方案设计书报告修改版1.docx

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方案设计书报告修改版1

北京工业职业技术学院

毕业设计报告

（矿山机电专业）

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专业班级：

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前言

《机电一体化系统设计与应用》一书是经国防科工委重点教材建设委员会审批的普通高等教育“十五”国家

本教材是很据1998年全国高等教育本科专业目录的修订精神，为适应拓展专业，培养出设计型、应用型、复合型人才，进行教案改革的需要而编写的。

本教材内容丰富，系统、全面的介绍可机电一体化系统的设计原理、设计方法、现代设计方法、系统单元设计法方法、所中典型系统设计方法、计算机应用系统及软件设计等。

并且结合工程设计和应用研究，反应当今机电系统设计的新技术、新成果。

本教材适应机械电子工程，机械设计制造及自动化、机电控制、机电一体化工业和其他相关专业的大学本、专科机电类教材，同时也可供从事机电产品设计。

制造与生产管理。

整个教材内容力求少而精。

深入浅出。

以传授基础理论和基本知识为主，并适当阐述典型的应用技术，以求理论和实践相结合。

全国通风安全界知名专家、中国矿业大学王省身教授对书稿进行了审校，提出了许多宝贵的意见和建议，并对其内容和文字进行了细致的修改，这对提高书稿质量起到了重要的保护作用。

本书编写的指导思想是：

教材内容面向21世纪，充分的反映进年来国内外矿山通风安全的最新技术发展和较为成熟的科研成果；力求体现煤与非煤结合，既适应本科采矿专业教案需要，又适应现场管理需要，为提高我国采矿工程技术和管理人员的通风与安全技术和知识水平做出应有的贡献。

建国50多年来，尤其是改革开放20多年来，我国的矿山通风安全理论和技术得到了迅速的发展，通风与安全教材亦有过较多的版本，各有特色。

本次编写过程中吸取了以前诸多教材的优点，参阅了国内外近年来发表的科技文献。

本书是在煤炭教育协会的指导下，由中国矿业大学出版社联合江西工业工程职业技术学院、云南能源职业技术学院、新疆工业高等专科学校、淮南职业技术学院、大同大学、山东科技大学、内蒙古科技大学高等职业技术学院等院校组合的《矿山机械》教材变身委员会共同编写的，史新编全国煤炭高等职业教育规划教材之一。

本书以机电系统设计及应用为主要内容，包括机电系统的设计原理，设计方法，现代设计方法，总体设计方法，可靠性及安全性设计方法；应用电路、计算机控制接口电路、多种点击控制系统设计方法，多种典型系统设计及应用程序设计方法；常用传感器、开关器件、电机、驱动器、测试仪、控制器、标准间选择使用方法等。

本书在取材方面体现了新颖的特点，在内容编排上体现了全面、系统及重点突出的特点，重于设计理论与工程设计相结合，设计理论与工程应用相结合，单元部件设计与系统设计应用相结合，系统设计与工程实际设计相结合，给出了大俩个的设计实例，详细的应用软件设计。

