桥式起重机吊钩控制系统设计

1、键入文字电机与运动控制系统课程设计任务书一、设计题目题目1:某桥式起重机吊钩控制系统设计二、目的意义本课程设计是自动化专业学生在学完专业课程“电机与运动控制系统”之后进行的一项实践性教学环节。通过此环节，使学生能结合已完成的基础课、技术基础课和专业课对“电机与运动控制系统”课程的主要内容进行较为综合的实际运用，进一步培养学生应用所学的理论知识解决实际设计问题的能力，初步掌握设计的方法和步骤，增强独立查阅资料、分析问题和解决问题的能力，以及刻苦钻研的工作作风和严肃认真的工作态度。为毕业设计和将来从事实际工作奠定基础。三、设计要求起重机在实际生产中用途极为广泛，从港口码头、车站货场，到各种冶金、机

2、械、化工、军事等领域，都离不开起重机。起重机最显著的特点是位能性负载，交直流电动机均可使用。本专业学生应充分掌握根据生产工艺流程，绘制电动机的转矩负载图，选择合适的电动机和控制设备，组成控制系统。包括系统构成、设备及器件选择、参数整定计算以及绘制系统电路原理图等内容，并能用先进控制器实现控制策略。（一）生产工艺流程及基本参数起重机吊钩的工作循环为：控钩下放、重载提升、重载下放和控钩提升四个阶段。已知数据为：起重量49000N,提升及下放速度均为10.5m/min;提升高度为16m,空钩重量为2943N,负载持续率为30%。设提升负载效率为0.85,下放负载效率为0.84,提升空钩效率为0.37

3、,下放空钩效率为0.1。电动机经传动装置带动卷筒旋转，卷筒直径为0.38m,电动机与卷筒间的传速比为82。预选电动机：PN=11kW（ZC%=25%）,IN=11.5A,nN=715r/min,Km=2.9,GD；=18.2Nm2o设所有旋转部件（不包括电动机转子）的飞轮力矩为GDd2的30%。设电动机的平均起动转矩为1.6Tn,平均制动转矩为1.4Tn,起制动过程中转矩为恒值。空钩提升及下放时，电动机接近空载，负载极小，转矩可修正为0.6Tn（设I0/I1n=0.6）。电源电压为交流380V。（二）设计具体要求1 .绘制电动机的转矩负载图T=f（t），并校验电动机的发热及过载能力（设当ZC=

4、25%时，k=Po/Pcu=1）。2 .选择控制器（自主）。3 .动态指标：起制动性能好、定位过程无超调量。4 .系统具有过流、过压、过载、过热保护。四、设计内容（一）主回路选择和计算1 .确定电动机包括：绘制电动机的转矩负载图T=f（t）,校验电动机的发热及过载能力，选择电动机型号整，具体计算。2 .主回路相关器件的选择3 .电路保护环节的选择和计算（二）控制电路设计控制器的选择输入输出通道及其接口设计、电流反馈通道、转速反馈通道、位置反馈通道。（三）绘图画出控制系统电路原理图（包括主电路和控制电路，采用标准图纸打印）。（四）系统的软件结构（可选项）控制算法设计（五）设计报告（说明书）要求1

5、 .论述全面，叙述简洁，层次分明，书写清楚，图形、符号、曲线、数据等符合规范；2 .有完整的设计说明、计算过程和系统工作原理；3 .图纸清晰，规范，使用标准AX号图纸；4 .封面、任务书、图纸、须打印；课设报告摘要、正文、参考文献可手写或打印，统一为A4纸；5 .报告字数不少于4000字（不含图纸）。中、英文摘要（各200字左右），关键字（35个），列出参考文献（格式规范）；6 .装订：页面左侧装订。装订顺序：封面，任务书，中、英文摘要，目录，正文，参考文献，附录1：电气元器件明细表，附录2:控制系统电路原理图。五、设计时间20152016学年第2学期第16、17周3青岛理工大学毕业设计（论文

