机械毕业设计（论文）-电动阀门控制器的设计【全套图纸】

毕业设计(论文) 电动控制器的设计电动控制器的设计 THE DESIGN OF ELECTRIC CONTROLLER 全套图纸，加 153893706 学生姓名 学院名称机电工程学院 专业名称机械设计制造及其自动化 指导教师 2011 年月日 徐州工程学院毕业设计(论文 ) I 徐州工程学院学位论文原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 徐州工程学院学位论文版权协议书 本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。 徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件 和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。徐州工程学院可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进 行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 徐州工程学院毕业设计(论文 ) I 摘要 这篇课程设计的论文主要阐述的是一套系统的关于阀门的电动控制器的设计，这 是实现对开环系统中的阀门的开关闭合的控制实现阀门自控，程控和遥控不可缺少的 驱动设备。 本文借鉴国内外阀门电动执行机构及其控制器的有效的成功经验,在此基础上， 遵循“安全、可靠、简便、先进”的设计原则。在论文中，首先，根据要求对该系统 提出了传动系统的方案设计，接着通过查阅资料确定选用电动机的型号，接着对主要 参数进行分析计算选择确定合适的传动部件。然后对其结构粗设计，接着就按设计准 则和设计理论进行尺寸的计算和校核。最后是对电气控制部分的电路设计。 由于阀门的应用非常广泛，手工机械调节的方式在许多场合已不再适用。本设计 能够在较安全的情况下工作，而且效率提高几倍，故设计阀门电动控制器具有实际意 义。电动控制器是工业过程控制系统中一个十分重要的现场驱动装置 ，有体积小、 接线方便、精度高、操作简单、智能化的优点, 是一种经济实用的产品, 具有广阔的 市场开发前景。 关键词关键词 阀门；联轴器；电动控制器；蜗轮蜗杆减速器；PLC 徐州工程学院毕业设计(论文 ) II Abstract This article mainly elaborates the course design of the paper was a system about elctric controller of valve.This is an indispensable drive device to achieve the self-control and remote control valve of an open loop. In the paper, i use the success of valve actuators controller from home and abroad as an reference.On this basis ,followed by the rules of“safe 、reliable、simple、advanced“.Firstly, upon request made to the system,i came up with the idea of transmission system design, followed by access to information used to determine the motor type, and then calculatethe main parameters are analysis to determine the appropriate transmission components selected. Then rough design of its structure, then according to the design criteria for the size and design theory calculation and verification. The last part of the design is about electric control. As the valve is widely used, manual mechanical adjustment of the way in many cases no longer apply, the design can work under safer conditions, and efficiency many times, so the design of electric valve controller has practical significance. Motor controllers for industrial process control system a very important field drive, a compactand easy to wire, high precision, simple operation, the advantages of intelligence, isan economical and practical products, and has broad market prospects of development. Keywords valve coupling electric controller worm reducer PLC 徐州工程学院毕业设计(论文 ) I 目目 录录 摘要I AbstractII 