电动执行器

辽宁科技大学本科生毕业设计第9页第一章绪论1.1执行机构结构执行机构使用液体、气体、电力或其它能源并通过电机、气缸或其它装置将其转化成驱动作用。基本的执行机构用于把阀门驱动至全开或全关的位置。用与控制阀的执行机构能够精确的使阀门走到任何位置。尽管大部分执行机构都是用于开关阀门，但是如今的执行机构的设计远远超出了简单的开关功能，它们包含了位置感应装置，力矩感应装置，电极保护装置，逻辑控制装置，数字通讯模块及PID控制模块等，而这些装置全部安装在一个紧凑的外壳内。电动执行器的执行机构和调节机构是分开的两部分，其执行机构分角行程和直行程两种，都是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，作用是将输入的直流电流信号线性的转换为位移量电动执行机构安全防爆性差，电机动作不够迅速，且在行程受阻或阀杆被扎住时电机容易受损。但是由于执行器本身具有伺服功能，无须外接伺服放大器；可以带过载保护单元；任意选择正反动作；断电后阀门自锁；电动机内部有温度保护开关从而保护电机不被烧毁的等特点。电动执行器在不断改进有扩大应用的趋势。随着自动化，电子和计算机技术的发展，现在越来越多的执行机构已经向智能化发展，很多执行机构已经带有通讯和智能控制的功能，比如很多厂家的厂品都带现场总线接口。我们相信今后执行器和其他自动化仪表一样会越来越智能化，这是大势所驱。1．早期的工业领域，有许多的控制是手动和半自动的，在操作中人体直接接触工业设备的危险部位和危险介质（固、液、气三态的多种化学物质和辐射物质），极易造成对人的伤害，很不安全；2．设备寿命短、易损坏、维修量大；3．采用半自动特别是手动控制的控制效率很低、误差大，生产效率低下。基于以上原因，执行机构逐渐产生并应用于工业和其它控制领域，减少和避免了人身伤害和设备损坏，极大的提高了控制精确度和效率，同时也极大提高了生产效率。今年来随着电子元器件技术、计算机技术和控制理论的飞速发展，国内外的执行机构都已跨入智能控制的时代。1.2执行机构的应用领域执行机构主要应用以下三大领域1.2.1发电厂典型应用有：①火电行业应用送风机风门挡板一次进风风门挡板空气预热风门挡板烟气再循环旁路风门挡板二次进风风门挡板主风箱风门挡板燃烧器调节杆燃烧器摇摆驱动器液压推杆驱动器叶轮机调速烟气调节阀蒸气调节阀球阀和蝶阀控制滑动门闸门②其它电力行业的阀门执行器应用球阀除尘控制喷水叶轮机转速控制控制大型液压阀燃气控制阀燃烧器点火启动蒸气控制阀冷凝水再循环,脱氧机，锅炉给水，过热控制器，再加热恒温控制器，及其它相关阀门应用1.2.2过程控制用于化工、石化、模具、食品、医药、包装等行业的生产过程控制，按照既定的逻辑指令或电脑程序对阀门、刀具、管道、挡板、滑槽、平台等进行精确的定位、起停、开合、回转，利用系统检测出的温度、压力、流量、尺寸、辐射、亮度、色度、粗糙度、密度等实时参数对系统进行调整，从而实现间歇、连续和循环的加工过程的控制。1.2.3工业自动化用于较为广泛的航空、航天、军工、机械、冶金、开采、交通、建材等方面，对各类自动化设备和系统的运动点（运动部件）进行各种形式的调节和控制。过程控制和工业自动化方面的主要应用举例如下：①在硫矿生产中的应用注水流量控制球阀和碟阀控制②碳酸钾管道阀门执行器的应用滑动门分流器闸门球阀和蝶阀球型控制阀③水处理阀门执行器的应用液流流量控制调压阀压力控制酸溶液流量控制④石灰石/水泥厂阀门执行器的应用球或蝶阀控制处理干水泥，石膏，或液体送风和引风机调节型风门挡板旁路风门挡板环境污染控制和除尘装置滑动门对在料斗和储藏库的原材料进行物流控制闸门控制原材料在进料口的流量燃气控制阀调节转炉上燃烧器进气量蒸气控制阀控制生产过程所需的蒸气⑤在谷物加工厂执行器的应用闸门分流阀分配器物料卸货器/加热器除尘隔离挡板气流控制(物流干燥)球阀和蝶阀控制⑥钢厂风门挡板和阀门执行器的应用球或蝶阀控制控制冷却水，废水，或其它冷却介质调节型风门挡板送风和引风机旁路风门挡板闸门环境污染控制和除尘装置滑动门控制原材料在进料口的流量对在料斗和储藏库的原材料进行物流控制燃气控制阀蒸气控制阀调节转炉上燃烧器进气量控制生产过程所需的蒸气⑦铝厂风门挡板和阀门执行器的应用送风机风门挡板一次进风风门挡板空气预热风门挡板烟气再循环旁路风门挡板二次进风风门挡板主风箱风门挡板燃烧器调节杆燃烧器摇摆驱动器液压推杆驱动器叶轮机调速烟气调节阀蒸气调节阀球阀和蝶阀控制滑动门闸门⑧过程控制挡板的应用空气补充排风机旁路热/冷风混和应急关断⑨在石油工业中的应用注油工艺流量控制气举管路主阀门压力控制注水工艺流量控制油井油质采样试验/生产用阀门⑩在天然气生产和输送工业的应用气举气流流量控制气管路主阀门压力控制压缩机喘振控制天然气压力控制天然气管路主阀门压力控制应急关断天然气调压器控制压力控制压缩机喘振控制流量控制1.3现在国际上知名公司国外的执行机构出现较早，一直保持较大优势。西门子公司于1905年生产了世界上第一台电动执行机构。从20世纪90年代初期，国外一些生产电动执行机构的厂商，又开发了新一代的产品占领市场。世界上比较知名的公司主要有以下一些：1.3.1英国的罗托克（ROTORK）从20世纪90年代初期，国外一些生产电动执行机构的厂商，就开发了新的产品占领市场。较早的是英国劳托克（ROTORK），于1995年推出了IQ型智能电动执行机构。IQ系列智能电动执行机构是英国劳托克（ROTORK）公司推出的较早一代智能型电动执行机构，它的执行机构基型是ROTORK多转电动执行机构，在此基础上，加上微处理器和外围芯片电路、软件实现智能控制。它采用红外线手操器来设置执行机构参数，所以能实现无需“开盖”调拭技术。它的限位机构通过霍尔传感器产生数字信号来设定，力矩保护通过测试电机电流和磁场来获得。这种通过霍尔传感器产生数字信号来设定，力矩保护通过测定电机电流和磁场来获得。这种通过电子传感器取代常规的计数器传动机构及凸轮开关组件便于局部工况监视及安全保障并简化调试工作。