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ZG型振动给料机设计(全套图纸)doc

时间 2020-07-04 15:33

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  PAGE 摘要振动机械广泛应用于各类工业部门中,特别是矿山工业中,物料的给料、输送、筛分、脱水、脱介和破碎、磨碎等作业,都可使用振动机械。振动给料机在生产流程中,可把块状、颗粒状物料从贮料仓中均匀、连续地给到受料设备中去。适用于自动配料,定量包装和自动控制.它主要由两大部分组成:槽体和激振器.本设计中,激振器采用的是双电机式激振器,以电机作为激振源,提供振动所需的激振力. 这就保证了噪声低,耗电小,调节性能好,无冲料现象.为防止振动力过大,破坏地基,需要用橡胶弹簧作为减振系统.通过选择合适的变频器来使给料机的固有频率与激振频率靠近,以实现双质体共振.本设计整体实现了给料机的结构简单,运行可靠,调节安装方便,重量轻,体积小等特点. 振动给料机的发展和提高在矿山采掘和生产加工工业发展中占有很重要的地位,新技术新产品的开发和应用,是一项非常重要的任务.关键词 振动给料机; 设计 AbstractVibration machinery has been widely used in various industrial sectors, especially in the mining industry, materials feeding, transmission, screening, dehydration and broken, grinding and other operations, they all can use the vibration machine. Mechanical vibration feeder can give massive, granular material from the storage silos in uniform into the material equipment in the production process. It applies to the automatic ingredients, packaging and quantitative control. It is mainly composed of two major parts: Slot and Vibrator . The design of the exciter is a double-vibration motor and the electrical excitation as a source of vibration provides the necessary exciting force. This ensures low noise, small power consumption, perfect condition and no-expected phenomenon. In order to prevent excessive vibration from destructing the foundation, it needs using rubber as a spring damping system. By selecting the appropriate frequency converter to make the feeder similar to the natural frequency of vibration frequencies .It can achieves the quality of dual-resonance. The simple overall structure, reliable operation, regulation of easy installation, light weight, small size and other characteristics can achieve. The enhance and development in the mining and manufacturing industrial development play important roles ,the development and applications of new products and new technology are very important tasks.Key words Mechanical Vibration Feeder Design 目 录 TOC \o 1-3 \h \z HYPERLINK \l _Toc202177581 1 绪论 PAGEREF _Toc202177581 \h 1 HYPERLINK \l _Toc202177582 1.1我国振动给料设备的发展沿革 PAGEREF _Toc202177582 \h 1 HYPERLINK \l _Toc202177583 2 给料机的工作原理 PAGEREF _Toc202177583 \h 4 HYPERLINK \l _Toc202177584 3 承载构件的结构设计 PAGEREF _Toc202177584 \h 6 HYPERLINK \l _Toc202177585 3.1承载构件的型式 PAGEREF _Toc202177585 \h 6 HYPERLINK \l _Toc202177586 3.2承载构件的刚度 PAGEREF _Toc202177586 \h 6 HYPERLINK \l _Toc202177587 3.3槽体主要尺寸的确定 PAGEREF _Toc202177587 \h 7 HYPERLINK \l _Toc202177588 3.4振动筛板的结构设计 PAGEREF _Toc202177588 \h 8 HYPERLINK \l _Toc202177589 4 工艺参数的选择 PAGEREF _Toc202177589 \h 10 HYPERLINK \l _Toc202177590 4.1 给料机的长度及宽度 PAGEREF _Toc202177590 \h 10 HYPERLINK \l _Toc202177591 4.2 振幅和频率 PAGEREF _Toc202177591 \h 10 HYPERLINK \l _Toc202177592 4.3 振动电机激振力计算 PAGEREF _Toc202177592 \h 11 HYPERLINK \l _Toc202177593 4.4 物料的平均速度 PAGEREF _Toc202177593 \h 12 HYPERLINK \l _Toc202177594 4.5 给料机生产能力 PAGEREF _Toc202177594 \h 12 HYPERLINK \l _Toc202177595 4.6 应用及改进 PAGEREF _Toc202177595 \h 12 HYPERLINK \l _Toc202177596 5 振动分析 PAGEREF _Toc202177596 \h 14 HYPERLINK \l _Toc202177597 5.1 振动电机的振动给料机动力学分析 PAGEREF _Toc202177597 \h 14 HYPERLINK \l _Toc202177598 5.2 力学模型分析 PAGEREF _Toc202177598 \h 15 HYPERLINK \l _Toc202177599 5.3 考虑存在阻尼时的振动的分析 PAGEREF _Toc202177599 \h 17 HYPERLINK \l _Toc202177600 5.4 