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1绪论1.1设计的主要目的本课题主要完成的是一放线机升降结构设计,包括线圈夹紧•升降机构,实现线圈的夹紧.装卸操作。该放线机用于计算机通讯线缆或类似线缆的裁切的自动供料,以保证线缆切线长度。1.2设计的主要思路设计研究的主要思路就是想把传统的螺旋式升降改为液压升降,这样就可以大大的节省人力物力,而且也能精准的完成机械的自由升降。以便更好的使用放线机。本人的想法是想用液压驱动不想用陈规的螺杆升降,要解决这些问题必须解决升降系统和驱动系统,在常规的螺杆升降的前提下,要提升很大重量到指定高度是非常困难的,这样会大大的降低工作效率,所以选用液压升降会大大节省人力物力,还有就是因为刚卷质量非常大,单靠钢丝绳的拉力是远远不够的,想要正常的自由旋转就必须要有一个可靠的驱动系统,现在一般用的驱动系统都是屯机驱动,因为它有许多优点,可以根据线卷的拉力大小来调节他的转速,还可以进行一般的正反转,还有就是在电机上安装一个变频器,可以无限调速,可以得到任何想要得转速。驱动装置则是用液压驱动,它可以避免由于螺杆滑丝而引起的不必要的工程事故,而且力大可以迅速提升到指定高度。1.3设计的要求1•夹紧只限于轴向,线绕度不受限制,夹紧力不致使线轴破坏。2.驱动力可采取外驱动力。3升降过程要求平稳•快捷。4.放线时线圈外径悬空高度200mm—400mmo5.线圈形状尺寸示于图1.1 图1.1线卷的零件图1.4放线机发展情况综述科学的发展越来越要求精确的技术,以此同时我们还不能以牺牲效率为代价。现在线路的应用越来越多,相应各种线的切割,也越来越多,这就要求我们有一种设备既有很高的效率又能保证精度要求。所以我们来研究放线机有很好的经济很社会效益。现阶段我国在齐项技术小一直处于先进水平,在一些领域述保持着领先。一种应用于钢帘线及高精度、高性能金属线材生产的现代化关键设备一一25模多功能智能化高速水箱拉丝机,由江苏泰隆机械集I才I研制成功,并于4月9日通过了科技成果鉴定。鉴定委员会认为,该设备的研制对推动我国高端金属线材制造技术的发展,扭转我国金属线材产量雄踞世界第一而装备技术却受制于发达国家的被动局面,具有重大现实意义。这一技术成果的鉴定委员会主任由中科院院士吴宏鑫担任,來口中国航天科技集团、中国冶金设计院、南京航天航空大学、等国家高科技领域的科研院所及高校的权威专家组成鉴定小组。专家组在认真审定江苏泰隆机械集团提供的设计方案、技术资料和制造工序的基础上,参照了国际、国内重点用户的应用结论,一致认定,该项成果采用集成化、立体式传动结构和单侧主动式25道次拉拔技术,钢丝拉拔直线性能好,模具消耗低,拉丝效率高;单台设备集拉丝机、收线机、张力柜、配电柜等多种设备功能丁一体,结构紧凑,大大节省了金屈材料、装配工序和使用空间; 以变频技术为依托,采用智能化技术实施动态性集中控制,來进行各种放线机的升降运动。江苏泰隆机械集团几年前开始金属线材设备的开发研制,通过自主开发和引进消化,逐步形成从金属拉丝、高速层绕、重卷、外绕、放线、C02气体保护焊丝及各类特种金属线材成套设备的开发与制造体系,不仅国内市场占有率达70%以上,而且出口10多个国家和地区。企业成为全国最大的金属线材制品设备生产、销售和出口大户。目前,该集团在线材制品设备的工艺技术方面已拥有多项自主知识产权和专利技术。这次通过技术成果鉴定的25模高速水箱拉丝机已申报了7项专利。随着国家现代化建设的飞速发展,科学技术的不断进步,现代施工项目对升降机要求也越来越高,高、深、尖液压技术在升降机上的应用也越来越广泛,液压系统展示了强大的发展趋势。前最常用的起升液压系统为定量泵、定量或变量马达开式液压系统,然而,现代施工对起升系统提岀了新的要求:节能、高效、叮靠以及微动性、平稳性好。