1.3.2美国的乔登（JORDAN）美国乔登控制公司成立于1955年，从开始到现在一直专业生产电厂挡板电动执行机构，特别是在苛刻工况下（比如：环境温度高，安装位置受限制和不易维护，动作频繁等），乔登的产品一直是世界上大多数用户的首选，这是由于制造商近五十年的 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 累积和先进的设计制造思想使然。在这个领域，特别是高调节频度（每小时执行机构能动作的次数达到2000次到4000次）的调节型应用方面，在欧美市场占有率达到70％以上，唯一能和它竞争的是德国HARTMANN&BRAUN，但后者的价格是它的三倍以上。乔登的主要优势在于高调节频度（2000-4000次/小时），一体化（电机、伺服放大器和传动机构），永久润滑免维护，任意位置角度安装，正齿轮和苏格兰轭传动机构等。目前国内的知名品牌（如：ROTORK,SIPOS,AUMA等）无一例外都采用分体设计，特别是减速箱的寿命是很短的。采用涡轮涡杆传动机构，磨损大，发热量高，传动效率低，寿命短，调节频度最高只能达到1200次/小时。而且要定期润滑维护和不能任意位置安装。主要系列：SM、LA、MV、VA、EH、TA-1200、MC-1100、SM/LA-33001.3.3ABB于1988年由分别成立于1883年和1891年的瑞典阿西亚公司和瑞士BBC公司合并成立，总部位于瑞士苏黎世。是电力和自动化技术领域的全球领先公司，ABB集团在全球100多个国家拥有上千家企业，员工139,000人。ABB与中国的往来可追溯到本世纪初：早在1907年，ABB就向中国政府提供了一套蒸汽锅炉。随着业务的不断发展，集团于1974年在香港创立了中国地区总部。1994年底把中国地区总部迁至北京。1995年，ABB公司在北京注册了独资的控股公司：阿西亚.布朗.勃法瑞（中国）投资有限公司，负责中国地区的所有投资活动。目前，ABB中国在上海、广州、重庆、沈阳、武汉、青岛、南京、西安、成都、福州、哈尔滨、天津、大连、济南、杭州、昆明、南宁、深圳、郑州、长春、长沙和香港等地拥有23家销售机构，在北京、上海、广州、重庆、厦门、合肥、新会、中山、香港等地拥有27家合资/独资企业，员工人数达到6000多名。主要系列：ONTRAC（MOE700、MME800）　　Ontrac系列智能电动执行机构是ABB公司近年推出的智能电动执行机构产品。它的执行机构基型也是多转电动执行机构，它的智能控制器安装在执行机构内，有操作面板直接操作，LCD显示，通过菜单式操作，设置执行机构参数。它采用霍尔传感器来获得位置信号。通过微处理器对电机转差S推算出力矩，并与用户设定的力矩超限值进行比较，一旦超限电机被迫停止运动，微处理器发出报警信号。这种电子式力矩保护方式，省去过程传统的弹簧、机械式开关，调试很方便。该执行机构还能进行变频调速控制及阀门特性修正。除传统控制信号4-20mA可选外，还提供PROFIBUSDP/V1，通讯接口。1.3.4德国的西门子（SIEMENS）西门子公司是世界自动化行业的“老大”，SIPOS是SIEMENSPositioner的缩写。于一九零五年生产出世界上第一台电动执行机构，至今已有近百年的研究、开发、生产和销售电动执行机构的经验。SIPOS（西博思）为其电动执行机构的注册商标。SIPOS已被广泛应用于全球各个工业生产领域。中国电厂的所有电动汽机旁路上使用的执行机构几乎全部为原装进口SIPOS。西门子公司还分别于1987年和1992年向中国的两家制造厂出售其SIPOS1系列和SIPOS3系列的生产技术。西门子公司不断更新技术，相继淘汰了SIPOS1和SIPOS3，在全球范围内首次创造性地将先进而又成熟的电机变频控制技术应用于电动执行机构中，采用内置一体化变频器来控制执行机构的电机，并于一九九七年向市场推出面向新世纪的新一代SIPOS5系列电动执行机构。SIPOS5于一九九七年底进入中国市场，因其结构简单、技术先进、性能可靠、可进行故障自诊断、智能化程度高且价格适中而备受市场青睐。在短短三年的时间内，中国的七十多家用户相继购买了三千余台，其质量、性能和高性能价格比得到了所有用户的一致赞赏和认同。　　为适应市场需要，自一九九九年十月一日起，西门子公司电动执行机构部门从西门子公司庞大的机构中独立出来，以原有注册商标SIPOS为公司名，在德国成为具有独立法人地位的电动执行机构专业性公司：SIPOSAktorikGmbh（西博思电动执行机构有限公司）。西博思公司的总部及生产厂位于德国的纽伦堡市，并已在全球主要国家和地区设有销售和服务机构。自一九九九年十月一日起，西门子公司所有于电动执行机构有关的业务已全部转至西博思公司，且西门子公司不再生产电动执行机构。独立后的西博思公司仍以SIPOS作为其电动执行机构产品的注册商标，但不再属于西门子公司。西门子公司现在是西博思公司的主要用户之一，西博思公司继续想西门子公司提供产品和服务。主要系列：SIPOS1、SIPOS3、SIPOS5Flash第二章设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计本直行程电动执行器的机械部分采用电机（减速箱）---同步带---螺旋套---输出轴的转动方式，将电机输出的旋转运动转化为输出轴的直线运动。电机的旋转运动通过驱动皮带轮，齿形皮带传给被动皮带轮，使螺纹套筒转动。套筒转动和输出轴用梯形螺纹相连接，输出轴A带动防止转动的止转销，螺纹套筒的转动带动输出轴A上、下运动。电气控制主要靠将输入的直流电信号线性转换为位移量这一特性，从而使执行器的输出轴在最大行程内的任意位置停留.上、下运动通过开度检测部件进行检测，通过齿条齿轮传动精密电位器，精密电位器的动作变换为电气信号作为开度信号反馈给控制器部分，其结果使得来自调节器信号和开度信号之间偏差被减小，当偏差消除时控制部分令电机停止在该位置上。