固有频率与激振频率 PAGEREF _Toc202177600 \h 19 HYPERLINK \l _Toc202177601 6 振动给料机电机功率的计算 PAGEREF _Toc202177601 \h 20 HYPERLINK \l _Toc202177602 6.1振动给料机及振动筛启动过程分析 PAGEREF _Toc202177602 \h 20 HYPERLINK \l _Toc202177603 6.2电机功率的计算 PAGEREF _Toc202177603 \h 22 HYPERLINK \l _Toc202177604 7 强度校核 PAGEREF _Toc202177604 \h 23 HYPERLINK \l _Toc202177605 7.1 焊接校核 PAGEREF _Toc202177605 \h 23 HYPERLINK \l _Toc202177606 7.1.1 焊接介绍 PAGEREF _Toc202177606 \h 23 HYPERLINK \l _Toc202177607 7.1.2 焊接的质量检查 PAGEREF _Toc202177607 \h 23 HYPERLINK \l _Toc202177608 7.1.3 静载荷作用下焊接的计算 PAGEREF _Toc202177608 \h 23 HYPERLINK \l _Toc202177609 7.1.4 交变载荷作用下的强度计算 PAGEREF _Toc202177609 \h 24 HYPERLINK \l _Toc202177610 7.2 橡胶弹簧 PAGEREF _Toc202177610 \h 25 HYPERLINK \l _Toc202177611 7.2.1 橡胶弹簧特性 PAGEREF _Toc202177611 \h 25 HYPERLINK \l _Toc202177612 8 变频器的调速方式及合理选择 PAGEREF _Toc202177612 \h 26 HYPERLINK \l _Toc202177613 8. 1 引言 PAGEREF _Toc202177613 \h 26 HYPERLINK \l _Toc202177614 8.2 变频调速方式的确定 PAGEREF _Toc202177614 \h 26 HYPERLINK \l _Toc202177615 8.3 控制方式的选择 PAGEREF _Toc202177615 \h 28 HYPERLINK \l _Toc202177616 8.4 变频器的分类 PAGEREF _Toc202177616 \h 29 HYPERLINK \l _Toc202177617 8.5 变频器的选择 PAGEREF _Toc202177617 \h 29 HYPERLINK \l _Toc202177618 8.5.1选择变频器品牌型号 PAGEREF _Toc202177618 \h 29 HYPERLINK \l _Toc202177619 8.5.2选择变频器规格 PAGEREF _Toc202177619 \h 29 HYPERLINK \l _Toc202177620 8.5.3 选择的变频器应满足的条件 PAGEREF _Toc202177620 \h 30 HYPERLINK \l _Toc202177621 8.6 变频调速原理 PAGEREF _Toc202177621 \h 30 HYPERLINK \l _Toc202177622 8.6.1 变频器的基本结构 PAGEREF _Toc202177622 \h 30 HYPERLINK \l _Toc202177623 8.6.2变频器的控制电路 PAGEREF _Toc202177623 \h 30 HYPERLINK \l _Toc202177624 8.6.3 变频调速的基本原理 PAGEREF _Toc202177624 \h 31 HYPERLINK \l _Toc202177625 8.6.4 变频调速的优点 PAGEREF _Toc202177625 \h 33 HYPERLINK \l _Toc202177626 9 系统的设计实现 PAGEREF _Toc202177626 \h 34 HYPERLINK \l _Toc202177627 9.1 可编程控制器概述 PAGEREF _Toc202177627 \h 34 HYPERLINK \l _Toc202177628 9.1.1 PLC简介 PAGEREF _Toc202177628 \h 34 HYPERLINK \l _Toc202177629 9.2 主要特点 PAGEREF _Toc202177629 \h 36 HYPERLINK \l _Toc202177630 9.3 PLC系统结构 PAGEREF _Toc202177630 \h 37 HYPERLINK \l _Toc202177631 9.4 系统硬件实现 PAGEREF _Toc202177631 \h 37 HYPERLINK \l _Toc202177632 9.4.1 容量选择及定方法振幅 PAGEREF _Toc202177632 \h 37 HYPERLINK \l _Toc202177633 9.4.2变频器控制电气原理 PAGEREF _Toc202177633 \h 38 HYPERLINK \l _Toc202177634 结论 PAGEREF _Toc202177634 \h 41 HYPERLINK \l _Toc202177635 致谢 PAGEREF _Toc202177635 \h 42 HYPERLINK \l _Toc202177636 参考文献 PAGEREF _Toc202177636 \h 43 HYPERLINK \l _Toc202177637 附录 PAGEREF _Toc202177637 \h 44 1 绪论1.1 我国振动给料设备的发展沿革20世纪50年代初,矿井用给料设备主要依赖机械式往复给料机。该机型结构简单,动力消耗较大,设备笨重。其原理是:由连杆及偏心轴传动,往复作业,处理量小,成间接堆式不均匀给料。但该机型维修量小、耐用,布置所需高度低,对物料的粒度组成、外在水分等物理性质要求不严。已广泛用在各类矿井生产中。特别是煤矿井下,直到目前,对其在恶劣条件下的适用性仍给予好评。随着矿井机械化程度的提高,对K型往复式给料机已作了大量改进,由单屈臂改为双屈臂,给料量已增加到1 000-- 2 000 t / h 。60年代,随着生产技术的发展,相继出现了电磁振动给料机,并迅速得到广泛应用。原机械工业部相继在东北的辽阳、河南鹤壁和江苏海安设立3家定点生产厂。该机型属于双质体共振钢型弹力振动,相对于K型往复给料机,其适应性更加广泛。由于结构紧凑、质量轻、可无级调速以及适用220 -- 380v不同等级电压与电耗少等特点,从而得到了推广。然而,由于该机型存在电磁铁振动时噪声大、振频高(3 000次/min)、振幅小( 1-- 1.5mm)和调整运量的振幅大小取决于E型电磁铁静块与动块间隙、板弹簧片数以及联接杆螺母松紧程度等原因,如果调节不当,间隙太大则电流增大(长时间线圈铁芯会发热损坏),间隙过小造成振幅减少,致使用户深感生产管理不便。特别是在增加调速时,因噪声过大影响职工身心健康。为减少料仓直接作用在给料机上物料的垂直压力,配置料斗及导料仓时要有一定的角度和高度;对水分大、结湿滞性物料,因其频率高、振幅小出现板结和不下料现象,使其局限于非防爆场合使用;因电磁铁怕水、怕潮、振动时会产生火花而导致瓦斯爆炸,对密度较大矿石的给料也不太适合;因振幅小对物料抛浮力小,其给料量也受到限制。 到了70年代末至80年代初,一种单质体以振动电机加偏心块离心力为振源的给料设备应运而生。