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黃河科技學院畢業(yè)設計(文獻綜述) 第 8 頁
砂輪回轉試驗機設計文獻綜述
摘 要 本文介紹了大型自動控制砂輪回轉試驗機的設計研制,通過設計一體式砂輪卡盤及新結構防護罩,采用交流變
頻、計算機控制技術,研制出了新一代性能優(yōu)良的大型回轉試驗機,具有自動化程度高,操作維護簡便,數(shù)字化顯示主軸
轉速,節(jié)能等優(yōu)點。
關鍵詞 自動控制;砂輪;回轉試驗機
1 概述
砂輪回轉強度是衡量砂輪質量的最重要指標之一,直接影響到人身及設備的安全,回轉機是檢測砂輪回轉強度的專用設備。隨著我國加入WTO 和機械行業(yè)的振興,特別是汽車行業(yè)的發(fā)展,對曲軸磨等大直徑砂輪的需求迅速增長,因而生產(chǎn)大直徑砂輪廠家的數(shù)量增多,砂輪生產(chǎn)廠家和使用廠家對大型回轉機的市場需求變大。
我國目前生產(chǎn)和使用的大型回轉機主要有以下幾種: (1)簡易回轉機:采用人工開關直接控制電機的啟動停止,電機和回轉機主體分別固定在基礎上,無測速及速度控制裝置,速度變化通過更換皮帶輪來實現(xiàn),速度誤差大,安全防護措施簡單,屬于五六十年代的水平。(2)使用電磁調(diào)速電機拖動的回轉機:通過控制器控制調(diào)速電機的運行及速度,控制簡單,便于維修;利用轉速表可實現(xiàn)速度的測量及顯示。缺點是噪音大,不能實現(xiàn)速度的閉環(huán)控制,控制精度低;由于電磁調(diào)速電機要通過電磁離合器傳遞力矩,故同樣載荷下所需電機功率較大。( 3)采用直流電機拖動回轉機:直流電機拖動的回轉機,這種設備噪音低,升降速平穩(wěn),控制精度高,但線路復雜,造價也偏高,維修水平要求也高。
綜上所述,從目前已生產(chǎn)出回轉機的情況來看還有許多需加以改進的地方:(1)主軸系統(tǒng)需重新設計。主軸系統(tǒng)是回轉機的關鍵,現(xiàn)在的主軸系統(tǒng)采用分體結構,油浴潤滑,結構復雜,精度不易保證,裝配維修復雜。(2)防護罩存在著安全隱患?，F(xiàn)有的回轉機均采用活動式防護罩,沉重的防護罩僅靠立柱通過螺栓固定,存在著安全隱患。(3)裝卸砂輪麻煩。由于砂輪沉重,常采用數(shù)人人工裝卸,勞動強度大且不安全;條件較好的廠家采用軟帶兜著砂輪而后行車裝卸,工人勞動強度降低了,但行車裝卸找正不易,最少仍需兩人且配合要特別好。(4)電氣控制部分有的極其簡單, 有的線路復雜,造價也偏高,維修水平要求也高,已不能適應信息社會及行業(yè)發(fā)展的要求。本設備的推出,對提高砂輪檢測設備的水平,促進技術進步,具有較大的積極作用。
2 調(diào)速技術簡述
回轉試驗機由于適用的砂輪規(guī)格較多,相關標準對砂輪試驗時的速度精度要求嚴格,所以要求回轉試
驗機有很好的調(diào)速和穩(wěn)速性能,調(diào)速范圍從幾百轉/分到數(shù)千轉/分。常用的調(diào)速技術有:機械調(diào)速、液壓氣動調(diào)速、電氣調(diào)速,下面簡要介紹各種調(diào)速技術的優(yōu)缺點。
⑴機械調(diào)速通過采用各種齒輪、鏈輪、蝸輪蝸桿減速器,僅能得到有限的一擋或幾檔速度, 一般用于減速傳動; 采用摩擦輪的各種機械式變速器,一般用于低速傳動,傳遞功率較小。機械調(diào)速裝置體積大,噪音大,調(diào)速范圍有限。
⑵液壓、氣動調(diào)速通過采用節(jié)流閥或變量泵來改變供給液壓馬達的流量,可實現(xiàn)液壓馬達轉速的無級調(diào)整。液壓調(diào)速在速度變化范圍寬時低速功率損失較大,調(diào)速精度不易保證,液壓調(diào)速裝置易發(fā)生跑冒滴漏,發(fā)熱量大,液壓泵噪音大。液壓調(diào)速國外只在小型高速輕負荷的回轉試驗機有所應用,國內(nèi)尚無實例。氣動調(diào)速機械特性很軟,不能適用于回轉試驗機,噪音同樣較大。
⑶電氣調(diào)速分交流調(diào)速和直流調(diào)速兩種方式。直流調(diào)速線路復雜,造價也偏高?，F(xiàn)主要介紹交流調(diào)速。
