陈良论文正文09-2-18.doc(B5)

1、辽宁广播电视大学本科毕业设计论文摘 要起重机械用来对物料作起重、运输、装卸和安装等作业的机械设备，它可以减轻体力劳动、提高劳动生产率和在生产过程中进行某些特殊的工艺操作，实现机械化和自动化。广泛应用于工矿企业、港口码头、车站仓库、建筑工地、海洋开发、宇宙航行等各个工业部门，起重机一般由机械、金属结构和电气等三大部分组成，机械方面是指起升、运行、变幅和旋转等机构，即起重机一般是多动作的。 本设计通过对桥式起重机的大车运行机构部分的总体设计计算，以及电动机、联轴器、缓冲器、制动器的选用；运行机构减速器的设计计算和零件的校核计算及结构设计，完成了桥式起重机的大车运行机构机械部分的设计。通过一系列的设

2、计，满足了50t起重量、桥跨度为44米的设计要求，并且整个传动过程比较平稳，且大车运行机构结构简单，拆装方便，维修容易，价格低廉。关键词：桥式起重机 金属结构、操纵控制系统、主令控制器Abstract Lifting of the materials used for lifting, transportation, handling and installation of mechanical equipment operation, it can reduce the manual labor, improve labor productivity and in the productio

3、n process to carry out some special process operation, implementation of mechanization and automation. Widely used in industrial and mining enterprises, port terminals, stations, warehouses, construction sites, ocean development, space and other industrial sectors, in general by a crane machinery, m

4、etal structures and electrical and so on three major components, mechanical means are lifting, running, Luffing and rotating body, the cranes are many movements in general.      Designed by the bridge crane of the truck to run the calculation of part of the overall design, as wel

5、l as motors, couplings, bumpers, brake selection; run institutions reducer design computing and parts of the check calculation and structural design, the completion of a bridge crane bodies of carts to run the mechanical parts design. Through a series of designs to meet the 50t from the weight of th

6、e bridge span of 44 meters for the design requirements, and the whole transmission process is relatively smooth, and the carts run institutions simple structure, easy disassembly, easy repair and low prices.KEY WORDS：Bridge crane、 metal structure、 manipulation of control systems、the main controller.

7、第一章 绪论1.1 课题提出的意义现代工业企业要求有各种类型的起重运输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，起重机不仅在物料运输领域起着重要作用，而且有些起重机直接参与生产工艺过程，成为工艺设备的主要组成部分，大大提高了劳动效率，同时减轻了劳动强度。起重机是用来进行物料搬运作业的机械设备。起重机械通过工作机构的组合运动，把物料提升，在空间一定范围内移动，然后按要求将物料安放到指定位置，空载回到原处，准备再次作业，从而完成一次物料搬运的工作循环。起重机械的搬运作业是周期性的间歇作业。广泛用于输送、装卸和仓储等作业场所。传统的桥式起重机

8、主要是有交流凸轮控制器进行控制，采用绕线式电动机转子串电阻调速，交流控制器由于频繁的动作和高电压的影响，经常会出现触点烧损的现象，电阻箱受工作环境的影响，容易出现腐蚀、老化现象。频繁的生产事故势必会影响生产。随着工业自动化的发展，PLC、变频器工厂设备中的应用越来越广泛。由于PLC的工作可靠性高，因此用PLC来代替传统的交流控制器已成为一种必然趋势。1.2 国内外研究现状1930年以来，物料搬运技术仅指的是各类起重运输设备，而1990年以来的物料搬运系统逐渐增加了许多自动化内容，包括自动识别、自动导向、自动计数、自动称重等。为了使生产和流动能够紧密配合，构成更大、更高效的物流系统，计算机技术得

9、到了广泛的应用，起重机的很多工作将被机器人和其它机器所取代。目前世界销售市场对起重机械的需量正在不断增加，从而使国外各种制造起重机企业在生产中更多地采用优化设计、机械自动化和自动化设备去提高劳动生产率，这对世界销售市场、制造商和用户都产生了巨大的影响。有关调查资料表明，65%的起重机械用户主要是为了提高生产率、减少劳动工资，因而要求采用先进的起重机设备的用户便越来越多。美国因制造技术、质量问题和价格昂贵等原因，降低了其在世界上的竞争能力；原联邦德国德马克公司（DEMAG），由于实行了生产技术振兴，解决了提高生产的工艺手段，以占优势的新产品来保持其发展的优势。由于钢铁工业新技术的应用，钢材质量得

10、以提高，如瑞典的SSAB薄钢板公司，其生产的DOMEX系列高强度及超高强度钢材，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，减少了电力，节省了开支。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；同时在工艺线上，使用机械来代替人机操作，如焊接用的机械手和配用机械手等。国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