为了适应这些新的耍求,以前的定量泵将逐步被先进可靠的具有负载反馈和压力切断的恒功率变量泵所取代,先前的定量马达或液控变量马达也将被电控变量马达所取代。这种系统将能有效的达到轻载高速、重载低速和节能的效果。1.5放线机升降机构总体设计方案本人的想法是想用液压驱动不想用陈规的螺杆升降,要解决这些问题必须解决升降系统和驱动系统,在常规的螺杆升降的前提下,耍提升很人重量到指定高度是非常困难的,这样会大大的降低工作效率,所以选用液压升降会大大节省人力物力,还有就是因为刚卷质量非常大,单靠钢丝绳的拉力是远远不够的,想要止常的自由旋转就必须要有一个可靠的驱动系统,现在一般用的驱动系统都是电机驱动,因为它有许多优点,可以根据线卷的拉力大小来调节他的转速,还可以进行一般的正反转,然而用液压驱动就可以避免rtr丁螺杆滑丝而引起的不必耍的工程事故,而冃力大可以迅速提升到指定高度。当然这对机架的材料要求乂有了提高,必须要选一种可以承担大压力的支架材料,要进行校核。1.5.1液压的工作原理液压油形成一定的压力,经滤油器、隔爆型电磁换向阀、节流阀•液控单向阀、 平衡阀进入液缸下端,使液缸的活塞向上运动,提升重物,液缸上端回油经隔爆型电磁换向阀回到油箱,其额定压力通过溢流阀进行调整,通过压力表观察压力表读数值。液缸的活塞向下运动(既垂物下降)。液压汕经防爆型屯磁换向阀进入液缸上端,液缸下端回油经平衡阀、液控单向阀、节流阀、隔爆型电磁换向阀回到油箱。为使重物下降平稳,制动安全可靠,在回油路上设置平衡阀,平衡回路、保持压力,使下降速度不受重物而变化,由节流阀调节流量,控制升降速度。为使制动安全可靠,防止意外,增加液控单向阀,即液压锁,保证在液压管线意外爆裂时能安全自锁。安装了超载声控报警器,用以区别超载或设备故障。电器控制系统通过防爆按钮SB1—SB6來控制电机的转动,隔爆型电磁换向阀的换向,以保持载荷提升或下降,且通过“LOGO”程序调整时间延迟量,避免电机频繁起动而影响使用寿命。1.5.2夹紧的机构设计放线机的夹紧也一个重要的部分,因为只有夹紧装置作好了,机构才能正常运行。所以我选择采用一边固定顶尖,一边活动顶尖的夹紧方法。当液压缸把线卷升到指定高度时,先将其一端放入固定顶尖,然后在推动活动顶尖将其夹紧。因为滚子的重量比较大,所以在其活动顶尖的一端再加一个液压缸,通过液压来控制它的夹紧程度。机构的结构草图示于图1.2 —2线卷诂动夹支師电机图1.2总体设计方案的结构草图2理论分析及零部件的选用2.1材料的选用用于耍求强度较高,韧性中等的零件,通常在调质或正火状态下使用,表淬硬度在HRC10-50。用于制造齿条齿轮,链轮,轴,键,销,蒸汽透平机的叶轮,压缩机及泵的零件,轧轮等。可代替渗碳钢做齿轮,轴,活塞销等,但要经过高频或火焰表面淬火。所以根据要求选择45号钢。2.2轴承的选用2.2.1轴承类型的选择方法选用轴承时,要正确考虑它的主要因素。(1)轴承的载荷轴承所受载荷的大小,方向和性质,是选择轴承类型的主要依据。根据载荷的大小选择轴承时,由于滚了轴承中主要元件是先接触,以用于承受较大的载荷,承载后的变形也小。而球轴承屮则主要为点接触,以用于较轻的或中等的载荷,故在载荷较小时,应优先选用球轴承。根据载荷方向选择轴承类型时,对于纯轴向载荷,一般选用推力轴承。较小的载荷可选用推力球轴承,较大的载荷可选用推力滚子轴承。对于纯径向载荷,一般 选用深沟球轴承。当轴承在承受径向载荷时,一般选用深沟球轴承,圆柱滚子轴承,滚针轴承。当轴承在承受径向载荷Fr的同时,还有不大的轴向载荷Fa时,可选用深沟球轴承,或接触角不大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承,当轴向载荷较大时,可选用接触角较人的角接触球轴承或圆锥滚子轴承,或者选用向心轴承和推力轴承组合在一起的结构,分别承担径向载荷和轴向载荷。