6、）桥式起重机是桥架在高架轨道上运行的一种桥架型起重机，又称大车。桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成一矩形的工作范围，就可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。桥式起重机广泛地应用在室内外仓库、厂房、码头和露天贮料场等处。桥式起重机可分为普通桥式起重机、简易粱桥式起重机和冶金专用桥式起重机三种。普通桥式起重机一般由起重小车、桥架运行机构、桥架金属结构组成。起重小车又由起升机构、小车运行机构和小车架三部分组成。起升机构包括电动机、制动器、减速器、卷筒和滑轮组。电动机通过减速器，带动卷筒转动，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒放下，以升

7、降重物。关键词：桥式起重机；起重小车；电动机1青岛理工大学毕业设计（论文）AbstractBridgecraneisabridgetypecranerunningontheelevatedtrack,alsoknownascrane.Bridgecranebridgelayingalongtheelevatedtrackintheverticalsidesofruns,heavycartalongthelayingonthebridgetransverserunningtrack,constitutearectangularscopeofwork,youcanmakefulluseofspac

8、ebelowthebridgeliftingmaterial,fromthegroundequipmenthindered.Bridgecranewidelyusedinindoorandoutdoorwarehouses,factories,docksandopenstorageyard,etc.Bridgecranecanbedividedintoordinarybridgecranesimplebeambridgecraneforbridgecraneandmetallurgicalthree.Generalbythegeneralbridgecraneliftingtrolleyand

9、bridgeoperationorganizationbridgemetalstructure.Liftingtrolleyiscomposedofthreeparts,theliftingmechanism,thetrolleyrunningmechanismandthesmallframe.Thehoistingmechanismcomprisesanelectricmotor,abrake,aspeedreducer,adrumandapulleyblock.Theelectricmotordrivesthedrumtorotatethroughthespeedreducer,sotha

10、tthesteelwireropeiswoundonthedrumorisdroppedfromthedrumtolifttheheavyobject.Keywords:bridgecrane;liftingtrolley;motor5目录摘要1Abstract2第1章绪论41.1 桥式起重机41.2 桥式起重机分类41.3 桥式起重机的技术参数41.4 桥式起重机的发展史51.5 桥式起重机电气控制发展趋势5第2章给定数据及预选电机62.1 生产工艺流程及基本参数62.2 预选电机6第3章绘制转矩负载图7第4章校验电动机的发热及过载能力114.1 发热校验114.2 过载能力校验11第5章起

11、升机构控制系统115.1 控制系统组成115.2 起升机构控制电路图125.3 起升机构的工作原理125.4 系统的保护14第6章结论14参考文献15附录控制系统电路原理图16第1章绪论1.1 桥式起重机现代工业企业要求有各种类型的起重机械来满足企业物流机械化需求，又要有效地运用和增加设备的利用能力，以达到最经济的效果。在现代生产中，起重机械被广泛应用于各种物料的起重、运输、装卸、安装和人员输送等作业中，有些起重机械还能在生产过程中进行某些特殊的工艺操作，成为生产流水作业中的主体设备组成部分，实现生产过程的机械化和自动化。桥式起重机是桥架在高架轨道上运行的一种桥架型起重机，又称大车。桥式起重机

12、的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成一矩形的工作范围，就可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。桥式起重机广泛地应用在室内外仓库、厂房、码头和露天贮料场等处。1.2 桥式起重机分类桥式起重机可分为普通桥式起重机、简易粱桥式起重机和冶金专用桥式起重,普通桥式起重机一般由起重小车、桥架运行机构、桥架金属结构组成。起重小车又由起升机构、小车运行机构和小车架三部分组成。起升机构包括电动机、制动器、减速器、卷筒和滑轮组。电动机通过减速器，带动卷筒转动，使钢丝纯绕上卷筒或从卷筒放下，以升降重物。本文重点研究起重机的控制，通过使用用电阻的调速方法