11、密切联系和协调，企业走向专业化、标准化和系列化。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。我们已经看到世界上工业发达国家已经开始进入新的技术革命时代，这个时代的特征是有大量的新技术出现，它使企业开始走向小型化、分散化和专业化；另一个特征是知识的不断更新，生产达到高度柔性化阶段。我国目前仍然处在设计、生产周期化阶段，起点低、设备落后，相对发达国家落后20年左右。如果我国能从国外工业发展中得到启示，将可加快我国起重机械工业的发展。我们必须调整产品结构、企业结构，应将大而全、小而全的企业改革成为独立的专业化

12、工厂，企业之间密切联系和协调，减少标准件以外组合部分的加工制作。近年来，起重机制造企业的订货合同，按照非标准尺寸和特殊要求订货的用户越来越多，约占标准产品的60%，但生产一台非标准起重机的主要零部件的成本和造价相当高(约为标准产品的3倍)。如果把起重机的主要零部件按照不同规格分散加工，然后组装，这样就可使我国中小型起重机企业逐步走上标准化的轨道，充分发挥计算机的作用、计算机辅助工艺规划、计算机辅助制造、柔性自动化系统等新技术、新工艺的应用，可大大缩短设计和生产周期、降低成本。增强企业参与市场竞争的能力，使中国起重机制造行业赶上世界先进水平。1.3 本课题研究的内容本课题研究的主要内容有：主钩、

13、副钩、大车、小车运行PLC变频控制方案的拟定与选择，轮压及稳定性计算、起升机构设计计算、小车机构设计计算、减速器以及链传动计算、大车运行计算等内容。第二章 起重机的结构与装置设计2.1 起重机的分类起重机械按其构造类型可分为轻小起重设备、升降机和起重机。2.1.1 轻小起重设备 轻小型起重设备一般只有一个升降机构，常见的有千斤顶、电动或手拉葫芦、绞车、滑车等。有的电动葫芦配有可以沿单轨运动的运行机构。2.1.2 升降机常见的升降机有垂直升降机、电梯等。它虽然也只有一个升降机构，但由于配有完善的安全装置及其他附属装置，其复杂程度是轻小起重设备不能比拟的，故列为单独一类。2.1.3起重机起重机是指

14、除了起升机构以外还有其他运动机构的起重设备。根据水平运动形式的不同，分为桥架类型起重机和臂架类型起重机两大类别。桥架类型起重机分为桥式起重机和门式起重机；臂架类型起重机分为流动式起重机、塔式起重机。桥式起重机结构如图2-1所示。图2-1 桥式起重机结构图2.2 起重机的组成起重机械由驱动装置、工作机构、取物装置、操纵控制系统和金属结构组成。通过对控制系统的操纵，驱动装置将动力能量输入，转变为机械能（即适宜的力或运动速度），再传递给取物装置。取物装置将被搬运物料与起重机联系起来，通过工作机构单独或组合运动，完成物料搬运任务。可移动的金属结构将各组成部分连接成一个整体，并承载起重机的自重和吊重。起

15、重机的组成如图2-2所示。图2-2 起重机的组成2.2.1 驱动装置 驱动装置是用来驱动工作机构的动力设备的。常见的驱动装置有电力驱动、内燃机驱动和人力驱动等。电能是清洁、经济的能源，电力驱动是现代起重机的主要驱动型式，几乎所有的在有限范围内运行的有轨起重机、升降机、电梯等都采用电力驱动。对于可以远距离移动的流动式起重机（如汽车起重机、轮胎起重机和履带起重机）多采用内燃机驱动。人力驱动适用于一些轻小起重设备，也用作某些设备的辅助、备用驱动和意外（或事故状态）的临时动力。2.2.2 工作机构（1）起升机构。是用来实现物料的垂直升降的机构，是任何起重机不可缺少的部分，因而是起重机最主要、最基本的机

16、构。（2）运行机构。是通过起重机或起重小车运行来实现水平搬运物料的机构，有无轨运行和有轨运行之分，按其驱动方式不同分为自行式和牵引式两种。2.2.3 取物装置 取物装置是通过吊、抓、吸、夹、托或其他方式，将物料与起重机联系起来进行物料吊运的装置。根据被吊物料不同的种类、形态、体积大小，采用不同种类的取物装置。例如，成件的物品常用吊钩、吊环；散料（如粮食、矿石等）常用抓斗、料斗；液体物料使用盛筒、料罐等。也有针对特殊物料的特种吊具，如吊运长形物料的起重横梁，吊运导磁性物料的起重电磁吸盘，专门为冶金等部门使用的旋转吊钩，还有螺旋卸料和斗轮卸料等取物装置，以及集装箱专用吊具等。合适的取物装置可以减轻

