PLC升降电梯驱动系统设计及控制电路设计机电类毕业设计.docx

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PLC升降电梯驱动系统设计及控制电路设计机电类毕业设计

摘要

电梯曳引机是电梯的主要组成部分，它的设计水平、产品质量，直接影响电梯的产品质量，其强度和寿命直接影响电梯寿命和工作可靠性，它的振动和噪声直接影响人员乘坐电梯的舒适感。

因此本设计的主要内容为曳引机主传动机构的设计与计算。

关键词:

电梯；电梯曳引机；曳引机主传动机构

ABSTRACT

Elevatortractorisproductquantitythatthedesignlevel,productquantitythattheelevatorconstitutesthepartprimarily,it,directinfluenceelevator,itsstrengthaffecttheelevatorlifespanwithworkwithlifespandirectlydependable,itofthevibrationfeelswithacomfortfordirectlyaffectingpersonnelembarkingelevator.Amaincontentsfordesigningspreadsthedesignthatmovetheorganizationforthelordandcalculation.

Keywords:

Elevatortractor;Elevator;Thetractorlordspreadstomovetheorganization

1绪论………………………………………………………………………………………...4

1.1引言……………………………………………………………………………………….…….5

1.2电梯（垂直梯）简介……………………………………………………………………………5

1.2.1电梯的组成……………………………………………………………………………..5

1.1.2电梯的（垂直梯）分类………………………………………………………………….5

1.3曳引机的主要技术指标………………………………………………………………………..6

1.3.1要确保电梯承载能力及曳引机的强度…………………………………………………6

1.3.2具有较高的传动效率……………………………………………………………………6

1.3.3具有较高的体积载荷……………………………………………………………………6

1.3.4应满足电梯所需的运动特性……………………………………………………………6

1.3.5应具有较低的振动和噪声………………………………………………………………6

1.3.6应具有合理的结构………………………………………………………………………6

1.3.7具有灵活可靠的制动系统………………………………………………………………7

2电梯的驱动功率计算……………………………………………………………………..7

2.1曳引比与曳引力………………………………………………………………………………..7

2.1.1曳引传动与曳引传动形式………………………………………………………………7

2.1.1.1曳引比和机械效益…………………………………………………………………….7

2.1.1.2电梯的曳引传动形式………………………………………………………………….7

2.1.2作用在曳引轮上的静力…………………………………………………………………7

2.1.3曳引轮两侧静拉力计算…………………………………………………………………8

2.2曳引轮上的静转矩…………………………………………………………………………...8

2.2.2静摩擦转矩………………………………………………………………………………9

2.2.3F和Q的讨论……………………………………………………………………………9

2.2.4静转矩的讨论……………………………………………………………………………9

2.2.5.1曳引轮承受的静转矩变化…………………………………………………………….9

2.2.5.2设计载荷……………………………………………………………………………...10

2.3.1曳引机驱动转矩的计算………………………………………………………………..10

2.4.1动量定理及曳引力……………………………………………………………………...11

2.4.2输入功率的简易计算方法……………………………………………………………..12

3  曳引机主传动机构的设计与计算……………………………………………………..12

3.1普通圆柱蜗杆副几何参数搭配方案是：

……………………………………………………12

3.2几何计算中注明的几个问题…………………………………………………………………15

3.2.1齿形的改进……………………………………………………………………………..15

3.2.2不发生根切的最小变位系数…………………………………………………………..15

3.2.3圆柱蜗杆传动的强度计算…………………………………………………………….16

3.2.4共轭蜗轮传动的受力分析……………………………………………………………..16

3.2.5圆柱蜗杆传动承载能力计算………………………………………………………….16

3.2.5.1设计准则……………………………………………………………………………...16

3.2.5.2校核计算式…………………………………………………………………………..17

3.2.5.2许用应力[σ]…………………………………………………………………………17

3.2.5.3功率与转矩的计算…………………………………………………………………...18