13、已实现对电机的控制，从而控制起重机。1.3 桥式起重机的技术参数桥式吊钩起重机的主要技术参数如下。1 .重量起重量又称额定起重量，它是指起重机实际允许的起吊最大负荷量，通常以吨作单位。2 .跨度起重机主梁两端车轮中心线间的距离，即大车轨道中心线间的距离，通常以米作单位。3 .起升高度吊具或抓取装置的上极限位置与下极限位置之间的距离，又可称为起升的最大高度，以米作单位。4 .起升速度起升机构在电动机的额定转速时，取物装置上吊的速度，用米/分作单位。5.运行速度远行机构在电动机额定转速下运行的速度，用米/分作单位。青岛理工大学毕业设计(论文)6 .外型尺寸外型尺寸指起重机长、宽、高的尺寸，用米作单

14、位。7.工作类型起重机各机构按照其载荷率和工作繁忙程度划分为轻级、中级、重级和超重级四种工作类型。我国现行通用桥式起重机指起重量为5250吨，吊具为吊钩、抓斗、电磁盘及其两用与三用的桥式起重机，其工作环境温度为-25-40C。1.4 桥式起重机的发展史起重机的雏形，中国古代灌溉农田用的桔是臂架型起重机的雏形。14世纪，西欧出现了人力和畜力驱动的转动臂架型起重机。19世纪前期，出现了桥式起重机；起重机的重要磨损件如轴、齿轮和吊具等开始采用金属材料制造，并开始采用水力驱动。19世纪后期，蒸汽驱动的起重机逐渐取代了水力驱动的起重机。20世纪20年代开始，由于电气工业和内燃机工业迅速发展，以电动机或内

15、燃机为动力装置的各种起重机基本形成。目前世界上最大起重量的桥式起重机，是烟台来福士海洋工程有限公司自行设计建造的巨型起重机-“泰山”，专为建造大型钻井平台设计制造，设备总体高度为118米，主梁跨度为125米，采用高低双梁结构，设计提升重量达20160吨。1.5 桥式起重机电气控制发展趋势随着现代工业的迅速发展，新技术、新工艺的充分应用，社会生产力又跃上了一个新水平。由于市场竞争的需要，起重机生产方式也由单件小批量向着多品种的变批量方向发展。(1)设计、制作的计算机化、自动化近年来，随着电子计算机的广泛应用，许多国内外起重机制造商从应用计算机辅助设计系统，提高到应用计算机进行起重机的模块化设计。

16、在严密的科学理论指导下，拟定起重机结构、机构、部件等多层次的标准化、模块化单元。起重机采用模块单元化设计，不仅是一种设计方法的改革，而且将影响整个起重机行业的技术、生产和管理水平，老产品的更新换代、新产品的研制速度都将大大加快。对起重机的改进，只需针对几个需要修改的模块：设计新的起重机只需选用不同的模块重新进行组合；提高了通用化程度，可使单件小批量的产品改换成相对批量的模块生产。亦能以较少的模块形式，组合成不同功能和不同规格的起重机，满足市场的需求，增加竞争能力。例如，德马克公司开发了一种标准车轮箱模块系列，上面有多组联接孔，选用不同型号的驱动单元，可组装成台车。可与金属构件组合后用作桥式、门

17、式起重机或其它轨行式起重运输机械。其车轮有多种踏面形式可供选用，由于不受轮距的限制，组合更加灵活，用途更加广泛。(2)起重机控制元件的革新与应用起重机的定位精度是对起重机的重要要求，多数采用转角码盘、齿轮链、激光头与钢板孔带来保证。在起重机起升速度、制动器方面的改进，则使用低速运行的起重机吊钩精确定位，起重机的刹车系统也应用微处理进行控制和监视工作。遥控系统用于桥式起重机及其它移动式起重运输机械，不仅节省人力。提高工作效率，而且使操作者的作业条件得到改善.起重机的距离检测防撞装置，采用无线电信号型防撞装置，防撞装置由三相系统组成，用来监控起重机前端行驶距离，一般首先发出信号警告，接着将大车车速