该机型简单明快,自动调节同步运动,选用4-- 6极电机、转数为960--1 450转/min,振幅可达4 -- 12 mm。但使用中发现,该机型有先天缺陷:①振源为特殊电机。在偏心块作用下,对电机轴承的质量,密封程度要求过高,且成功保质功率为2. 2kW。如需防爆,不但造价高,对其性能,亦非一般生产厂家能保证,而且价格昂贵;②参振电机在振动槽上采用直接连接方式安装,轴承除承受正常径向力外,尚有较大的轴向力,严重影响电机寿命。在使用率较高的地方,常因轴承游隙过大或缺油造成电机扫膛而烧坏,使生产无法正常进行,频繁更换会给用户带来经济损失;③电机直接参振的槽体,其两台电机开机需强制同步,会因振动使槽体破裂。在槽体载料过重或出现卡死情况下,电机强行启动易造成过流烧坏,剪断固定电机螺栓,使电机掉下伤人。这些先天缺陷使强制同步型给料设备的应用受到很大限制。后来,虽然国内生产厂对电机质量不断改善,但无法改变该机型先天性的技术缺陷。 在80年代末90年代初,针对强制同步振动电机为振源的给料设备的使用状况,研制开发了一种电机不参振型新型给料设备。GZ型是参照波兰设备研制的单质体振动给料机。该机以普通电机为振源,绕性连接槽体下方的激振器。激振器内有两根可调偏心轴。通过电机绕性传动,一对齿轮转动产生激振力。它的出现是强制式电机振动给料设备的更新换代产品,给料均匀、运行可靠、对物料的水分及粒度适用性强。该机采用前吊后座配置,以不烧电机著称。该机存在的问题是:①现场配置需固定电机底架,占用一定空间;绕形连接因槽体载重过量卡死后,强行启动会撕裂;②动态与静态配连安装时要求上下左右留有一定的活动量,而且因无减振系统,激振力直接传递给机身的地基,其冲击力及噪声较大;③激振器重力轴以及齿轮材质要求高;要求激振箱注油降温,密封不严会漏油,造成二次污染,缺油后齿轮发热起火,存在不安全隐患。目前,该机型已发展成系列产品--GZY,GZM,GZK,在国内许多大型矿井及煤炭转运生产线上广泛运用,获得了良好的社会、经济效益。 XZG型给料机是90年代具有先进水平的新型给料设备。由北京有色冶金研究总院、东北工学院等在吸收国内外先进技术基础上研发而成。92年,在世界第二、亚洲第一的大型铜业基地德兴铜矿进行工业性调试,同年12月通过中国有色总公司的技术鉴定,94年获国家五部委颁发的国家级产品证,与国内原有设备相比,XZG型给料机有显著优点。采用了双质体近共振惯性振动原理。采用橡胶剪切给力,具有设计合理、结构紧凑、衡压平稳启动、不受槽体物料载重和卡死的影响,而且省力、无噪声、省电、给料量大,可以配置无级变频器,实现变频给料、配料,远距离微机操作控制,常年无需维修,主振剪切胶簧10年无需更换。目前,已在国内重大项目工程中广泛采用,江西德兴铜矿、安徽铜陵公司、安庆铜矿、招远金矿、上海宝钢、三峡工程、神华大柳塔洗煤厂、榆家梁、孙家沟、充州济宁二号井以及各大矿务局等。它采用悬挂、座式等配置,便于工艺布置及空间利用。该机型由槽体、激振部两大部分组成,主振部分是激振部。一台振动电机,水平装置在平衡体后立板上,剪切橡胶弹簧上下单排或双排布置。由下压板通过螺栓连接在平衡体上,再由左右侧板与槽体连接。原理是,振动电机偏心作用力通过上下固定在平衡体与压板上的剪切胶块把力剪切传递到槽体,实现均匀给料。振频960次/ min,振幅可达2-- 12 mm。在十多年的推广应用中,得到广大用户的一致好评,正在日益发挥作用。被公认为是目前最先进的产品之一。但是,以双质体理论设计配置,整机质量较其它产品大,制造费用较贵。特别是防爆型给料机,因防爆振动电机价格较高,在推广中遇到了廉价给料机的挑战。但有远识的企业家、工程技术人员还是看重了其可靠性和先进性,正在不断占领各个行业的给料机市场。我们从以上各类给料机的发展历程可以看出,我国振动给料机顺应国外给料机发展模式:①振动给料机可靠耐用,维护量少,生产效率高,便于自动化管理;②大型化可提高处理能力,适应高产高效集约化生产需要,实现微机自动化控制、动态分析与监控技术相结合;③拓展各机型的适用范围,以满足不同物料运输的需要,降低动力消耗和噪声,更加环保和人性化设计。但是,我们不难发现整个民族工业发展息息相关,我们要倍加呵护。由于我国各地经济发展不平衡,先进技术应用还要经过一个艰苦的认识过程,传统观念的封闭与经济欠发达地区的财力都会影响我国振动给料设备的发展。因此,要想使我国的给料设备赶超世界水平,还有待各方面的共同努力。直线振动筛与下面我所介绍的振动给料机的工作原理有异曲同工之妙,我们不妨先看看直线筛的工作原理图:ZXS系列直线振动筛利用振动电机激振作为振动源,使物料在筛网上被抛起,同时向前作直线运动,物料从给料机均匀地进入筛分机的进料口,通过多层筛网产生数种规格的筛上物、筛下物、分别从各自的出口排出。具有耗能低、产量高、结构简单、易维修、全封闭结构,无粉尘溢散,自动排料,更适合于流水线直线振动筛的工作动态效果图及其平面图 2 给料机的工作原理振动给料机又称为振动喂料机。振动给料机在生产流程中,可把块状、颗粒状物料从贮料仓中均匀、连续、定时地给到受料装置中去,在砂石生产线中可为破碎机械连续均匀地喂料,并对物料进行粗筛分,广泛用于冶金、煤矿、选矿、建材、化工、磨料等行业的破碎、筛分联合设备中。电机振动给料机是利用两台偏心振动电机的同步原理,产生合力,通过周期振动,从而推动给料槽内的物料做抛掷或滑行运动,用于把块状、颗粒状及粉状物料从贮料仓或其它贮料设备中均匀、连续或定量地给到受料设备中,适应于自动配料、定量包装和自动控制。它的性能特点是:振动平稳、工作可靠、寿命长;可能调节激振力,可以随时改变和控制流量,调节方便稳定;振动电机为激振源,噪声低,耗电小,调节性能好,无冲料现象。结构简单,运行可靠,调节安装方便,重量轻,体积小,维护保养方便,当采用封闭式结构机身时可防止粉尘污染。ZG型振动给料机采用的是座式安装,可直接安装在基础上,或钢结构的底架上。设备安装后比较平稳,但要求基础平整。 图2-1 自同步振动给料机结构与工作原理 1—槽体 2—激振电机 3—减振器从图中可以看到,振动给料机的激振器是由一对参数接近相同的激振电机组成的,两台激振电机通常平行安装于槽体的后部两侧或槽体的下方,并对称于给料机的纵向对称平面。两台激振电机的轴线与槽底平面所夹的角度和所需的振动方向角互为余角。两台激振电机的轴线也可以与槽体的对称平面相垂直,安装在给料机槽体的后部。这时,不应破坏整机关于槽体纵向对称平面的对称性。在这种情况下电机底座与槽底平面所夹的角度也应和所需的振动方向角互为余角。根据自同步原理,两电机启动后,将很快就进入同步状态,即以同一转数运转,两电机的偏心块所产生的惯性力在两轴心连线上相互抵消,而在与两轴心连线相垂直的方向上叠加为激振力。这是按规律变化的,此激振力使振动给料机获得输送物料所必须的振动。 3 承载构件的结构设计承载构件系指振动给料机直接承载物料的部件,它是给料机的重要组成部分,根据承载构件尺寸的大小和被输送物料的性质,一般用2—10mm厚的炭钢、低合金结构钢或不锈钢焊成。本设计都采用Q235,它是很好的焊接材料。3.1 承载构件的型式振动给料机的承载构件,根据具体使用要求通常设计成槽式和管式。在这里,采用的是通用型式—槽式。槽式多是敞开的,也可以做成密封的,以防止粉尘外溢或环境污染。槽体的截面分为矩形的、梯形的和三角形的,槽底有平底和弧形底两种。因为槽体直接参与振动,它的质量(或重量)大小直接影响到所需要的激振力和消耗功率的大小。承载构件愈重则功率消耗愈大,因此承载构件重量轻些才好。槽体始终处于较高频率的振动状态下,为了避免在共振时振幅增大而造成构件的疲劳断裂,要求槽体有较高的刚度。为了减小承载质量并增加它的刚度,通常在槽体外面焊接加强筋,以增加截面的惯性矩,本设计中,槽体的设定长度为1.5米。3.2 承载构件的刚度为了使承载构件在振动条件下经久耐用,在槽体设计时仅仅考虑强度是不够的,还应保证构件有足够的刚度。