近十年來,隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發(fā)展,電氣傳動技術面臨著一場歷史革命,即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計算機數(shù)字控制技術取代模擬控制技術已成為發(fā)展趨勢。電機交流變頻調(diào)速技術是當今節(jié)電、改善設備性能以提高產(chǎn)品質量和改善環(huán)境、推動技術進步的一種主要手段。變頻調(diào)速是通過改變電機電流的頻率進而改變電機的轉速,已從簡單的V / f控制到高性能的矢量控制、磁通控制、轉矩控制、模糊控制等新的方式; 16 位、32位高速微處理器以及信號處理器(DSP)和專用集成電路(ASIC)技術的快速發(fā)展,為實現(xiàn)變頻器高精度、多功能提供了硬件手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起、制動性能,高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果,廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內(nèi)外公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。變頻器從模擬式、數(shù)字式、智能化、多功能向集中型發(fā)展。最近,日本安川公司提出了以變頻器、伺服裝置、控制器及通訊裝置為中心的” D&M&C”概念。
我國變頻器設計制造水平、產(chǎn)品質量、可靠性、售后服務水平都有了顯著的提高,價格迅速降低,性價比明顯。變頻調(diào)速技術的應用范圍已有很大發(fā)展,石油、石化、機械、冶金、紡織等行業(yè)都經(jīng)過了單系統(tǒng)試用、大量使用和整套裝置系統(tǒng)使用3個發(fā)展階段。將變頻技術用于磨料磨具行業(yè)到了水到渠成的時候。
3 設計與研制
參照國內(nèi)外現(xiàn)有相近的回轉試驗機,結合我們多年的實際經(jīng)驗,經(jīng)過分析和論證,我們確定了下述技術方案:
⑴重新設計主軸系統(tǒng),提高其裝配精度;重新設計新結構的防護罩,消除安全隱患;設計新結構的砂輪卡盤,便于砂輪裝卸。
⑵采用先進的變頻調(diào)速技術,實現(xiàn)電機轉速的無級調(diào)整。
⑶采用微機解決相應的軟硬件問題,通過人機對話界面輸入砂輪有關的實驗參數(shù),能自動檢查、提示;設備運行狀態(tài)有指示燈顯示;實時數(shù)字顯示主軸的瞬間轉速;試驗數(shù)據(jù)可按用戶的要求進行查詢、打印。
⑷采用單片機為前置機,接受微機Rs232口發(fā)出的控制指令,控制變頻器的運行;單片機把主軸運行狀態(tài)通過微機Rs232口在主控界面上顯示出來,從而由微機實現(xiàn)檢驗過程的全自動控制。根據(jù)技術方案,進行了設計與研制:
3. 1 機械設計
3. 1. 1 主電機功率確定
本設備適用砂輪的直徑范圍: 300～1100mm;最高轉速6000r /min;最大負荷150kg;砂輪最大使用速度100m / s。采用變頻調(diào)速技術后根據(jù)計算和經(jīng)驗,確定主電機功率2.2kW,轉速2840 r /min。
3. 1. 2 軸承的選擇
軸承是主軸系統(tǒng)的關鍵件,由于軸承要承受砂輪高速旋轉狀態(tài)下不平衡所產(chǎn)生的巨大離心力,又要高速旋轉,為避免因配合精度導致主軸旋轉過程中溫度過高及平穩(wěn)性受影響,以往采用高精度進口軸承,價格昂貴。為了在滿足設備性能需要的同時又降低成本和便于采購,我們考察了國內(nèi)主要的軸承生產(chǎn)廠家,我們選用了角接觸軸承7022AC /P5。為了滿足軸承的潤滑要求,降低噪聲,我們優(yōu)選了高性能的軸承潤滑脂,該潤滑脂耐160℃的溫度,可滿足高速大負荷軸承的潤滑要求,可長期使用,避免了采用油浴潤滑易于泄露污染的缺點。
3. 1. 3 主軸的結構
鑒于試驗的砂輪孔徑不同, 其孔徑從D127 ～D305mm,主軸的結構有兩種方案可供選擇。一:主軸采用通軸結構,不同孔徑通過更換卡盤的方式來解決,主軸精度高,容易加工。二:主軸采用錐軸結構,不同孔徑的砂輪可用強度相匹配的芯軸,但是加工難度大,精度不易保證。經(jīng)過分析論證,我們采用了方案一進行主軸的設計。為減小高速回轉砂輪產(chǎn)生的振動,應保證砂輪裝卡過程中其對軸心的同軸度,我們提高了砂輪卡盤內(nèi)孔和主軸配合精度。主軸材料為40Cr,主軸加工采取通軸精磨。為避免裝卸砂輪對主軸表面的磨損及磕碰,影響其安裝精度,造成偏心力增大而引起劇烈振動,主軸表面高頻淬火提高其表面硬度。