18、减小到50%,最后切断电机电源，将大车制动。(3)新材料、新工艺的应用由于钢铁工业新技术的应用，钢材质量得以提高，在设计起重机主梁强度时，可使用较高的许用应力，而不需要很高的安全系数，以便减少起重机材料用量(这并不意味着不安全)，从而降低设备的重量和价格。因起重机重量的减小，可用功率较小的驱动装置启动，因此而减少电力，节省开支。在机加工方面，尽管采用少切削的精密铸件，尤其是铝合金铸件占多；加工设备大量采用高精、高效的加工中心，数控自动机床等。既保证加工质量，又提高了生产率、降低了成本.国内外起重机厂商为了能迅速制造和装配出品种多样化的产品来，要求企业之间密切联系和协调，企业走向专业化、标准化和

19、系列化.因为使用标准件设备能迅速组合和安装，减少标准件外组合部分的加工制造就显得特别重要。组合构件的使用比生产非标准件起重机来，有助于减少成本。第2章给定数据及预选电机2.1 生产工艺流程及基本参数起重机吊钩的工作循环为：控钩下放、重载提升、重载下放和控钩提升四个阶段。已知数据为：起重量49000N,提升及下放速度均为10.5m/min;提升高度为16m,空钩重量为2943N,负载持续率为30%。设提升负载效率为0.85,下放负载效率为0.84,提升空钩效率为0.37,下放空钩效率为0.1。电动机经传动装置带动卷筒旋转，卷筒直径为0.38m,电动机与卷筒间的传速比为82。2.2 预选电机预选电

20、动机：PN=11kW(ZC%=25%),IN=11.5A,nN=715r/min,Km=2.9,GD2=18.2Nm2o设所有旋转部件(不包括电动机转子)的飞轮力矩为GDd2的30%。设电动机的平均起动转矩为1.6Tn,平均制动转矩为1.4Tn,起制动过程中转矩为恒值。空钩提升及下放时，电动机接近空载，负载极小，转矩可修正为0.6Tn(设Io/Iin=0.6)。电源电压为交流380V。第3章绘制转矩负载图_一一PNTN=9550=147N.mnN将提升下放速度转换成电机转速n=vZj=721.6r/min二dGD在tr1期间移动的距离Lr1 = vZtr1 =0.04m的计算重载提升或者下放重

21、物时，直线运动部分折算到电动机轴上的飞轮惯量为2GZvZ_GDb=3652=1.12N/m2n其中Gz为起重量与空钩重量之和。此时系统总的飞轮矩为GD2=GDd(10.3)GDb=24.78N/m2空钩提升或者下放时，直线运动部分折算到电动机轴上的飞轮惯量为2GZ0vZ_GDbo=3652=0.06N/m2n空钩运行时，系统总的飞轮惯量为222GDo=GDd(10.3)GDbo=23.72N/m21.重载提升计算(转矩、时间、距离)各时间段转矩提升重载加速起动转矩Tr1=1.6Tn=235.2N/m提升重载匀速运行负载转矩TrL=9.55G；vZ=141.5N/mTr2=TrL=141.5/m

22、提升制动转矩Tr3-1.4Tn=-205.8N/mIGD2n各段时间：起动、加速时间tr1=GDn=0.51s375(Tr1-Til)7青岛理工大学毕业设计（论文）2I-X2制动时间tr3=-0.74s375(Tr3Trl)1在tg期间内移动的距离Lr3vZtr3=0.06m2等速稳定运行距离Lr2=L-Lr1-Lr3=15.9mIII等速稳定运行时间tr2=L2=90.86sVz2 .重载下放计算（转矩、时间、距离）下放重载起动转矩Tdi=-1.6Tn=-235.2N/m下放重载负载转矩TdL=9.55Z-vZdc=101.1N/mnTd2uTdL=101.1N/m下放重物制动转矩Td3=1