本书图文并茂、深入浅出、可读性强、设计应用性强。

典型的电路设计和系统设计实例，以利于增强读者的学习兴趣

1.　电气控制设计的原则和内容

1.1电气原理图设计内容

；1.2电气工艺设计内容

2.　电力拖动方案的确定和电动机的选择；

2.1电力拖动方案的确定

（1）拖动方式的选择

（2）调速方案的选择

3.　电气控制电路设计的一般要求；

3.1．电气控制应最大限度满足生产机械加工工艺要求

3.2.对控制电路电流、电压的要求

3.3.控制电路力求简单、经济

4.　电气控制电路设计的方法与步骤；

5.　常用控制电气的选择；

6.　电气控制的施工设计与施工；

6.1.电气设备总体配置设计

6.2.电气元器件布置图的设计

6.3.电气控制装置接线图的绘制

6.4.电力装备的施工

6.5.检查、调整与试运行

7.矿井通风设备的选择；

8.主扇的选择计算；

8.1计算通风机风量

8.2计算通风机风压

8.3初选通风机

9.计算电动机功率；

10.通风机类型及构造；

10.1离心式通风机的构造和工作原理；

10.2轴流式通风机的构造和工作原理；

11.主要通风机的附属装置；

11.1风硐

11.2扩散器（扩散塔）

11.3防爆门（防爆井盖）

11.4反风装置和功能

12.矿井通风设备选型

正文

1.1　电气控制设计的原则

电气控制设计的原则包括以下几项。

（1）最大限度满足生产机械和生产工艺对电气控制的要求。

（2）在满足要求的前提下，使控制系统简单、经济、合理、便于操作、维修方便、安全可靠。

（3）电气元件选用合理、正确，使系统能正常工作。

（4）为适应工艺的改进，设备能力应留有裕量。

1.2　电气控制设计的基本内容

1．电气原理图设计内容

（1）拟定电气设计任务书。

（2）选择电力拖动方案和控制方式。

（3）确定电动机的类型、型号、容量、转速。

（4）设计电气控制原理图。

（5）选择电气元件及清单。

（6）编写设计计算说明书。

2．电气工艺设计内容

（1）设计电气设备的总体配置，绘制总装配图和总接线图。

（2）绘制各组件电气元件布置图与安装接线图，标明安装方式、接线方式。

（3）编写使用维护说明书。

确定电力拖动方案时，首先应根据机床工艺要求及结构来选择电力拖动方式，确定电动机的数量，然后根据机床各运动机构要求的调速范围来选择调速方案，使电动机能得到充分合理的利用。

