兼有安全保險(xiǎn)的作用。
聯(lián)軸器的種類較多,通常根據(jù)對(duì)相應(yīng)位移有無(wú)補(bǔ)償能力劃分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器兩大類。
剛性聯(lián)軸器對(duì)相應(yīng)位移無(wú)補(bǔ)償能力,且全部由剛性零件組成,也沒(méi)有緩沖減振能力,故適用于要求被聯(lián)結(jié)的兩軸嚴(yán)格對(duì)中,載荷平穩(wěn)的場(chǎng)合。
撓性聯(lián)軸器具有撓性,對(duì)相應(yīng)位移具有補(bǔ)償能力。按是否具有彈性元件又分為無(wú)彈性元件的撓性聯(lián)軸器和有彈性元件的撓性聯(lián)軸器兩種。有彈性元件的撓性聯(lián)軸器可以依靠彈性元件的變形與儲(chǔ)能性來(lái)緩沖﹑減振,改善傳動(dòng)系統(tǒng)的工作性能。
5.2.2 聯(lián)軸器的選擇
凸緣聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單﹑成本低﹑可傳遞較大的轉(zhuǎn)矩,在低速﹑無(wú)沖擊﹑軸的剛性大﹑對(duì)中性較好時(shí)常采用凸緣聯(lián)軸器。
在緩降器性能試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)中,減速器輸出軸與電磁離合器輸入軸的聯(lián)結(jié)要求無(wú)沖擊,兩軸的剛性強(qiáng),對(duì)中性要好,故選用凸緣聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)兩軸。我們知道,聯(lián)軸器所聯(lián)兩軸的尺寸由聯(lián)軸器決定,結(jié)合其所聯(lián)兩軸(減速器輸出軸與電磁離合器輸入軸)的尺寸大小,選擇聯(lián)軸器型號(hào)及尺寸如下:
型號(hào):YL7聯(lián)軸器 GB5843-86
長(zhǎng)度:。
5.3 電磁離合器的選擇
5.3.1 電磁離合器的特點(diǎn)
電磁離合器是利用通過(guò)激磁線圈的電流所產(chǎn)生的磁力來(lái)操縱離合器的各種結(jié)合元件,以達(dá)到離合器的接合或分離。
電磁離合器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操縱方便等優(yōu)點(diǎn)。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
(一) 提高系統(tǒng)的機(jī)械性能
1. 傳動(dòng)系統(tǒng)使用電磁離合器后,可實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的快速啟動(dòng),快速制動(dòng)及頻繁
的正反向控制。由于電動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)不直接連接,在啟動(dòng)或制動(dòng)過(guò)程中,避免電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)過(guò)大的沖擊電流。
2. 能使傳動(dòng)系統(tǒng)獲得較高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)力矩通常為額定力矩的1.5~2.0倍,在電磁離合器作傳動(dòng)系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程中,可利用電動(dòng)機(jī)的慣性能量來(lái)增加 啟動(dòng)力矩。一般可增加到電動(dòng)機(jī)額定力矩的2.5~3.0倍。所以,在傳動(dòng)系統(tǒng)的相同條件下,利用電磁離合器啟動(dòng),能使電動(dòng)機(jī)的容量減小。
3. 除牙嵌式電磁離合器外,其它形式的電磁離合器均可以在較頻繁地接地和脫開(kāi)的場(chǎng)合下應(yīng)用。
4. 利用電的控制方法,可調(diào)節(jié)電磁離合器的力矩上升時(shí)間,以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的連續(xù)平滑啟動(dòng)。
5. 利用磁粉或轉(zhuǎn)差式電磁離合器的力矩調(diào)節(jié)特性,可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的精密調(diào)節(jié)。又可利用其力矩與滑差速度無(wú)關(guān)的特性,在機(jī)械裝置中實(shí)現(xiàn)恒張力控制。
6. 能實(shí)現(xiàn)分支啟動(dòng)和多元化利用電動(dòng)機(jī)動(dòng)力。
