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徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
摘要
螺旋起重機(jī)又稱為螺旋升降機(jī)，它的原型就是我們所常見的千斤頂。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、動(dòng)力源廣泛、無噪音、安裝方便、使用靈活、功能多、配套形式多、可靠性高、使用壽命長等許多優(yōu)點(diǎn)?？梢詥闻_或組合使用，能大致控制調(diào)整提升的高度，可以用電動(dòng)機(jī)或其他動(dòng)力直接帶動(dòng)，也可以手動(dòng)。
電動(dòng)螺旋起重機(jī)基本原理是利用電機(jī)，通過減速器減速后，帶動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)化為絲桿的軸向運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)物體上升。主要內(nèi)容如下：對千斤頂?shù)脑砗吐菪鹬氐脑?、方法進(jìn)行了研究；設(shè)計(jì)螺旋起重機(jī)構(gòu)；選擇電動(dòng)機(jī)；設(shè)計(jì)減速機(jī)構(gòu)；控制電路的設(shè)計(jì)；簡要闡述在流水線作業(yè)中，螺旋千斤頂?shù)膭?dòng)作原理等。
關(guān)鍵詞 千斤頂；電動(dòng)；螺旋傳動(dòng)
Abstract
The spiral crane is also known as the spiral screw lift crane .Its prototype is the jack as we common see. Its advantages as follows: small size, light weight, extensive power source, no noise, ease of installation, flexible, multi-function, supporting forms, high reliability and long service life, and so on. It can be used single or in combination, and can generally control the height. Motor can be used directly or other power driven, besides ,it can also be manually.
And the basic principle is that the motor drives the rotary nut through the deceleration agencies, screw into the axial campaign, and then lift the objects .The main contents as follows: research the principle of spiral jack and the principles and methods of the spiral lifting, design the agencies of spiral lifting; motor choice; design deceleration agencies; select keys and bearings, design the control circuit; describe the principle of the screw jack on the assembly line operation.
Keywords Spiral jack Electrical Spiral drive
II
徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
目 錄
1 緒論 1
1.1千斤頂?shù)陌l(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2千斤頂?shù)姆诸?2
2 設(shè)計(jì)方案的確定 3
2.1螺旋傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案 3
2.1.1螺旋傳動(dòng)概述 3
2.1.2螺旋傳動(dòng)方案的確定 4
2.2減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 5
3 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6
3.1螺旋傳動(dòng)部分計(jì)算 6
3.1.1螺桿直徑的計(jì)算 6
3.1.2螺紋部分強(qiáng)度計(jì)算 6
3.2電機(jī)的選擇 8
3.2.1電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算 9