2.电力拖动方案的确定和电动机的选择

2.1　电力拖动方案的确定

1.1拖动方式的选择

12．调速方案的选择

（1）重型或大型设备的主运动及进给运动，应尽可能采用无级调速。

（2）精密机械设备如坐标镗床、精密磨床、数控机床等，为了保证加工精度，便于自动控制，也应采用电气无级调速方案。

（3）一般中小型设备如普通机床没有特殊要求时，可选用经济、简单、可靠的三相笼型感应电动机，配以适当级数的齿轮变速箱。

为简化结构，扩大调速范围，也可采用双速或多速笼型感应电动机。

3．电动机调速性质应与负载特性相适应

2.2　拖动电动机的选择

1．根据生产机械调速要求选择电动机种类

（1）不需调速的机械应首先考虑采用感应电动机。

（2）对于周期性波动负载的长期工作机械，为消平尖峰负载，一般采用电动机带飞轮工作，这时应考虑启动条件和充分利用飞轮的作用可采用绕线转子感应电动机。

（3）需要补偿电网功率因数及稳定的工作速度时，应优先考虑采用同步电动机。

（4）对于只需几种速度，但不要求调速的生产机械，选用多速感应电动机。

（5）要求大的启动转矩和恒功率调速时，常选用直流串励电动机，如电车、牵引车等。

2.2　拖动电动机的选择

（6）对启动、调速及制动要求较高的机械，常选用直流电动机或带调速装置的感应电动机。

（7）对于要求调速范围大的场合，常采用机械与电气联合调速。

2.2　拖动电动机的选择

2．根据工作环境选择电动机结构形式

（1）在正常环境条件下，一般采用防护式电动机；在人员及设备安全有保证的前提下，也可采用开启式电动机。

（2）在空气中存在较多粉尘的场所，宜用封闭式电动机。

（3）在湿热带地区或比较潮湿的场所，应尽量选用湿热带型电动机，若用普通型电动机，应采取相应的防潮措施。

（4）在露天场所，宜选用户外型电动机，若有防护措施的也可采用封闭型或防护型电动机。

（5）在高温车间，应根据周围环境温度，选用相应绝缘等级的电动机，并加强通风，改善电动机的工作条件，提高电动机的工作容量。

（6）在有爆炸危险及有腐蚀性气体的场所，应相应地选用隔爆型及防腐型电动机。

3．电动机额定转速的选择

对于额定功率相同的电动机，额定转速越高的电动机成本越小，越经济，但电动机转速越高，传动机构转速比越大，传动机构越复杂。

因此，应综合考虑电动机的工作特点及生产机械结构两方面多种因素来确定电动机的额定转速。

4．电动机额定电压的选择

电动机额定电压应与供电电源电压相一致。

5．电动机额定功率的选择

依据生产实践验证，选择电动机容量时，电动机的额定功率一般比拖动的机械所需之功率大10%左右为宜。

2.2　拖动电动机的选择

3　电气控制电路设计的一般要求

1．电气控制应最大限度满足生产机械加工工艺要求

在设计之前，必须与机械设计人员充分沟通，应对生产机械的工作性能、结构特点和加工工艺过程有充分的了解；并对同类或接近产品进行调研、分析和综合；然后提出控制方案，考虑控制方式、启动、制动、反向及调速的要求，设置必要的联锁与保护，以便最大限度地满足生产机械加工工艺的要求。

2．对控制电路电流、电压的要求

应选择标准的控制电压等级，尽量减少控制电路中电压、电流的种类。

3．控制电路力求简单、经济

1）尽量缩短连接导线的长度与导线数量

2）尽量减少电气元件的品种、数量和规格

3）尽量减少电气元件触点的数目

4）尽量减少通电电器的数目

4．确保控制电路工作的安全与可靠

1）正确连接电器的线圈

2）正确连接电器元件的触点

3）防止寄生电路

4）在控制电路中控制触点应合理布置

5）考虑触点的接通与分断能力

6）避免触点“竞争”、“冒险”现象

7）采用电气互锁与机械互锁的双重互锁

4.1　电气控制电路设计方法简介

分析设计法：

根据生产工艺的要求，选择一些成熟的典型基本环节来实现这些基本要求，而后再逐步完善其功能，并适当配置联锁和保护等环节，使其组合成一个整体，成为满足控制要求的完整电路。

逻辑设计法：

利用逻辑代数这一数学工具设计电气控制电路。

在继电接触器控制电路中，把表示触点状态的逻辑变量称为输入逻辑变量，把表示继电器接触器线圈等受控元件的逻辑变量称为输出逻辑变量。

输入、输出逻辑变量之间的相互关系称为逻辑函数关系，这种相互关系表明了电气控制电路的结构。

所以，根据控制要求，将这些逻辑变量关系写出其逻辑函数关系式，再运用逻辑函数基本公式和运算规律对逻辑函数式进行化简，然后根据化简了的逻辑关系式画出相应的电路结构图，最后再做进一步的检查和优化，以期获得较为完善的设计方案。