23、.4Tn=205.8N/m13下放重物加速时间td1GD2n375Td1TdL)=-0.36s1在td1内移动的距离Ld1=vZtd1=0.03m2下放重物制动时间td3GD2n_0.46s375rd3-tq1在td3内移动的距离Ld3=vZtd3=0.04m2等速下放重物运行距离Ld2=L-Ld1-Ld3=15.93m等速下放重物运行时间td2=91.02svz3 .空钩提升计算（转矩、时间、距离）空钩提升加速转矩Tr10=0.6Tn=88.2N/m提升空钩匀速运行负载转矩TrL0=9.55=；,=18.4N/mnr0Tr20 =T1l0=18.4N/m空钩提升制动转矩Tr30 = -1.4

24、Tn =-205.8N/mI空钩提升加速时间2GD：ntr10 =0.65s3 7 6i0 Til。)在tri。内上升的距离1Lr10 = vZtr10 = 0.06m2空钩提升制动时间在tr30内上升的距离tr302GD2n375(Tr30 Tilo)=-0.24s1Lr30 = Vztr30 = 0.02m2提升空钩匀速上升的距离Lr20-L-Lr10-Li3o=15.92m提升空钩匀速上升的时间tr20=幺=90.97sVz4 .空钩下放计算（转矩、时间、距离）空钩下放加速起动转矩Td10=-0.6Tn=-88.2N/m空钩匀速下放负载转矩TdL0=9.55GZ0vZd0=0.68N/m

25、nTd20=TdL0=0.68N/m空钩下放制动转矩Td30 =1.4Tn =205.8N/m空钩下放加速启动时间td102GD：n3 7匹10 TdL。)u-0.52s在td10内下降的距离空钩下放制动时间在td30内下降的距离,1,Ld10 Vztd10 = 0.05m 2td302GD2n3 7 5rd30 -TdL0)=0.22s1Ld30Vztd30 = 0.02m2空钩等速下放运行距离根据以上计算数据，可绘制出电动机的转矩负载图T=f(t)更林程升重蜒下祗空箱提升T/n第4章校验电动机的发热及过载能力4.1 发热校验等效转矩法：二忆九+百十一堂；=89N/mTdx'=Tdx

26、/，Fc%/fex%+k（fc%/Fx%-1）（k取1）=74.16N/m由于Tdx'<TN,故发热校验通过。4.2 过载能力校验Tmax/TN<=km=1.6<=2.9,故过载能力校验通过。第5章起升机构控制系统5.1 控制系统组成主提升控制系统包括接触器控制开关，三相异步电动机，主令控制器，电压继电器，过电流继电器，中间继电器，以及限位开关等。5.2 起升机构控制电路图5.3 起升机构的工作原理合上电源开关，当主令控制器手柄置于0位时，SA-1闭合，电压继电器KV线圈通电并自锁，为启动作准备。当控制器手柄离开零位，处于其他工作位置是，虽然触头SA-1断开，并不影响

27、KV的吸合状态。但电源断开后，却必须将控制器手柄返回0位后才能再次启动，这就是零电压和零位保护的作用。1 .提升重物的控制。控制器提升控制5个档位，在提升各档位上，控制器触头SA3SA4SA6与SA7都闭合，于是将上升行程开关SGU泰入，起提升限位保护作用；接触器KMU,KMB,KM1终通电吸合，电磁抱闸松开，短接R1电阻，电动机按提升相序接通电源，产生提升方向电磁转矩，在提升1位时，由于启动转矩小，一般吊不起重物，只做张紧钢丝绳和消除齿轮间隙的预备启动级。当主令控制器手柄依次扳到上升2至5档时，控制器触头SA8-SA11依次闭合，接触器KM2-KM线圈依次通电吸合，将R2-R5各段电阻逐级短

28、接。根据负载大小选择适当档位进行提升操作，可获得5种提升速度。2 .下放重物控制。主令控制器在下放重物时也有5个档位，但在前2个档位，正转接触器线圈KMUS电吸合，电动机仍以提升相序接线，产生向上的电磁转矩，只有在下降的后3个档位，反转接触器KMDt通电吸合，电动机产生向下青岛理工大学毕业设计（论文）的电磁转矩，所以，前2个档位为倒拉反接制动下放，而后3个档位为强力下放。(1)下放1档位预备档。此时控制器触头SA4断开，KM的电释放，制动器未松开；触头SA66SA7,SA8闭合，接触器KMU,KM,1KM21电吸合，电动机转子电阻R1,R2被短接，定子按提升相序接通三相交流电源，但此时由于制动