1 绪论.1 2 传动装置总体设计.2 2.1 传动机构整体设计2 3 电动机的选择及传动比.3 3.1 电动机类型的选择3 3.2 电动机功率选择3 3.3 传动比的分配3 4 传动零件的设计计算4 4.1 选择蜗轮蜗杆材料及精度等级.4 4.2 初选几何参数.4 4.3 计算和校核4 4.4 按齿面接触疲劳强度设计6 4.5 蜗杆与蜗轮的主要参数与尺寸7 4.6 校核齿根弯曲疲劳强度8 5 输出轴的设计.9 5.1 选择轴的材料和确定许用应力.9 5.2 按扭转强度估算轴径9 5.3 设计轴的结构并绘制结构草图9 6 滚动轴承的选择及校核计算.15 6.1 滚动轴承的选型原则.15 6.2 主传动轴上轴承的选择计算15 6.3 蜗杆两端轴承的选择计算16 6.4 电机转子轴承的选择17 7 联轴器的选择和计算.18 8 离合器的选择和计算19 9 减速器的润滑与密封以及箱体的设计.20 9.1 润滑方式.20 9.2 密封.20 9.3 控制器箱体的结构设计.21 10 电动控制器控制系统部分的设计.23 10.1 引言.23 10.2 控制系统总体方案的设计24 徐州工程学院毕业设计(论文 ) II 10.3 正反转换向控制电路25 10.4 反馈装置的选择27 10.4.1 编码器的选择.28 10.4.2 编码器的安装使用30 10.4.3 PLC 的选择31 10.4.4 PLC 程序编写31 10.4.5 操作说明.32 结论.34 致谢.35 参考文献.36 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 1 1 1 绪论 在阀门的各个类型中，自动控制调节阀所占比例最大，将近占市场总份额的 20%以上， 随着工业自动化的发展，传统的手工机械调节的方式在许多场合已不再适用。但阀门电 动控制器的主要传动机构的减速器多以齿轮传动、蜗杆传动为主，但普遍存在着功率与 重量比小，或者传动比大而机械效率过低的问题。另外，材料品质和工艺水平上还有许 多弱点。由于在传动的理论上、工艺水平和材料品质方面没有突破，因此，没能从根本 上解决传递功率大、传动比大、体积小、重量轻、机械效率高等这些基本要求。独立控 制器的主要优点是在维修控制器时不需要拆卸阀门。缺点是其阀门总高度高于其他结构。 国外电动控制器，以德国、丹麦和日本处于领先地位，特别在材料和制造工艺方面 占据优势，工作可靠性好，使用寿命长。但其传动机构形式仍以定轴齿轮传动为主，体 积和重量问题，也未解决好。电气控制部分的反馈装置的方法大多数以限位机构来实现 的，精度不高。当今的减速器是向着大功率、大传动比、小体积、高机械效率，智能化 以及使用寿命长的方向发展。 本设计可主要分为两个大方面的设计，第一为机械传动部分的设计，第二为电动控 制部分的设计。设计主要针对传动机构的运动，PLC 自动控制程序以及编码器的反馈应用 与设计。为了达到要求的运动精度和生产率，必须要求传动系统具有一定的传动精度并 且各传动元件之间应满足一定的关系，以实现各零部件的协调动作。该设计均采用新国 标，运用模块化设计，设计内容包括传动件的设计，执行机构的设计及设备零件等的设 计。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 2 2 传动装置总体设计 2.1 传动机构整体设计 本设计所研究的电动控制器，是对开环控制系统中最终控制元件（如阀门）的运行进行 控制的一种装置，使用于对截止阀、闸阀、节流阀、水阀等的控制。主要在开和关位置 上操作。考虑到电动控制器结构的特殊性，通过查阅大量资料后，我初步决定选用蜗轮、 蜗杆传动作为电动控制器的减速机构，因为它可以用于交错轴间传递运动及动力。而且 传动比大，工作平稳，结构紧凑。 图 2.1.1 传动装置总体结构图 本设计主要展开传动部分、控制部分以及布局。设计在此我将电动控制器的设计计 算部分分为机械传动部分（电动机，减速器，连接部分）和控制系统部分，首先是机械 部分的设计计算。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 3 3 电动机的选择及传动比 3.1 电动机类型的选择 电动机已经标准化、系列化，应按照工作机的要求，根据选择的传动方案，选择电动机 的类型、容量和转速，并在产品目录中查出其型号。因为是短时工作且供电电源是： 380V 50HZ,按工作要求和条件，选择全封闭自散冷式笼型三相异步电动机，电压 380，型号选择 Y 系列三相异步电动机。 3.2 电动机功率选择 电动机的功率选择直接影响到电动机工作性能和经济性能的好坏。如果所选电动机的功 率小于工作要求的话，则不能保证工作机正常工作，使电动机经常过载而提前损坏；如 果所选电动机的功率过大，则电动机经常不能满载运行，功率因素和效率较低，从而增 加电能消耗，造成浪费。因此在设计中一定要选择合适的电动机的功率。 根据设计要求可知： 输出转矩 T=50N*M，蜗轮转速 n=48r/min 由 T=9550*P/n 代入数据：50=9550*P/48 可得工作机的功率 P=0.25kw 查阅机械设计手册中机械传动效率可知：双头蜗杆蜗轮的传动效率为=0.75，轴承 1 的传动效率 =0.99，联轴器的传动效率 =0.99 23 所以传动系统总效率=* 1223 =0.75*0.99*0.99*0.97 =0.713022 则电动机功率 P1=P / =0.25/0.713022 =0.35kw 查阅资料，初选电机型号为阀门专用单相电机 YJC4/370 其额定功率为 0.37Kw,额定转速 =1190r/min 1 n 3.3 传动比的分配 所选电动机额定功率为 0.37Kw,额定转速 =1190r/min 1 n 所以传动比 I=n/ =1190/48=24.8 1 n 因选用的是单级涡轮蜗杆减速，所以取取蜗轮蜗杆传动比为 24.8 （单级减速器合理）查阅机械设计手册 ，取 I=2510 40i 减速器 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 4 4 传动零件的设计计算 4.1 选择蜗轮蜗杆材料及精度等级 蜗杆：由于蜗杆转速较高、环境温度高，但功率不大，故选用蜗杆材料为 45 钢表面 淬火，硬度HRC。 