4.2　分析设计法的基本步骤

（1）按工艺要求提出的启动、制动、反向和调速等要求设计主电路。

（2）根据所设计出的主电路，设计控制电路的基本环节，即满足设计要求的启动、制动、反向和调速等的基本控制环节。

（3）根据各部分运动要求的配合关系及联锁关系，确定控制参量并设计控制电路的特殊环节。

（4）分析电路工作中可能出现的故障，加入必要的保护环节。

（5）综合审查，仔细检查电气控制电路动作是否正确，关键环节可做必要实验，进一步完善和简化电路。

3　分析设计法设计举例

图4.9　送料小车动作示意图

有一送料小车，如图4.9所示，电动机的技术数据为Y180L-４。

额定功率为7.5kW、额定转速为1470r/min、额定电压为AC380V。

额定电流为13.5A。

要求动作程序如下。

（1）小车从甲地启动后，运行至乙地能自动停止，停留t1时间装料后自动返回。

（2）小车返回至甲地能自动停止，停留t2时间卸料后又自动启动。

（3）小车经过乙地不停止，运行至丙地又自动停止，停留t3时间，装另一种料后自动返回。

（4）小车返回经过乙地不停止，返回到甲地后自动停止，完成了一个工作循环；在甲地停留t2时间，卸料后又自动启动，小车运行至乙地自动停止。

以后又按上述过程自动循环下去。

1．控制线路原理图设计

1）主电路

根据控制要求可将主电路设计成带断电抱闸制动的正反转控制，如图4.10所示。

2）控制电路

符　　号

名　　称

型　　号

规　　格

数　　量

M1

三相异步电动机

Y180L-4

7.5kW，380V，13.5A，1470r/min

1

KM1，KM2

交流接触器

CJ20-25

20A，线圈电压220V

2

FR1

热继电器

JR16-20

热元件的额定电流为16A

1

KT1，KT2，KT3

时间继电器

JS-20

线圈电压220V

3

KV

电压继电器

线圈电压220V

1

SQ1，SQ2，SQ3

行程开关

LX19-111

线圈电压220V

3

SB1，SB3，SB4

控制按钮

LA-11D

5A，绿色

3

SB2

控制按钮

LA-11DJ

5A，红色

1

QS

电源开关

H33-15/3

三极，15A

1

FU1

熔断器

电压开关自带，15A

1

FU2

熔断器

RC1-15

500V，熔体2A

1

KA

中间继电器

JZ7-44

线圈电压220V

1

3．绘制电气元件布置图和电气安装接线图

1）电气元件布置图

2）电气安装接线图

5　常用控制电气的选择

5.1　接触器的选择

1．接触器的类型选择

2．接触器的使用类别选择

3．额定电压的选择

4．额定电流的选择

5．吸引线圈的额定电压

5.2　电磁式继电器的选择

1．电磁式电压继电器的选择

2．电磁式电流继电器的选择

3．电磁式中间继电器的选择

5.3　热继电器的选择

1．热继电器结构形式的选择

2．热继电器额定电流的选择

5.4　时间继电器的选择

（1）电流种类和电压等级：

应与控制电路一致。

（2）延时方式：

根据控制电路的要求选择通电延时型或断电延时型。

（3）触点形式和数量：

根据控制电路的要求选择触点形式及数量。

（4）延时精度：

根据控制电路的要求选择，延时精度要求不高的场合可选择空气阻尼式的时间继电器；延时精度要求高的场合可选择电动式或电子式的时间继电器。

（5）延时时间：

应能满足控制要求。

（6）操作频率：

不宜过高，否则影响寿命，甚至会导致动作失调。

5.5　熔断器的选择

1．一般熔断器的选择

熔断器的类型应根据电路要求、使用场合及安装条件来选择，其保护特性应与被保护对象的过载能力相匹配。

同时，熔断器的极限分断能力应大于或等于所保护电路可能出现的短路电流值，这样才能得到可靠的短路保护。

2．快速熔断器的选择

（1）快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压。

（2）快速熔断器的额定电流应大于或等于内部熔体的额定电流。

5.6　开关电器的选择

1．刀开关的选择

（1）根据刀开关在线路中的作用和安装位置选择其结构型式。

（2）根据线路电压和电流来选择。

（3）刀开关的极数应与所在电路的极数相同。

2．组合开关的选择