7. 與所傳遞的力矩相比,電磁離合器耗能很小。
(二)提高傳動(dòng)系統(tǒng)的操作性能
1. 可實(shí)現(xiàn)集中控制與遠(yuǎn)距離操縱。
2. 能簡(jiǎn)化操作程序,減少操作時(shí)間。
3. 容易實(shí)現(xiàn)控制自動(dòng)化。
(三)操作安全和具有過(guò)載保護(hù)
1. 減少誤操作和誤動(dòng)作,提高操縱安全性。
2. 除牙嵌式電磁離合器外,其它形式的電磁離合器均可以起到過(guò)載保護(hù)的作用。
(四)維護(hù)方便,控制簡(jiǎn)單
機(jī)械式、液壓式、氣動(dòng)式離合器均需配備操縱桿、管路、閥門(mén)和測(cè)量?jī)x表等輔助設(shè)備,而電磁離合器控制線路卻很簡(jiǎn)單,維護(hù)也方便。特別是濕式電磁離合器在正常使用中,其壽命是半永久性的。
當(dāng)然,電磁離合器也有其缺點(diǎn),主要有以下幾點(diǎn):
1. 剩磁問(wèn)題,嚴(yán)重影響離合器的動(dòng)特性,使其力矩時(shí)間曲線上出現(xiàn)無(wú)響應(yīng)區(qū)。盡管人們?yōu)橄姶烹x合器剩磁問(wèn)題作了不少努力,但仍不能滿意地解決這個(gè)問(wèn)題。
2. 電磁離合器屬于磁性物件,在使用中有關(guān)部件被不同程度地磁化,吸引鐵屑影響傳動(dòng)系統(tǒng)壽命和精度。
3. 在使用中電磁離合器的發(fā)熱也是不可避免的。如果電磁離合器在傳動(dòng)系統(tǒng)中的位置不當(dāng)或散熱不良,均能影響傳動(dòng)系統(tǒng)得精度。
5.3.2 電磁離合器的分類
電磁離合器的分類比較復(fù)雜,但歸納起來(lái)可分為四種類型:
(一)摩擦片式電磁離合器;
(二)牙嵌式電磁離合器;
(三)磁粉式電磁離合器;
(四)轉(zhuǎn)差片式電磁離合器。
摩擦片式電磁離合器按不同情況可分為:
1. 根據(jù)使用條件可分為:濕式和干式。
濕式在使用時(shí),用油來(lái)潤(rùn)滑摩擦片和進(jìn)行冷卻。
干式在空氣中使用,不 加油,自冷。
2. 根據(jù)摩擦片在磁路中的情況,可分為在磁路內(nèi)和在磁路外兩種。
摩擦片在磁路內(nèi),摩擦片本身是磁路的一部分,有磁力線通過(guò)。
摩擦片在磁路外,在摩擦片中沒(méi)有磁力線通過(guò)。
3. 根據(jù)線圈供電方式,有線圈靜止式和線圈回轉(zhuǎn)式兩種。
線圈靜止式就是由饋線直接供電,沒(méi)有集電環(huán)。
線圈回轉(zhuǎn)式則用電刷、集電環(huán)供電。
4. 根據(jù)摩擦片數(shù)目,有單片式和多片式。
單片式只有一對(duì)摩擦片。
多片式有兩對(duì)以上的摩擦片。
5. 根據(jù)摩擦片的磨損調(diào)整方式,可分為自動(dòng)調(diào)整式和人工調(diào)整式。
自動(dòng)調(diào)整式要有特殊的磨損自動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)。
人工調(diào)整式則是在摩擦片達(dá)到某一磨損量時(shí),需要人工進(jìn)行調(diào)整摩擦片間的間隙。
牙嵌式電磁離合器通常分為有滑環(huán)和無(wú)滑環(huán)兩種。
磁粉式電磁離合器又可根據(jù)供電方式、氣隙形式和勵(lì)磁線圈位置來(lái)分類。
1. 根據(jù)供電方式,磁粉式電磁離合器分為線圈回轉(zhuǎn)式和線圈靜止式兩種。線圈靜止式離合器供電方式簡(jiǎn)單,應(yīng)用較多。
2. 根據(jù)氣隙,可分為單隙式和復(fù)隙式。
單隙式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
復(fù)隙式磁粉離合器有雙層磁粉氣隙結(jié)構(gòu),它相當(dāng)于多片型摩擦離合器。復(fù)隙式磁粉離合器的特點(diǎn)是:外形尺寸小,能獲得較大的傳遞力矩;能使輸出軸的慣性力矩設(shè)計(jì)得較小,從而提高離合器的反應(yīng)速度。
復(fù)隙式磁粉離合器又可分為非分離復(fù)隙式磁粉離合器和分離復(fù)隙式磁粉離合器兩種。
3. 根據(jù)線圈位置,有外置線圈、內(nèi)置線圈和側(cè)置線圈三種形式。
外置線圈是將勵(lì)磁線圈裝于外部,而磁粉氣隙則在線圈的內(nèi)側(cè)。內(nèi)置線圈幾乎全是線圈回轉(zhuǎn)型的。側(cè)置線圈僅用于非分離復(fù)隙式結(jié)構(gòu)中。
轉(zhuǎn)差式電磁離合器有雙電樞和單電樞之分。單電樞又分為爪式和感應(yīng)式兩種。饋電方式也分靜止式和回轉(zhuǎn)式。
5.3.3 各種電磁離合器的使用范圍
(一)濕式有滑環(huán)多摩擦片的電磁離合器