整体刚度在计算槽体的整体刚度时,可将槽体看成是支承于弹簧上的弹性支承梁。该梁的一阶弯曲固有频率可近似按照下式计算: 式 (3.1)式中 ——一阶弯曲固有频率,; ——槽体单位长度质量,; ——弹性模量,; ——截面惯性矩,; ——槽体的长度,。为了使槽体有尽可能高的一阶固有频率,可以采取以下措施。尽量减轻槽体重量,使槽体的截面惯性矩大而槽体长度短。局部刚度 因为槽体的某一局部刚度不足也会引起局部共振,因此除了上述整体刚度的要求之外,还要求槽体的各个局部也具有足够的刚度。 对于悬臂筋板的一阶弯曲固有频率可按下式近似计算: 式 (3.2)式中 ——一阶弯曲固有频率,; ——筋板厚度,; ——筋板高度,; ——材料的弹性模量,; ——筋板材料的密度, 。各阶固有频率之比为: 3.3 槽体主要尺寸的确定本设计中,槽体长度L设定为1500mm,宽度B为1100mm。振动给料机中用于配料定量时为保证给料均匀,防止物料自流应水平安装;如进行一般物料连续给料,可下倾10o安装;对于粘性物料及含水量较大的物料可下倾15o安装。推力板(传动板)是传递激振力的重要构件,应有足够的刚度。两推力板之间的距离 ,推力板在激振力作用下不应有弹性变形,以保证物料在整个槽宽上的输送速度一致。槽帮的高度(或深度)一般不宜太高或太低,推荐为450。为了使激振力能够准确地通过槽体质心,使力臂为0,以防止机体产生摇摆振动,这就牵涉到槽体质心的位置计算。应该指出,槽内带有物料时的机体质心,也就是指负载后的槽体质心与空载的槽体质心是不重合的。在设计时,激振力作用线必须通过负载时槽体的质心。槽体的质心坐标可由下式求出: 式 (3.3) 式中 ——槽体各零件距坐标原点O的距离; ——槽体上各零件的重量; ——槽体重心的坐标。 3.4 振动筛板的结构设计振动筛是利用振动的多孔工作面将颗粒大小不同的混合物料按粒度进行分级的机械,这种分级作业叫做筛分。筛分工作一般适用于尺寸为1—300mm或更细物料(达0.05mm,甚至更小)的分级。当用于分级时,一层筛面可获得两种产品;用n层筛面分级可获得n+1种产品。根据筛分任务的不同,筛分作业可分为以下几种:(1)独立筛分。筛分后的产品成为成品的筛分称为独立筛分。(2)预备筛分。为下一步加工而进行的筛分称为预备筛分。在选矿厂中,如采用重力选、电磁选等选矿方法时,要求矿石有一定的粒度范围,因而,在选别之前,须将矿石分成若干等级,以利于选别作业有效地进行。(3)辅助筛分。这种筛分作业是和破碎作业联合在一起的。其目的是当矿石进入破碎机之前,将已符合要求的不需要破碎的合格产品筛出;或是对破碎机破碎后的产品进行检查,筛出过大的不合格产品送回破碎机中继续进行破碎。前者称为预先筛分,后者称为检查筛分,若同时执行预先筛分和检查筛分的任务,则称为预先检查筛分。本设计中,振动筛板实现的就是辅助筛分。 图3-1 三种筛分方式示意图 (a) 预先筛分 (b)检查筛分 (c)预先检查筛分 (4)其他筛分。如脱水、脱介、脱泥等。对中等料层厚度采用的是普通筛分法,对物料进行筛分。它的特点是:料层厚度一般为筛孔尺寸的3—6倍;筛面层数为1—2层;物料颗粒的透筛是在筛面连续振动的情况下按照筛孔的大小进行的。筛孔尺寸a与筛下物的最大颗粒尺寸d的关系:圆孔:a=1.3—1.4d,方孔:a=1.1—1.13d,长方形孔:a=0.7—0.8d 。此设计中采用的是方形孔,冲孔而成。筛面是筛机的主要工作部件。对筛面的基本要求是:有足够的强度,最大的有效面积,筛孔应不易堵塞,在物料运动时与筛孔相遇的机会较多。这是保证筛面有较好的工作可靠性、工作效果和使用寿命的条件。筛板是一种比较牢固的筛面,主要用于大中块物料的筛分作业中。筛孔在25mm以上的大块分级,应当采用筛板。这样筛面的寿命较长,对筛分效果影响不大。其开孔率可用下式计算: 式(3.4)式中 ——开孔率,%; ——筛孔直径,mm; ——筛孔间的最短距离,mm。按照经验, 的大小可用公式 确定。经计算,筛板的开孔率为50%。 4 工艺参数的选择4.1 给料机的长度及宽度 给料机的长度依照用户煤仓的尺寸、给料机的替代及物料的自锁条件等三方面来确定.本机长度定为1 500mm,宽度则确定为1 100mm。4.2 振幅和频率为了选择最佳下列参数.先进行物料运动分析筛面上有单颗物料W.在振动过程时作用在W上的力。如图4-1所示: 图4-1 物料机上物料受力分析图中 ——物料在X方向的惯性力,N;——作用给物料W的抛射力,N;F——磨檫力,N; N——正压力,N;G——物料重,N; G——重力加速度,918cm/。按照达轮培尔原理,可建立以下微分方程式: 式 (4.1)式中 ——给料机安装倾角 ; ——给料机抛射角 ; ——振幅;——振动电机角速度 。 物料W可能有3种运动状态①前滑:它增加给料机地板摩擦,一般不用;②后滑:无意义;③跳起:给料机下作需要使物料抛起.其条件为: ,这时N=0,F=0,将(4-1)式除以得: 式 (4.2)即,当为时抛射力为最大,这时令,称为振动强度,一般K10, 将代入,则:令 称为抛射强度,它决定物料的运动速度。时物料就能抛起,但并不是越大越好,值的合理选择取决于物料抛起后与筛面运动轨迹相交的位置。电机振动给料机在选煤厂使用不好的原因主要是由于振幅小(1 mm),频率高(50HZ)以及通过ZG振动给料机的给料试验.一般单振幅为2mm.频率25Hz,平均输送速度仪0.12m/s,据此选用振幅为6mm,频率为16Hz。将振幅0. 6cm,频率16Hz(n=960)代入:经运算结果,均在允许范围。4.3 振动电机激振力计算引用按达伦培尔原理推导出的计算结果: 式 (4.3)式中 P——振动电机激振力,N; (M+m)——给料机参振质量,经计算为438kg;选用两台YZU-8-6A振动电机其激振力为 。4.4 物料的平均速度 式 (4.4)式中 ——倾角对平均速度的修正系数.取1. 2;——料层厚度对输送速度的影响系数.取 0. 7;——物料性质对输送速度的影响系数.取 0. 7;——滑行性质对输送速度的影响系数.取1;——物料散密度.。则 =282.24 mm。4.5 给料机生产能力Q =3600hB ,Vx= 507t/h 式 (4.5)式中 h——物料厚度.兴降庄洗煤厂实测数据为 0. 5m; B——给料机宽, B= lm;V——实际物料输送平均速度.即v= 0. 282m/ s则 Q=203t/h。4.6 应用及改进ZG型煤用电机振动给料机由煤炭部选煤设计研究院研制,早已通过部级鉴定。该机适用于水分多、含煤量大、粘度大的洗后精煤、煤泥等给料,也适用于条件类似的物料给料。具有能力大、给料简单合理、重量轻、电耗少、设备噪声不超过环保要求、易于维护等优点是一种理想的给料设备。故鉴定后几年之内就得到广泛的推广在邵郸、鲍店、马兰、大同等矿井选煤厂得到应用。但该机的关键部件--振动电机在我国正处在发展阶段.经生产实践考验后发现其使用寿命短。分析原因大体有以下几种: (1)振动电机外壳多为球墨铸铁.故其流动性差.经常在电机腿的跟部出现砂孔等隐患.造成使用过程中断裂。 (2)振动电机在振动过程中,不仅有径向力而且有相当大的轴向力,轴承保持架也同样承受轴向力,因此保持架易磨损,造成振动电机轴承使用寿命缩短。改进意见:(1)将振动电机改为水平安装,振动电机轴承在振动过程中不承受轴向力,从而保持架也不承受轴向力,磨损也减少;(2)经计算轴承的寿命短,加大一级轴承自径提高其使用寿命;(3)采用镍铬合金保持架,提高轴承的强度及耐磨能力; (4)振动电机的外壳采用铸钢或钢板卷制,提高振动电机的耐振性能; (5)轴承采用瑞典或日本的轴承也可提高振动电机的寿命。 5 振动分析5.1 振动电机的振动给料机动力学分析根据电机卧式振动给料机结构,取给料机质心为坐标原点,水平方向为x轴,垂直方向为y轴,振动电机产生的激振力:分解分力为: 式中 ——偏心质量;——轴回转角速度;——偏心块的偏心距离。 