17、作业人员的劳动强度，大大提高工作效率。防止吊物坠落，保证作业人员的安全和吊物不受损伤是对取物装置安全的基本要求。 2.2.4 金属结构金属结构是以金属材料轧制的型钢（如角钢、槽钢、工字钢、钢管等）和钢板作为基本构件，通过焊接、铆接、螺栓连接等方法，按一定的组成规则连接，承受起重机的自重和载荷的钢结构。金属结构的重量约占整机重量的40 70左右，重型起重机可达90；其成本约占整机成本的30以上。金属结构按其构造可分为实腹式（由钢板制成，也称箱型结构）和格构式（一般用型钢制成，常见的有根架和格构柱）两类，组成起重机金属结构的基本受力构件。这些基本受力构件有柱（轴心受力构件）、梁（受弯构件）和臂架（

18、压弯构件），各种构件的不同组合形成功能各异的起重机。受力复杂、自重大、耗材多和整体可移动性是起重机金属结构的工作特点。起重机的金属结构是起重机的重要组成部分，它是整台起重机的骨架，将起重机的机械、电气设备连接组合成一个有机的整体，承受和传递作用在起重机上的各种载荷井形成一定的作业空间，以便使起吊的重物顺利搬运到指定地点。金属结构的垮塌破坏会给起重机带来极其严重甚至灾难性的后果。2.2.5 控制操纵系统通过电气、液压系统控制操纵起重机各机构及整机的运动，进行各种起重作业。控制操纵系统包括各种操纵器、显示器及相关元件和线路，是人机对话的接口。安全人机学的要求在这里得到集中体现。该系统的状态直接关系

19、到起重作业的质量、效率和安全。起重机与其他一般机器的显著区别是庞大、可移动的金属结构和多机构的组合工作。间歇式的循环作业、起重载荷的不均匀性、各机构运动循环的不一致性、机构负载的不等时性、多人参与的配合作业等特点，又增加了起重机的作业复杂性、安全隐患多、危险范围大。事故易发点多、后果严重，因而起重机的安全格外重要。2.3 起重机的主要技术参数2.3.1额定起重量GN额定起重量是指被起升重物的质量，单位为kg或t。该起重机GN=50t。2.3.2 起升高度H起升高度是指起重机运行轨道顶面（或地面）到取物装置上极限位置的垂直距离，单位为m。通常用吊钩时，算到吊钩钩环中心；用抓斗及其他容器时，算到容

20、器底部。该起重机H=30m。2.3.3 下降深度h当取物装置可以放到地面或轨道顶面以下时，其下放距离称为下降深度。即吊具最低工作位置与起重机水平支承面之间的垂直距离。该起重机h=5m。2.3.4 起升范围D起升范围为起升高度和下降深度之和，即吊具最高和最低工作位置之间的垂直距离。有式D=H+h，该起重机D=H+h=30 m +5 m =35m。2.3.5 跨度S跨度指桥式类型起重机运行轨道中心线之间的水平距离。该起重机S=44m。2.3.6 工作速度工作速度是指起重机工作机构在额定载荷下稳定运行的速度。分为起升速度、大车运行速度、小车运行速度。（1）起升速度vq。起升速度是指起重机在稳定运行状

21、态下，额定载荷的垂直位移速度，单位为m/min。该起重机vq=1 m/min。（2）大车运行速度vk。大车运行速度是指起重机在水平轨道上带额定载荷的运行速度，单位为m/min。该起重机vk=5 m/min。（3）小车运行速度vt。小车运行速度是指稳定运动状态下，小车在水平轨道上带额定载荷的运行速度，单位为m/min。该起重机vt=3 m/min。2.4 起重机设计初始条件（1）风速与风级。计算风速：6级；最大非工作风速：10级（不加锚定）；最大非工作风速：12级（不加锚定）。3级以下为类风，6级以下为类风，1012级为类大风。（2）起升载荷：Q=GN=50t。（3）起升速度：满载vq=1 m/

22、min；空载vq=11.3 m/min。（4）小车运行速度：满载vt=3 m/min；空载vt=37.2 m/min。（5）大车运行速度：满载vk=5 m/min；空载vk=91.9 m/min。（6）采用双轨双轮支承型式，每侧轨距1.4m。（7）跨度S=32m。吊钩中心线到端梁中心线距离L1=1.5m。（8）起升高度：H =40m。其中门架高度HM=44.8m。（9）下降深度：h =5m。（10）小车自重：G1=6.7t。（11）龙门架自重：G2=260t。（12）大车运行机构自重：G3=10t。（13）司机室自重：G4=0.5t。（14）电气部分自重：G5=1.5t。2.5 轮压计算2.5