優(yōu)點(diǎn):摩擦片幾乎沒(méi)有磨損,不必調(diào)整,壽命長(zhǎng)。
缺點(diǎn):有空轉(zhuǎn)力矩、殘余力矩衰減過(guò)程時(shí)間長(zhǎng),接合與脫開(kāi)動(dòng)作遲緩,接合頻率有限,要有給油裝置。
使用范圍:
1. 不允許摩擦片因磨損而產(chǎn)生鐵屑的場(chǎng)合;
2. 多油的條件;
3. 要求外形尺寸小,結(jié)合功不大的場(chǎng)合;
4. 裝拆不太方便的地方。
(二)干式有滑環(huán)多摩擦片的電磁離合器
優(yōu)點(diǎn):動(dòng)作快;空轉(zhuǎn)力矩小。
缺點(diǎn):摩擦片有磨損;為了進(jìn)行人工填證摩擦片的間隙,在機(jī)械上要提供方便,因此占用空間較大;允許接合功?。粶厣邥?huì)出現(xiàn)摩擦性能衰減現(xiàn)象。
使用范圍:
1. 要求動(dòng)作快,接合功小而力矩大的場(chǎng)合;
2. 便于調(diào)整的場(chǎng)合。
(三)干式有滑環(huán)單摩擦片的電磁離合器
優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格低;動(dòng)作快;允許接合功大;接合頻率高;沒(méi)有空轉(zhuǎn)力矩;動(dòng)力矩調(diào)節(jié)方便。
缺點(diǎn):徑向尺寸大;摩擦片會(huì)磨損,常需更換;溫升太高會(huì)出現(xiàn)摩擦性能衰減現(xiàn)象。
使用范圍:
1. 對(duì)徑向尺寸沒(méi)有限制;
2. 操作頻率高;
3. 要求接合功大、動(dòng)作快。
(四)牙嵌式電磁離合器
優(yōu)點(diǎn):傳遞力矩大;沒(méi)有空轉(zhuǎn)力矩;沒(méi)有磨損,不必調(diào)整;沒(méi)有摩擦發(fā)熱;傳動(dòng)無(wú)滑差;脫開(kāi)快;能干濕兩用。
缺點(diǎn):一般在停車中接合,接合時(shí)沒(méi)有摩擦片式的緩沖作用,有沖擊。
使用范圍:
1. 允許停車接合或負(fù)載力矩及慣量很小的場(chǎng)合;
2. 不希望有空轉(zhuǎn)力矩的場(chǎng)合;
3. 要求無(wú)滑差傳動(dòng)的場(chǎng)合。
(五)濕式無(wú)滑環(huán)多摩擦片的電磁離合器
這種離合器與有滑環(huán)離合器相比有如下特點(diǎn):
1. 線圈處于固定靜止?fàn)顟B(tài),能不間斷平穩(wěn)地引入電流,減少了元件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,特別有利于勵(lì)磁電路和控制電路的設(shè)計(jì)與布置;
2. 可避免電刷與滑環(huán)接觸時(shí)所產(chǎn)生的火花現(xiàn)象,因而較有滑環(huán)式安全可靠,特別是能符合防爆安全的使用條件;
3. 和有滑環(huán)相比不怕振動(dòng),不怕高速磨損,因而不需要更換電刷和滑環(huán),特別適合于不宜拆裝的位置;
4. 由于磁性組件與傳動(dòng)部分之間保持著氣隙,對(duì)離合器的斷開(kāi)特性有很大好處;
5. 必須在有潤(rùn)滑油的情況下使用。潤(rùn)滑方式可以用外滴油法、油霧法及由
軸心供油的辦法等。
由于這種離合器結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,操作方便,運(yùn)行可靠,故被廣泛應(yīng)用于機(jī)床、紡織、造紙、化工等工業(yè)部門(mén)和機(jī)械傳動(dòng)裝置中,大大地提高了機(jī)械自動(dòng)化水平。
(六)轉(zhuǎn)差式電磁離合器
這種離合器啟動(dòng)平穩(wěn),可以用來(lái)限制由電動(dòng)機(jī)傳給從動(dòng)軸的力矩振動(dòng),平穩(wěn)接通及斷開(kāi)運(yùn)動(dòng)鏈,又可作為制動(dòng)裝置和安全保護(hù)裝置。在具有通風(fēng)機(jī)負(fù)載的深度調(diào)節(jié)問(wèn)題上,這種離合器提供了解決的途徑。若改變接入的勵(lì)磁電流,輸出力矩便改變,轉(zhuǎn)差也隨之改變,所以可用于普通機(jī)床的主傳動(dòng)中,還可以用于壓力機(jī)、拉絲機(jī)等專用機(jī)床上。
(七)磁粉式電磁離合器
特點(diǎn):
1. 輸出力矩與它的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān);
2. 在整個(gè)工作范圍內(nèi),力矩隨勵(lì)磁電流成線性地變化,因此具有很大的調(diào)整倍數(shù);
3. 電磁時(shí)間常數(shù)最?。s毫秒級(jí)),沒(méi)有機(jī)械移動(dòng)的過(guò)渡過(guò)程,從動(dòng)部分慣性?。?