机械部分主要部件数据的由给出的参数结合具体公式计算并校合，其余部件尺寸由主要部件的得出。PLC的设计结合厂家的说明书要求，按其功能选择开关的作用来设计第三章电机的选用直行程电动执行器361LSC-99额定输出力10000N速度1.9mm/s最大行程100mm设计方案电机的选择要根据电源的种类（直流或交流）、工作条件（环境、温度、空间位置等）及负荷性质、大小、启动特性和过载情况等来选择输出功率P=FV=1000X0.0019=19W带传动效率η=0.95滚动轴承η=0.99螺旋转动滑动丝杠η=0.4电机所需功率P=P/(0.95x0.4x0.99²)=51w选YYJ系列齿轮减速单相电容运转异步电动机中YYJ90-90表3.1电机特性表 额定功率W 转速可调范围 启动转距 额定转距 电流 额定转速 电容容量 90 500~2.3 5000 6750 1.75 1400 20图3.1电机尺寸表3.2电机尺寸表 规格 减速比 D F G E L N T A B H h1 h2 S YYJ60 3~180 φ15 5 12 38 185 φ40 7 36 110 18 130 90 φ8.5 YYJ90 3~180 φ15 5 12 38 200 φ40 7 36 110 18 130 90 φ8.5减速比选9.6由1400r/min减速至150r/min第四章螺旋转动设计4.1螺旋传动转动的特点螺旋转动主要是将旋转运动转变成为直线运动，同时进行能量和力的传递，或者调整零件的相互位置。也有将直线运动转换为旋转运动的。4.2螺旋传动的分类 螺旋传动利用螺杆和螺母的啮合来传递动力和运动的机械传动。主要用于将旋转运动转换成直线运动，将转矩转换成推力。按工作特点，螺旋传动用的螺旋分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋。①传力螺旋:以传递动力为主,它用较小的转矩产生较大的轴向推力,一般为间歇工作,工作速度不高，而且通常要求自锁，例如螺旋压力机和螺旋千斤顶上的螺旋。②传导螺旋：以传递运动为主，常要求具有高的运动精度，一般在较长时间内连续工作，工作速度也较高，如机床的进给螺旋（丝杠）。③调整螺旋：用于调整并固定零件或部件之间的相对位置，一般不经常转动，要求自锁，有时也要求很高精度，如机器和精密仪表微调机构的螺旋。按螺纹间摩擦性质，螺旋传动可分为滑动螺旋传动和滚动螺旋传动。滑动螺旋传动又可分为普通滑动螺旋传动和静压螺旋传动。  滑动螺旋传动通常所说的滑动螺旋传动就是普通滑动螺旋传动。滑动螺旋通常采用梯形螺纹和锯齿形螺纹，其中梯形螺纹应用最广，锯齿形螺纹用于单面受力。矩形螺纹由于工艺性较差强度较低等原因应用很少;对于受力不大和精密机构的调整螺旋，有时也采用三角螺纹。    一般螺纹升程和摩擦系数都不大，因此虽然轴向力F相当大，而转矩T则相当小。传力螺旋就是利用这种工作原理获得机械增益的。升程越小则机械增益的效果越显著。滑动螺旋传动的效率低，一般为30～40％，能够自锁。而且磨损大、寿命短，还可能出现爬行等现象。静压螺旋传动螺纹工作面间形成液体静压油膜润滑的螺旋传动。静压螺旋传动摩擦系数小，传动效率可达99％,无磨损和爬行现象,无反向空程,轴向刚度很高,不自锁,具有传动的可逆性,但螺母结构复杂,而且需要有一套压力稳定、温度恒定和过滤要求高的供油系统。静压螺旋常被用作精密机床进给和分度机构的传导螺旋。这种螺旋采用牙较高的梯形螺纹。在螺母每圈螺纹中径处开有3～6个间隔均匀的油腔。同一母线上同一侧的油腔连通，用一个节流阀控制。油泵将精滤后的高压油注入油腔，油经过摩擦面间缝隙后再由牙根处回油孔流回油箱。当螺杆未受载荷时，牙两侧的间隙和油压相同。当螺杆受向左的轴向力作用时，螺杆略向左移，当螺杆受径向力作用时，螺杆略向下移。当螺杆受弯矩作用时，螺杆略偏转。由于节流阀的作用，在微量移动后各油腔中油压发生变化，螺杆平衡于某一位置,保持某一油膜厚度。  滚动螺旋传动用滚动体在螺纹工作面间实现滚动摩擦的螺旋传动，又称滚珠丝杠传动.滚动体通常为滚珠，也有用滚子的。滚动螺旋传动的摩擦系数、效率、磨损、寿命、抗爬行性能、传动精度和轴向刚度等虽比静压螺旋传动稍差，但远比滑动螺旋传动为好。滚动螺旋传动的效率一般在90％以上。它不自锁，具有传动的可逆性；但结构复杂，制造精度要求高，抗冲击性能差。它已广泛地应用于机床、飞机、船舶和汽车等要求高精度或高效率的场合。滚动螺旋传动的结构型式，按滚珠循环方式分外循环和内循环。外循环的导路为一导管,将螺母中几圈滚珠联成一个封闭循环。内循环用反向器，一个螺母上通常有2～4个反向器，将螺母中滚珠分别联成2～4个封闭循环，每圈滚珠只在本圈内运动。外循环的螺母加工方便，但径向尺寸较大。为提高传动精度和轴向刚度，除采用滚珠与螺纹选配外，常用各种调整方法以实现预紧。4.3滑动螺旋传动4.3.1螺旋副的螺纹滑动螺旋副常采用梯形螺纹，锯齿型罗纹或矩型螺纹。4.3.2滑动螺旋副的特点分析滑动螺旋副的失效主要是螺纹磨损，因此螺杆的直径和螺母高度通常是根据耐磨性计算确定的。传力螺旋应校核螺杆危险截面的强度；青铜或铸铁螺母以及承受重载的调整螺母应校核罗纹牙的剪切强度和弯曲强度。要求自锁的螺杆应该校核其自锁性。精密的传动螺旋应校核螺杆的刚度（有时就是根据赶度确定其直径）。当螺杆受压力，其长径比又很大时容易产生侧向弯曲，应该校核其稳定性。转速高的长螺杆可能产生横向震动，还应该校核其临界转速。调整螺旋和部分传力螺旋要求自锁是，应采用单线罗纹；为了提高传动效率以及要求较高的直线运动速度，可采用多线罗纹，以得到较大的螺纹升角和导程。4.3.3滑动螺旋副的材料选择与许用应力螺杆材料应具有高的强度和良好的加工性能，不经过热处理的螺杆一般选用A5、40、50、Y40Mn等钢。对于重要传动、，要求耐磨性高，需进行热处理，可选用T12、65Mn、40WMn或18CrMnTi等钢。