23、.1 载荷计算2.5.1.1 起重机受力分析起重机正、侧面受力情况如表2-1所示。表2-1 起重机正、侧面受力情况分析名称正面受力侧面受力风力系数高度系数挡风面积（m2）受力（N）高度（m）风力系数高度系数挡风面积（m2）受力（N）高度（m）CKhACKhAhCKhACKhAh货物1.21.622242.8501.21.622242.850小车1.11.71611.3681.11.71611.368司机室1.11.514.57.5401.11.5135.040门架1.61.51188454.2441.61.5114234344大车1.11.022.20.51.11.022.20.5合计5184

24、042.5.1.2 给定工作风压（1）正常工作状态计算风压（类风）：q=114N/m2。（2）正常工作状态最大风压（6级以下类风）：q=190N/ m2。（3）非正常工作状态风压（1012级类大风）：q=8001000N/ m2。2.5.1.3 起重机正面受力情况（正面受力总和乘以对应风压）（1）正常工作状态计算受力：FW=518×114N=5.91×104N。（2）正常工作状态最大受力：FW=518×190N=9.84×104N。（3）非正常工作状态受力（1012级大风）：FW=518×800518×1000N=41.4×

25、10451.8×104N。2.5.1.4 起重机侧面受力情况（侧面受力总和乘以对应风压）（1）正常工作状态计算受力：F W=404×114N=4.61×10N。（2）正常工作状态最大受力：F W=404×190N=7.68×10N。（3）非正常工作状态受力（1012级大风）：F W=404×800404×1000=32.32×1040.4×10N。2.5.2 龙门吊轮压计算小车位于大车横梁最外端，垂直于龙门吊大车正面吹类风，考虑运行机构的起、制动惯性力的方向与风载荷方向相同。（1）龙门吊自重G=G1+ G

26、2+ G3+ G4+ G5=6.7t +260t +10 t +0.5 t +1.5t =278.7t（2）起升载荷Q=50t（3）水平风载荷F W=9.84t（4）水平风载荷对轨道面的力矩M W= F W×HM=9.84×44.8 t·m =440.8t·m（5）水平惯性力Fa=（G+GN）a=（278.7+50）×0.2×1000 N =6.57×10000N=6.57t式中：a-运行加（减）速度，取a=0.2 m/s2。（6）水平惯性力对轨道面的力矩Ma= Fa HM=6.57×44 t·m =28

27、9.1t·m（7）总的水平力力矩：M1=Ma+ M W=729.9tm（8）小车对中心线的力矩M2=（G1+GN）S/2=（6.7+50）×16 t·m =907.2t·m（9）龙门吊满载时单轮最大工作轮压（按n=16个轮计算）Rmax=（G-G1）/n+（GN+G1）（S-L1）/2S=（278.7-6.7）/16+（50+6.7）（32-1.5）/2×32 t=44t（9）龙门吊满载时单轮最小工作轮压（按n=16个轮计算）Rmin=（G-G1）/n+（GN+G1）L1/2S=（278.7-6.7）/16+（50+6.7）1.5/2×

28、;32 t=18.3t2.6 起升机构设计计算2.6.1 钢丝绳计算由额定起重量GN=50t=50000kg，钢丝绳倍率q=4，卷入卷筒根数a=2，=0.97，则有单根钢丝绳受力大小为Smax=Q/（qa）=50000/（4×2×0.97）kg =64.4×10kg选择型号为6W（19）-20-185-I-光钢丝绳。2.6.2 起升机构电动机的选择及校核已知额定起升速度v=1m/min=1/60 m/s，额定起升负荷Q=50×1000×9.8N，则有需要起升电动机计算功率为Pqj=9.61kW选择变速调速电机YTSZ180L-8。其额定参数为额

29、定功率：11kW；额定电流：26A；额定转矩：140.1N·m；额定转速：735r/min；重量：250kg；过载系数：3.0。再经过过载校核和热校核，能够满足起升要求。2.7 小车机构设计计算2.7.1 确定车轮直径小车采用四轮布置，小车轮数n=4，轨道距2m，轮距2.5m，依据经验公式，可以计算出小车最大轮压为R小max=（0.35GN+ GN）/1.2n=（0.35×500000+500000）/1.2×4=14.1×10N采用圆柱车轮和铁路轨道，初选车轮直径400mm，铁轨型号P43，车轮材料为45#钢，表面硬度300-380HBS，硬度层为15