4. 接通及控制無(wú)沖擊;
5. 所有滑動(dòng)都被局限在工作氣隙中,因此接合面能自動(dòng)地防磨損;
6. 在整個(gè)工作過(guò)程中,不需調(diào)整氣隙。
除了具有摩擦式電磁離合器的功用外,磁粉式電磁離合器還特別適用于連續(xù)滑動(dòng)工作。所以,它可以組成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。但在使用過(guò)程中要特別注意磁粉老化、高溫和密封三個(gè)問(wèn)題。
上面敘述了各種電磁離合器的一般使用范圍,但選型時(shí)應(yīng)該全面地掌握各種電磁離合器的結(jié)構(gòu)性能,按照用途和使用目的進(jìn)行綜合考慮,選定合適的電磁離合器,才能有效地達(dá)到預(yù)期使用效果。
5.3.4 電磁離合器在機(jī)械傳動(dòng)裝置上的應(yīng)用形式
電磁離合器的應(yīng)用已經(jīng)遍及所有機(jī)械行業(yè)。小到儀表系統(tǒng)的調(diào)速,大到軋鋼機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng),都有電磁離合器的身影出現(xiàn)。在機(jī)械裝置中,電磁離合器的應(yīng)用形式主要有以下幾種:
(一)作為動(dòng)力連接
所謂動(dòng)力連接時(shí)指將電磁離合器設(shè)置在同一中心線上的兩根軸之間,在對(duì)接狀態(tài)下將兩根軸連接起來(lái),也能自由地分離開(kāi),以此為主要目的的作用叫連接。
(二)用作傳動(dòng)離合
離合是這樣一種作用,在一根軸上用電磁離合器來(lái)控制著傳遞給其它軸的動(dòng)力。
這種作用的離合器結(jié)構(gòu)如圖5.2所示,它用兩個(gè)離合器互相連接在一起,并與負(fù)載軸組裝成一體,磁軛與軸固定,“聯(lián)結(jié)”與軸滑動(dòng),通斷離合器的電源就能變換傳動(dòng)的動(dòng)力。
傳動(dòng)離合器可以實(shí)現(xiàn)分支驅(qū)動(dòng),即在一個(gè)動(dòng)力源通過(guò)電磁離合器驅(qū)動(dòng)幾個(gè)機(jī)構(gòu)的體系中,可以任意地或者根據(jù)規(guī)定的程序驅(qū)動(dòng)其中一部分機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)或停止。
這種形式的離合器將在本課程設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。
(三)用作制動(dòng)
當(dāng)離合器電源切斷時(shí),在彈簧力的作用下實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。離合器電源接通,電磁力克服彈簧力,使原動(dòng)機(jī)軸呈自由狀態(tài)而運(yùn)轉(zhuǎn)。
(四)用于正反轉(zhuǎn)
在這種形式的應(yīng)用中,主動(dòng)軸沿一定方向旋轉(zhuǎn),用兩個(gè)電磁離合器與其組合起來(lái),由電磁離合器的離合作用使負(fù)載的驅(qū)動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。
利用電磁離合器實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn),與利用電機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)相比,有如下優(yōu)點(diǎn):
1. 此結(jié)構(gòu)僅將需要反轉(zhuǎn)的部分加以反轉(zhuǎn),故正反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,可快速實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn);
2. 可以任取正反轉(zhuǎn)速比;
3. 可以利用電動(dòng)機(jī)的慣性,使所需電機(jī)的容量小,電機(jī)不因反轉(zhuǎn)時(shí)過(guò)載電流而升溫;
4. 不需要用特殊電機(jī),使用普通電機(jī)就能獲得良好的正反轉(zhuǎn)效果;
5. 耗能少。
除了上述電磁離合器的主要用途外,電磁離合器還用于變速、高頻度運(yùn)轉(zhuǎn)及過(guò)載保護(hù)等??傊?,電磁離合器非常實(shí)用,用處也非常廣泛。
5.3.5 電磁離合器的選擇
1-固定磁軛;2-中間導(dǎo)磁體;3-永久磁鐵組;4-膜片彈簧;5-繞繩輪;6-軸
在緩降器性能試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)中,要求用兩個(gè)電磁離合器相互連接在一起,裝在同一根軸上,一開(kāi)一合地分別控制繞在離合器繞繩輪上的緩降繩的上升與下降。當(dāng)左側(cè)離合器與軸連接時(shí),右側(cè)離合器則與軸脫離,緩降繩按逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng);反之,當(dāng)左側(cè)離合器與軸脫離時(shí),右側(cè)離合器則與軸連接,緩降繩按順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)。這樣,可實(shí)現(xiàn)往復(fù)循環(huán)測(cè)試,從而能夠節(jié)省時(shí)間,提高測(cè)試的效率。
根據(jù)這一原理,我們選擇無(wú)滑環(huán)帶永久磁鐵的電磁離合器。因?yàn)?,第一,它可以將兩個(gè)同樣類型的離合器相互連接地裝在同一根軸上,實(shí)現(xiàn)交互控制,循環(huán)使用;第二,可以將其結(jié)構(gòu)改進(jìn),將原來(lái)的帶輪結(jié)構(gòu)改換成繞繩輪結(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)繞繩控制功能;第三,其結(jié)構(gòu)不是太復(fù)雜,制造較為簡(jiǎn)單,成本較低;第四,它的工作原理淺顯易懂,符合設(shè)計(jì)要求。
下面介紹一下這種離合器的工作原理:
磁軛1及線圈固定不動(dòng),當(dāng)線圈未通電時(shí),永久磁鐵組3與中間導(dǎo)磁體2吸合,主動(dòng)軸6與件2以鍵連接,輸入的動(dòng)力同過(guò)膜片彈簧4傳到繞繩輪5。當(dāng)線圈通電后,建立與永久磁鐵組相反的磁場(chǎng),而排斥永久磁鐵,線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)件2形成閉合回路,而永久磁鐵組的磁力線在其內(nèi)部形成閉合回路,離合器分離。