蜗轮：采用抗胶合性能好的铸锡青铜。ZCnSnPb5Zn5 砂型铸造，精度为 GB10089-88 8 级。 4.2 初选几何参数 查阅机械设计手册 ，取 I=25 当公称传动比 I 值为 25 时，取蜗杆头数=2 1 Z 则蜗轮齿数=*I=25*2=50 2 Z 1 Z 查阅实用机械设计手册初选。1,1.11 QVA KKK 环境温度系数=1.87。 1 K 小时载荷率系数=0.57（先计算得 Jc=25%） 。 2 K 啮合质量系数=1。 3 K 综上，载荷系数载荷系数1.17。K K 123QVA KKKKKK 4.3 计算和校核 查阅机械设计手册图 12-1 查得=0.85。 n Z 以估算的蜗轮圆周速度,确定采用浸油润滑，查得润滑速度影响系数=0.87 s V s K =123 hp s K n Z =1230.850.87 =90.958 按闭式传动接触强度计算 3 m q 3 150015001.1 50 5050 =3 2 22 1500 1500 HPHP KT zz =8.6 查表 122 得，初选4，40， 10m 1 d q 200 22 dmz a= ( d1 +d2 )/2=120 取标准中心距 125a 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 5 查表 124 得 1 2 21 d bm m 1122 4,40,2510.75mdxzz 则 514204 2 d m 2 z 0.530.53 所以取 31 2 b 由表 122，123 得查得 2 11 1500KT dd 10 qv , 10 1836 校核 88.9990.958 H 蜗轮轮齿弯曲强度计算 4 F 2 22 2 A K T mb d 2 1.0 50000 4 204 31 F =20 F 28 1.4 蜗杆轴挠度验算 轴承惯性矩 125600 4 1 64 d I lim lim F F S 0.004m=0.016 蜗杆轴挠度 22 22 tantan 48 ttv F d EI 22 3 tan 20tan 2500000 204 20448 15600206 10 4.6 8 10 温度计算 传动效率计算 s v 1 cos v 11 60cos dn 40 1190 100060cos10 18 36 2.53m/s 查表 1212 得 得当量摩擦角 v 1 43 0.97 123 tan tan v =0.97 0.1819 0.2130 =0.84 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 6 散热表面积计算 A90。729 51.88 10 a 箱体工作温度 1 10 10001 w p tt A 20 10000.3510.84 8.7.729 28.8296 润滑油粘度核润滑的方法 润滑油粘度 根据2.53m/s 查阅机械设计 s v 由表 137 选取 320 40 v C 2 mm s 润滑方法 由表 137 可以采用浸油润滑 圆柱蜗杆蜗轮基本尺寸： 取齿顶高m=4 径向间隙 c=0.2m=0.8 a h 蜗杆轴向齿距3.144=12.56 x pm 蜗杆导程 =3.1442=25.12 21 pmZ 蜗杆齿顶直径=4.8 11aa dd h 蜗杆齿根圆直径=30.4 11 2 fa ddhc 蜗杆节圆直径=46 11 2ddxm 齿宽=57.69 12 21bmz 基圆直径=19.5 111 tan/tan/tan bbb ddmZ coscoscos bn 22.41 b 蜗轮喉圆直径=214 22 2 aa ddhxm 蜗轮齿根圆直径=196.4 22 2 fa ddhxmc 外径=218 22ea ddm 咽喉母圆半径=13 2 2 2 a g d ra 节圆直径=200 2 d 齿宽角=101.61 2 1 2arcsin b d 以上为蜗轮蜗杆的设计计算，下面进入输出轴部分的设计 4.4 按齿面接触疲劳强度设计 传动中心距： 2 3 2 E Z Z aKT （1） 蜗杆上的转矩 2 T 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 7 T2=9.55106P2/n2=9.551063.22/54.61=563100 Nmm （2） 载荷系数 K：因为工作时轻微振动，故查表 11-5 知载荷分布不均匀系数为=1，K =1.15，由于转速不高，冲击不大，动载系数=1.05 A K N K 故 K=1.15*1*1.05=1.21K A K N K （3） 弹性影响系数 E Z 铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配，故=160 E Z 1 2 MP （4） 接触系数Z 先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距 a 的比值=0.3，查图 11-18 可查得=3.1 1 d 1 d a Z （5） 许用接触应力H 蜗轮材料：铸锡磷青铜 ZCuSn10P1。金属模铸造。