(2)轴承的转速在一般转速下,转速的高低对类型的选择不发生什么影响,只有在转速较高时,才会有比较显著的影响。轴承样本小列入了齐类,各种尺寸的极限转速,这个转速是指载荷不太大,冷却条件正常,口为0级公差等级轴承时的最大允许转速。但是,rtr丁极限转速主要是受工作吋温升的影响,因此,不能认为样木中是一个绝对不能超过的界限。从工作的转速对轴承的要求看,可以确定为以下儿点:1)球轴承与滚子轴承比较,有较高的极限转速,故在高速运转时应优先选用球轴承。2)在内径相同的条件下,外径越小,则滚动体就越小,运转时滚动体加在外圈轨道上的离心惯性力也就越小,因而就更适合于在高速的转动下工作。故在高速吋,宜选用同一宜径系列中外径较小的轴承,外径较犬的轴承,宜用丁低速重载的场合。要用一个外径较小的轴承而承载能力达不到要求时,可再装一个相同的轴承,或者考虑选用宽系列轴承。3〉保持架的材料与结构对轴承转速影响极人。实体保持架与冲压保持架允许高一些的转速,青铜实体保持架允许更高的转速。4)推力轴承的极限转速均很低。当工作转速高时,若轴向载荷不十分大,可以采用角接触球轴承。5)若工作转速稍微超过了样本川规定的极限转速,可以用提高轴承的公差等级,或者适当的加人轴承的径向游隙。选择循坏润滑或油雾润滑,加强对循环油的冷却,等措施来改善轴承的高速性能。若工作转速超过极限转速较多,应选用特制的高速轴承.2.2.2轴承的计算选用此轴承的特点是转速不高,轴向载荷不大,可以代替推力轴承受纯轴向载荷。 (1)根据工作条件选用0300型轴承。轴向载荷F"5000M轴向载荷Fa=2500NF计算-^=2500/5000=0.5查表6-24知向心轴承的最大e二0.44(2)计算当量动载荷PP=fd(X*FR+Y*Fa)查表6-25知fd=l.0〜1.2取1.2查表6-24知X=0.56Y应在型号及CO取定后才能最终确定,现暂时取Y二1.5待以复算。P二1.2*(0.56*5000+1.5*2500)二1.2*(2800+3750)二7860N(3)计算额定动载荷C申匣=7860寸0勺25节5000”106V106二56680N(4)查表6-34重窄系列得知与56680N最接近的值为64100N。所以取312号轴承。即型号为36312号轴承。(5)验算。1)C0二49400N 1*250049400=0.0511)查表6-24知这时Y在1.8〜1.6之间,用插值法计算Y值。(1.8-1.6严(0.051—0.04)0.07-0.04所以X=0.56Y=1.72)P二1.2*(0.56*5000+1.7*2500)=8460N3)验算Lh值。,,16667一c、316667.64100Lh=*(—)3=¥(np12508460=5799h预期寿命小于现寿命,所以选36312号轴承。(1)在此选用的附表全部来口《机械设计制图手册》一同济大学出版社出版。2.2.3轴承的尺寸表2.2.1轴承的标准尺寸dDBTmanTminrR1a60130313130.53.5225.6DID2rg 731172 表2.2.3轴承的标准载荷额泄动载荷c额沁静载荷co极限转速r/min83.OKN72.5KN48002.2.4轴承的标准外形和安装尺寸图图2.2.1轴承的外形和安装尺寸2.3液压缸的选用2.3.1液压的研究对象液压传动是研究已有的压流休为能源物质,来实现各种机械的船东和自动控制的科学。液压它是利用各种控制元件组成所需要的各种控制回路,再由若干回路有机组合成能完成一定控制功能的传动系统来进行能量的传递,控制和转换。液压传动所用的工作介质为液压油或其他合成液体,液压传动传递动力大,运动平稳。但由于液体粘性大,在流动过程中阻力损失大,因而不宜作远距离传动和控制。2.3.2液压的工作原理现在以液压T斤顶来简述液压传动的工作原理。 