由于振动电机轴与给料机质心不重合,所以机体除平面振动外,还存在前后的摆动。用角位移表示机体绕质心的摆动。根据牛顿运动定律和转动方程,建立系统的振动微分方程式: 式(5.1)式中 M——振动机体的质量(包括给料机槽体和振动电机)。 一般情况下,设计安装时保证微分方程式(5.1)简化为: 式(5.2)因为水平方向振幅A=mrM;垂直方向振幅B=mr/(M-2k);摆动振幅=amr/(-2k),因此系统响应为: 式(5.3)根据响应质心和其它两点运动轨迹如图5-1所示: 图5-1单电机卧式质心和两点运动轨迹图从图5-1曲线可看出:由于系统在过共振区工作2kM,所以,质心轨迹为圆运动,由于摆动的存在,其他点为椭圆。从ZG型振动给料机的动力学分析与研究.找到ZG型振动给料机振动电机的安装方式是振动电机损坏率、振动给料机的给料效率的主要影响因素.根据分析的结论可对给料机进行设计优化.进而为物料运输行业和振动给料机生产企业在设计上提供设计依据,指导实际生产活动。5.2 力学模型分析 为了研究电磁振动给料机的力学模型,先将机构简化为如图所示的二自由度振动模型。其中集中质量m1表示振动料槽与传输物体的质量,m2表示底座的质量,k1为隔振弹簧,k2为板簧。同时,为了分析更为清楚、简单,我们暂不考虑系统的阻尼。图5-1 电磁振动给料机的力学模型用广义坐标表示两个集中质量m1和m2在垂直方向的位移,用F1 F2分别表示集中质量m1 m应用拉格朗日方程法建立系统的微分方程,有: 式(5.4)假定,此微分方程组的特解表示该系统的强迫振动,则有: 式 (5.5)式中 ——底座的振幅;——料槽的振幅。把式(5.5)代入式(5.4 )并消去,可得: 式 (5.6)化简得解之得 式 (5.7)其中 式 (5.8) 为了化简方程,令: 代入得: 式 (5.9)当激振力消失时,A1=0, A2=d,式(5.6)为: 式 (5.10) 式(5.10)是一齐次联立方程组,有一组解是,由此引出的,只能是在系统的平衡位置,而不能说明振动性质,不是需求的振动解。要使式(5.10)有非零解,即其系数行列式即式(5.9)的分母必须等于零。用函数表示分式中分母,若= 0,则有: 式 (5.11)这样,式(5.9)中,将趋向于。由此可知,就是系统的频率方程。在设计时,,则方程的一个根=0,故得 式 (5.12)5.3 考虑存在阻尼时的振动的分析 在现实的系统中,阻尼是每时每刻都存在的,以下就存在阻尼时,对振动系统中的能量平衡进行研究。 由于阻尼的存在,系统在振动中机械能不断耗散,只有当外界激励不断给系统补充能量,并相对能量收支平衡时,系统才能维持稳定振动。现在我们从稳态强迫振动的激振力与阻尼力在一个周期内所做的功进行分析,以证明这一平衡的关系。激振力 稳态强迫振动的一周期内所做的功为 (5.13)考虑到:,于是有: 而阻尼力在定常振动系统中一周期内所做的功△E2为:引入记号: 于是有: 式 (5.14)就不难得到: 这就说明了上述能量平衡关系。注意到当时,有因此由上面可得共振放大率: ;从以上的分析可以看出,在有阻尼与无阻尼情形的显著差别主要表现在共振区内。在这一区域内,阻尼对定常强迫振动振幅的大小有着决定性的影响。只要阻尼存在,振动系统的共振放大率就只能取有限值,不象在没有阻尼时的情况,振动振幅会随激振力的存在而无限扩大。进一步分析由式(5-11)与式( 5-12)可得: 式(5.15)分母在 =时具有极小值,换句话说,当=时,振动系统达到共振。5.4 固有频率与激振频率固有频率对振动系统影响是非常大的,也是最为关键的参数。当激振频率确定后,P值也就可以确定。频率比又选择得当,电磁振动给料机可以用较小的功率消耗,获得较高的机械效率。 一般电磁振动给料机工作时,料槽内的物体质量是变化的,因而阻尼值也在变化。从幅频特性曲线可知: 当 = I时,其振幅最大而功率消耗最小,但难以使料槽在此点稳定工作。当1时,料槽在亚共振区工作。加料后物体多,m增大,阻尼大,振幅虽有所降低,但P亦同时降低,使 值更趋近于1,于是又使振幅增大,起着互相补偿的作用,使振动系统工作稳定。当I时,料槽将在超共振区工作,增加输送物体后,m增加,将使阻尼值。增大令振幅下降,而P降低,则值增加,振幅更加大,影响振动系统的工作稳定性。 6 振动给料机电机功率的计算确定惯性振动给料机及振动筛电机功率参数过程中,传动率的合理选择和计算是一个十分重要的问题,它不仅是惯性振动给料机及振动筛正常运行的重要条件,而且也是合理电能消耗的重要条件。在传统的工程设计中,惯性振动给料机及振动筛电机功率参数的确定是由经验估算来确定的。例如:由矿院设计的某石灰石矿破碎筛分系统规模为年处理矿石4000kt/ a,其粒度要求见表1。破碎筛分系统工艺流程是,采矿选用电铲装车,运至破碎筛分系统的石灰石原矿粒度为1000--2000mm结合产品粒度要求,设计采用粗、中和细碎闭路二段破碎流程。其产品粒度界限图见表6-1:表6-1产品粒度界限表从表6-1中可以看出,振动给料机及振动筛在破碎系统中使用频率较高,对产品的质量起重要的作用。振动给料机及振动筛电机功率的计算方法有好几种,其中一部分计算方法属于经验公式,它们只能对这类设备的功率选择作初步的确定。一般误差较大,如果要合理计算其功率,必须分析这类机械的启动过程,才能得出较为合理的电机功率数据。而这种计算结果在该石灰石矿破碎系统的工艺流程的改造得到验证。在已完成的工程设计中,对振动给料机及振动筛的选用,其中电机功率的确定未进行过详细的计算,只是根据处理量凭经验公式来确定振动给料机及振动筛的电机功率参数,使得工程设计中确定电机功率的理论依据不是很充分。随着工艺水平的不断进步,振动给料机及振动筛的电机功率参数的计算方法也有了一定的改进。通过分析给料机及振动筛的启动过程,计算出合理的电机功率数据,是一种相对完善,也较容易实现的一种计算方法.下面对这种计算方法进行简单的介绍。6.1 振动给料机及振动筛启动过程分析 振动给料机及振动筛的正常工作是由带偏心质量的振动器驭动其机体产生连续的振动,使物料得到有效的输送或筛分。而振动器的核心部分是以一定的速度旋转的偏心块。当振动给料机及振动筛启动时,振动器的偏心质量在规定时间内,由静止达到工作转速,实现正常工作,完成全部启动过程。 要实现这个启动过程必须要在振动器的偏心质量上加一个最大的转矩,以克服振动器的阻力矩、静转矩和加速力矩,来实现振动给料机及振动筛的正常起动,稳定运转的工作状态。设最大转矩为 ,则 式(6.1)式中 ——使振动器的偏心质量m在规定时间达到工作转速的角加速度所需的力 矩,N .m; ——克服振动器的阻力及参振质体mR质体的静转矩所需的力矩,N .m; 式(6.2)式中 ——振动器的偏心质量旋转角速度,r/ min; t ——时间,s; 式(6.3)式中 n——振动器的偏心质量旋转速,r/ min 。 == / dt 式(6.4)式中 ——振动器的转动惯量,; ; 式(6.5)式中 ——参振质体的质量,kg; D ——推算的环动直径,m。起动过程的角加速度是变化的,但在规定的起动时间内,可取其平均值。 式(6.6)所以, 式(6.7)在(6.1)式中的是由振动器的阻力矩和静力矩组成。即 式(6.8)由于较小,可以忽略,计算时可以认为 式(6.9)由于振动筛式振动给料机的参振质体在振动过程中能量的输入和输出、电机功率实际上是不平衡的,所以要考虑一个不均衡系数K,所以 式(6.10)式中 K——不均衡系数,K = 0. 4 — 0. 5; ——振幅,m。 所以 式(6.11)6.2 电机功率的计算 电机功率一般以额定转矩,计算,即 式(6.12)式中 u——额定电压,V; ——电压降时的最大电压,V。则电动机功率P为:, 选取 kw。 7 强度校核7.1 焊接校核7.1.1 焊接介绍薄板结构的搭接焊接可以采用接触焊(点焊)和滚焊(缝焊),本设计所有焊接都采用缝焊。