蜗杆螺旋齿面硬度45HRC,表 11-7 知涡轮的基本许用应力=268MpaH 应力循环系数：=60*1*54.61*10*300*16= 2 60 h Njn L 8 1.57 10 寿命系数： =0.7088 7 8 10 HN K N 则=0.7088x268=189.96MpaH HN KH （6） 、计算中心距 a =166.854mm 2 3 2 E Z Z aKT 2 3 160 3.1 1.21 563100 189.96 取中心距 a=200mm,因=2，故从机械设计第八版表 11-2 中取模数 m=6.3,蜗杆 1 Z 分度圆直径=63mm，这时=0.315，从机械设计第八版表 11-18 中可查的接触系 1 d 1 d a 数0.8 因此不用重算。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 9 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 10 5 输出轴的设计 5.1 选择轴的材料和确定许用应力 考虑到减速器为普通中用途中小功率减速传动装置，轴主要传递蜗轮的转矩。 所以对其材料没有特殊的要求，所以选用 45 钢，并对其进行调质处理。 图 5-1 输出轴 查表可得=650，=360。 B Pa S mPa 5.2 按扭转强度估算轴径 因轴上作用力以及轴承位置尚未确定，轴上的 支反力以及弯矩无法求得，所以按转 矩来计算，但是许用扭转应力予以降低，以此降低弯矩的 影响。 查表 162 可得 轴强度计算公式的 系数 C106118 : （106118）18.420.5 3 p dC m :3 0.25 48 考虑到轴的最小直径处还需要安装离合器，会有键槽存在，所以将估算直径加大到 37%,所以取为 18.921.9 由机械设计手册得，取标准值22 1 d 5.3 设计轴的结构并绘制结构草图 （1）确定轴上零件的 位置和固定方式 由题意可得，蜗轮应该布置在箱体内部中央，蜗轮上端安装离合器，轴的最上端安 装轴承，还要确定轴的结构形状，必须先确定轴上零件的 拆装顺序和固定方式。为此确 定蜗轮从轴的的 上端装入，蜗轮的上端用套筒固定，轴承在加上套筒的 基础上再采用 过盈配合 （2）确定各轴段的直径 a.支承采用单列向心球轴承 206（GB27682） ，取右端轴颈直径为 22，中间再加 上垫块，同时过盈配合。 b b.为了 便于拆装离合器和不 损伤右端轴颈表面，安装离合器的轴段直径为 24。 c c.在轴上安装蜗轮的 轴度直径为 26。 d d.在最后传动链取轴段直径为 28。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 11 （3）确定各个轴段的长度 1、已知计算可得蜗轮宽度31 2 b 2、为了保证蜗轮固定可靠轴段的长度应该长于蜗轮宽度，所以取为 50，蜗轮端 面于箱体内壁之间应该保证一定的间距，所以轴长度应该取为 32。轴长度为 30 3、右端轴颈长度取为 36。 4、查阅机械手册表 143，可以取肩自由表面的 过渡圆角半径为 1，离合器 于轴同导向平键连接。键槽宽度8。槽深 4，槽长应该小于离合器的轮驳blL 宽度，取18。L 画出轴的 受力图: a示意图： 图 5-2 b结构图： 图 5-3 c垂直面受力图： 图 5-4 d垂直弯矩图： 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 12 图 5-5 e水平面受力图： 图 5-6 计算蜗轮受力： 蜗轮受力转矩为 =500NM=52T 4 10 圆周力 500N 2 2 2 t IT F d 5 1 10 200 N mm mm : 径向力 182N 2 F 2t F tg 轴向力 106.5N 22tanatv FF =27 1 9500 0.350.97 T 所以 2 2270 40 F 法向力 543.5 2 500 coscos0.980.093 t n F F 计算支承反力和绘制弯矩图以及扭矩图： 1垂直面内支撑点反力为： 250N 250N 2 2 t V A F R 2 2 t V B F R 2计算-处的弯矩 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 13 250N=21250 V M 170 2 计算-处的弯矩 250N=21250 V M 170 2 3水平平面的支撑点 A 的支反力 28.4 2 22 22 ra H A dl FF R l 182 85106.5 100 170 =153.6 2H BrH A RFR 水平面内剖面处的 弯矩 13056106502406N 2 2 22 H IH Ba dl MRF: 13056N 2 H IH B l MR : 水平面内剖面-处的 弯矩 241428121065010250N 22 22 222 HH Ara bdl MRFF : 作弯矩图如下： 图 5-7 合成弯矩计算： 截面： 22 H IV I MMM 22 2406 +21250 = 5788836451562500 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 14 =21385.8 22 HH I MMM 22 1305621250 = 170459130451562500 =24940.4 -截面: = 22 HV MMM 22 1025021250 105062500451562500 23593 作合成弯矩图如下： 图 5-8 4转矩图： N 3 9550 1049740 p T n 图 5-9 许用应力 查表 163 MTa MTa 0 102.5 b 1 60 b 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 15 应力校正系数 0.59 1 0 60 102.5 b b 当量转矩 M0.594974029346.6T 当量弯矩： 截面： 2 Ye MMT 622023552.2861222931.638513 -截面: 2 2 e MMT 556629649861222931.6 37654 当量弯矩图： 图 5-10 校核轴颈：最细轴的直径 为 22 3 1 18 22 0.1 e e b M d 3 1 18 22 0.1 e e b M d 所以综上所述：设计的轴有足够的强度，并有一定的余量 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 16 6 滚动轴承的选择及校核计算 6.1 滚动轴承的选型原则 （1）载荷条件 轴承承受载荷的大小、方向和性质是选择轴承类型的主要依据。