3.2.2傳動(dòng)效率 9
3.2.3確定電機(jī)轉(zhuǎn)速 10
3.3減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 11
3.3.1材料的選擇 11
3.3.2蝸輪蝸桿傳動(dòng)基本尺寸 12
3.3.3強(qiáng)度校核 15
3.3.4蝸輪蝸桿傳動(dòng)中的作用力分析 15
3.3.5實(shí)際傳動(dòng)動(dòng)力參數(shù) 16
4 輔助裝置的設(shè)計(jì) 18
4.1軸承的選擇 18
4.1.1軸承的選擇因素 18
4.1.2軸承的型號確定 19
4.1.3軸承校驗(yàn) 19
4.2鍵的選擇 22
4.3聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)與計(jì)算 23
5 控制電路及過載保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 25
5.1 過載及最大行程保護(hù)元件 25
5.1.1 熱繼電器 25
5.1.2 行程開關(guān) 26
5.2電器控制基本電路設(shè)計(jì) 28
6 系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化 30
6.1力學(xué)傳感器 30
6.1.1電阻應(yīng)變片力傳感器 30
6.2位置傳感器 32
6.3連續(xù)控制分析 34
結(jié)論 35
致謝 36
參考文獻(xiàn) 37
附錄 38
附錄1 38
附錄2 49
39
1 緒論
1.1千斤頂?shù)陌l(fā)展現(xiàn)狀
千斤頂起源于20世紀(jì)初的英、美、德等國家，在逐步發(fā)展中工藝逐漸成熟，因其具有抗腐蝕、耐高溫，強(qiáng)度高、表面精美、百分之百可回收等無與倫比的良好性能，被廣泛應(yīng)用于建筑、交通、能源、石化、環(huán)保、城市景觀、醫(yī)療、餐飲等各個(gè)領(lǐng)域，逐漸被人們所接受，也越來越多地走進(jìn)尋常百姓的日常生活。
我國千斤頂產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)步較晚，建國以來到改革開放前，我國千斤頂?shù)男枨笾饕且怨I(yè)和國防尖端使用為主。改革開放后，國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平的顯著提高，拉動(dòng)了千斤頂?shù)男枨?。進(jìn)入上世紀(jì)九十年代后，我國千斤頂產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展期，千斤頂需求的增速遠(yuǎn)高于全球水平。
1990年以來，全球千斤頂表觀消費(fèi)量以年均6%的速度增長，而九十年代的十年間，我國千斤頂表觀消費(fèi)量年均增長率達(dá)到17.73%，是世界年均增長率的2.9倍。進(jìn)入二十一世紀(jì)，我國千斤頂產(chǎn)業(yè)高速增長。2000年—2004年，我國千斤頂消費(fèi)量從188萬噸增長到447萬噸，增加了2.3倍，年平均增長率在27%以上。其中，2001年，我國千斤頂表觀消費(fèi)量達(dá)到225萬噸，超過美國成為世界第一千斤頂消費(fèi)大國。同時(shí)，千斤頂進(jìn)口也大幅度增加。1998年，我國千斤頂進(jìn)口100萬噸，由此成為世界上最大的千斤頂進(jìn)口國。2004年與1998年比，千斤頂進(jìn)口增長幅度年均達(dá)到27.14%。預(yù)計(jì)2005年，中國千斤頂表觀消費(fèi)量將達(dá)到500萬噸，進(jìn)口仍將保持在300萬噸左右。
伴隨著千斤頂市場的快速發(fā)展，我國千斤頂產(chǎn)量也結(jié)束了長期徘徊的局面，實(shí)現(xiàn)了高速增長。我國千斤頂產(chǎn)量從2000年的46萬噸增長到2004年的236萬噸，年平均增長率在82.6%，占國內(nèi)市場需求的比重也由2000年的24.47%提高到2004年的52.80%。而同期，世界千斤頂產(chǎn)量則僅以6%左右的速度增長。
從九十年代后期起，我國太鋼、寶鋼以及寶新、張浦等國有和合資企業(yè)通過引進(jìn)和技術(shù)改造，先后建成了一系列千斤頂生產(chǎn)線，千斤頂工藝技術(shù)裝備達(dá)到國際先進(jìn)水平，千斤頂生產(chǎn)初具規(guī)模。千斤頂品種結(jié)構(gòu)也發(fā)生了積極的變化，千斤頂產(chǎn)品質(zhì)量迅速提高。特別是國內(nèi)千斤頂冷軋板增長迅速，2003年，國內(nèi)冷軋板產(chǎn)量達(dá)到170萬噸，首次超過進(jìn)口量,自給率達(dá)到66%；2004年，國內(nèi)冷軋板產(chǎn)量達(dá)到200萬噸，自給率達(dá)到70%以上。從2004年底到2005年底，國內(nèi)冷軋千斤頂產(chǎn)能將增加約150萬噸，基本滿足國內(nèi)市場需求。到2007年，我國將成為千斤頂?shù)膬舫隹趪?