焊点的直径d 可根据被焊对象零件的厚度来确定;d=1.2S + 4mm, 而且此直径不应大于d=1.5S+5mm,式中S是被焊元件的最小厚度。 传动板 S= 12mm 所以 d=1.212mm +4mm=16.4mm d=1.512mm +5mm=23mm 那么 d=16.423mm 取d=18mm。 其他钢板 S=8 mm 所以 d=1.28mm +4mm=13.6mm d=1.58mm +5mm=17mm 那么 d=13.617mm 取d=15mm。推荐焊接点间的距离 a=3d7.1.2 焊接的质量检查 为了保障机械制造中产品的可靠性,应该对焊接件进行全部检查或者抽样检查。检查的方法有外观目测以及破坏性方法和非破坏性(无损)方法几种。本设计采用运行长时间来试机用来检验焊接质量。7.1.3 静载荷作用下焊接的计算对接焊缝的强度计算是把被联接零件看成一个整体零件而按其名义截面(不考虑焊缝加厚)进行的。给料机材料均为Q235。拉应力 式 (7.1)式中 ——外载荷; ——焊缝的长度; ——被联接零件的厚度; ——焊缝拉伸许用应力,通常,取。表7-1 静载荷作用下焊缝的许用应力焊接类型焊接的许用应力拉伸时受压时剪切时自动焊,在保护性气体介质中焊,接触焊0.65普通焊条手工焊0.90.6点接触焊————0.5 =32.3MPa 0.9 =0.9235=211.5MPa满足要求。7.1.4 交变载荷作用下的强度计算当焊联接件承受载荷时,如果循环的平均应力和应力幅长正比的增大,那么强度安全系数应为: 式 (7.2)式中 ——绝对尺寸因素影响后材料的疲劳极限; ——有效应力集中系数;取1.2;——不对称循环对疲劳强度的影响系数,对于低碳钢的对接焊联接,取0.15。计算得:所以满足要求。7.2 橡胶弹簧7.2.1 橡胶弹簧特性: 橡胶弹簧弹性模量小,形状不受限制,各方向刚度可以自由选择,容易达到理想的非线性特性,同时可承受多方向的载荷。本设计采用支承用橡胶弹簧,尺寸采用120120,橡胶弹簧橡胶硬度为50HS,查表矩此弹簧承受垂直载荷为94kN ,完全满足设计要求。弹簧内径为38。 8 变频器的调速方式及合理选择 8.1 引言经历了20世纪70年代中期的第2次石油危机之后,人们充分认识到了节能工作的重要性,并进一步重视和加强了对交流调速技术的研究开发工作。随着同时期电力电子技术的发展,作为交流调速系统中心的变频器技术也得到了显著的发展,并渐渐进入了实用阶段。虽然发展变频器驱动技术最初的目的是为了节能,但是随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展,电力半导体器件和微处理器的性能不断提高。目前,变频器不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用,而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域,并且在冰箱、洗衣机、空调等家用产品中也得到了广泛应用。90年代发展起来的变频技术是用于交流电动机一种新型电力传动技术,其技术和性能胜过其它任何一种调速方式。变频调速以其显著的节能效益,高精确的调速精度,宽的调速范围,完善的电力电子保护功能,以及易于实现的自动通信功能,得到了广大用户的认可和市场的确认,在运行的安全可靠、安装使用、维修维护等方而也给使用者带来了极大的便利和快捷的服务,使之成为企业采用电机节能方式的首选。应用变频器简化了异步电机的调速控制方式,国内新型纺织机械设备中已普遍采用了变频调速技术,纺织机械向机电一体化方向迈出了重要的进步。煤矿是高耗能企业,节能降耗空间较大。近年来,煤矿在节能工作方而从机构设置、管理制度、节能新技术的应用等多方面做了大量的工作。变频调速系统中的关键部件是变频器,从结构上来说,变频器可分为交—交变频器和交—直—频器。交—交变频器直接将电网的交流电变换成电压和频率可调的交流电输出。交—交变频器又可分为两种可用可控整流器调压,用逆变器调频的交—直—交变频器;(1)用一极管整流器整流,斩波器调压,逆变器调频的交—直—交变频器;(2)用一极管整流,PWM逆变器同时调频调压的交—直—交变频器。对于第二种变频器调速系统,电网波形畸变小,功率因数较高,逆变器动态响应好,而且PWM逆变器输出电压脉宽按正弦规律变化,交流电动机电流波形接近正弦波,输出的谐波分量小,电动机脉动转矩小,运行平稳。目前,在中小容量的高性能交流调速系统中大都采用YWM型变频器作为交流电动机的供电电源。8.2 变频调速方式的确定根据交流发动机的转速公式: 式 (8.1)式中 ——定子供电频率;——极对数;——转差率。若均匀地改变定子供电频率,则可以平滑地改变电动机转速,然而只调节是不行的,因为: 式 (8.2) 当定子电压不变时,与成反比,升高或降低,会导致磁通.的减小或增大,从而使电动机最大转矩减小,严重时将导致电动机堵转或使磁路饱和,铁耗急剧增加。为此,在调节电源频率的同时,要调节电压的大小,以维持磁通的恒定,使最大转矩不变。根据。和比例关系的不同,可形成多种变频调速方式。(1)恒比例控制方式这种控制方式是在调频的同时调节电压,维持当频率较高时,定子电阻压降可忽略不计,这时,, ,磁通近似不变。根据异步电动机的转矩公式:,当有功电流额定,恒定时,电动机的转矩不变,因而这种恒比例控制方式属恒转矩调速性质。而当频率较低时,定子电阻压降不可忽略,和相差较大,即使恒定,也不再近似为常数。最大转矩将随频率的降低而减少,起动转矩也将减少,甚至不能带动负载,所以恒比例控制方式只适用于调速范围不大或转矩随转速下降而减少的负载。(2)恒磁通控制方式由(8.1)式要实现恒磁通控制,必须保持恒定。然而,由于电动机的感应电动势难以测定和控制,所以实际应用中采用一种近似的恒磁通控制方法。当频率较高时,采用恒比例控制,如方式1所述。频率较低时,引入低频补偿,即通过控制环节,适当提高变频电源输出电压,以补偿低频时定子电阻上的压降,维持磁通不变,实现恒转矩控制。(3)恒电流控制方式 在变频调速时,保持异步电动机定子电流为恒值,实现恒流控制。这种调速系统安全可靠,具有良好的特性,但由于恒流控制限制了,所以此时的最大转矩要求恒磁通控制时小得多,过载能力小,这种控制只适用于负载变化不大的场合。8.3 控制方式的选择一般情况下,常见的负载有二种:减转矩型负载、恒功率型负载和恒转矩型负载。负载类型不同,调速范围不同,所要求的控制方式也不一样。因此,我们可以按负载的不同来选择不同的调速方式。(1)减转矩型负载这类负载的特点是转矩和转速的平方成正比,如风机和泵类。这类负载在负载重、电流大、铜耗大的场合,宜采用恒磁通控制方式。因为磁通不变,山于负载转矩与转速平方成正比,因此电动机电流也和转速的平方成正比。随着转速的下降,电流急剧减小,使铜耗大大减小。这类负载在负载较轻时,宜采用恒电流控制方式,因为在恒电流控制时,磁通和转速的平方成正比,随着转速的下降,铁损大大减小,有利于减小电动机损耗。需要指出的是风机、泵类负载一般不宜在低于15Hz以下运行,如确需要在15Hz以下运行,则要考虑电动机的温升,必要时二相交流异步电动机应采用不受转速影响的强迫风冷。(2)恒功率负载 恒功率负载的转矩与转速成反比,对于这类负载,可采用恒磁通控制方式和恒功率控制方式。恒磁通控制方式的特点是磁通不变和最大转矩不变,采用这种控制方式,可使电动机铁心获得充分利用,同时,由于负载随着转速的增加,转矩减小,电流也减小。若调速范围为D,则在额定转速时的电流为额定电流的,这样有利于铜耗的减小,这种控制方式特别适用于重载的场合。对于负载较轻的场合,宜采用恒功率控制方式,这种控制方式输出功率不变,在低速点,磁通和电流均为额定值,随着转速增加,磁通和电流均减小,这样铁耗大大减小。(3)恒转矩负载 恒转矩负载只有恒磁通控制方式一种形式,这种控制方式能同时保证磁通不变,电流不变,过载倍数不变,其他控制方式不能满足这些条件,提升机、运输机、传送机、搅拌机即属于这类负载。