载荷较大时应该选 用线接触的滚子轴承；受纯轴向载荷时通常选用推力轴承；主要承受径向载荷时应该选 用深沟球轴承；同时承受径向和轴向载荷时应该选用角接触轴承；当轴向载荷比径向载 荷大很多时，常用推力轴承和深沟轴承的 组合结构；承受冲击载荷时宜选用滚子轴承。 应该注意推力轴承不能承受径向载荷，圆柱滚子轴承不能承受轴向载荷。 （2）转速条件 选择轴承类型时应该注意其的允许极限转速。当转速较高而且旋转精度较高时， lim n 应该选用球轴承；当工作转速较高，但是轴向载荷不大时，可以采用角接触球轴承或者 深沟球轴承；为减小滚动体施加于外圈滚动的 离心力，应该选用外径和滚动体直径较小 的轴承；若工作转速超过轴承的极限转速，可以通过提高轴承的公差等级，适当加大其 径向游隙等措施来满足要求！ （3）装调性能 3 类（圆锥滚子轴承）和圈 N 类（圆柱滚子轴承）的内外可以分离，便于装拆。为方 便安装在长轴上轴承的 拆装和紧固，可以选用带内锥孔和紧固套的 轴承。 （4）调心性能 轴承内外圈轴线间的 偏位角应该控制在极限值之内，否则会增加轴承 的附加载荷 而降低其寿命。对于刚度差或安装精度较差的轴承系，宜选用调心轴承，如类（调心 球轴承） 、类（调心滚子轴承）等等。 （5）经济性 在满足使用性能要求的 情况下优先选用价格低廉的 轴承，一般球轴承的 价格低于 滚子轴承，轴承的 精度越高价格就越高。在同精度的 轴承中，深沟球轴承的 价格最低。 同型号不同公差等级的 轴承价格比有以下关系： 。0:6:5:41:1.5:1.8:6PPPP 另外选用高精度的 轴承时应该进行性能价格比的分析。 6.2 主传动轴上轴承的选择计算 转速48，由前面的 计算可以知道，轴颈直径24， 径向载荷 2 n /minrd ， 轴向载荷182 r F 106.5F 要求寿命 取为 6000，工作温度60 n Lh20 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 17 （1） 考虑到我所设计的 控制器的 特殊结构，初选 6208 型轴承。 查阅机械设计手册表 1518 额定动载荷，额定静载荷14.91Ckw 0 10.01Ckw 极限转速 9500（脂润滑） 。/minr （2）按额定动载荷计算： （球轴承） 6 60 10 h nL CP3 由 pra pfXFYF 0 106.5 0.0164 10010 a F C 106.5 0.585 182 a r F e F 查表 1518 得 0.22e 2.0Y 0.56X 查表 15-11 得 取1 p f pra pfXFYF 0.561822.0106.5 =315N 6 60 10 h nL CP 3 6 60486000 315814.3714.91 10 kw （3）按额定静载荷校核: 查表 1513 得 取 000 CS P 0 1S 由 000a PX FY F 000 10.01182CkwS PN0.585 a F F 查表 1518 得 时， 0.8 a F F 0 1X 0 0Y 得 0 182PFN 所以满条件。 （4）按极限转速校核： 由 12limnax nf f n 315 0.21 14910 P C 查图 155 得 1 0.75f 0.585 a F F 查图得 2 0.95f 0.750.95 95006768.75 nax n 所以满足条件。 max 48 /minnrn 6.3 蜗杆两端轴承的选择计算 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 18 蜗杆轴颈直径，mm;转速，径向载50 1.365 C TKTNm 2 15d 1 1190 /minnr 荷,108.5F 轴向载荷,使用寿命，工作温度（2060），182 a FN6000 h Lh 初选 6204 型， 6202 型，计算校核同上。 经过校核，满足条件要求. 6.4 电机转子轴承的选择 根据电机的特性，型号选为 6206 计算校核同上。 经过校核，满足条件要求. 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 19 7 联轴器的选择和计算 联轴器是传动装置的连接用，在选定联轴器的类型时，主要考虑其使用要求和工作条 件，联轴器的承载能力、缓冲和减振性能应与工作转矩的大小和载荷的性质（冲击、振 动）相适应。其最高转速应满足工作转速的要求。此外，工作转速高时，还应考虑所选 联轴器外缘的离心应力或弹性元件的变形及联轴器的动平衡精度。联轴器所具有的补偿 两轴相对位移的能力，包括能补偿两轴由受载和温升产生的变形和部件间的相对位移以 及因联轴器自身制造和安装误差引起的两轴相对位移。从安装、调整和维修方面考虑， 联轴器和结构外形尺寸应能适应给定的操作空间。对大型设备和不便检修的场合，还应 能在不需轴向移动的情况下装拆联轴器或更换易损件。 此外，选择联轴器时还应考虑联接的可靠性，工作环境、使用寿命、润滑和密封以 及成本等方面的要求。 目前，常用的联轴器都已经标准化或规格化了，在一般的情况下，选定联轴器的类 型后，可按转矩、轴径和转速等条件确定标准联轴器的型号和主要尺寸。必要时应对联 轴器中易损的薄弱环节进行承载能力等的校核计算。 