（1）组合开关主要根据电源种类、电压等级、所需触点数及电动机容量来选择。

（2）组合开关不能用来分断故障电流。

（3）组合开关的操作频率不宜太高。

（4）对用于控制电动机可逆运行的组合开关，必须在电动机完全停止转动后才允许反方向接通。

（5）组合开关本身不具备过载、短路和欠电压保护。

3．低压断路器的选择

低压断路器的选用原则如下。

（1）断路器的额定电压和额定电流应大于或等于电路的正常工作电压和电流。

（2）断路器的极限通断能力应大于或等于电路的最大短路电流。

（3）欠电压脱扣器的整定电压应等于电路的额定电压。

（4）热脱扣器的整定电流应等于电路的额定电流。

（5）对保护笼型感应电动机，断路器的电磁脱扣器（过电流脱扣器）的瞬时脱扣整定电流为8～15倍电动机额定电流，而保护绕线式电动机时为3～6倍。

5.7　控制变压器的选择

根据一次和二次电压等级及所需要的变压器容量来选择。

（1）控制变压器一、二次电压应与交流电源电压、控制电路电压与辅助电路电压相符合。

（2）变压器长期运行时，最大工作负载时变压器的容量应大于或等于最大工作负载所需要的功率

5.7　控制变压器的选择

根据一次和二次电压等级及所需要的变压器容量来选择。

（1）控制变压器一、二次电压应与交流电源电压、控制电路电压与辅助电路电压相符合。

（2）变压器长期运行时，最大工作负载时变压器的容量应大于或等于最大工作负载所需要的功率，计算公式为

ST≥KT　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（4.5.8）

式中：

ST——控制变压器所需容量，VA；

——控制电路最大负载时工作的电器所需的总功率，其中PXC为电磁器件的吸持功率，W；

KT——控制变压器容量储备系数，一般取1.1～1.25。

控制变压器容量应使已吸合的电器在启动其他电器时仍能保持吸合状态，而启动电器也能可靠地吸合。

6　电气控制的施工设计与施工

6.1　电气设备总体配置设计

总体配置设计是以电气控制的总装配图与总接线图的形式表达出来的，图中是用示意方式反映各部分主要组件的位置和各部分的接线关系、走线方式及使用管线要求。

6.2　电气元器件布置图的设计

电柜内的电器可按下述原则布置。

（1）体积大或较重的电器应置于控制柜下方。

（2）发热元件安装在柜的上方，并将发热元件与感温元件隔开。

（3）强电弱电应分开，弱电部分应加屏蔽隔离，以防强电及外界的干扰。

（4）电器的布置应考虑整齐、美观、对称。

（5）电气元器件间应留有一定间距，以利布线、接线、维修和调整操作。

（6）接线座的布置：

用于相邻柜间连接用的接线座应布置在柜的两侧；用于与柜外电气元件连接的接线座应布置在柜的下部，且不得低于200mrn。

6.3　电气控制装置接线图的绘制

（1）接线图的绘制应符合GB6988.3—1997的规定。

（2）电气元器件相对位置与实际安装相对位置一致。

（3）接线图中同一电气元件中各带电部件，如线圈、触点等的绘制采用集中表示法，且在一个细实线方框内。

（4）所有电气元件的文字符号及其接线端钮的线号标注均与电气控制电路图完全相符。

（5）电气接线图一律采用细实线绘制。

（6）接线图中应标明连接导线的型号、规格、截面积及颜色。

6.4　电力装备的施工

1．电气控制柜内的配线施工

（1）不同性质与作用的电路选用不同颜色导线。

（2）所有导线中间不许有接头。

2．电柜外部配线

（1）所用导线皆为中间无接头的绝缘多股硬导线。

（2）电柜外部的全部导线一律都要安放在导线通道内。

3．导线截面积的选用

导线截面积应按正常工作条件下流过的最大稳定电流来选择，并考虑环境条件。

6.5　检查、调整与试运行

（1）检查接线图。

（2）检查电气元件，对照电气元件明细表。

（3）检查接线是否正确。

（4）进行绝缘实验。

（5）检查、调整电路动作的正确性。

7.矿井通风设备是指主要通风机和电动机。

（1）矿井必须装设两套同等能力的主通风设备，其中一套做备用。

（2）选择通风设备应满足第一开采水平各个时期工况变化，并使通风设备长期高效率运行。

当工况变化较大时，根据矿井分期时间及节能情况，应分期选择电动机。

（3） 通风机能力应留有一定的余量，轴流式通风机在最大设计负压和风量时，轮叶运转角度应比允许范围小5°；离心式通风机的选型设计转速不宜大于允许最高转速的90%。