3.2.5.4圆柱蜗杆、蜗轮、蜗轮轴的材料……………………………………………………18

3.2.5.5轴系零件的配合精度………………………………………………………………...19

4 曳引机的设计…………………………………………………………………………..19

4.1曳引机的额定载重量……………………………………………………………………….19

4.2额定速度……………………………………………………………………………………..19

4.3曳引机减速器的中心距……………………………………………………………………...19

4.4交流电动机………………………………………………………………………………….19

4.5曳引机的总体设计……………………………………………………………………………19

4.6.1关于制动机构位置的讨论………………………………………………………………….20

4.6.2曳引机需要机架，以便在机房内安装。

…………………………………………….20

4.6.3电动机的选用…………………………………………………………………………..20

4.6.4传动比…………………………………………………………………………………..20

4.6.5曳引轮…………………………………………………………………………………..20

4.6.6曳引比的应用…………………………………………………………………………..20

4.7整体方案讨论…………………………………………………………………………………21

4.8箱体结构设计的讨论…………………………………………………………………………21

4.9箱体尺寸的确定………………………………………………………………………………21

4.10箱体肋的设置………………………………………………………………………………..22

4.11箱体设计应合理处理的几个问题………………………………………………………….22

4.12轴承位置……………………………………………………………………………………..23

4.13箱体设计的对称性………………………………………………………………………….23

4.14曳引机轴的结构设计……………………………………………………………………….24

4.15轴承的选用…………………………………………………………………………………..27

4.15.1曳引机用轴承一般分两大类…………………………………………………………27

4.15.2滚动轴承的寿命计算………………………………………………………………...27

4.16联轴器的选用……………………………………………………………………………….29

4.17.1制动机构的设计与计算…………………………………………………………………...30

4.17.2制动机构的类型与特点……………………………………………………………...31

4.17.3制动器的选择与设计………………………………………………………………...31

4.18.1曳引轮的设计与计算……………………………………………………………………..31

4.18.2曳引轮绳槽形状…………………………………………………………………………..32

5控制系统设计……………………………………………………………………………34

5.1自动开关门的控制线路…………………………………………………………………...…35

5.2轿厢指令和层站召唤线路……………………………………………………………………36

5.3电梯的定向、选层线路……………………………………………………………………….37

5.4将PC机应用在电梯控制中………………………………………………………………….37

外文文献……………………………………………………………………………………...38

总结…………………………………………………………………………………………...38

致谢…………………………………………………………………………………………...39

参考文献……………………………………………………………………………………...39

第1章 绪论

1.1引言

电梯是机电一体化的典型产品，大力开发电梯产品不公可以供给各行业部门所需的运载设备而且可用带动高新机电技术的发展。

电梯可分为两大类：

一类是垂直升降电梯（简称垂直或通常所谓的电梯），一类是自动扶梯（含自动人行道，简称扶梯或电扶梯）

自动扶梯是通过电动机带动传动机构驱动梯级执行输送任务的，把电动机主传动机构，制动系统则是通过电动机驱动减速器，靠减速器从动轴上的曳引轮与钢丝绳之间的摩擦力矩牵动轿厢与配重（或称对重）上，下运动实现运输的目的，因为它是靠摩擦力牵动执行机构工作，故把电动机减速器，曳引轮和辅助机构-------制动器作为整体，称电梯曳引机。

曳引机分有齿曳引机和无齿曳引机两大类，本人采用的是有齿曳引机。

电梯曳引系统中的曳引机减速器，曳引机（简称绳轮）和动轮（由曳引比体现）组成了电梯的减速器多为齿轮副（含蜗杆副，行星系）减速器，该减速器中的齿轮副即为电梯的主传动机构。

电动机输入转矩T1，驱动曳引机减速器中的主传动机构，通过减速带动曳引轮转动，这时利用轿厢和配重的重量在曳引轮与钢丝绳之间产生的摩擦力矩，拖动轿禁止与配重上、下运动，从而完成电梯的任务,因为曳引机是决定轿厢运行速度、控制运行状态的减速装置，曳引机的技术含量、设计质量、产品质量等都会影响电梯的工作寿命及乘客的舒服感，所以电梯对曳引机有很高的技术要求。

1.2电梯（垂直梯）简介

1.2.1电梯的组成 ：

电梯主要同曳引系统、导向系统、门系统、轿厢、配重（对重）平衡系统、电力拖动（动力）系统、电力控制系统、安全保护系统等部分组成。

在电梯的各组成部分中，电力拖动，电力控制、曳引机的组合称为动力系统，它是电梯的动力源，亦是控制运行速度、运行状态和改变运行规律的系统；轿厢和导向系统是电梯的执行系统；其他部分统称为电梯的辅助系统。