29、器未打开，故电动机并不旋转。该档位是为适应提升机构由提升变换到下降重物，消除因机械传动间隙产生冲击而设定的。所以此档不能停留，必须迅速通过该档扳向下放其他档位，以防电动机在堵转状态下时间过长而烧毁电动机。(2)下放2档是为载荷低速下放而设的。此时控制器触头SA4,SA6SA7,SA8闭合，接触器KMB,KMU,KM1KM戏圈通电吸合，制动器打开，电动机转子用入R1,R2电阻，定子按提升相序接线，载荷获得倒拉反接制动低速下放。所以，控制器手柄在该档位时，将稳定运行低速下放载荷。在上述制动下放的2个档位，控制器触头SA3始终闭合，将提升限位开关SQU2接入，其目的在于预防对吊物重量估计不准。重物不

30、但不下降反而上升，此时SQU但上升限位作用。(3)控制器手柄在下放3,4,5档位时为强力下放。此时，控制器触头SA2,SA4,SA5,SA7SA8始终闭合，接触器KMD,KMB,KM1KM2线圈通电吸合，制动器打开，电动机定子按下放重物相序接线，转子电阻逐级短接，提升机构在电动机下放电磁转矩和重力矩共同作用下，是重物下放。3 .电路的联锁与保护。由过流继电器KI5实现过流保护；电压继电器KV与主令控制器SA实现零电压保护欲零位保护；行程开关SQU狭现上升的限位保护，KMU,KMD现上升与下降的联锁保护，在加速接触器KM3KM4KM蹴圈电路中申接了前一级加速接触器的常开辅助触点，确保转子电阻按顺

31、序依次短接，实现机械特性平滑过渡，电动机转速逐级提高。接触器主要由电磁系统、触点系统、灭弧系统及其它部分组成。电磁系统：电磁系统包括电磁线圈和铁心，是接触器的重要组成部分，依靠它带动触点的闭合与断开。触点系统：触点是接触器的执行部分，包括主触点和辅助触点。主触点的作用是接通和分断主回路，控制较大的电流，而辅助触点是在控制回路中，以满足各种控制方式的要求。灭弧系统：灭弧装置用来保证触点断开电路时，产生的电弧可靠的熄灭，减少电弧对触点的损伤。为了迅速熄灭断开时的电弧，通常接触器都装有灭弧装置，一般采用半封式纵缝陶土灭弧罩，并配有强磁吹弧回路。其它部分：有绝缘外壳、弹簧、短路环、传动机构等。工作原理

32、：当接触器电磁线圈不通电时，弹簧的反作用力和衔铁芯的自重使主触点保持断开位置。当电磁线圈通过控制回路接通控制电压(一般为额定电压)时，电磁力克服弹簧的反作用力将衔铁吸向静铁心，带动主触点闭合，接通电路，辅助接点随之动作采用用电阻调速的优点：绕线式异步电动机转子用电阻调速最为简单经济,适合于低速运行要求不高的场合，因此仍广泛的应用于各种对调速性能要求不高的起重机械运输上。5.4 系统的保护桥式起重机的动力源是电动机，通过控制电动机的正反转，以及速度来控制桥式起重机，所以对于起重机的电动机要进行保护。在许多需要连续运行的重要的生产单位，如发电厂煤的输送，钢铁厂和水泥厂散状物料的输送，以及港口内船舶装卸等均采用输送机，输送机的动力传输装置是电动机。电动机在高温、高湿、多尘埃的工况条件下，容易使电动机出现堵转、短路、断相、漏电和长期过负荷导致绝缘受损等故障。一旦输送机的动力传输装置电动机发生故障，