（4）进、出风井井口的高差在150m以上，或进、出风井井口标高相同，但井深400m以上时，宜计算矿井的自然风压。

8.主扇的选择计算；

8.1计算通风机风量

每个风井选用1个主扇风机，由于外部漏风（即井口防爆门及主要通风机附近的反风门等处的漏风），风机风量Qf应大于矿井风量Qm。

 m3/min   

  式中：

k—漏风损失系数，风井不做提升井用时取1.1

8.2计算通风机风压

对抽出式通风矿井：

选用轴流式通风机其风压按下式计算：

轴流式通风机：

容易时期：

      htdmin=hm+hd-h

困难时期：

      htdmax=hm+hd+h                       

式中：

h—轴流式通风机全压，Pa；

      h—矿井通风总阻力，Pa；

      h—通风机附属装置（风硐和扩散器）的阻力，设计中取150-200Pa，取150Pa。

      h-自然风压，Pa。

计算自然风压：

由表1-3空气密度表和第一水平标高为-380m，可得自然风压为：

冬天：

h=（ρ-ρ）gh=（1.24-1.20）×9.8×380=148.96Pa

夏天：

可知为-148.96Pa

轴流式通风机：

容易时期：

htdmin=hm+hd-h=1380.832+150-148.96=1382Pa

困难时期：

htdmax=hm+hd+h=1472.018+150+148.96=1771Pa

8.3初选通风机

1）用全压特性曲线时：

计RTdmin===0.363

STdmax===0.466

根据主要通风机的工作风阻值和公式可以作出矿井通风网络风阻特性曲线可以看出，在FBDCZ系列样本上选用：

FBDCZ-6-NO.18防爆轴流通风机。

主要参数如下：

风量21.4～67.4m3/s

静压1517～4774Pa

功率2×185kw

据此，本矿所选轴流式通风机的型号为FBDCZ-6-NO.18，每个回风井安装两台风机,一台工作一台备用。

其性能参数如表4-1所示。

表4-1主扇性能参数表

通风时期

风 量（m3/s）

负 压（Pa）

效率（%）

叶片角（°）

转速（r/min）

轴功率（kW）

工作状况

56.25

2500

79.5

44

980

384

计算电动机功率；

9.1电动机选择

（1）通风机输入功率按通风容易及困难时期，分别计算通风机所需输入功率Nmin、Nmax。

Nmin=QfHtdmin/（1000ηt）           Nmax=QfHtdmax/（1000ηt）

式中ηt为通风机全压效率；

Nmin=QfHtdmin/（1000ηt）=57.61×1382/（1000×79.5%）=100.1

Nmax=QfHtdmax/（1000ηt）=57.61×1771/（1000×79.5%）=128.3

（2）电动机的台数和种类

当Nmin≥0.6Nmax时，可选一台电动机，电动机功率为

Ne=Nmax•ke/（ηeηtr）

式中ke——电动机容量备用系数，ke=1.1～1.2，取1.2

ηe——电动机效率，ηe=0.9～0.94（大型电动机取较高值）取0.94

ηtr——传动效率，电动机与通风机直联时ηtr=1，皮带传动时ηtr=0.95，取1。

0.6Nmax=0.6×128.3=77.0<100.1，因此一个风井选用一台电动机。

Ne=Nmax•ke/（ηeηtr）=128.3×1.2/（0.94×1）=163.8

电动机为YBFe355M2-6型，185kW，980r／min。

从以上计算和选型可以看出设计选用的FBDCZ-6-NO.18风机所配的YBFe355M2-6,185电机可满足要求。

掘进使用局部扇风机，其型号为JBT-52（11KW）型局部通风机，供风量为200。

通风机类型及构造

矿井通风的主要动力是通风机。

通风机是矿井的“肺脏”。

其日夜不停地运转，加之其功率大，因此其能耗很大。

据统计，全国国有煤矿主要通风机平均电耗约占矿井电耗的16%。

所以合理的选择和使用通风机，不仅关系到矿井的安全生产和职工的身体健康，而且对矿井的主要技术经济指标也有一定的影响。

矿井通风机按其服务范围可分为三种:

（1）.主要通风机，服务于全矿或矿井的某一部分；

（2）辅助通风机，主要服务于矿井网络的某一分支（采区或工作面），帮助主要通