1.2.2电梯的（垂直梯）分类

垂直电梯是建筑物内垂直（或接近垂直）运输工具的总称。

其种类十分繁多，可从不同的角度进行分类，常见的有下列几种：

a）        按用途分类有：

乘客电梯（客梯）、客货电梯、货梯（载货电梯）、病床电梯（医梯）、住宅电梯、服务电梯（杂物梯）、船舶电梯、观光电梯和车辆电梯（汽车库）。

b）       按驱动方式分类有：

直流电梯、交流电梯、液压电梯、齿轮齿条电梯（已基本淘汰）、直线电动机驱动电梯（有被交流电梯代用的趋势）。

c）       按轿厢运行速度方式分类（暂时规定）有：

低速电梯（v<1m/s）、中速电梯（v<1~2m/s）、高速电梯（v>2~5m/s）、超高速电梯（v>5m/s）。

d）       按操作控制方式分类有：

手柄开关操作电梯、控钮控制电梯、信号控制电梯、集称选控制电梯、并联控制电梯、群控电梯。

e）        按有无司机分类有：

有司机电梯、无司机电梯、有/无司机电梯。

特殊电梯有：

斜行电梯、立体停车场电梯、建筑施工电梯。

1.3曳引机的主要技术指标

为了提高曳引机产品质量，必须满足下列技术指标：

1.3.1要确保电梯承载能力及曳引机的强度

电梯承载能力从100kg到几吨重，速度从0.25m/s到10m/s以上，亦即曳引机的功率范围很大。

在设计曳引机时，应首先满足在设计寿命内，不产生任何失效形式的强度要求，其中包括电动机功率的选择、制动力的确定，主传动机构强度设计或校核计算。

要特别重视轴承强度的校核计算及地脚螺栓的设计计算。

另外，绳轮可按易损件处理，其设计寿命可短一些。

1.3.2具有较高的传动效率

曳引机的传动效率是其综合技术指标。

传动效率的高低不但标志着输入功率有效利用的程度，而且表明了克服阻力力矩的能力，功率耗损的多少。

它不仅体现在节约能源上的意义，同时也是曳引机技术含量、设计质量、产品质量的具体体现。

为提高传动效率，合理选择主传动机构、轴承和联轴器是十分重要的，并且要提高制造和安装精度。

1.3.3具有较高的体积载荷

所体积载荷是指曳引机的许用载荷（功率或转矩）除以曳引机体积所得商。

体积载荷越大表明曳引机体积越小，结构越紧凑。

不难理解，要想实现大的体积载荷，首先要选择高科技型的主传动机构。

合理地设计箱体结构，其中同样功率的曳引机，体积可相差1/3，重量相差到2/5。

因此设计出结构紧凑、体积小、重量轻的曳引机是设计者的奋斗目标。

1.3.4应满足电梯所需的运动特性

电梯的工作特性决定了曳引机的运动特征：

运动速度中等、间断工作、变速、起动频繁的正反转运行。

为了满足运动特性，在设计曳引机时要特别注意曳引传动系统中传动比的分配，电动机类型的选用，以及主传动机构齿轮副齿侧间隙的保证等。

1.3.5应具有较低的振动和噪声

这项技术指标对乘人电梯特别重要。

为了不造成严重的环境污染，使乘客感到乘坐舒适，要求曳引机有较低的振动（特别是扭振）和噪声。

1.3.6应具有合理的结构

结构设计历来是机械设计中的重要课题，对曳引机而言则更为重要。

结构设计要特别重视结构对受力、刚度的影响；对减振、降噪、附加载荷、自身振动频率的影响，对润滑条件、润滑质量的影响等。

在设计曳引机结构时，要逐条分析、结合实力合理，没有（或少有）附加载荷、满足强度和刚度要求；润滑条件良好；外形美观；制造、安装、维修工艺良好；成本较低。

1.3.7具有灵活可靠的制动系统

制动系统要具有受力合理、技术先进、强度高、寿命长、灵活可靠、结构紧凑的性能。

第2章电梯的驱动功率计算

2.1曳引比与曳引力

2.1.1曳引传动与曳引传动形式

2.1.1.1曳引比和机械效益

曳引比：

曳引机上曳引轮的圆周速度与轿厢速度之比称为曳引比，用i’12表示。

机械效益：