從總體上看，我國千斤頂正在經(jīng)歷由規(guī)模小、水平低、品種單一、嚴(yán)重不能滿足需求到具有相當(dāng)規(guī)模和水平、品種質(zhì)量顯著提高和初步滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求的深刻轉(zhuǎn)變，千斤頂需求將逐步實(shí)現(xiàn)自給。
1.2千斤頂?shù)姆诸?
千斤頂有多種形式。如電動(dòng)式，液壓式，手動(dòng)式（即一般意義上的千斤頂）等等。
電動(dòng)式千斤頂如圖1-1所示。它的基本動(dòng)力源是電機(jī)，由電機(jī)通過減速器帶動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)化為絲桿的軸向運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)物體上升。它解放了人類的體力勞動(dòng)，只需操縱按鈕即可完成起重?？捎行У谋苊饬酥匚镌覀仁鹿?。該形式的起重器也是本設(shè)計(jì)所討論的。
圖1-1
液壓千斤頂，又稱為油壓千斤頂。它的基本工作原理圖如圖1-2所示。其基本原理是利用封閉管路里液體的壓強(qiáng)來工作的。當(dāng)人以力F向下壓手柄時(shí)，液體內(nèi)部產(chǎn)生一定的壓強(qiáng)，從而推動(dòng)重物上升。
圖1-2
1-小液壓缸，2-排油單向閥，3-吸油單向閥，4-油路，5-截止閥，6-大液壓缸
手動(dòng)式千斤頂也即一般普通的千斤頂，它是出現(xiàn)的最早的千斤頂，是所有千斤頂?shù)谋亲?。手搖其手柄，帶動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)，如圖1-3所示
圖1-3
2 設(shè)計(jì)方案的確定
2.1螺旋傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案
2.1.1螺旋傳動(dòng)概述
螺旋傳動(dòng)是利用螺桿和螺母的嚙合來傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)。主要用于將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成推力。按工作特點(diǎn)，螺旋傳動(dòng)用的螺旋分為傳力螺旋、傳導(dǎo)螺旋和調(diào)整螺旋。
（1）傳力螺旋：以傳遞動(dòng)力為主,它用較小的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大的軸向推力,一般為間歇工作，工作速度不高，而且通常要求自鎖，例如螺旋壓力機(jī)和螺旋千斤頂上的螺旋。
（2）傳導(dǎo)螺旋：以傳遞運(yùn)動(dòng)為主，常要求具有高的運(yùn)動(dòng)精度，一般在較長時(shí)間內(nèi)連續(xù)工作，工作速度也較高，如機(jī)床的進(jìn)給螺旋（絲杠）。
（3）調(diào)整螺旋：用于調(diào)整并固定零件或部件之間的相對位置，一般不經(jīng)常轉(zhuǎn)動(dòng)，要求自鎖，有時(shí)也要求很高精度，如機(jī)器和精密儀表微調(diào)機(jī)構(gòu)的螺旋。按螺紋間摩擦性質(zhì)，螺旋傳動(dòng)可分為滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)和滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)?；瑒?dòng)螺旋傳動(dòng)又可分為普通滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)和靜壓螺旋傳動(dòng)。
1）滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)
通常所說的滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)就是普通滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)。滑動(dòng)螺旋通常采用梯形螺紋和鋸齒形螺紋，其中梯形螺紋應(yīng)用最廣，鋸齒形螺紋用于單面受力。矩形螺紋由于工藝性較差強(qiáng)度較低等原因應(yīng)用很少；對于受力不大和精密機(jī)構(gòu)的調(diào)整螺旋，有時(shí)也采用三角螺紋。
一般螺紋升程和摩擦系數(shù)都不大，因此雖然軸向力F相當(dāng)大，而轉(zhuǎn)矩T則相當(dāng)小。傳力螺旋就是利用這種工作原理獲得機(jī)械增益的。升程越小則機(jī)械增益的效果越顯著?；瑒?dòng)螺旋傳動(dòng)的效率低，一般為30～40%，能夠自鎖。而且磨損大、壽命短，還可能出現(xiàn)爬行等現(xiàn)象。
2）靜壓螺旋傳動(dòng)?