30、mm，P43轨道面是凸起弧形，曲率半径R=300mm。2.7.2 运动阻力计算（1）运行摩擦阻力。已知=0.008，依式有运行摩擦阻力Ff=（G1+GN）=（6.7+50）=0.008×56.7×104N=3.74×103N（2）坡度阻力。令坡角为，给定sin=0.01，则有坡度阻力F=（G1+GN）sin=56.7×104×0.01N=5.67×103N（3）风阻力。已知q=114N/m2，则有风阻力Fw=（F货物+F小车）q=（42.8+11.3）×114N=6.17×103N式中：F货物-货物正面因风受力大小

31、；F小车-小车正面因风受力大小。取值见表2-1。（4）总运行阻力。依上有总运行阻力F=2.7.3 小车电动机计算已知总运行阻力F=15.58×103N，小车满载时运行速度vt=3 m/min=3/60m/s，效率=0.85，则有小车电动机计算功率为可选择型号为YTSZ90S-4交流变频电动机。其参数为标称功率：1.1 kW额定电流：3 A额定转速：1415r/min重量：17 kg2.8 大车运行计算2.8.1 确定车轮直径大车采用4×4轮布置，轨道2m，轮距1.8m，由总体计算，可知大车轮的最大轮压Rmax=44t，最小轮压Rmin=18.3t。初选大车车轮直径为的D=6

32、00mm，轨道型号为P43的轨道钢，确定车轮满载转速为车轮空载转速为2.8.2运行阻力计算（1）运行摩擦阻力。已知摩擦系数=0.007，龙门吊总重量G=278.7t，则有Ff=G=0.007×278.7×104N=1.95×104N（2）坡度阻力。令坡角为，给定sin=0.01，则有坡度阻力F=Gsin=278.7×104×0.01N=2.79×104N（3）风阻力。已知q=114N/m2，则有风阻力Fw=（F小车+F司机室+F门架+F大车）q=475.2×114N=5.42×104N（4）空载总阻力F= Ff +

33、 F+ Fw =（1.95+2.79+5.42）×104N=1.016×105N（5）满载总阻力。依据经验公式有F=1.12 F=1.12×1.016×105N=1.14×105N2.8.3 大车电动机选择已知大车空载总阻力F=1.016×105N，大车运行空载运行速度v=10m/min=10/60m/s，大车运行效率=0.85，则有大车电动机计算功率为由于速度低，选二套电动机来进行驱动，每台电动机的计算功率为kW，实际上选两台11kW电机。电动机型号为选择变速调速电机YTSZ180L-8，具体参数如前述。第三章 PLC变频控制概述与

34、主要器件3.1 PLC电气控制概述起重机的工作条件十分恶劣，常处在多粉尘，高温，高湿度的环境，工作负载性质属于重复短时工作制，经常处于频繁带负载起动，制动，正反转状态，要承受较大过载和机械冲击。因而对电力拖动与电力控制有一定要求。起重机为重复短时工作制，拖动起重机运动的电动机在工作当中的特点为：工作期内温度升高，由于时间短，来不及上升到稳定值；停止期内温度降低，也来不及冷却到周围环境温度。显然在同样功率下，重复短时间工作比长期稳定的温度要低，允许过载运行。对这种重复短时工作制的电动机要采用适合起重的交流电动机。起重机的负载力矩为位能性反抗力矩，因而电动机可能运转在电动状态或制动状态，为了设备与

35、人身的安全，下放重物时应工作在制动状态，停车时必须采用可靠的机械制动。传统桥式起重机的电力拖动系统采用交流绕线转子异步电动机转子串电阻的方法进行起动和调速，继电接触器控制，这种控制系统的主要缺点有：（1）桥式起重机工作环境恶劣，工作任务重，电动机以及所串电阻烧损和断裂故障时有发生。（2）继电接触器控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高。（3）转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不理想。所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。要从根本上解决这些问题，只有彻底改变传统的控制方式。近年来，随着计算机技术和电力电子器件的迅猛发展，电气传动和自动控制领域也日新月异。其中，具有代表性的交流变

36、频装置和可编程控制器（PLC）获得了广泛的应用，为PLC控制的变频调速技术在桥式起重机拖动系统中的应用提供了有利条件。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。作为通用工业控制计算机，30年来，PLC从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小

37、到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越。今天的PLC正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用。PLC是一种以微处理器为核心，综合了计算机技术，半导体存储技术和自动控制技术的新型工业控制器。PLC与传统的继电器控制比较，具有通用性好、功能强、可靠性高、定时准确、定时范围宽、扩展灵活、维修方便等许多优点。从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按