「、J、、、、\\、图2.3.1液压千斤顶(1)力比关系当大活塞上有重物负载W时,大活寒下腔的油夜就将产生一定的压力P,P二W/A2,根据帕斯卡原理:“在密闭容器内,施加于静止液体上的压力将以等值同时传到液体各点”。因而要顶起大活塞及其重物负载W,在小活塞下腔就必须产生一个等值的压力P,也就是说小活塞上必须施加力Fl,F1=PA1,因而有P二F1/A1二W/A2或W/F1=A2/A1(2.1)式中,Al,A2分別为小活塞和大活塞的作用面积;F1为杠杆手柄作用在小活塞上的力。式(2.1)是液压传动的基本公式。由于P=W/A2,因此,当负载W增大吋,流体工作压力P也要随Z增大,亦即F1要随Z增大;反Z若负载W很小,流体压力就很低,力也就很小。(2)运动关系如果不考虑液体的可压缩性,漏损和缸体的变形,则从图屮可以看出,被小活塞压出的油夜的体积必然等丁•或大丁•大活塞向上升起后大缸下腔夸大的体积。即A1H1二A2H2HA 或竺=尘、(2.2)式中,Hl,H2分别为小活塞和大活塞的位移。从式(2.2)中可知,两活塞的位移和两活塞的面积成反比。将A1H1=A2H2两端同时除以活塞移动的时间t得即比=去(2.3)V,A2式小,vl,v2分别为小活塞和大活塞的移动速度。从式(2.3)可以看出,活塞的运动速度和活塞的面积成反比。AII/t的物理意义是单位时间内液体流过截面面积为A的某一个截面的面积,称为流量q,即q=Av即Alvl=A2v2(2.4)如果己知进入缸体的流量为q,则活塞的运动速度为I(2,5)调节进入缸体的流量q,即可以调节活塞的运动速度,这就是液压无及调速的原理。2.3.3功率关系由式(2.1)和式(2.3)可得Flvl=Wv2(2.6)式(2.6)左端为输入功率,右端为输出功率,这说明在不计损失的情况下,输入功率等于输岀功率。由式(2.6)述可以看出 P<=PAlvl=PA2v2=Pq(2.7)由式(2.7)可以看出,压力和流量是流体传动小最基本最重要的两个参数,他们相当于机械传动中的力和速度,他们的乘积即为功率。2.3.4液压系统的组成(1)能源装置把机械能转换为流体的压力能的装置,一般常见的是液压(2)执行装置把流体的压力能转换为机械能的装置,一般只作直线运动的液压缸,做回转运动的液压马达等。(3)控制调节装置对液压系统中流体的压力,流动方向进行控制和调节的装置。如溢流阀,节流阀,换向阀等。这些元件的不同组合成了能完成不同功能的液压系统。(4)辅助装置指出以上三种的其他装置,如油箱,过滤器,空气过滤器,油雾器,箫能器,他们对保证液压系统可靠性和稳定性的工作有重大作用。(5)传动介质传递能量的流休,即液压油。2.3.5液压系统的优缺点(1)优点1)无级变速2)体积小,重量轻3)工作平稳4)易于实现自动化,标准化,系列化1)能量易损失2)油液易受温度影响3)油液易污染4)故障不易找出 2.3.6液压传动装置的设计(1)根据题意,装置由定量泵供油,当油缸向上动作顶物体后,蓄能器充油,油压增高,压力继电器动作切断电机电路,使油泵停止工作,力由蓄能器保持,当压力低额定压力时,压力继电器又接通电机,继续使油泵供油。用于加工时间较长的机床夹具,优点是节约动力和防止油温过高。(2)下面是原理图带蓄能器的连锁装置的稳压回路 图2.3.2液压装置图D—电机1—油泵2—溢流阀3—单向阀4—压力表5一压力继电器6—气囊式蓄能器7—顶向阀8—油缸2.3.7液压缸尺寸计算(1)负载分析工作负载FL=FG=(1000+100)*9.8=10780(N)(1)液压缸主要参数的确定 