选择或校核时的主要依据是联轴器实际所需传递的转矩，由于各种机械的转矩变化 规律常较复杂，不易精确确定，通常可按计算转矩来选择或校核。 C TKT -联轴器传递的理论转矩T -联轴器的工作情况系数K 查阅简明机械设计手册 表 17-2，取 K=1.3，所以 = C TKT 查表 17-1，选用凸缘联轴器。50 1.365Nm 其图如下： 图 7-1 联轴器示意图 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 20 8 离合器的选择和计算 离合器是用来联接两轴，但是可以在机器运转过程中随时进行接合或分离。 离合器按其工作原理可分为牙嵌式、摩擦式和电磁式三类；按控制方式可分为操纵 式和自动式两类；操纵式离合器需要借助于人力或动力（如液压、气压、电磁等）进行 操纵；自动式离合器不需要外来操纵，可在一定条件下实现自动分离和接合。 对于已标准化的离合器，其选择步骤和计算方法与联轴器相同。对于非标准化或不 按标准制造的离合器，可先根据工作情况选择类型，在进行具体的设计计算，具体的计 算方法及计算内容可查阅有关资料。 本次设计所选用的离合器为牙嵌式离合器，它由两个端面带牙的半离合器组成，从 动半离合器用导向平键与轴联接，另一半离合器用平键与轴联接，对中环用来使两轴对 中，滑环可操纵离合器的分离或接合。 牙嵌式离合器的常用牙型有矩形、梯形和锯齿形等。矩形齿接合、分离困难，牙的 强度低，磨损后无法补偿，仅用于静止状态的手动接合；梯形齿牙根强度高，接合容易， 且能自动补偿牙的磨损与间隙，因此应用较广；锯齿形牙根强度高，可传递较大转矩， 但只能单向工作。 为减小齿间冲击、延长齿的寿命，牙嵌式离合器应在两轴静止或转速差很小时接合 或分离。 由于本次设计的电动控制器其输出转速较低，而且强度也比较低，用矩形牙嵌式离 合器即可。查阅机械设计手册 ，选定型号为端面离合器 其示意图如下： 图 8-1 离合器示意图 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 21 9 减速器的润滑与密封以及箱体的设计 9.1 润滑方式 润滑的主要作用是减小摩擦和磨损，降低工作表面的温度。液体润滑剂还能带走摩 擦产生的热量，对降温更为有效。此外，润滑剂有防锈、传递动力、消除污物、减振、 密封等作用。 润滑方式有液体润滑、半固体润滑、气体润滑、和固体润滑四大类，查阅机械设 计手册 ，在本控制器中，选择润滑方式为液体润滑方式中的油润滑，具体由可划分为以 下三种： （1）飞溅润滑 由传动带的传动带起润滑油直接溅入轴承内，或先溅到箱壁上，顺着内壁流入箱体 的油槽中，再沿油槽流入轴承内。此时端盖端部必须开槽，并将端盖端部的直径取小些， 以免油路堵塞。当传动件直径较小，或者传动件是斜齿轮或蜗杆（斜齿轮具有沿齿轮向 排油的作用）时，会使过多的润滑油冲向轴承而增加轴承的阻力，这种情况下，应在轴 承前装上挡油板。 （2）浸油润滑 将轴承直接浸入箱内油中进行润滑，这种润滑方式常用于下置式蜗杆减速器蜗杆轴 承的润滑，油面高度应不超过轴承最低滚动体的中心，以免加大搅油损失。若传动件直 径小于轴承滚动体中心分布圆直径时，可在轴上装设溅油轮并使其浸入油中，传动件不 接触油面而靠溅油润滑，轴承人使用浸油润滑。 （3）刮油润滑 当传动件圆周速度很低（v=2m/s）时，可利用装在箱体内的刮油板刮油润滑轴承， 刮油板和传动件之间应留 0.10.5mm 的间隙。 另外，润滑油有粘度、闪点、凝点、酸值、残炭、灰分、水分、机械杂质等质量指 标，亦是影响润滑油选择的主要因素。 在本控制器中，蜗轮蜗杆采用闭式传动， 其工作环境为：温度 -20 60 湿度 90% 查阅机械设计手册 ，选定润滑油为合成齿轮油（SY402483） ， 其牌号为 4403 号， 其运动粘度（100）为 2629mm/s, 闪点（开口）230，凝点（倾点-35， 酸值0.2mgKOH/g 9.2 密封 轴伸端密封方式有接触式和非接触式两种。橡胶油封是接触式密封中的一种，密封 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 22 效果好。橡胶油封中常用的密封件有 V 型橡胶油封、U 型橡胶油封、Y 型橡胶油封、L 型橡胶油封和 J 型橡胶油封等几种。其中较为常用的是 J 型橡胶油封，可用于脂润滑和 油润滑的轴承中。安装时应注意油封的安装方向，当以防漏油为主时，油封的唇边对着 箱内；当以防外界灰尘、杂质为主时，油封的唇边对着箱外；当两油封相背放置时，则 防漏防尘能力都好。为使油封安装方便，轴上可做出斜角。 毡圈密封是接触式密封中寿命较低、密封效果相对较差的一种，但其结构简单、价 格低廉，适用于脂润滑轴承中。毡圈的剖面为矩形，工作时将毡圈嵌入剖面为梯形的环 形槽中并压紧在轴上，以获得密封效果。毡圈密封的接触面易磨损，一般用于圆周速度 小于 45m/s 场合。 为避免磨损可采用非接触式密封，油沟密封是其中常用的一种，它是利用充满润滑 脂的环形间隙来达到密封效果。油沟密封结构简单、成本低，但不够可靠，适用于脂润 滑的轴承中。 若要求更高的密封性能，可采用迷宫式密封。采用迷宫式密封的转动件和固定件之 间存在着曲折的轴向间隙和径向间隙，利用其间充满的润滑脂来达到密封效果，可用于 脂润滑和油润滑，迷宫式密封的结构复杂，制造和装配要求较高。 选择密封方式时要考虑轴的圆周速度、润滑剂种类、环境条件和工作温度。 在本带能动控制器中，采用 O 型密封圈比较合理。 9.3 控制器箱体的结构设计 本课题所设计的减速器，其基本结构设计是在参照机械设计基础课程设计图 10- 8 装配图的基础上完成的，该项减速器主要由传动零件（蜗轮蜗杆） ，轴和轴承，联结零 件（键，销，螺栓，螺母等） 。箱体和附属部件以及润滑和密封装置等组成。 