38、照一定规则组合配置。3.2 采用变频控制的优点（1）提供灵活的启动方式选择及优异的启动特性。可提供软启动、带可选突跳启动的软起动、限流起动及双斜坡启动和全压启动等启动方式选择，用户可根据自身要求及系统电网要求来选择相应的启动方式并设置起动参数，以达到最佳的启动效果。（2）全功能保护系统。软启动器不仅能提供过载保护，而且可提供各种操作故障状态下的保护，诸如输入/输出缺相、电机堵转、晶闸管短路及失压、过压、短路等保护，其中内置的过载保护功能可省去热继电器，使配电柜内布线更加简单、迅速。此外不需增加任何传感器或仪表，可读取电机的运行参数，如：电流、电压、功率千瓦时及运行时间等。除了拥有强大的保护功能

39、之外，软启动还具有故障自诊断功能，大大减少了以往故障查找与检修的时间，节省了人力。 （3）运行可靠，维修方便。软启动器大电流运行无触点，采用交流开关无级调压，消除了系统中产生接触不良的影响，且调压范围宽，过载能力强，人性化的菜单界面可极为方便地查阅参数或修改参数，通过附加的通信网络接口达到自动化集中控制。（4）节能运行。随着电机负载率的变化，软启动自适应控制自动调整电机的转速，使电机运行功率因素相应提高，同时降低电机运行时的功率损耗。对经常启动且负载变化频繁的电机，节能效果显著。电机在负载到满载范围内的最高综合节电效果可达损耗的40左右。（5）延长设备使用寿命，提高生产率。电动机的软启动能有效

40、降低启动机械应力，减少对传动元件的机械冲击，在液流系统中能有效消除喘振或液击问题，提高设备利用率，提高生产率。3.3 变频器基本结构与分类 变频器是把工频电源变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高

41、载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等。变频器有非智能控制方式和智能控制方式。非智能控制方式有：（1）转差频率控制。转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在V/f控制的基础上，按照已知异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。（2）矢量控制。矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、q、o坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别

42、进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。（3）直接转矩控制。直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能。（4）最优控制。最优控制在实际中的应用根据要求的不同而有所不同，可以根据最优控制的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化。例如在高压变频器的控制应用中，就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略，以实现一定条件下的电压最

43、优波形。（5）其他非智能控制方式。在实际应用中，还有一些非智能控制方式在变频器的控制中得以实现，例如自适应控制、滑模变结构控制、差频控制、环流控制、频率控制等。3.4 起重机的保护装置（1）电动机的过载保护。用于各电动机过载时的过电流保护。（2）起重机短路保护。用于起重机主、控制电路出现短路时的保护。（3）失压保护。起重机停电再来电时，起重机回复到原始停止状态，不会自行工作。（4）大、小车行程保护。（5）门开关。桥式起重机驾驶室门外、通向桥架的仓口以及起重机两侧的端梁门上应安装门舱联锁保护装置。（6）升降限位。过卷扬限位器应保证吊钩上升或下降到极限位置时，能自动切断电源。（7）起重量限制。50

44、 t及以上的起重机，宜安装超负荷限制器。（8）停车保护。起重机大、小车运行机构，在轨道终端极限位置，均应安装缓冲器。（9）零位保护。防止起重机在工作过程中，突然停电再来电出现自行工作现象。3.5 主令控制器的原理与结构凸轮控制器控制线路简单，紧急使用且方便，与保护配电箱配合，广泛用于桥式起重机的电气控制，但在下列情况下，却难以胜任，即：（1）电动机容量大。（2）操作频率高。（3）起重机的操作手柄多，要求减轻司机的疲劳强度。（4）起重机工作繁重，要求电气设备有较长的寿命。（5）要求起重机工作时，有较好的调速和点动性能。这时就需要采用主令控制器与交流磁力控制盘想配合来完成，即通过主令控制器的触电变

45、换，来控制交流磁力控制盘上的接触器动作以达到控制电动机的起动，调速，换向和制动等目的。主令控制器的结构如图3-1所示。图1中编号1与7为固定于方轴上的凸轮块；3是静触头；4是动触头，固定于绕轴6转动的支杆5上。当转动方轴时，凸轮块随之转动，当凸轮块的凸起部分转到与小轮8接触时，推动支杆5向外张开，使动触头4离开静触头3，将被控回路断开。当凸轮的凹陷部分与小轮8接触时，支杆5在反力弹簧作用下复位，使动、静触头闭合，从而接通被控回路。这样安装一串不同形状的凸轮，可使触头按一定顺序闭合与断开。 图3-1 主令控制器结构原理图第四章 PLC控制的桥式起重机设计4.1 系统硬件构成PLC控制的桥式起重机