5.4 傳感器的選擇
5.4.1 傳感器的分類
通常,人們把能使物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚ɑ螂姶帕浚┑钠骷蛟凶鰝鞲衅鳌鞲衅饕步袚Q能器或探測(cè)器。
傳感器的分類方法很多,通常采用以下兩種方法分類傳感器。
第一種是按照傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)或物理效應(yīng)分類。主要有應(yīng)變式(將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電阻輸出)、電容式(利用彈性電極在輸入作用下產(chǎn)生位移,使電容量變化而輸出)、壓電式(利用壓電材料的物質(zhì)效應(yīng),將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電荷輸出)、壓阻式(利用半導(dǎo)體材料和集成電路等先進(jìn)工藝制成的一種輸出電阻變化的固體傳感器)等傳感器。
第二種是按照傳感器的使用來(lái)分類。主要有壓力傳感器(測(cè)量各種壓力)、測(cè)力傳感器(測(cè)定靜壓力、動(dòng)壓力、拉壓力等)、振動(dòng)傳感器(測(cè)量振幅、速度、加速度等)、溫度傳感器(測(cè)量各種溫度)等。
5.4.2 傳感器的選擇
在緩降器性能試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)中,需測(cè)定緩降繩所受的拉力變化,故選擇測(cè)力傳感器,型號(hào)為型拉力傳感器。
工作時(shí),傳感器將感應(yīng)到的緩降繩的拉力變化轉(zhuǎn)化為電量的變化,通過(guò)宏拓7484采集卡,將電量的變化傳遞到微機(jī)上,顯示出來(lái)。
6 數(shù)據(jù)采集與處理
在緩降器性能試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)中,拉力傳感器感應(yīng)并將采集到的信息傳遞到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),然后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,其目的是:
1) 將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接收的離散數(shù)據(jù)信號(hào)。
2) 還原采集到的電信號(hào)的物理意義。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,被采集的物理量
(溫度、壓力、流量等)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后變成電量,因而采集到的數(shù)據(jù)是以電量的形式表現(xiàn)的。它雖然含有被采集物理量的信息,但沒(méi)有明確的物理意義,不便于處理和使用,必須把它還原成原來(lái)對(duì)應(yīng)的物理量。
3) 消除數(shù)據(jù)中的干擾信號(hào)。在數(shù)據(jù)的采集、傳送和轉(zhuǎn)換過(guò)程中,由于系統(tǒng)內(nèi)部和外部干擾和噪聲的影響,會(huì)在采集的數(shù)據(jù)中混入干擾信號(hào),因而應(yīng)采用各種方法最大限度地消除混入數(shù)據(jù)中的干擾信號(hào),以保證采集數(shù)據(jù)的精度。
4) 分析數(shù)據(jù)的內(nèi)在特征。通過(guò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換加工,或在有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)之間進(jìn)行某些相互的運(yùn)算,以得到能表達(dá)數(shù)據(jù)內(nèi)在特征的二次數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)處理有多種類型。按處理的方式劃分,數(shù)據(jù)處理可分為實(shí)時(shí)處理、在線
處理和離線處理。一般來(lái)說(shuō),實(shí)時(shí)處理或在線處理由于處理時(shí)間受到限制,因而只能對(duì)有限的數(shù)據(jù)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單、基本的處理;而離線處理由于處理時(shí)間不受限制,因而可以做各種復(fù)雜的處理。按處理的性質(zhì)劃分,數(shù)據(jù)處理可分為預(yù)處理和二次處理兩種。預(yù)處理通常是剔出數(shù)據(jù)奇異項(xiàng)、去除數(shù)據(jù)趨勢(shì)項(xiàng),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波和轉(zhuǎn)換等。二次處理有各種數(shù)學(xué)運(yùn)算,如微分、積分、傅立葉變換和小波變換等。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理之前應(yīng)先對(duì)采集到的數(shù)據(jù)做某些預(yù)處理,使信號(hào)得到一次增強(qiáng)或凈化,從而使分析處理獲得高質(zhì)量的有用信號(hào)或更準(zhǔn)確的特征信息。
6.1 數(shù)據(jù)采集原理
計(jì)算機(jī)是一臺(tái)數(shù)字化設(shè)備,它只能處理數(shù)字信息,故使用計(jì)算機(jī)處理信號(hào)時(shí)必須將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),即模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換或數(shù)據(jù)采集。將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接收的離散數(shù)字信號(hào),需要兩個(gè)環(huán)節(jié):首先是采集,由連續(xù)的模擬信號(hào)得到離散信號(hào);然后再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換,變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)的數(shù)字化過(guò)程如圖6.1所示。