螺紋工作面間形成液體靜壓油膜潤滑的螺旋傳動(dòng)。靜壓螺旋傳動(dòng)摩擦系數(shù)小，傳動(dòng)效率可達(dá)99%，無磨損和爬行現(xiàn)象，無反向空程，軸向剛度很高，不自鎖，具有傳動(dòng)的可逆性，但螺母結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且需要有一套壓力穩(wěn)定、溫度恒定和過濾要求高的供油系統(tǒng)。靜壓螺旋常被用作精密機(jī)床進(jìn)給和分度機(jī)構(gòu)的傳導(dǎo)螺旋。這種螺旋采用牙較高的梯形螺紋。在螺母每圈螺紋中徑處開有3～6個(gè)間隔均勻的油腔。同一母線上同一側(cè)的油腔連通，用一個(gè)節(jié)流閥控制。油泵將精濾后的高壓油注入油腔，油經(jīng)過摩擦面間縫隙后再由牙根處回油孔流回油箱。當(dāng)螺桿未受載荷時(shí)，牙兩側(cè)的間隙和油壓相同。當(dāng)螺桿受向左的軸向力作用時(shí)，螺桿略向左移，當(dāng)螺桿受徑向力作用時(shí)，螺桿略向下移。當(dāng)螺桿受彎矩作用時(shí)，螺桿略偏轉(zhuǎn)。由于節(jié)流閥的作用，在微量移動(dòng)后各油腔中油壓發(fā)生變化，螺桿平衡于某一位置，保持某一油膜厚度。
3）滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)
用滾動(dòng)體在螺紋工作面間實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)摩擦的螺旋傳動(dòng)，又稱滾珠絲杠傳動(dòng).滾動(dòng)體通常為滾珠，也有用滾子的。滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)的摩擦系數(shù)、效率、磨損、壽命、抗爬行性能、傳動(dòng)精度和軸向剛度等雖比靜壓螺旋傳動(dòng)稍差，但遠(yuǎn)比滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)為好。滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)的效率一般在90%以上。它不自鎖，具有傳動(dòng)的可逆性；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度要求高，抗沖擊性能差。它已廣泛地應(yīng)用于機(jī)床、飛機(jī)、船舶和汽車等要求高精度或高效率的場合。滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)型式，按滾珠循環(huán)方式分外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)。外循環(huán)的導(dǎo)路為一導(dǎo)管,將螺母中幾圈滾珠聯(lián)成一個(gè)封閉循環(huán)。內(nèi)循環(huán)用反向器，一個(gè)螺母上通常有2～4個(gè)反向器，將螺母中滾珠分別聯(lián)成2～4個(gè)封閉循環(huán)，每圈滾珠只在本圈內(nèi)運(yùn)動(dòng)。外循環(huán)的螺母加工方便，但徑向尺寸較大。為提高傳動(dòng)精度和軸向剛度，除采用滾珠與螺紋選配外，常用各種調(diào)整方法以實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。
常用的載重螺旋有矩形，梯形和鋸齒形等。矩形螺紋傳動(dòng)效率高，但螺紋強(qiáng)度較低，精確制造較困難，對中準(zhǔn)確性較差，磨損后無補(bǔ)償，因此應(yīng)用受限制，矩形螺紋無標(biāo)準(zhǔn)。梯形螺紋加工容易，強(qiáng)度較大，但效率較低。鋸齒形螺紋矩形螺紋效率高，梯形螺紋強(qiáng)度大的特點(diǎn)，一般用于承受單向壓力，常用在壓力機(jī)上。
螺桿材料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和耐磨性，以及良好的加工性能，不經(jīng)熱處理的螺桿一般選用Q275，35，45號鋼，重要的經(jīng)熱處理的螺桿可以選用65Mn，40Cr或20C rMnTi鋼。精密傳動(dòng)螺桿可用9MnV，CrMn，38CrMoAl鋼等。螺母材料除要有足夠的強(qiáng)度外，還要求在與螺桿材料配合時(shí)摩擦系數(shù)小和耐磨。常選用鑄造青銅ZQSn6-6-3，ZQSn10-1，速度低，載荷較小時(shí)，也可選用高強(qiáng)度鑄造鋁青銅或鑄造黃銅，重載時(shí)可用鑄鐵，耐磨鑄鐵。尺寸大的螺母可用鋼或鑄鐵做外套，內(nèi)部澆注青銅。高速螺母可澆注巴氏合金。