46、变频调速系统框图如图4-1所示。桥式起重机大车、小车、主钩，副钩电动机都需独立运行，大车为两台电动机同时拖动，所以整个系统有5台电动机，4台变频器传动，并由4台PLC分别加以控制。可编程序控制器大车变频器大车电动机小车变频器小车电动机升降变频器主钩电动机大车制动器小车制动器升降制动器大车操作杆小车操作杆升降操作杆限位与保护升降变频器副钩电动机图4-1 PLC控制的桥式起重机系统框图桥式起重机PLC控制系统主要包括：（1）可编程控制器：完成系统逻辑控制部分。控制电动机的正、反转、调速等控制信号进入PLC，PLC经处理后，向变频器发出起停、调速等信号，使电动机工作，是系统的核心。（2）变频器：为电

47、动机提供可变频率的电源，实现电动机的调速。（3）制动电阻：起重机放下重物时，由于重力加速度的原因电动机将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到变频器直流电路中，使直流电压不断上升，甚至达到危险的地步。因此，必须将再生到直流电路里的能量消耗掉，使直流电压保持在允许范围内。制动电阻就是用来消耗这部分能量的。桥式起重机大车、小车、副钩、主钩电动机工作由各自的PLC控制，大车、小车、副钩、主钩电动机都运行在电动状态，控制过程基本相似，变频器与PLC之间控制关系在硬件组成以及软件的实现基本相同，而主钩电动机运行状态处于电动、倒拉反接或再生制动状态，变频器与PLC之间控制关系在硬件组成以及软件的实现稍有

48、区别。4.2 桥式起重机电力拖动系统4.2.1 桥式起重机的运行机构（1）大车拖动系统拖动整台起重机顺着车间或者地面主轨道方向左右移动（以司机的坐向为参考）。（2）小车拖动系统拖动吊钩及重物顺着桥架作前后运动。（3）吊钩拖动系统拖动重物作吊起或放下的上下运动。大型起重机（超过10t）有两个起升机构：主起升机构（主钩）和副起升机构（副钩）。通常主钩与副钩不能同时起吊重物。4.2.2 负荷特点桥式起重机的拖动系统负载都属于恒转矩性质，且其起升机构为位能性负载，当起升机构起吊重物下降或者快速减速运行时，电动机处于再生发电制动状态。需要将电能通过反馈装置反送给电网或消耗在制动电阻上，以提高制动效果。4

49、.2.3 控制要求（1）起升机构要求起动转矩大，起动运行平稳。能够实现正反转运行且要有超载、限位、限流等多种保护。（2）起升机构在启停过程中易出现“溜钩”问题。    由于制动器从抱紧到松开，以及从松开到抱紧的动作过程需要时间约0.6s，而电动机转矩的产生或消失，是在通电或断电瞬间就立刻反应的。因此，制动器和电动机在动作的配合上极易出现问题。如电动机已经通电，而制动器尚未松开，将导致电动机的严重过载；反之，如电动机已经断电，而制动器尚未抱紧，则重物必将下滑，即出现溜钩现象。因此要有相应的防止措施。起升机构中要有机械制动器。起重用变频器具有零速全转矩功能零伺服功能，

50、即零速时电动机仍能输出150%的额定转矩，使重物停在空中，但是若重物停在空中时出现电源瞬间停电等情况，就会有重物下滑的危险。因此，电动机轴上必须加装制动器。常用的有电磁铁制动器和液压电磁制动器等。4.3 PLC、变频器的应用设计4.3.1系统配置（1）变频器。桥式起重机的平移机构对拖动系统的性能要求不高，为了节省成本，选用V/f控制方式的通用变频器即可满足要求。    起升机构要求有较高的起动转矩和调速性能，采用带速度反馈的矢量控制型变频器。这类变频器种类很多，本课题采用安川VS-616G5 变频器进行设计分析，如图4-2所示。它具有零速全转矩功能，保证了吊钩由运

51、行状态降为零速时，电动机能够使重物在空中暂停，直到电磁制动器将电动机轴抱住为止，从而防止了溜钩。图4-2 VS-616G5变频器外部接线图（2）PLC可选择日本三菱的FX2N-80MR。如图4-3所示。上端子排主要是输入端口，N、L为220V输入；当X输入端口接到GND时指示灯亮，表示相应位输入为1，这两种端口最大输入电压为30V；X0、X1可以作为高速计数端口。ADC0、ADC1 对应数据寄存器：D8030、D8031。编程口边两个电位计，对应 D8032、D8033。模拟输入为10位，MAX=1023，05V。图4-3 FX2N-80MR输入/输出接口图下端子排为功能端口及输出端口。DAC