令曳引机中曳引轮上钢丝绳承受的拉力为F，轿厢总重力为Q，则机械效益

     A=Q/F

定滑轮及动滑轮机构Q为重物，F为拉力，动力臂与阻力臂都是滑轮的半径r，所以rQ=rF

A=Q/F=1

i’12=1

定滑轮机构速度不变、力不变。

r

2.1.1.2电梯的曳引传动形式

曳引传动形式可由定滑轮、动滑轮、组合滑轮、差动滑轮机构组合而成。

多年经验表明

常用曳引传动形式见下

l        定滑轮机构的曳引传动 该传动形式的曳引比i’12=1，机械效益A=1。

增加一个过轮其目的是为了拉开轿厢与对重之间的距离。

过轮使曳引轮与钢丝绳的包角减小。

一般设计尽量使包角α大于135°。

过轮使绳的弯曲次数增多，疲劳寿命减少。

l        曳引比为2的曳引传动i’12=2，A=2亦即轿厢（或对重）的上升（或下降）速度是曳引轮圆周速度的1/2。

曳引轮两侧钢丝绳承受的拉力分别为轿厢总重量、对重总重量的1/2

l        滑轮组机构曳引传动在轿厢（或对重）上各有三股钢丝绳，有三个定轮。

i’12=3，A=3，亦即轿厢（或对重）的上升（或下降）速度是曳引轮圆周速度的1/3，曳引轮两侧钢丝绳承受的拉力分别为轿厢总重量、对重总重量的1/3

还有大曳引比曳引传动、复绕曳引传动、长绕曳引传动、双对重对曳引传动、具有补偿绳的曳引传动。

综合分析之后，决定选择第一个方案，曳引比i’12=1，机械效益A=1。

2.1.2作用在曳引轮上的静力

电梯是靠曳引轮槽与钢丝绳之间产生的摩擦力（或摩擦力矩）平衡外力，在曳引机的驱动下，牵引轿厢与对重上下运行的。

在曳引轮两侧的钢丝绳分别系有轿厢及对重，轿厢与对重分别在钢丝绳上产生拉力Q与F。

Q与F是静止情况下的拉力，故称静力。

静力实际上是两侧各构件重力和对钢丝绳的拉力。

计算中用到的符号如下：

Q1--------轿厢的结构自重力（N）；  取值为2900kg

Q2--------电梯的额定载重力（N）；  取值为1250kg

F--------对重侧钢丝绳承受的总拉力（N）；

Q-------轿厢侧钢丝绳承受的总拉力（N）；

R1--------轿厢至曳引轮间钢丝绳所受的重力（N）；

R2--------对重物至曳引轮间钢丝绳所受的重力（N）；

G1--------曳引机两侧所受总拉力之差（N）；

G2--------曳引机两侧钢丝绳重力之差（N）；

P--------曳引机输出轴轴颈承受的静压力（N）；

i12-------曳引机中减速器之传动比；

i’12------曳引传动的曳引比；

A--------机械效益；

η1--------曳引机中减速器的传动效率；

η2--------电梯的总效率；

f--------接触面间相对运动时的摩擦因数；

v--------轿厢运行速度（m/s）；

η2--------曳引轮的转速（r/min）。

2.1.3曳引轮两侧静拉力计算

Q值从轿厢到曳引轮之间是一个曳引系统。

也就是说轿厢的速度、重量要通过曳引系统中的滑轮组才能传递到曳引轮。

当然也可以通过滑轮组直接连接起来，这时i’12≠1,A≠1。

则可用下式求得Q值。

Q=（Q1+Q2）/A+R1=（Q1+Q2）/i’12+R1

R1的大小受轿厢到曳引轮之间距离的影响，亦即是轿厢位置的函数，即R1=f1（h1）,于是：

             Q=（Q1+Q2）/A+f1（h1）

曳引机强度设计计算中，为了安全可靠，一般规定额定载荷要乘以系数1.25,又轿厢的结构自重一般为额定载荷的1。

4倍，前文已述及机械效益与曳引比量值相等，最后Q值的计算式为：

             Q=2.65Q2/+R1

式中，i’12由曳引传动机构确定。