对于精密传动的螺旋，螺杆进行热处理后还要求有较好的尺寸稳定性，可选用9Mn2V、CrWMn、38CrMoAlA钢。螺母材料除要有足够的强度外，和螺杆配合后还应该具有较低的摩擦系数和较高的耐磨性，常选用铸造青铜ZQSn10-1、ZQSn6-6-3；重载低速可选用较高强度的铸造青铜ZQAl166-6-3-2；重载调整螺母可选用35钢或球墨铸铁；速度低载荷小时也可选用耐磨铸铁。4.3.4滑动螺旋传动的精度GB5796.4-86对梯形螺纹大径、中径、小径。外螺纹的大径d和小径都只是规定了一种公差带位置，其基本偏差为零。只有外罗纹中径规定了3种公差带h、e和c、以适应传动对螺旋副配合的需要。 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 还规定了中等和粗糙两种精度等级，一般传力螺旋和重载调整螺旋多采用中等精度，要求精度不高时，可选用粗糙精度。对于做精确运动的传动螺旋（如金切削机床的丝杆），对螺旋线误差有较严格的要求，需要更高的精度，则应根据专业标准确定其精度。螺杆材料40钢,螺母材料ZQSn10-14.3.5滑动螺旋副的设计计算由文献[2-2]得出图4.1螺旋副1.螺杆中径=ξ=mm(4.1)整体式梯形螺纹,---许用压强。查表22.4-7取20MpaF—轴向载荷，按算出的由标准中选取相应的公称直径d和螺距pmpa查机械设计手册得表4.1螺纹尺寸 公称直径dmm 螺距p 中径 大径 小径 16 2 15 16.5 13.5 142．螺母高度H=整体式=1.2~2.5(4.2)3.旋和圈数Z=EMBEDEquation.DSMT4(4.3)4.螺纹的工作高度h=0.5p=1mm梯形螺纹h=0.5p(4.4)5.工作压强p=(4.5)6.螺纹升角=arctan=arctan=(4.6)ρ'=(4.7)ρ'—当量摩擦角f—摩擦系数查表22.4-6取0.1S—导程mm通常可使λ≤7.当量应力79.87mpa(4.8)T--传递转距N.mm--螺杆材料的许用应力查表22.4-48=普通炭素钢=255~275MPaMpa8.螺纹牙底宽度b=0.65×P=0.65×2=1.3mm梯形螺纹b=0.65×P(4.9)9.螺杆剪切强度(4.10)材料的许用切应力查表22.4-810..螺杆弯曲强度(4.11)11.螺母剪切强度(4.12)12.螺母弯曲强度MPa(4.13)[τ]材料的许用切应力材料的许用弯曲应力b13.螺杆的稳定性(4.14)螺杆稳定l−螺杆的最大工作长度mm−螺杆危险截面的轴惯性矩i−螺杆危险截面的惯性半径1A−螺杆危险截面的面积mm2μ−长度系数与螺杆的端部结构有关，查表22.4-4一端固定一端自由μ=214.轴向载荷使导程产生的变形(4.15)E---螺杆材料的弹性模量，对于钢E=2.07×MPa15.转矩使导程产生的变形(4.16)−螺杆危险截面的极惯性矩G−螺杆材料的切变模量MP，对于钢G=8.3×104MPa16.导程总变形量(4.17)轴向载荷与运动方向相反时取+号17．横向振动临界转速(4.18)对于钢制螺杆(4.19)--螺杆两支承间的最大距离−系数，与螺杆的端部结构有关，查表22.4-5，一端固定，一端自由,g−重力加速度g=9800γ−重度对于钢γ=7.64×10−518.驱动转矩T==11W(4.20)(4.21)−螺纹力矩N/m1−轴承的摩擦力矩N/m19.效率(4.22)（0.95~0.99）为轴承效率，决定于轴承形式，滑动轴承取小值，轴向载荷与运动向相反时取+号。第五章同步带传动设计5.1.带传动的特点（1）传动带具有弹性和挠性，可吸收振动、缓和冲击。传动平稳，噪声小；（2）过载时，传动带与带轮间可发生相对滑动，起到保护作用；（3）适用于中心距较大的场合；（4）结构简单，制造、安装、维护方便；（5）传动比不准确；（6）效率低，寿命短；（7）由于张紧力存在。轴，轴承受力较大。5.2带传动的形式根据传动原理不同，带传动可以分为摩擦型和啮合型两种，前者过载可以打滑，但传动比不准确（滑动率在2%）以下；后者可保证传动同步，根据带的截面形状，可分为平带传动，V带传动和同步带传动。5.3带传动的类型平带：工作面——内圆周表面。Ｖ带：工作面——侧面。摩擦力大，传递较大的功率。窄Ｖ带的承载能力高于普通Ｖ带。联组带：几根Ｖ带联成一体，可降低横向振动，载荷均匀。用于大功率，高速，振动较大的场合。多楔带：兼有平带和Ｖ带的优点。圆带：用于仪器等。5.4同步带传动的特点及应用同步带传动具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。由前述可知，同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确的传动比。同步带通常以钢丝绳或玻璃纤维绳为抗拉体，氯丁橡胶或聚氨酯为基体,这种带薄而且轻，故可用于较高速度。传动时的线速度可达50m/s，传动比可达10，效率可达98％。传动噪音比带传动、链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需油润滑，寿命比摩擦带长。其主要缺点是制造和安装精度要求较高，中心距要求较严格。所以同步带广泛应用于要求传动比准确的中、小功率传动中，如家用电器、算机、仪器及机床、化工、石油等机械。 同步带有单面有齿和双面有齿两种，简称单面带和双面带。双面带又有对称齿型（DI）和交错齿型（DII）之分。同步带齿有梯形齿和弧形齿两类。同步带型号分为最轻型MXL、超轻型XXL、特轻型XL、轻型L、重型H、特重型XH、超重型XXH七种。梯形齿同步带传动已有标准（GB11361~11362–89）。 在规定张紧力下，相邻两齿中心线的直线距离称为节距，以p表示。节距是同步带传动最基本的参数。当同步带垂直其底边弯曲时，在带中保持原长度不变的周线，称为节线，节线长以LP表示。 同步带带轮的齿形推荐采用渐开线齿形，可用范成法加工而成。