螺旋傳動(dòng)用矩形，梯形或鋸齒形螺紋，其失效形式多為螺紋磨損。而螺旋直徑螺母的高度由耐磨性要求決定。傳力較大時(shí)，應(yīng)校驗(yàn)螺桿部分或其他危險(xiǎn)部位強(qiáng)度，以及螺母，螺桿的螺紋牙的強(qiáng)度。要求自鎖時(shí)，應(yīng)檢驗(yàn)螺紋副的自鎖條件。對于長徑比很大的受壓螺桿，應(yīng)檢驗(yàn)其穩(wěn)定性。
因此，本設(shè)計(jì)中螺旋副材料選取鋼—青銅材料，螺桿選取45號鋼。螺紋選用梯型螺紋，右旋單線。
2.1.2螺旋傳動(dòng)方案的確定
本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是如何將電機(jī)輸出的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為螺桿的直線運(yùn)動(dòng)。這也是整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)等相關(guān)參考資料，可得到把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的四種方式：
（1）螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng)
（2）螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，螺桿移動(dòng)
（3）螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)、移動(dòng)
（4）螺桿固定，螺母轉(zhuǎn)、移動(dòng)
考慮到必須頂著重物上升，即與重物接觸，而起重部件與重物間不可發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，而且必須與重物充分接觸，因此排除方案（1）、（4），而方案（3）又不方便輸入傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)，因此選擇方案（2）作為起重部分的傳動(dòng)方案。
2.2減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案
減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通常有蝸輪蝸桿傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)，帶傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)，摩擦輪傳動(dòng)等等?？紤]到本設(shè)計(jì)要求的傳動(dòng)緊湊，傳動(dòng)比較大，因此選用蝸輪蝸桿傳動(dòng)作為本設(shè)計(jì)的減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
蝸桿傳動(dòng)用于傳遞交錯(cuò)軸之間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在絕大多數(shù)情況下，兩軸在空間上是互相垂直的，軸交角為90度。它廣泛應(yīng)用在機(jī)床、汽車、儀器、起重運(yùn)輸機(jī)械、冶金機(jī)械以及其他機(jī)械制造部門中，最大傳動(dòng)功率可達(dá)到750千瓦，通常用在50千瓦以下；最高滑動(dòng)速度可達(dá)35m/s，通常用在15m/s以下。
蝸桿傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，工作平穩(wěn)，無噪聲，沖擊振動(dòng)小以及能得到很大的單級傳動(dòng)比。在傳遞動(dòng)力時(shí)，傳動(dòng)比一般為8—100，常用的為5—50。在機(jī)床工作臺中，傳動(dòng)比可達(dá)幾百，甚至達(dá)到一千。這時(shí)，需采用導(dǎo)程角很小的單頭蝸桿，但傳動(dòng)效率很低，只能用在功率很小的場合。在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中正力求提高蝸桿傳動(dòng)的效率，多頭蝸桿的傳動(dòng)效率已經(jīng)可達(dá)到98%。與多級齒輪傳動(dòng)相比，蝸桿傳動(dòng)零件數(shù)目少，結(jié)構(gòu)尺寸小，重量輕。缺點(diǎn)是在制造精度和傳動(dòng)比相同的條件下，蝸桿傳動(dòng)的效率比齒輪傳動(dòng)低，同時(shí)蝸輪一般需用貴重的減磨材料制造。