52、0、DAC1为010V输出，12位，其精度为0.000488V。在D8073 D8074中B为485通信口。COM是晶体管输出的公用口，也是24V电源的地。电源+24VCOM可以外加，也可以在电流小于250mA时对外供电。（3）主副提升机构的变频电机装有光电编码器，与PLC的速度反馈控制卡相连接；为了保证足够的启动和运行力矩，主提升机构的变频器一般比电动机容量放大一个等级；变频器的制动单元应加大一个档次，以便允许有较大的制动电流，缩短制动过程；制动电阻的额定功率应加大一倍。4.3.2 主提升机构PLC变频控制4.3.2.1主提升机构PLC变频控制系统图本文给出主提升机构PLC变频控制系统图，如

53、图4-3所示。图4-3主提升机构PLC变频控制系统图PLC端子及控制关系说明：上述系统中PLC为控制中心，它的输人信号来自主令控制器、变频器、超载以及限位等检测开关的信号。如图4-4所示的主令控制器，用以控制主钩电动机的正反转和多段速及零位保护。它的输出信号控制变频器和主电路（制动器、风机、变频器电源电路）的通断。图4-4 主令控制器变频器的各端子功能：1-正转；2-反转；3-外部故障（制动电阻过热保护）；4-故障复位；5-多段速1，6-多段速2；7-多段速3；8-点动；58-多功能输人端；25-零速；26-速度一致；27-集电极开路多功能。4.3.2.2 PLC程序  &

54、#160;本系统PLC程序为一般的顺序控制程序，其中的关键是要理清系统工作过程中实际需要的控制关系，以及把主令控制器的运行及速度指令逻辑转换为三位二进制输出给变频器多段速输人端，程序及输人输出关系如图4-5和表4-1所示。图4-5 多段速PLC程序表4-1 多段速输入/输出表输入输出结果KA2X0Y0变频器1端正转KA3X1Y1变频器2端反转KA4X2Y2经译码00,01,10,11给变频器5、6端形成四个速度一速二速三速四速KA5X3Y3KA6X4Y44.3.2.3 工作过程   系统上电后，在无故障反馈情况下，司机室驾驶员通过联动台的主令控制器发出操作指令信号

55、给PLC，PLC根据内部程序的执行结果输出给变频器正反转和多段速输人端，从而控制主钩的升降运行和变速。4.3.2.4 溜钩的防止VS-616G5矢量控制型变频具有零速全转矩功能，在设计桥式起重机起升机构时只需考虑PLC和变频器的适当配合，即可圆满解决“溜钩”问题。如本例中可以利用集电极开路输出端的“零速”、“速度一致”信号分别控制机械制动器的抱闸和松闸，或者用“频率检测信号”作为机械制动器的松合闸控制指令。但都需要参数设置与之相配合，以取得制动器与电动机运行之间的最佳配合。4.3.2.5 功能扩展（1）如果需要，可在PLC输人端连接遥控器对桥式起重机的拖动系统进行控制。（2）可以配置触摸屏或液

56、晶显示器对系统的主钩高度、载荷、运行状态、故障状态等进行监视。测试卡输出脉冲到PLC高频脉冲输人端，经SPD脉冲速度计算指令计算用于速度控制和显示。PLC与触摸屏通过R32串行接口相连，接口程序在PLC中为触摸屏设立数据读取区及相关状态标志，用于触摸屏的监视。4.3.2.6 系统保护该系统中，变频器本身具有短路、过载、过压、缺相、失速等多种保护和故障输出功能，对主起升机构来说，变频器驱动一台电动机，所以变频器的输出可以直接连接电动机而不必接热继电器作过载保护。线路主回路中接有总接触器和分接触器，它们除了通断线路的作用外，还兼有短路、过载、欠压等多种保护。司机可以通过联动台中的启停按钮控制总接触器进而控制总电源的通断，在无法用接触器通断电路的情况下，可以通过急停开关接通总断路器的分励脱扣线圈来断开电源电路。另外在总电源控制回路中还串有门限位开关和钥匙开关作为安全保护措施。4.3.3 大车机构PLC变频控制4.3.3.1大车机构PLC变频控制系统图大车机构PLC变频控制系统图如图4-6所示。大车运行由两台电动机同步驱动，要求控制参数对称。图4-6 所示大车机构PLC变频控制系统图4.3.3.2 桥式起重机大车电动机的工作过程在驾驶室门及横梁栏杆门关好后，位置开关SQa、SQb、SQc闭合，紧急开关SB2等符合要求的情况下，速度选择