6.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集就是將被測(cè)對(duì)象的各種參量通過(guò)各種傳感元件做適當(dāng)轉(zhuǎn)換后,再經(jīng)信號(hào)調(diào)理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E,最后送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或存儲(chǔ)記錄的過(guò)程。用于數(shù)據(jù)采集的成套設(shè)備稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(data acquisition system, DAS),它是計(jì)算機(jī)與外部世界聯(lián)系得橋梁,是獲取信息的重要途徑。
6.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖6.2所示,它的輸入信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩類。模擬信號(hào)由模擬類的傳感器輸出信號(hào)經(jīng)調(diào)理后得到,數(shù)字信號(hào)則由數(shù)字類傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)或開(kāi)關(guān)信號(hào)得到。
傳感器的作用是把非電量轉(zhuǎn)變成電量(如電壓、電流或頻率)。在本課程設(shè)
計(jì)中,我們使用的是拉力傳感器,其作用是將拉力的變化轉(zhuǎn)變成電量的變化,輸出到A/D轉(zhuǎn)換器中。
放大器用來(lái)放大和緩沖輸入信號(hào)。由于傳感器輸出的信號(hào)較小,需要將其
放大,以滿足大多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程輸入要求。此外,某些傳感器內(nèi)阻比較大,輸出功率較小,這樣,放大器還起到了阻抗變換器的作用,用來(lái)緩沖輸入信號(hào)。常用的放大器有差分放大器、儀器放大器和隔離放大器等。
在傳感器和電路中的器件常會(huì)產(chǎn)生噪聲,人為的發(fā)射源也會(huì)通過(guò)各種耦合渠道使信號(hào)通道感染上噪聲,這種噪聲可以用濾波器來(lái)衰減,以提高模擬輸入信號(hào)的信噪比。
在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,往往要對(duì)多個(gè)物理量進(jìn)行采集,即多路巡回檢測(cè),這可以通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。多路模擬開(kāi)關(guān)可以分時(shí)選通來(lái)自多個(gè)輸入通道的某一信號(hào)。
多路模擬開(kāi)關(guān)之后是模擬通道的轉(zhuǎn)換部分,它包括采樣/保持和A/D轉(zhuǎn)換電路。采樣/保持電路的作用是快速拾取多路模擬開(kāi)關(guān)輸出的子樣脈沖,并保持幅值恒定,以提高A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。如果將采樣/保持電路放在多路模擬開(kāi)關(guān)之前,還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)信號(hào)進(jìn)行同步采樣。
采樣/保持器輸出的信號(hào)送至A/D轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換器是模擬輸入通道的關(guān)鍵電路。由于輸入信號(hào)變化速度不同,系統(tǒng)對(duì)分辨力、精度、轉(zhuǎn)換速度及成本的要求也不同。
6.2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)
1)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般都由計(jì)算機(jī)控制,使得數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和效率等大為提高,也節(jié)省了硬件投資。
2)軟件在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的作用越來(lái)越大,這增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。
3)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理相互結(jié)合得日益密切,形成數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、處理到控制的全部工作。
4)數(shù)據(jù)采集過(guò)程一般都具有“實(shí)時(shí)”特性,實(shí)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)是能滿足實(shí)際需要;對(duì)于通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般希望有盡可能高的速度,以滿足盡可能多的應(yīng)用環(huán)境。
5)隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,電路集成度的提高,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的體積越來(lái)越小,可靠性越來(lái)越高。
6)總線在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用,總線技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展起著重要作用。
6.2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)
1)系統(tǒng)分辨率 是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號(hào)最小變化量。通常用最低有效位(LSB)占系統(tǒng)滿度信號(hào)的百分比表示,或用系統(tǒng)可分辨的實(shí)際電壓數(shù)值來(lái)表示,有時(shí)也用滿度信號(hào)可以分的基數(shù)來(lái)表示。