3 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1螺旋傳動(dòng)部分計(jì)算
3.1.1螺桿直徑的計(jì)算
式（3.1）
表 3-1滑動(dòng)螺旋副許用比壓[P]
螺桿材料
螺母材料
許用比壓
速度范圍
鋼
青銅
18—25
低速
鋼
鋼
7.5—13
低速
鋼
鑄鐵
13—18
<2.4m/min
鋼
青銅
11—18
<3.0m/min
取鋼—青銅螺旋副[p]=20Mpa，f=0.08~0.1，最大負(fù)載F=25000N，
代入式（3.1）得:
根據(jù)梯形螺紋國家標(biāo)準(zhǔn)，取螺紋為Tr
其基本參數(shù)為：
螺桿外徑：，
中徑：，
螺桿小徑：，
螺母小徑：，
螺母大徑：，
螺距：
3.1.2螺紋部分強(qiáng)度計(jì)算
梯形螺紋牙型角
當(dāng)量摩擦角
將螺紋部分展開，其受力圖如圖3-1所示，
圖3-1
作用在螺母上的扭矩
螺桿受力如圖3-2所示，由圖可知，螺桿上與螺母旋合處扭矩最大，且
圖3-2
根據(jù)第四強(qiáng)度理論，得：螺桿危險(xiǎn)截面的當(dāng)量應(yīng)力
表3-2螺桿與螺紋牙強(qiáng)度
項(xiàng)目
許用應(yīng)力Mpa
螺桿強(qiáng)度
為屈服極限
螺紋牙強(qiáng)度
材料
剪切
彎曲
鋼
0.6
（1~1.2）
青銅
30--40
40—60
鑄鐵
40
45—55
耐磨鑄鐵
40
50—60
蝸桿材料為45號鋼，由表3-2可知，它的許用應(yīng)力為
==120~72Mpa
，滿足要求。
自鎖條件：<
符合自鎖條件。
3.2電機(jī)的選擇
電動(dòng)機(jī)的類型、結(jié)構(gòu)形式是根據(jù)電源種類、載荷性質(zhì)和工作條件來選擇的。三相異步電機(jī)具有構(gòu)造簡單、運(yùn)行可靠、重量輕、成本低、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，所以電機(jī)選擇為三相異步電動(dòng)機(jī)。
電動(dòng)機(jī)的功率選擇是否合適將直接影響到電動(dòng)機(jī)的工作性能和經(jīng)濟(jì)性能。如果選用額定功率小于工作機(jī)所要求的功率,就不能保證工作機(jī)正常工作,甚至使電動(dòng)機(jī)長期過載而過早損壞,如果選用額定功率大于工作機(jī)所需要的功率,則電動(dòng)機(jī)價(jià)格高,功率未得到充分的利用,從而增加電能的消耗,造成浪費(fèi)。
在設(shè)計(jì)過程中,由于螺旋起重機(jī)載荷不變或很少變化,并且傳遞功率較小，故只需使電動(dòng)機(jī)的額定功率等于或梢大于電動(dòng)機(jī)的實(shí)際輸出功率,即。這樣電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)就不會(huì)過熱,一般不需要對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行熱平衡計(jì)算和校核啟動(dòng)力矩。
選擇電動(dòng)機(jī)應(yīng)綜合考慮的問題：
（1）根據(jù)機(jī)械的負(fù)載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，制動(dòng)反轉(zhuǎn)等要求選擇電動(dòng)機(jī)類型。
（2）根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩速度變化范圍和啟動(dòng)頻繁程度等要求，考慮電動(dòng)機(jī)的溫升限制過載能力和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，選擇電動(dòng)機(jī)功率并確定冷卻方式。多選電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般0.8—0.9，過大的備用功率會(huì)使電機(jī)效率降低，對于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其功率因?qū)⒆儔?，并使按電?dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)局校驗(yàn)強(qiáng)度的生產(chǎn)機(jī)械造價(jià)提高。
根據(jù)使用場所的環(huán)境條件的溫度，濕度，灰塵，雨水，瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護(hù)方式，選擇電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。