R1在设计曳引机时按满载，轿厢在井道部位计算。

设曳引绳的根数为n，电梯提升高度为H，绳的直径为d，绳的单位长度重量为q，则R1为

R1=Hnq

F值在对重侧同样是一个滑轮组传动机构，也有机械效益。

按规定，对重取Q+ψQ2。

ψ称对重系数，其值一般为0.4~0.5。

所以对重侧的拉力F可由下式计算：

             F=（Q1+ψQ2）/A+R2=（Q1+ψQ2）/i’12+f2（h2）

考虑到上文所述相应问题最后得

             F=2Q2/i’12+f2（h2）

Q值与G值差

由式可知

G1=Q-F=（Q1+Q2-Q1-ψQ2）/i’12+（R1+R2）

=（1-ψ）Q2/i’12+（R1+R2）

实际计算时可采用简化式

       G1=0.55Q2/i’12+（R1+R2）

Q值与F值之和

由式可知

P=Q-F=（Q1+Q2+Q1+ψQ2）/i’12+（R1+R2）

=2Q1+（1+ψ）Q2/i’12+（R1+R2）

实际计算时可采用简化式

       P=4.55Q2/i’12+（R1+R2）

R1+R2的计算有两种情况

没有补偿绳时R1+R2=Hnq

有补偿绳时R1+R2=2Hnq

2.2.1曳引轮上的静转矩

电梯没有运行前，曳引轮随的拉力差G1产生的转矩称静转知T（N·m），它的方向与G相同。

可由下式计算，设曳引轮节圆直径为D（mm）；则

T’20=DG1/（2*1000）

  =1/2*D*[0.55Q2/i’12+（R1+R2）]*1/1000

电动机受的静转矩为T10=T20/i12η

2.2.2静摩擦转矩

静力P是比较大的力，作用在轴颈上要产生摩擦转矩T’10（N·m），其值可由下式计算：

T’10=fpr/1000

式中r为轴半径（mm）

T’20方向与v方向相反，电动机受的摩擦转矩为

 T’10=T’20/i12η

电动机轴上承受的总静转矩为：

T’10=T10-T’10

或T0=T10+T’0

2.2.3F和Q的讨论

由F值的计算式可以看出，F值的大小仅随R2大小变化，在电梯提升高度H<35m时一般可以不计入R2总等于Hnq,显然F值是变化不大的物理量。

若不计入R2，或计入R2=Hnq，则F是固定量。

由Q值的计算式可知，Q值在运行过程中不但受R1的影响，而且受层站处乘客上下变化的影响，也就是不计入R1，Q在电梯运行中亦是变量。

Q值的变化会影响静转矩和静摩擦转矩大小，影响电梯的工作状态。

在某下层站，乘客减少到Q2的40%~50%时，即恰好等于ψ时，F=Q，于是G1=0，T20=0，T10=0。

当Q2值再减小，乘客量小于ψQ2时，则要产生F>Q的工作状态。

这时产生的静力矩与G方向一致。

当F方向的静转矩大到一定程度时，亦即若大于摩擦力矩时，电梯起动的瞬时，主传动机构的共轭啮合面发生改变，由左齿面（或右齿面）改变成了右齿面（或左齿面），也就是这个瞬间齿面要产生一次冲击，齿面改变的结果使齿轮副啮合状态发生了根本变化。

正常（以蜗杆副为例）共轭啮合是蜗杆为主动件。

改变后的啮合状态是蜗轮为主动件。

要特别注意，无论那个齿面工作，电梯的运行方向不变，这是一个重要的共轭齿面啮合现象。

2.2.4静转矩的讨论

2.2.5.1曳引轮承受的静转矩变化

载荷很小时（极限情况是空载），F>Q，静载荷产生的转矩方向与F方向一致；载荷较大时（极限情况是满载）；Q>F，静载荷产生的转矩方向与Q的方向一致，又由P力产生的摩擦转矩总和v的方向相反于是可得出如下规律性结论：

满载上行T20与T’20方向一致要相加

满载下行T20与T’20方向相反要相减

空载上行T20与T’20方向一致要相减

空载下行T20与T’20方向一致要相加

所谓上行和下行是指轿厢运行方向。