1)初选液压缸的工作压力根据分段设备的负载不大,按类型书机床类,所以初选液压缸的工作压力为2.OMPao2)计算液压缸的尺寸人丄二卫型=53.9*10%P20*10’亞匣应=&28*10S2VnV3.14159按标准取D=83mm根据设计要求快速上升的距离为300mm速度要求^45mm/s快速下降的距离为500mm速度要求^55mm/s根据快上快下的速度比值来确定活塞杆的直径D2_55D2-d2~4545D2二55D2-55d2d=35.39mm取d=35mm则活塞缸有效作用面积为rrn2无杆腔面积:Al==54cm2422有杆腔面积:A2=口("_力)=45助22.4电机的选用2.4.1电动机选用的一般原则 (1)在选用电动机类型时要根据工作机的要求來选取,不需要调速的机械包括长期工作制,短期工作制和反复短期工作机械,应采用异步电动机。负荷平稳但无特殊要求的长期工作制机械,应首先采用鼠笼式异步电动机。常周期性波动负荷的长期工作机械,在带飞轮和启动条件沉重时,应采用绕线式异步电动机。某些反复短期工作制机械,当选用交流电动机,在发热,启动制动特性,调速等方面不能满足需要或技术经济指标过低时,应采用直流电动机。带周期性性冲击负荷的机械,应采用直流电动机。可采用同步电动机。需要连续调速的机械,是调速要求采用交流电动机或直流电动机调速系统,应首先考虑交流电动机调速。(2)电动机的结构有开启式,防护式,封闭式和防燥式,应根据防护要求及环境进行选择。(3)选用屯动机的类型,除满足工作机械的耍求外,还须满足电网的耍求,如启动时能满足电网电压水准,保持功率因数在合理的范围内。(4)电动机功率应由适当的备用容量,如采用的额定功率小于工作及要求的功率,则不能保证工作机正常工作,其至因长期过载而使屯动机过早的损坏,如采用的额定功率比工作机要求的功率大得多,则因容量木能的充分利用而造成成木提高,同时电机价格升高。通常对在变载荷作用下,长期稳定连续运行的机械,所选用的电动机额定功率应稍大于工作机的功率。 2.4.2常用电机的特性及用系列名称特征及用途丫-系列三相异步电动机Y系列电动机是封闭风扇自冷式,鼠笼型三相异步电动机是我国统一设计取代J02系列的更新产品Y系列电动机效率高,节能,启动转矩高,噪音低,振动小,运行安全可靠,安装尺寸和功率等级完全符合国际标准。Y系列电动机为一般用途的电动机,适用于驱动无特殊要求的各种机械设备,如金属切削机床,鼓风机,水泵等。G系列微型单相交流串激电动机G系列电动机为开启扇冷式的单相交流串激电动机,体积小,垂量轻,运行可靠,维修方便,启动转矩高,转速随负载的变化而变化,用调压或改变激磁绕组电阻的方法可调节转速。—般用户要求调速范围广的场合,如医疗器械,小型机床,风扇,搅拌器,离心沉淀器,排字机,涂漆机,电动工具等。Z3系列小型氏流定动机Z3系列电动机基本结构形式为口通风防滴式,述可制成外通风,口带鼓风机,转速稳定,不随负载的变化而变化,体枳小,重暈轻,转动惯量小,调速范围广,广泛用于机床,造纸,水泥,染织等部门,处电力拖动用。使用方便。2.4.3选用电动机(1)根据综而所述,应选用Y系列三相异步电动机。(2)电动机的型号表示 异步电动机系恋号机座号Y100L1--4Ttp般表示同一机座和薄速下的不同功率机座长斛号中心搞H(1)电机的选用PP.=」,KW(2.8)Jla式屮:Pw—工作机械所需要的功率,单位KW,几、一从电动机到工作机械间各运动副总机械效率。工作机械所需工作功率Pw可根据工作机械的工作阻力和运动参数进行计算。吋诙<2.9)Tn或肘施3(2M式中:F—工作机的工作阻力,单位,N;v—工作机的速度,单位,m/s;nw二工作机的转速,单位,r/min;r/w一工作机的效率总的机械效率可按下式计算:叽=*772.773rjn(2.11) 式中:7,“2,・・“”。分別为传动链中各运动副的效率。