需要指出的是,对于升降性恒转矩负载,如提升机、电梯等,在其下降过程中需要一定制动转矩,但是变频器本身并不能提供很大的制动转矩,仅仅依靠其内部大电容可短时提供相当于电动机额定转距20%的制动转距,因此对于要求频繁提供较大制动转矩的场合,变频器还必须加制动单元。 为了使异步电动机变频调速系统能取得最好的效果,不同类型的负载应根据具体要求选择不同的控制方式,这些控制方式应满足:(1)电动机的过载能力不低于额定值,防止堵转;( 2)每极磁通不应超过额定值,避免磁饱和;( 3)电流不超过额定值,避免电机过热;(4)电机的损耗最小;(5)电动机容量得到充分利用,尽可能使磁能保持额定值,以充分利用铁心,尽可能使电流保持额定值,以充分利用绕组导线;尽可能使功率因数保持额定值,避免降低电动机出力。上述5点是我们选择控制方式时应特别注意的地方。8.4 变频器的分类变频器的种类很多,下面根据不同的分类方法对变频器分类:(1)按变换频率的方法 :交—直—交变频器;交—交变频器(2)按主电路工作方式 :电压型变频器;电流型变频器(3)按变频器调压方法 : PAM变频器;PWM变频器(4)按工作原理 :U/f控制变频器;VC控制变频器;SF控制变频器(5)按照用途 :通用变频;高性能专用变频器;高频变频器8.5 变频器的选择确定变频器的铭牌和型号,以及确定变频器的规格,就完成了变频器的选择。先对变频器进行分类,然后分别讨论铭牌和型号、规格。8.5.1选择变频器品牌型号变频器是变频调速系统的核心设备,它的质量品质对于系统的可靠性影响很大,选择品牌时,质量品质,尤其是与可靠性相关的质量品质,显然是选择时的重要考虑方面。同时,设备的平均寿命的长短是一个重要的参数,所以根据预期使用寿命来选择品牌,经验和口碑仍然是主要依据。在同一品牌中选择具体型号时,则主要依据已经确定的变频调速方案、负载类型以及应用所需要的一些附加功能来决定。8.5.2选择变频器规格变频器产品说明书都提高标称功率数据,但实际上限制变频器使用功率的是定子电流参数。因此,直接按照变频器标称功率进行选择,在实际中常常可能会行不通。根据具体工程的情况,可以有以下几种不同的变频器规格选择方式:(1)按照标称功率选择:一般作初步投资估算依据;(2)按照电动机额定电流选择:多用于恒转矩负载的新设计项目;(3)按照电动机实际运行电流选择:多用于改造工程;(4)按照转矩过载能力选择。综上所述,根据实际进程情况,以适当的方法选择变频器规格很重要。选择结果多数情况下变频器标称功率与电动机匹配,少数情况需要放大。所以,笼统的认为放大一级功率选择变频器是没有错的想法,但会造成浪费,总的来说从生产成本来作合适的选择。8.5.3 选择的变频器应满足的条件(1) 根据被控设备的负载特性选择通用变频器的类型;(2) 所选择通用变频器的类型与被控制异步电动机的参数匹配;(3) 为降低成本,首选通用变频器;(4) 变频器带有防止失速功能;(5) 变频器具有优良的转矩特性;8.6 变频调速原理8.6.1 变频器的基本结构变频器的基本结构见图8-1: 8.6.2变频器的控制电路其主要构成:包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分,是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。控制电路的主要作用是完成对逆变器开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能。随着电力半导体器件和微型计算机控制技术的迅速发展,促进了电力变频技术新的突破性发展,90年代后期发展起来的脉宽调制(Pulse WidthModulation, PWM)技术成了现在最常用的变频器功率开关器件的控制策略。PWM控制利用了采样控制理论中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时,其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果相同,指环节的输出响应波形基本相同。根据这个原理,可以用一系列等幅而不等宽的脉冲来近似正弦波,且脉冲的宽度按正弦规律变化,这种方法称为SPWM ( Sinusoidal PWM )。8.6.3 变频调速的基本原理电动机的转速被称为电动机的同步转速,其同步转速由电动机的磁极个数和电源频率所决定: 式 (8.3)式中 ——同步频率;——电源频率;——磁极对数。 异步电动机的转速总是小于其同步转速,异步电机的实际转速可由下式给出: 式 (8.4)式中 n——电动机实际转速s——异步电动机的转差率 由式(8.4)可知,改变参数,s中的任意一个就可以改变电动机的转速,即对异步电动机进行调速控制。因此,可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动机的调速控制。从某种意义上说,变频器就是一个可以任意改变频率的交流电源。 在电动机调速时,一个重要的因素是希望保持每极磁通量为额定值不变。磁通太弱,没有充分利用电机的磁心,是一种浪费;若要增大磁通,又会使磁通饱和,从而导致过大的励磁电流,严重时会因为绕组过热而损坏电机。对于直流电机来说,励磁系统是独立的,所以只要对电枢反应的补偿合适,保持不变是很容易做到的。在交流异步电机种,磁通是定子和转子合成产生的。电机电动势的有效值是: 式 (8.5) 式中 ——感应电动势有效值,单位为V; ——定子频率,单位为HZ; ——定子每相绕组串联匝数; ——基波绕组系数; ——每极气隙磁通量,单位为Wb。由公式可知,只要控制好和,便可以控制磁通不变。需要考虑基频(额定频率)以下和基频以上两种情况:1.基频以下调速:即采用恒定的电动势。由上式可知,要保持不变,但频率从额定值向下调节时,必须同时降低。然而绕组中的感应电动势是难以控制的,但电动势较高时,可以忽略电子绕组的漏磁阻抗压降,而认为定子相电压,则得=常值。低频时,和都较小,定子阻抗压降所占的份量都比较显著,不能再忽略。这时,可以人为的把电压抬高一些,以便近似的补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性为b线.基频以上调速:在基频以上调速时,频率可以从往上增高,但电压磁通与频率成反比的降低,相当与直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况合起来,可得到异步电动机的变频调速控制特性,如图8-3。如果电动机在不同的转速下都具有额定电流,则电动机都能在温升容许的条件下长期运行,这时转矩基本上随磁通变化。在基频以下,属于“恒转矩调速”的调速,而在基频以上,基本上属于“恒功率调速”。图8-3异步电动机变频调速控制特性8.6.4 变频调速的优点变频器技术是一门综合性的技术,它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相比,利用变频器对交流电动机进行调速控制,有许多优点,如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。容易实现电动机的正反转切换,可以进行高额度的起停运转,可以进行电气制动,可以对电动机进行高速驱动。电机在带动较大负载在启动时,会有较大的冲击电流,采用变频器时,可以实现软启动,减小冲击电流,解决大负载的启动问题。电源功率因素大,所需容量小,可以组成离性能的控制系统等。完善的保护功能:变频器保护功能很强,在运行过程中能随时检测到各种故障,并显示故障类别(如电网瞬时电压降低,电网缺相,直流过电压,功率模块过热,电机短路等),并立即封锁输出电压。这种“自我保护”的功能,不仅保护了变频器,还保护了电机不易损坏。 