2)系統(tǒng)精度 是指當(dāng)系統(tǒng)工作在額定采集速度下,每個(gè)離散子樣的轉(zhuǎn)換精度。A/D轉(zhuǎn)換器的精度是系統(tǒng)精度的極限值。而實(shí)際上系統(tǒng)精度往往達(dá)不到A/D,轉(zhuǎn)換器的精度,這是因?yàn)橄到y(tǒng)精度取決于系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的精度。如前置放大器、濾波器、多路模擬開(kāi)關(guān)等,只有這些部件的精度都明顯優(yōu)于A/D轉(zhuǎn)換器精度時(shí),系統(tǒng)精度才能達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器的精度。
3)采集頻率 又稱系統(tǒng)通過(guò)速率、吞吐率等,是指在滿足系統(tǒng)精度指標(biāo)的前提下,系統(tǒng)對(duì)輸入模擬信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)所完成的采集次數(shù),或者說(shuō)是系統(tǒng)每個(gè)通道每秒鐘可采集的子樣數(shù)目。這里所說(shuō)的“采集”包括對(duì)被測(cè)物理量進(jìn)行采樣、量化、編碼、傳輸、存儲(chǔ)等的全部過(guò)程。另外,在時(shí)間域上,與采集頻率對(duì)應(yīng)的指標(biāo)是采集周期,它是采集頻率的倒數(shù),表示了系統(tǒng)每采集一個(gè)有效數(shù)據(jù)所用的時(shí)間。
4)動(dòng)態(tài)范圍 是指某個(gè)物理量的變化范圍。信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍是指信號(hào)的最大幅值和最小幅值之比的分貝數(shù),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍通常定義為所允許輸入的最大幅值與最小幅值之比的分貝數(shù),即
(6-1)
5)非線性失真 也稱諧波失真。當(dāng)給系統(tǒng)輸入一個(gè)頻率為f的正弦波時(shí),其輸出中出現(xiàn)很多頻率為kf(k為正整數(shù))的新的頻率分量的現(xiàn)象,稱為非線性失真。
6.2.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式
選擇數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式,主要考慮被測(cè)信號(hào)的變化速率和通道數(shù)以及被測(cè)量精度﹑分辨率﹑速度的要求等。此外,還要考慮性能價(jià)格比等。常見(jiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有以下幾種結(jié)構(gòu)形式。
1.多通道共享采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器
如圖6.3所示,這種結(jié)構(gòu)形式采用分時(shí)轉(zhuǎn)換的工作方式,各路被測(cè)信號(hào)共用一個(gè)采樣/保持器和一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器。在某一時(shí)刻,多種開(kāi)關(guān)只能選擇其中某一路,把它接入到采樣/保持器的輸入端。當(dāng)采樣/保持器的輸出已經(jīng)充分逼近輸入信號(hào)時(shí),在控制命令的作用下,采樣/保持器由采樣狀態(tài)進(jìn)入保持狀態(tài),A/D轉(zhuǎn)換器開(kāi)始進(jìn)行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換完畢后輸出數(shù)字信號(hào)。在轉(zhuǎn)換期間,多路開(kāi)關(guān)可以將下一路接通到采樣/保持器的輸入端。系統(tǒng)不斷重復(fù)上述操作,實(shí)現(xiàn)多通道模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。采樣方式按順序或隨即進(jìn)行。
這種結(jié)構(gòu)形式很簡(jiǎn)單,所用芯片數(shù)量少,適用于信號(hào)變化速率不高,對(duì)采樣信號(hào)不要求同步的場(chǎng)合。如果信號(hào)變化速率慢,也可以不用采樣/保持器。如果信號(hào)比較弱,混入的干擾信號(hào)比較大,還需要使用前置放大器和濾波器。
2.多通道同步型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
如圖6.4所示,這種結(jié)構(gòu)雖然也是分時(shí)轉(zhuǎn)換系統(tǒng),各路共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器,但每一路通道都有一個(gè)采樣/保持器,可以在同一個(gè)指令控制下對(duì)各路信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣,得到各路信號(hào)在同一時(shí)刻的瞬時(shí)值。模擬開(kāi)關(guān)分時(shí)地將各路采樣/保持器接到個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。這些同步采樣的數(shù)據(jù)可以描述各路信號(hào)的相互關(guān)系,這種結(jié)構(gòu)被成為同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如,為了測(cè)量三相瞬時(shí)功率,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須對(duì)同一時(shí)刻的三相電壓﹑電流進(jìn)行采樣,然后進(jìn)行計(jì)算。由于各路信號(hào)串行地在共用的A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行轉(zhuǎn)換,因此這種結(jié)構(gòu)的速度仍然較慢。
3. 多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