控制器箱体起着支承和固定轴系零件，保证传动件的啮合精度和良好润滑以及轴系 的可靠密封等重要作用，其质量约占控制器总质量的 30%50%。设计箱体结构时必须综 合考虑传动质量、加工工艺及成本等因素。 控制器箱体可以采用铸造的方法制造。 进行控制器箱体的结构设计时应考虑以下几方面的问题 （1）箱体要具有足够的刚度 若箱体的刚度不够，在加工和使用过程中会引起变形，使轴承孔中心线过度偏斜而 影响传动件的运动精度。设计箱体时首先要保证轴承座的刚度，使轴承座有足够的壁厚， 并在轴承座上加支承胫。 （2）箱体应有可靠的密封且便于传动件的润滑和散热 为保证密封，箱体剖分面处的联接凸缘应有足够的宽度，联接螺栓的间距也不应过 大，以保证足够的压紧力。为提高密封性，可在剖分面上制出回油沟，使渗出的油可沿 回油沟的斜槽流回箱内。为提高密封性有时也允许在剖分面间涂密封胶。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 23 由于蜗杆控制器工作时发热量较大，其箱体的大小应考虑散热面积的需要，并要进 行热平衡计算。若不能满足热平衡要求，则应适当增大箱体尺寸或增设散热片和风扇， 散热片的方向应与空气的流动方向一致。发热严重时还可以在油池中设置蛇形冷却水管， 以降低油温。 （3）箱体结构要有良好的工艺性 箱体结构工艺性的好坏对于提高加工精度和装配质量，提高生产效率以及便于检修 维护等方面有很大影响，主要应考虑以下两方面的问题。 a.铸造工艺的要求 在设计铸造箱体时应考虑箱体的铸造工艺特点，力求壁厚均匀、过渡平稳，不要出 现局部金属积聚。铸件的箱壁不可太薄，砂型铸造圆角半径可取 r5mm b.机械加工工艺性的要求 设计箱体的结构形状时，应尽量减少机械加工的面积。设计时应尽量工件和刀具的 调整。例如同一轴心线上两轴承座孔的直径应尽量一致，以便于镗孔并保证镗孔精度。 同一方向上的平面应尽量能一次调整、加工完成。各轴承座端面应在同一平面上。 （4）箱体形状应力求均匀、美观 箱体的外形应简洁、整齐、尽量减少外凸形体。如采用“方形小圆角过渡”的造型比 “曲线大圆角过渡”更美观。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 24 10 电动控制器控制系统部分的设计 10.1 引言 电动控制器是对开环控制系统中最终控制元件（如阀门）的运行进行控制的一种装 置，使用于对截止阀、闸阀、节流阀、水阀等的控制。主要在开和关位置上操作。通常 电动执行机构和阀门连接起来，经过安装调试后成为电动阀。电动阀使用电能作为动力 来接通电动执行机构驱动阀门，实现阀门的开关、调节动作。从而达到对管道介质的开 关或是调节目的。阀门智能控制水平的提高，有助于提高国内阀门电动执行机构的产品 水平，也有利于提高生产控制的自动化水平，最终实现生产过程的智能化，价值十分显 著。 阀门电动控制机构广泛应用于现代工业控制系统中，阀门电动控制器是阀门电动执 行机构的核心部件。在水利、电力及化工行业，不同种类的阀类，如截止阀、闸阀、蝶 阀等得到了最广泛的应用。在对阀门实现远程控制、集中控制和自动控制的过程中，阀 门电动执行机构是一种必不可少的执行部件。随着能源、化工、钢铁、运输和建筑等现 代工业高速发展以及与其有密切联系的水、气(汽)、油等流体在工业上的应用，管道系 统中的电动阀门在生产中发挥着重要作用，因而对阀门电动执行机构的功能和使用要求 也不断提高，迫切需要智能化的新一代产品替代目前使用的产品，以提高生产效率。 本设计的电动控制器的原理是首先通过加、减、调整三个按钮手动调整好阀门的上 限位和下限位，同时由编码器把阀门在上限位和下限位时的门的驱动电机的脉冲数送入 PLC 储存记忆起来。在要开启和关闭阀门时按开启或关闭的按钮，由带机械离合器的直 流电机驱动带动阀杆正转或反转，在上升到 PLC 记忆的上限位或下降到 PLC 记忆的下限 位时电机停转，并由机械离合器抱闸制动。电动执行器以 AC220 单相交流电为电源，接 受来自 DCS、PLC 系统和其他操作器的 DC420mA，标准信号来控制执行器进行开关阀门。 电子控制模块采用先进的混合集成电路，包含完整的保护功能，可现场控制或远程控制， 被设计成匣子形式，并用树脂浇铸密封。驱动采用高性能导电塑料电位器、精度高、寿 命长等特点，可与各种角行程调节机构组合成高性能、高可靠性的电动调节阀。在对阀 门实现远程控制、集中控制和自动控制的过程中，阀门电动执行机构是一种必不可少的 执行部件。随着微电子技术、电力电子技术、微机控制技术及通讯技术等现代科学技术 的发展，国外许多相关厂家长期对电动阀门的研究开发和改进，形成了新一代智能电动 阀门，增加了许多的功能，并扩展了它的应用领域，各项指标和性能也得到了提高，广 泛应用于工业生产。运用数字技术、电力电子技术等先进技术，开发研制性能先进、功 能完善，尤其是可对阀门实现远距离控制、现场操作、集中控制，以满足国内广大用户 生产使用的要求，适合我国工业生产和发展需要的新型智能电动阀门执行机构，具有十 分重要的现实意义。 现在的大多数 PLC 都具有高速计数器功能，不需增加特殊功能单元就可以处理频率 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 25 高 达几十或上百 KHz 的脉冲信号，合理的选用编码器，让脉冲频率即能在 PLC 处理的范 围内又可以满足正反转的精度要求。利用 PLC 对驱动电机进行脉冲计数成为可能；而电 动控制器对开启，关闭系统的精度和响应速度要求不是很高。可以通过 PLC 对电动控制 器开关系统驱动电机的上升和下降脉冲数的计算，在开关的过程中，让 PLC 对所接收的 两个脉冲数与设定好的两个脉冲数值进行比较，根据比较结果确定是否到阀杆转动圈数 的上限，控制电机是否运转。从而保证了阀杆的开启和关闭的可行性；所有 PLC 都具有 可擦写的软元件，使软元件中的内容可根据要求随时动态更新。