也可以使用直边齿形。 5.5同步带传动的设计同步带传动的主要失效形式是同步带疲劳断裂，带齿的剪切和压溃以及同步带两侧边、带齿的磨损。保证同步带一定的疲劳强度和使用寿命是设计同步带传动的主要依据。因此同步带传动设计时主要是限制单位齿宽的拉力，必要时才校核工作齿面的压力。5.6同步带的设计计算由文献[2-2]得出图5.1同步带传动大带轮转速(5.1)V带传动的设计计算1.设计功率由表22.1-12查得=1.4P−传递的功率W(5.2)---工况系数；2．选定带型、节距根据=71.4W和=5757r/min,由图22.1-12确定选L型带，节距--小带轮转速3．小带轮齿数Z1≥Zmin由表22.1-51查得小带轮最小齿传动比i=(5.3)--小带轮的转速；--大带轮的转速4．小带轮的节圆直径(5.4)由表22.1-56查得其外径5.大带轮齿数(5.5)6.大带轮节圆直径(5.6)7.带速(5.7)图5.2同步带尺寸1—小带轮2—同步带3—大带轮8.初定轴间距(5.8)9.带长及其齿数(5.9)由表22.1-47查得应选用带长代号为200的L型号同步带选择10.实际轴间距此结构轴间距可调(5.10)11.小带轮啮合齿数(5.12)12.基本额定功率由表22.1-48查=245N，m=0.096(5.13)--宽度为的带的许用工作拉力m--宽度为的带的线质量13.带宽由表22.1-52查得L型带=25.4mm,=1(5.14)由表22.1-52查得带宽=25.4,带宽代号为100−基准宽度（mm）−小带轮啮合齿数系数14.作用在轴上的力(5.15)15.切应力验算(5.16)16.带轮的结构和尺寸小带轮Z1=14,d=42.45mm大带轮Z2=37,d=112.2mmL型双边挡圈带轮最小宽度bf=20.3mm同步带轮的设计同步带轮的齿型一般推荐采用渐开线齿型，并由渐开线齿型带轮刀具采用范成法加工而成，因此齿型尺寸取决于其加工刀具的尺寸。也可用直边齿型，下表给出了直边齿带轮的尺寸和公差。（L型带）表4.1带轮尺寸和公差 项目 符号 L型槽 齿槽底宽 bw 3.05±0.10 齿高 槽半角 φ±15o 20 齿跟圆角半径 1.19 齿顶圆角半径 节顶距 0.762 外圆直径 da=d−2δ 外圆节距 跟圆直径 第六章轴承的选用和校和6.1滚动轴承的分类滚动轴承有多种分类方法。按所受负荷的方向和大小可分为：a.向心轴承公称接触角为零度，主要用于承受径向负荷，可承受轻微的轴向负荷。b.推力角接触轴承公称接触角大于45小于90度，主要受轴向负荷，也可同时承受较小的径向负荷。c角接触轴承公称接触角大于0小于45度，能承受径向负和轴向负荷的联合作用，但一般以承受径向负荷为住。d.推力轴承公称接触角等于90度，只能承受轴向负荷。上述a、b两种轴承只能用于承受径向的负荷，属向心类轴承，c、d两种轴承，主要用于承受轴向载荷，属推力轴承。滚动轴承按滚动体的形状分为球轴承和滚子轴承；滚动轴承按列数的多少分为单列、双列、三列、四列、和多列轴承；按工作中能否自动调整轴和孔的角度偏差，分为调心轴承和非调心轴承。6.2滚动轴承的选用滚动轴承的选用，包括类型、尺寸、精度、游隙、配合以及支撑形式的选择与寿命的计算。通常可按以下步骤计算进行。(1)根据工作条件确定轴承部件的结构形式；(2)根据支撑形式及轴承的工作特性确定轴的类型精度；(3)通过轴承部件的结构设计、强度与寿命计算、具体确定轴承的型号(4)验算轴承的负荷与极限转速。螺旋套上端选用30207圆锥滚子轴承系列d=35mm,D=72mm,T=18.25mm,B=17mm,E=58.844mm图6.1圆锥滚子轴承额定动负荷C为51.5KN,额定静负荷C0为37.2KN螺旋套下端选用30206圆锥滚子轴承系列d=30mm,D=62mm,T=17.25mm,B=16mm,E=49.99mm额定动负荷C为41.2KN,额定静负荷C0为29.5KN6.3轴承寿命校核轴承的寿命是在一定载荷作用下，轴承运转到任一滚动体或内外圈滚道上出现疲劳点蚀前所经历的转数L称为轴承的寿命。因为轴承的材料组织的不均匀性和工艺过程中存在的差异等，滚动轴承的寿命数据的离散性是非常大的。因此不能简单的运用单个的寿命来代表一批轴承的寿命。对于静止的,缓慢摆动的或转速极低的轴承,其失效形式是滚动体与内外圈接触处产生过大的塑性变形,所以这种轴承应做静强度计算。对于载荷变动较大，尤其是受较大冲击载荷的旋转轴承，在按动载荷做寿命计算后，应验算静强度对于一批同型号的轴承，在一定的条件下进行疲劳实验，对实验数据进行统计处理，可得出疲劳破坏的概率和转数L之间的关系。一般若一批同型号的轴承在相同的条件下运行，当有10%的轴承发生疲劳点蚀时，轴承所经历的转数或工作小时数，被定义为轴承的基本额定寿命。计算公式是：用工作小时数表示：-轴承寿命小时hn-轴承转速r/min44.25Fa173.16Fa2FaFrFr1Fr2图6.2轴承受力分析已知:Fa=10000N，Fr=213.77N计算F1和F2F1=Fr+F2(6.1)F1×44.25=F2×（44.25+73.16）(6.2)计算得：F1=343.07NF2=129.30N校核30207圆锥滚子轴承:（1）确定轴承的承载能力查手册C为51.5KN,C0为37.2KN为（2）计算当量动载荷内部轴向力(6.3)A=S+=10000+107.21=100107.21N(6.4)=0.4=1.6P=XR+YA=0.4343.07+1.610107.21=16308.76N(6.1)（3）校核轴承寿命(6.5)每日工作8小时机械，预计寿命12xh>12xh,故满足要求。