如圖6.5所示,每個(gè)通道都有獨(dú)自的采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器,各個(gè)通道的信號(hào)可以獨(dú)立進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)可以經(jīng)過(guò)接口電路直接送到計(jì)算機(jī)中。這種結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)速度最快,所用的硬件也最多,成本高。
6.3 程序控制設(shè)計(jì)
以采用為CPU的微型計(jì)算機(jī)對(duì)64路模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集為例,介紹程序控制的原理。測(cè)量物理參數(shù)的各傳感器的輸出電信號(hào)經(jīng)調(diào)理化處理(變化、放大、濾波等),輸入到多路轉(zhuǎn)換器。多路轉(zhuǎn)換器采用八片八通道的CD4051,用八位鎖存器和74LS138譯碼器進(jìn)行地址鎖存和譯碼,選通64路開(kāi)關(guān)。通道選擇及采樣速率由程序設(shè)定。采樣/保持器選用LF398,A/D轉(zhuǎn)換器選用選用ADC0804,外接RC電路,轉(zhuǎn)換時(shí)間約為100us。
在定時(shí)中斷下,要求以中斷方式每隔10ms檢測(cè)一個(gè)通道,且用CTCO作為定時(shí)器,則應(yīng)對(duì)CTC編程如下:
(1)確定通道控制字。CTCO號(hào)通道的地址由地址譯碼器硬件決定為84H,并讓該CTC通道工作在自動(dòng)啟動(dòng)方式,上升沿啟動(dòng),定標(biāo)系數(shù)為256,允許中斷,則控制字為B5H。
(2)確定輸入的時(shí)間常數(shù)。設(shè)時(shí)鐘周期,定標(biāo)系數(shù),檢驗(yàn)間隔為,則輸入的時(shí)間常數(shù)為
(3)確定中斷向量。中斷向量的高八位有編程決定。中斷向量的低八位應(yīng)在CTC初始化時(shí)送到CTC0通道。CTC的中斷向量以為標(biāo)志,表示通道地址,就CTC0而言,,設(shè),則中斷向量為F8H。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在CTC的2中斷方式下,對(duì)64路巡回檢測(cè)一邊的主程序和中斷服務(wù)程序流程圖如圖6.6666所示。 該……..
程序是針對(duì)8位A/D轉(zhuǎn)換器編寫(xiě)的,若為12A/D轉(zhuǎn)換器需適當(dāng)修改。多路轉(zhuǎn)換器的口地址為01H,啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器的控制信號(hào)的口地址為02H,8212(1)、8212(2)的口地址分別為03H、04H。這時(shí)不采用采樣保持器。按中斷方式巡回檢測(cè)的主程序及中斷服務(wù)程序如圖6.6所示。
主程序如下:
ORG 2000H
START:LD SP,3000H ;設(shè)堆棧指針
LD A,40H ;中段向量頁(yè)面地址為40H
LD I,A ;40H送I寄存器
LD A,B5H
OUT (84H),A ;送通道控制字
LD A,62H
OUT (84H),A ;置時(shí)間常數(shù)
LD A,F(xiàn)8H
OUT (84H),A ;置中斷向量
LD HL,4200H ;設(shè)置數(shù)據(jù)區(qū)首址
LD B,40H ;B為計(jì)數(shù)器,采集64個(gè)點(diǎn)
LD C,00H ;置起始模擬信號(hào)通道為0通道
IM 2 ;置中斷方式2
EI ;開(kāi)中斷
LOOP: HALT ;等待中斷
INC HL ;數(shù)據(jù)地址加1
INC C ;通道數(shù)加1
DEC B ;采樣次數(shù)減1
JR NZ,LOOP ;64次未采完返回再采
LD A,F(xiàn)3H ;關(guān)中斷
OUT (84H),A ;復(fù)位CTC
END
中斷服務(wù)程序如下:
ORG 40F8H
TAB: DW 2500H
ORG 2500H
PUSH AF ;保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)
PUSH BC
PUSH DE
PUSH HL
LD A,C
OUT (01H),A ;通道數(shù)送所存器
LD D,040H ;延時(shí),等待電路穩(wěn)定
LOOP1:DEC D
LD A,D
JR NZ,LOOP1
OUT (02H),A ;啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換
TEST: IN A,(04H) ;打開(kāi)接口8212(2)
ADD A,80H
JR NC,TEST ;沒(méi)有進(jìn)位再檢測(cè)“轉(zhuǎn)換結(jié)束”標(biāo)志
IN A,(03H) ;打開(kāi)接口8212(1)
LD (HL),A ;存A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果
POP HL ;恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)
POP DE
POP BC
POP AF
EI
RETI
ORG 4200H
DATA: DS 40H ;給數(shù)存保留64單元
END
6.4 轉(zhuǎn)速測(cè)量
在緩降器性能試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)中,需測(cè)定緩降繩的下降速度,將測(cè)定的速度與拉力大小分列在坐標(biāo)軸橫縱坐標(biāo)上,以檢測(cè)試驗(yàn)機(jī)是否合格。
我們是通過(guò)測(cè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)間接測(cè)定緩降繩的下降速度的。常用的測(cè)速設(shè)備是測(cè)度發(fā)電機(jī)。
測(cè)速發(fā)電機(jī)是用于測(cè)定和自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的一種傳感器。它由帶有繞組的定子和轉(zhuǎn)子組成。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組被供給勵(lì)磁電壓并隨被測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),定子繞組則產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速成正比的感應(yīng)電動(dòng)