在需要更改开启和关闭 所需要转动的圈数的时侯可把手动调整的开启和关闭的上下限位的的驱动电机分别的脉 冲数存储到 PLC 的辅助继电器中记忆起来，使用 PLC 做电动控制器的电子定位也成为可 能。在控制系统中，可以利用24V 直流电源（电源部分的电容，二极管有配件，24V 电源 可修复）作为需要24V 的控制系统和直流电机的供给电源。从而简化了直流电源部分。还 有可以利用简单的四个输入按钮，不需另外增加输入按钮。 在这次的毕业设计中，我对现有的国内外阀门电动执行机构及其控制器进行了简单 的对比和分析，借鉴和传承了它们的有效的成功经验，在此基础上，设计出新型的阀门 电动执行机构的智能控制器。它以三菱公司的 PLC 为控制的核心部件，不仅具有常规的 控制调节功能，而且由于 PLC 的可编程，使其更具智能化。 根据“安全、可靠、简便、先进”的设计原则，我对阀门电动执行机构进行了总体 方案的设计，前面已经做了机械传动部分的设计，在此基础上进行整个控制系统的设计 开发工作，同时，为了提高系统的抗干扰能力，采取了一系列软件、硬件抗干扰措施。 力求使系统整体设计合理、性能可靠，并实现预期设计目标。 10.2 控制系统总体方案的设计 阀门电动装置是实现阀门程控、自控和遥控不可缺少的驱动设备，其运动过程可由 行程、转矩或轴向推力的大小来控制。由设计说明书“电动控制器是对开环控制系统中 最终控制元件（如阀门）的运行进行控制的一种装置，使用于对截止阀、闸阀、节流阀、 水阀等的控制。主要在开和关位置上操作。 ”再根据现场的工艺要求可知，该控制器为开 关电气控制方式。 本设计的主要思路是用控制器驱动电动机转动，然后经过减速器减速，由连接减速 器的轴将转速，转矩传给阀杆。具体工作原理流程如下图所示： 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 26 图 10-1 阀门电动控制机构的工作原理 对于该系统的起停方式，我准备采用定时器的方式，所设定的时间根据实际情况中阀 杆所要转动的圈数与转速的比来确定，为防止扭矩过大，损坏阀杆，故在所得到的时间 参数的基础上乘以一个比例因子，这样子就完成了对阀门的开关的精确控制并起到对阀 杆的保护作用。 在实际情况中，开关型的控制方式相对来说比较简单，在本设计里我将把它设计成正 反转控制电路。 电源供电方式可以根据电源板选择，国内基本上都是用 380V，或 220V. 10.3 正反转换向控制电路 要实现电动机的正反转就必须改变电动机定子三相绕阻所接电源任意两相对调，改变 电动机的定子电源相序，就可以改变电动机的转动方向。 图 10-2(a)相序为 1-2-3 图 10-2(b)相序为 3-2-1 用 KM1，KM2 分别完成电动机的正反向控制，那么由正转与反转起动电路组合起来就成 了最基础的正反转控制主电路 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 27 图 10-3 三相异步电动机主电路图 由图可知，若 KM1，KM2 分别闭合，则电动机的定子绕阻所接两相电源对调，结果电动 机转向不同。接下来我们将研究控制电路部分如何工作 图 10-4(a) 电动机正反转控制电路 1 如图，按下 SB2，正转接触器 KM1 得电工作；按下 SB3，反转接触器 KM2 得电工作。 因为电路中把接触器的动断辅助触点相互串联在对方的控制回路中，就使两者之间产生 了制约关系：一方工作的时候切断另一方的控制回路，使另一方的起动按钮失去作用。 正转，反转接触器通过互锁避免了同时接通造成电路的可能性。 但在上图中，我们不难发现正，反转切换的过程中间要经过 “停” ，显然操作不方便， 故设计出下图 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 28 图 10-4(b)电动机正反转控制电路 2 上图利用复合按钮 SB2，SB3 就可直接实现由正转变成反转，反之亦然。如果取消上图中 两接触器间的互锁触点，只用按钮进行连锁是不可靠的。因为在实际工作中可能出现这 种情况，由于负载短路或大电流的长期作用接触器的主触点被强烈的电弧“烧”焊在一 起，或者接触器的动作机构失灵，使衔铁卡住总是处在吸合状态，这都可能使主触点不 能断开，这时如果另一接触器线圈通电动作，其主触点正常闭合就会造成电源短路事故。 采用接触器动断辅助触点进行互锁，不论什么原因，只要一个接触器的触点（主触点与 辅助触点在机械上保持动作一致）是吸合状态，它的互锁动断触点就必然将另一接触器 线圈电路切断，这就能避免事故的发生。所以采用复合按钮后，接触器辅助动断触点的 互锁仍必不可少，电路安全可靠。 10.4 反馈装置的选择 方案一：选用定时器 考虑到自动控制阀门的开启，关闭到什么程度，电动机运行多久是上面的电路所没有考 虑到的。由于本任务书中未给出确定的阀门以及更具体的转动圈数等参数，所以刚开始 我设阀杆转动圈数为 N（具体参数视具体情况而定） 。 则完全开启阀门所需时间 T=NV 其中 V 为阀杆的额定转速 所以在电路中必须加入时间继电器，用时间继电器的延时动断触点来断开主电路，控制 电动机正转，反转的时间即开启阀门或闭合阀门的时间。但实际工作过程中因为各种摩 擦损耗因素，实际情况并不是我们理论上所能精确控制的。 徐州工程学院毕业设计(论文 ) 29 方案二：在阀杆的输出端用锥齿轮将运动导出，然后算出锥齿轮与阀杆之间的传动比， 这时候在锥齿轮的输出轴上串联一个凸轮，拧阀门的把手，分别到阀门完全开启闭合的 位置，记下两处的位置，在两处加上限位感应机构，当运动经减速器传到输出轴的时候， 凸轮碰到限位机构的挡块，这时候将这个信号传给 PLC 处理器，继电器动作，去驱动电 动机，实现电动机的正反转或停的状态。 方案三：利用编码器对输出轴转动的圈数进行计数，将阀门的分开度显示出来，送到控 制器 PLC,然后