9系统的设计实现9.1 可编程控制器概述可编程控制器,英文称Programmable Controller,简称PC。但是由于PC容易和个人计算机(Personal Computer)混淆,故人们仍习惯的用PLC作为可编程控制器的缩写。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置,专为在工业现场应用而设计,它采用可编程序的存储器,用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令,并通过数字式或模拟式的输入、输出接口,控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电器控制技术相结合的产物,它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点,充分利用了微处理器的优点,又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯,特别是PLC的程序编制,不需要专门的计算机编程语言矩识,而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式,使用户程序编制形象、直观、方便易学;调试与查错也都很方便。用户在购买到所需的PLC后,只需按说明书的提示,做少量的接线和简易的用户程序编制工作,就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。9.1.1 PLC简介PLC的类型繁多,功能和指令系统也不尽相同,但是结构与工作原理则大同小异,通常由主机、输入/输出接口和外部设备接口等几个主要部分组成。PLC的硬件系统结构如图9-1所示: 图9-1 PLC的硬件系统结构(1)主机主机部分包括中央处理器(CPU)、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。CPU是PLC的核心,它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理,即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作,将结果送到输出端,并响应外部设备的请求以及进行各种内部判断等。(2)输入/输出(I/O)接口I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备(如按钮、传感器、触点、行程开关等)的控制信号。输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备(如接触器、电磁阀、指示灯等)。I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标,通常小型机有几十个点,中型机有几百个点,大型机将超过千点。(3)电源图中电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源,通常也为输入设备提供直流电源。(4)编程编程是PLC利用外部设备,用户用来输入、检查、修改、调试程序或监视PLC的工作情况。通过专用的PC/PPI电缆线将PLC与电脑连接,并利用专用的软件进行电脑编程和监控。(5)输入/输出扩展单元I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元和基本单元(即主机)连接在一起。(6)外部设备接口此接口可将打印机、条码扫描仪,变频器等外部设备与主机相连,以完成相应的操作。PLC是采用顺序扫描,不断循环的方式进行工作的。即在PLC运行时,CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序,按指令步序号(或地址号)作周期性循环扫描,如无跳转指令,则从第一条指令开始逐步顺序执行用户程序,直到程序结束。然后重新返回第一条指令,开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中,还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段:首先以扫描方式按顺序将所有暂存在锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入,并将其写入各对应的输入状态寄存器中,即刷新输入。随即关闭输入端口,进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段:按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令,经相应的运算和处理后,其结果在写入输出状态寄存器中,输出状态寄存器中的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段:当所有指令执行完毕,输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中,并通过一定的方式(继电器、晶体管或晶闸管)输出,驱动相应输出设备工作。9.2 主要特点主要特点:(1)可靠性高、抗干扰能力强,平均故障时间为几十万小时。而且PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。(2)编程简单、使用方便目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式,很容易被操作人员接受。一些PLC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等,进一步简化了编程。 (3)设计安装容易能耗低、性能价格比高。维护工作量少。功能完善、通用性强、体积小、能耗低,性能价格比高。硬件方面:1.隔离,在微处理与I/O电路之间采用光电隔离减少外部干扰源对PLC的影响。 2.滤波,对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波,减少高频干扰。且有些模块还设置了连锁保护、自诊断电路等。软件方面:1.设置故障检测与诊断程序。2.当软故障条件出现时,立即把状态重要信息存入指定存储器,禁止对存储器进行任何不稳定的读写操作,以防止存储器信息被冲掉。这样,一旦外界调节正常后,便可以恢复故障发生前的状态,恢复原来的工作。3.5 Siemens S7 200系列PLC特性4. 5.1 S7 200系列PLC介绍 S7 200系列PLC功能强、速度快、扩展灵活,具有模块化、紧凑的结构。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛,覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域,包括电力设施、民用设施、机械、机床等领域。S7 200系列具有极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、操作便捷、内置丰富的集成功能、实时特性,强劲的通迅能力、丰富的扩展模块。 S7 200系列的强大功能使其无论是在独立运行中,或相连成网络都能实现复杂控制功能。所以它具有极高的性价比。 S7 200系列可以根据对象的不同,可以选用不同的型号和不同数量的模块。并可以将这些模块安装在同一机架上。PLC的循环扫描工作过程:各种PLC都采用扫描工作方式,具体工作过程大同小异。Siemens S7 200 PLC的工作过程

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