根据上式可计算出P()〜1.1KW,所以选电机的功率为1.IKWo所以选择电机型号为:Y90L-6o技术数据表2.4.1电机的技术数据型号功率KW电流转速效率功率因数额定转矩额定电流额定转矩Y90L-61.13.291073.50.722.06.02.0电机的安装尺寸和外形尺寸表2.4.2电机的安装尺寸中心高HABCDEF*GDG90L901401005624508*720kbblb3hAABBHBLI10180155901903613012310电机的外形图 厂5Q!56130mn9Q155图2.4.1电机尺寸图2.5变频器的选用随着电力电了技术,微电了技术及控制理论的发展,变频器已经广泛用于交流电动机速度控制。其主要特点是具有高效率的驱动性能,良好的控制性能。应用变频器不仅可以节约大量电能,而且变频器的自动控制性能可以提高产品的质量和数量,机械行业中变频器是改造传统产业,实现机电一体化的重要手段,发展变频器的应用技术,可以有效的提高经济效益和产品质量。2.5.1变频器的基本工作原理由《电机学》可知,定了绕组的反电动势是定了绕纽•切割旋转磁场磁力线的结果,本质上是定子绕组的自感电动势。其三相异步电动机定子每相电动势的有效值是:E1二4.44krlflNlOv/(2.12)式中:E1气息磁通在定了每和中感应电动势的有效值,单位Vfl定子频率,单位IIZN1定子每相绕组串联匝数 krl与绕组结构冇关的常数①耐每极气隙磁通量,单位为Wb由式(2.22)可知,如果定了的每和电动势有效值不变,改变定了频率时就会出现下面两种情况:如果fl大于屯机的额定频率,那么气隙磁通量就会小丁额定气隙磁通量。其结果是:尽管电机的铁心没有得到充分利用是一种浪费,但在机械条件的允许下长期使用不会损坏电机。如果fl小丁屯机的额定频率,那么气隙磁通量就会大于额定气隙磁通量,其结果是:电机的铁心产生过饱和,从而导致过大丿力磁电流,严重时会因为绕组过热而损坏电机。耍实现变频调速,在不损坏电机的条件下,充分利用屯机铁心,发挥电机转矩的能力,最好在变频时保持每极磁通量为额定值不变。对于直流电机,励磁系统是独立的,尽管存在电枢反应,但只要对电枢反应作适当的补偿,保持磁通量不变时很容易做到的,在交流异步电动机小,磁通是定子和转子磁动势合成产生的,如何才能保持磁通基本不变呢?1.基频以下调速ft]式(2.22)可知,耍保持磁通不变,当频率从额定值向下调时,必须同吋降低E1,使El/fl二常数,即采用采用电动势与频率Z比恒定的方式。然而,绕组中的感应电动势是难以直接控制的,当电动势的值较高时,可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降,而认为定子相电压V1~E1,则得V么二常数(2.13)f这是恒压频比的控制方式。在怛压频比的条件下改变频率吋,我们能够证明:机械特性基木上是平行下移的,这和他励直流变压器调速特性相似,所不同的是,当转矩增大到最大值以后,特性曲线就折回来了。如果电动机在不同转速下都具有额定电流,则电机都能在温升条件允许下长期运行,这时转矩基本上随磁通变化,由丁在基频以下调速时磁通恒定,所以转矩也恒定。根据电动机与拖动原理,在基频以下调速属于“恒转矩调速”的性质。低频时,VI和E1都较小,定子阻抗所占 的分量就比较显箸,不能在忽略。这吋,可以人为的八电压调高一些,以便近似的补偿定了压降。2•基频以上调速在基频以上调速时,频率往上增高,但电压却不能超过额定电压,最多只能保持相等,这就迫使磁通随频率增高而降低,相当于直流电机弱磁生速的情况。在基频以上变频调速时,由于电压不变,我们不难证明当频率提高时,同步转速随之提高,最犬转矩减小,机械特性上移,由于频率提高而电压不变,气隙磁动势必然减弱,倒置转矩减小。由于转速升高了,可以认为输出功率基木不变。所以基频以上调速属于弱磁恒功率调速。把基频以上和基频以下两种情况和起来,可得到图2.&1所示的异步电动机变频调速控制特性。因此,在选购变频器时,变频器输出的谐波越小越好。通过分析可得以下结论,当/.