第七章连杆及弹簧的设计7.1连杆的设计连杆材料普通碳素钢Q235屈服极限安全因数（静载下，对塑性材料）计算公式:(7.1)---连杆的横截面积（mm）---轴向力（N）---许用应力（MPa）将数据代入公式中得：所以：d=22mm满足要求螺牙强度的校核螺杆钢螺母青铜一般螺母的材料强度低于螺杆，故只需校核螺母螺牙的强度矩形螺纹螺母材料的许用切应力(7.2)合格螺母材料的许用曲应力(7.3)合格图7.1连杆7.2减震弹簧的设计7.2.1弹簧的材料及应力的选择弹簧多在变应力下工作，其应力不允许超过屈服极限，因此对材料要求具有较高的疲劳极限、屈服极限和一定的冲击韧性。对热成形的大型弹簧要求材料具有良好的淬透性。低的过热敏感性和不易脱碳等。弹簧的材料种类很多，其中碳素弹簧钢丝应用最广泛。热轧弹簧钢主要以圆钢、扁钢和方钢等产品供应，其直径或厚度一般为5～50mm，多用于制造大型弹簧，如车辆的悬挂弹簧，这类钢材在制造弹簧时一般采用加热成形，然后经淬火回火处理。冷拉（轧）弹簧钢主要以钢丝和钢带等形状供应。碳素弹簧钢丝多为淬火的冷拉钢丝，多用于制造小型弹簧。冷卷成形后，只需进行退火处理。硅锰、铬钒、硅铬等合金弹簧钢丝多为退火状态供应的冷拉钢丝。查表：选用材料许用切应力=628MPa，许用弯曲应力σBP=785MPa，G＝78.5GPa，E＝196Gpa特性及用途：这种弹簧的特点是弹性好，回火稳定性好，易脱碳，用于受高负荷的工作场合。矩形截面材料比圆形截面材料的刚度大，吸收的能量多。特性线更接近于直线，刚度更接近常数。7.2.2选择校核设计矩形截面压缩弹簧D=25.4mm，b=15mm,a=8mm.变形量校合满足变形要求(7.4)图7.2矩形截面弹簧第八章电气控制及PLC设计8.1电气控制原理分析在各行各业广泛使用的电气设备和生产机械中，其自动控制线路大多是以各类电动机或其他执行电器为被控对象，以继电器、按钮、行程开关、保护元件等器件组成的自动控制线路，通常称为电气控制线路。电气控制线路是根据一定的控制方式用导线把它们连接起来组成的。其作用是实现对被控对象的自动控制，以满足生产工艺的要求和实现生产过程自动化。生产工艺和生产过程不同，对控制线路的要求也是不同的。但是，无论是哪一种控制线路，都是由一些比较基本的控制环节组合而成的。因此，只要掌握控制线路的基本环节以及一些典型线路的工作原理和设计方法，就可以掌握复杂线路的控制原理和设计方法了。直行程电动执行器是以220V交流单相电源作为驱动电源，接受来自调节器或计算机的DC4～20mA或者DC1～5V控制信号来运转的执行机构。电子式控制单元被设计成匣子形式，并用树脂浇铸；驱动电动机采用AC可逆电机；驱动量的反馈检测采用高性能导电塑料电位器，是具有较高分解能力的高可靠性的经济类型产品。控制的过程是：首先读入输入信号，存储在计数器C1中，并判断信号的有无：若有信号则读入反馈信号并存储在另一计数器C2中，与读入信号比较|C1-C2|〈误差，若为真，则内部继电器输出为0，电动机不动作。反之继电器输出为1，这是还要判断C1〉C2，是真，则正动作时电机正转，反动作电动机反转；非真，则正动作电机反转，反动作电动机正转。如果没有信号，则可以选择断信号动作开关，可以控制输出轴在原位、上限位和下限位停止。反馈功能的实现主要是由精密电位器将动作变换为电信号。作为开度信号反馈给控制模块部分，其结果使得来自计算机、调节器或操作器的信号和开度信号之间的偏差被减小。当偏差消除时控制部分令电机停止在该位置。精密电位器采用带复位弹簧的导电塑料方式的无隙接触，所以，齿条齿轮的齿隙被抵消，可随时检测出准确的位置，而且精密电位器寿命比饶线式电位器长几十倍，保证了工作可靠性。限位控制主要通过使用行程开关来实现。电气控制部分主要包括的元件有：电动机、继电器、精密电位器、行程保护开关、IP1612系列PLC等。8.2PLC设计8.2.1PLC的定义和特点可编程逻辑控制器PLC是微机技术和继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。国际电工委员会曾于1982年11月颁发了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月发表了第二稿。该草案对可编程控制器的定义是：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专门为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来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的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各类型的生产机械设备的生产过程。而有关的外围设备，都应按易于与工业系统联乘一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场的电气操作维护人员的技能和习惯，抛弃了微机常用的计算机编程语言表达形式，独树风格的形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制非常清晰直观、方便易学，调试和查错都很容易。用户买到所需的PLC后，只需按说明书或提示，做少量的安装接线和用户程序的编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。PLC的特点:1、抗干扰强，可靠性高。2、控制系统结构简单，通用性强。3、编程方便，易于使用。4、功能完善。5、设计、施工、调试的周期短。6、体积小，维修操作方便。8.2.2PLC的基本工作原理与普通微机类似，PLC也是由硬件和软件两大部分组成的。在软件的控制下，PLC才能正常工作。软件分为系统软件和应用软件两部分。PLC的基本工作过程如下：1、输入现场信息：在系统软件控制下，顺次扫描各输入点，读入各输入点的状态。2、执行程序：顺次扫描用户程序中的各条指令，根据输入状态和指令内容进行逻辑运算。3、输出控制信号：根据逻辑运算的结果，输出状态寄存器向各输出点并行发出相应的控制信号，实现所要求的逻辑控制功能。