3. 1. 4 設計新結構的砂輪卡盤,便于砂輪裝卸。
我們設計新結構的一體式砂輪卡盤。安裝砂輪時首先將砂輪卡盤和砂輪固定在一起,然后用吊鉤鉤著卡盤,平衡吊車輕松找正,一人即可操作。既減輕了工人勞動強度且安全性提高,又保證了砂輪內(nèi)孔在裝卸中不受破壞。
3. 1. 5 設計新結構的防護罩。
砂輪檢驗時在回轉過程中經(jīng)常破碎,直接影響到人身及設備的安全,防護罩是提供保護的最重要部件。
現(xiàn)有的回轉機均采用活動式防護罩,沉重的防護罩僅靠立柱通過螺栓固定機座或基礎上,存在著安全隱患,某廠就發(fā)生過立柱斷裂情況,險些傷人。防護罩本身有數(shù)百公斤重,砂輪檢驗在回轉過程中破碎,由動能定律知,碎片擊打防擴罩的能量相當高,可達數(shù)噸/米。固定防護罩的立柱呈懸臂結構,砂輪經(jīng)常破碎所產(chǎn)生的強大沖擊力使立柱發(fā)生疲勞破壞,固定螺栓易于松動,危及人身及設備的安全。同時數(shù)百公斤重的防護罩開關亦不方便。我們設計的防護罩牢固地焊接在機座上,從根本上保證了人身及設備的安全。防護罩采用雙層結構,內(nèi)外圈之間加減振材料,減少噪聲。防護罩上裝有輕便的安全門,砂輪裝卸打開安全門即可,操作方便。
3. 2 自動控制系統(tǒng)設計與研制
經(jīng)過分析和論證,我們認為控制系統(tǒng)應實現(xiàn)以下功能:
( l)實時數(shù)字顯示主軸的瞬間轉速。
(2)設備運行狀態(tài)有指示燈顯示。
(3)主軸運行曲線調(diào)整。
(4)電氣能耗剎車。
(5)輸入?yún)?shù)自動檢查、提示。
(6)試驗數(shù)據(jù)可按用戶的要求進行查詢、打印。
自動控制系統(tǒng)由微機和單片機聯(lián)合控制實現(xiàn)設備的自動工作。此系統(tǒng)中,單片機部分作為前置機,通過
串口接受微機發(fā)出的控制指令,微機通過Rs232口再把單片機傳送過來的主軸運行狀態(tài)顯示出來在主控界面上,從而由微機實現(xiàn)檢驗過程的全自動控制。微機通過人機對話界面輸入砂輪的外徑、工作線
速度或檢驗轉速等與砂輪有關的實驗參數(shù),若待檢砂輪的實驗參數(shù)輸入錯誤、不符合標準,可自動檢查、提示;設備運行狀態(tài)有指示燈顯示;實時數(shù)字顯示主軸的瞬間轉速;試驗數(shù)據(jù)可按用戶的要求進行查詢、打印。
人機對話界面
單片機系統(tǒng)采用價廉、抗干擾性能好的51系列單片機,控制系統(tǒng)根據(jù)設定轉速值和升速時間,計算出用
于控制D /A轉換的單位時間的遞增值,D /A輸出的電壓控制變頻器的輸出頻率,從而控制主軸按設定的升速曲線將主軸的轉速從零勻速升至設定轉速。轉速升到設定轉速值,啟動維持時間定時器,開始計時,進入維持時間。在維持轉速時間內(nèi)根據(jù)設定轉速與實際轉速的誤差,應用PID方法調(diào)節(jié),使轉速維持在1%的誤差范圍內(nèi)。
4 設備技術指標
設備達到的技術指標如下:
⑴回轉砂輪最大直徑: 1100mm
⑵最高轉速4000 r /min
⑶最大負荷150kg
⑷主軸徑向跳動0. 02mm
⑸轉速調(diào)整精度≤0. 5%
⑹轉速靜態(tài)穩(wěn)定度≤0. 5%
⑺空載時最大噪音80分貝
⑻轉速變化率≤1%
⑼延時精度≤1%
⑽電機功率11kW
5 使用結果
設備經(jīng)一汽集團大連柴油機廠、二汽發(fā)動機廠等用戶使用,用于曲軸磨等大直徑砂輪的試驗,普遍反映該設備具有自動化程度高、操作簡便、數(shù)值化顯示主軸轉速準確直觀、維護簡單方便、節(jié)能、便于管理,其性能優(yōu)于國內(nèi)其他同類型砂輪回轉機。
6 結論
通過重新設計主軸系統(tǒng),采用交流變頻、微機控制技術,研制出了新一代性能優(yōu)良的大型回轉試驗機,具有操作簡單、維護簡單方便、節(jié)能降耗、試驗數(shù)據(jù)可按用戶的要求進行查詢打印等特點,所研制的自動控制大型砂輪回轉強度試驗機先進適用,該設備的研制成功提高了我國砂輪檢測設備的技術水平。
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