上述过程执行完后，又重新开始，反复地执行。每执行一遍所需的时间称为扫描周期。PLC的扫描周期通常为几十ms。在实际应用中，大多数机械设备的工作过程可以分为一系列不断重复的顺序操作，PLC的工作方式与此相似。因此，PLC的程序可与机器的动作一一对应，程序编制简单、直观，不容易出错，而且容易修改，从而大大减少了软件的开发费用，缩短了软件的开发周期。为了提高工作的可靠性，及时接受外来的控制命令，PLC在每次扫描期间，除完成上述三步操作外，通常还要进行故障诊断，完成与编程器等的通信。8.2.3电气控制原理图图8.1电气控制原理图8.2.4PLC外部接线图IP3416R2PLCFU2电源COMCOMSB1X1Y0KM1SB2X2SB3X3Y1KM2SB4X4SB5X5SB6X6SB7X7输入信号反馈信号图8.2PLC外部接线图8.2.5现场器件与PLC内部地址 对照表 免费下载字号和pt对照表省市对照表下载尺码对照表下载、简繁体字对照表下载三体系对照表免费下载 表7.1现场器件与plc内部地址对照表 现场器件 PLC内部地址号 作用 输入 SB1 X1 正动作选择 SB2 X2 反动作选择 SB3 X3 断信号停在原位 SB4 X4 断信号停在上限位 SB5 X5 断信号停在下限位 SB6 X6 上限位开关 SB7 X7 下限位开关 输入信号 反馈信号 输出 KM1 Y0 电机正转 KM2 Y1 电机反转8.2.6电气控制流程图开始是否A24<1v?A24-A23=？X2按下X3按下X4按下结果大于零结果小于零原位X6=1？X7=1？停止电机电机正转反转X0按下X1按下停止A23〈A23〉A23〈A23〉A24A24A24A24电机电机电机电机正转反转反转正转图8.3电气控制流程图8.2.7PLC控制程序IP3416R2RELAYLADDERLOGIC|||C2|1|------------------------------[A24]-----||||C1|2|------------------------------[C2-205]--||Overf||R31|3|-|/|--------------------------(J)-------||Overf||R31X3X4X5R1|4|-||---||---|/|---|/|--------()-------||Overf||R31X4X3X5X6Y0|5|-||---||---|/|---|/|---|/|--()-------||Overf||R31X6R2|6|-||---||--------------------()-------||Overf||R31X5X3X4X7Y1|7|-||---||---|/|---|/|---|/|--()-------||Overf||R31X7R3|8|-||---||--------------------()-------||Overf||R31|9|-|/|--------------------------(JE)------||Overf||R31|10|-||--------------------------(J)-------||||T0T1|11|-|/|--------------------------(5)-------||||T1T0|12|-||--------------------------(5)-------||||T1R91R9|13|-||---------|^|--------------()-------||||R9|14|-|/|--------------------------(J)-------||||C3|15|------------------------------[A25]-----||||C4|16|------------------------------[C2-C3]---||Overf||R31R4|17|-||--------------------------()-------||||R4C5|18|-|/|--------------------------[C4]------||||R4C5|19|-||--------------------------[-C4]-----||||R6T16X0X1R4Y0|20|-|/|---|/|---||---|/|---||-+()-------|||||R6T16X0X1R4||21|-|/|---|/|---|/|---||---|/|-'||||R6T16X0X1R4Y1|22|-|/|---|/|---||---|/|---|/|-+()-------|||||R6T16X0X1R4||23|-|/|---|/|---|/|---||---||-'||||C0|24|------------------------------[C5-8]----||Overf||R31R6|25|-||--------------------------()-------||||R6T16C6|26|-|/|---|/|--------------------[C5/8]----||||R6T16C7|27|-|/|---|/|--------------------[C6/2]----||||R6T16T16|28|-|/|---|/|--------------------(C7)------|||||29|------------------------------(E)-------|||8.2.8动作控制过程说明输入控制信号，并将信号存入计数器C2中。在计数器C1中判断输入信号是否为断信号。若C2〈205为真，则表明是断信号，可以分别读入三个断信号选择开关的输入。当输入为X3时，输出为内部继电器R1，电动机无任何动作，即执行器自锁，同时内部继电器R1的常闭触点断开使其余动作不能执行。在X3得电时，X3的动断触点将X4和X5的输入断开，以防止输入的干扰而不能正常工作。若输入X4，Y0得电，使电机正转，使输出轴上升直到到达最大行程时碰到行程开关X6使X6闭合，常闭触点X6断开以使电机停止反转。若输出轴位于最上端时，行程开关X6开，既常闭触点X6断开，电机不工作。同时，X3的动断触点使X2和X4断开。若输入为X5，Y1得电，使电动机反转，当输出轴下降到最大行程时碰到行程开关X7使X7闭合，常闭触点X7断开以电动机停止转动。若输出轴位于最下端时，行程开关X7开，既常闭触点X7断开，电机不工作。同时X5的动断触头使X3和X4断开。所以，X3、X4、X5为断信号选择输入，且它们之间都有互锁，只可以一个有动作。若输入信号C2＞205时，则表示有信号输入。那么反馈信号将被读入，并存储到计数器C3中。在计数器C4中进行输入信号和反馈信号的比较，即C2-C3，若为真则表示C3＜C2，此时如果是正动作，即X0闭合，则电动机反转，C3与C2的值减去系统要求的误差，若其差值为负，则电机立即停止；若其差值大于零，则乘以8变为距离，再除以速度变为时间，电机就运转这个时间，再循环检测执行这个过程，直到误差消除为止，既实现比例控制。同时X0的动断触头使X1断开，以保证不受反动作的干扰。如果是反动作，即X1闭合，则电动机正转，过程一样直到误差消除为止。若为假则表示C3＞C2，如果是正动作则电动机正转直到误差消除为止，若是反动作则电动机反转直到误差消除为止。控制正反转的继电器都有最大行程保护，以保证输出轴在行程范围内动作。设计总结本设计是在现场实习完后通过对产品的深入了解和对产品功能作出了最细致的分析后进行的直行程电动执行器是机械与自动化控制的综合体现，其中既有机械设计，如将螺纹套筒的旋转运动转化为止转销的直线运动。又有开度检测部件和精密电位器的信号之间的信号调节。直行程电动执行器是以220V交流单相电源作为驱动电源，接受来自调节器或计算机的控制信号来运转的电子式执行机构。电子式控制单元被设计成匣子形式，并用树脂浇铸；驱动电机采用AC可逆电动机；驱动反馈量的检测采用高性能导电塑料电位器，是具有1/250分解能力的高可靠性的经济型产品。电动执行器中采用驱动调节皮带轮，而不采用链转动。在保证转速的情况下，如遇到特殊意外，如阀门处被卡住，皮带因受力可以断裂，而链条则不会如皮带轻易断裂，因而会损伤执行器。电器部分采用差动控制，使得来自调节器信号和开度信号之间偏差被减少，使电机能准确停止在其位置上。其动作原理是：控制模块部分接受的输入信号和来自开度检测部分的开度信号，将两信号相比较并放大，向消除其差值的方向和控制电机。电机的旋转通过驱动皮带轮和输出轴，同步带传给被动轮，使螺旋套转动。螺旋套和输出轴用梯形螺纹相连接。输出轴带有防止转动的止转销，因此螺旋套带动输出轴上下运动，同时开度信号进行检测，通过齿轮齿条传给精密电位器。精密电位器的动作变为电信号，作为开度信号反馈给控制模块部分，其结果使得计算机、调节器或操作器的信号和开度信号之间的偏差减小。当偏差消除时控制部分令电机停止在该位置上。电动执行器能够被精确控制，而且时时调整，性能灵活，可靠。产品主要特点：1、执行器本身具有伺服功能，无需外接伺服放大器。2、关键部件控制模块采用先进的混合集成电路，并用树脂浇铸固化，经老化处理，可靠性高，防潮、防震。3、可以带过载保护单元。当阀门卡死，或过载等原因造成电动机电流过大时，过载保护单元动作切断电动机电流，从而起到保护作用。故障消除后，执行器仍可正常工作。4、电动机内部有温度开关。当电动机内部温度超过允许温度时，开关动作自动断开绕组电源，从而保护电动机不被烧毁。5、用电位器调整零点、行程、灵敏度方便易行。6、用功能开关任意选择正、反动作，选择断信号的三种状态（自锁、全开、全关）7、直行程执行器输出轴内装有保证阀门关断能力的压缩弹簧，压缩弹簧与限位开关配合作用，可保证阀门的严密关闭。8、断电源后，阀门自锁。9、体积小、重量轻、结构简单。10、连线简单，只需连接AC220V电源即可控制运转。致谢首先诚挚的感谢指导老师王普斌教授。王老师悉心的教导使我得以一窥执行器领域的深奥，不时的讨论并指点我正确的方向，使我在这领域中获益匪浅。在设计中更倾注了他的大量心血。从开始到结束，王老师不厌其烦，一审再审，大到机械结构的偏颇，小到标注的瑕疵，都一一予以指出。老师对学问的严谨更是我学习的典范。　本论文的完成另外亦得感谢鞍山工装自控仪表有限公司的马科长大力协助。因为有你的体谅及帮忙，使得本设计能够更完整而严谨，并从多方面给予了有力支持。敲完最后一个字符，重新从头细细阅读早已不陌生的文字，我感触颇多。虽然其中没有什么值得特别炫耀的成果，但对我而言，是宝贵的。它是无数教诲、关爱和帮助的结果。　　感谢老师不厌其烦的指出我研究中的缺失，且总能在我迷惘时为我解惑，也感谢李长东同学的帮忙，让我们顺利的结束这最后的大学时光。　谨向我的父母和家人表示诚挚的谢意。他们是我生命中永远的依靠和支持，他们无微不至的关怀，是我前进的动力；他们的殷殷希望，激发我不断前行。没有他们就没有我，我的点滴成就都来自他们。本论文的完成远非终点，文中的不足和浅显之处则是我新的征程上一个个新的起点。我将继续前行！参考文献1.电子文献电工集团北京敬业http://www.jydg.com吴桥县微型减速机有限公司http://www.jsj555.com/cs4.htm中国人民网http://www.imageedu.com/Blog/user1/9927/archives/2008/38712.htmlAskTheHvacManhttp://www.iklimnet.com/expert_hvac/valve_actuators.html日本三木(mikipulley)联轴器:http://www.szlianyang.cn/szlianyang_Product_20358.html2.专著[1]刘鸿.材料力学4版，北京；高等教育出版社，