（3）根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)和對功率因數(shù)的要求確定電動(dòng)機(jī)的電壓等級和類型。
（4）根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速和對電力傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程性能的要求，以及機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，選擇電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速。除此之外選擇電動(dòng)機(jī)還必須符合節(jié)能要求，考慮運(yùn)行可靠性，設(shè)備的供貨情況，備品備件的通用性，安裝檢測的難易，以及產(chǎn)品價(jià)格，建設(shè)費(fèi)用，運(yùn)行和維修費(fèi)用，生產(chǎn)過程中，前，后電動(dòng)機(jī)功率變化關(guān)系等各種因素。
3.2.1電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算
電動(dòng)機(jī)所需工作功率為
P=
式中： 為輸送機(jī)主軸牽引力，公斤 此處=2.5噸；
v 為起重速度，m/s 此處v=0.5m/min；
為電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)主運(yùn)動(dòng)端物體的總效率。
3.2.2傳動(dòng)效率
傳動(dòng)裝置的總效率應(yīng)為組成傳動(dòng)裝置的各部分運(yùn)動(dòng)副效率之乘積,即
=··…
其中:分別為每一傳動(dòng)副,每對軸承,每個(gè)連軸器的效率.傳動(dòng)副的效率數(shù)值可按下列選取,軸承及連軸器效率的概略值為:
滾動(dòng)軸承 0.98-0.995
滑動(dòng)軸承 0.97-0.99
彈性連軸器 0.99-0.995
齒輪連軸器 0.99
萬向連軸器 0.97-0.98
圖3-3 螺旋起重機(jī)傳動(dòng)示意圖
該設(shè)計(jì)中根據(jù)要求選擇滾子軸承效率=0.98；蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率=0.97；聯(lián)軸器傳動(dòng)效率=0.99；
螺桿螺母傳動(dòng)效率：
總效率為=···=
電機(jī)功率為：= kw
3.2.3確定電機(jī)轉(zhuǎn)速
螺母轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)/min
蝸輪蝸桿減速器傳動(dòng)比為15~60，則，電機(jī)轉(zhuǎn)速可選范圍為
=（15~60）83.3=1250~5000轉(zhuǎn)/min
同一功率的同一類型電動(dòng)機(jī)可以有幾種同步轉(zhuǎn)速供選擇。高轉(zhuǎn)速的電動(dòng)機(jī)的極數(shù)少，外形尺寸小、重量輕、價(jià)格低，但傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比及尺寸大，增大了減速器的成本和制造成本。低轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)則正好相反，因此應(yīng)全面分析比較其利弊，合理選定其功率。
電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速通常采用同步轉(zhuǎn)速為1500r/min 和1000r/min 左右的電動(dòng)機(jī)，沒有特殊說明，不選用低于750r/min 的電動(dòng)機(jī)。在此，自己綜合考慮，選用1390r/min 的電動(dòng)機(jī)。
由查表可以看出，Y2-802-4 型三相異步電動(dòng)機(jī)符合自己的需要，因此就選用該電動(dòng)機(jī)。
Y2-802-4型三相異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)見表3-3、3-4。
表3-3 Y2-802-4 型三相異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)
電動(dòng)機(jī)型號
額定功率
kw
轉(zhuǎn)速
r/min
最大轉(zhuǎn)矩
額定轉(zhuǎn)矩
最小轉(zhuǎn)矩
額定轉(zhuǎn)矩
效率
Y2-802-4
0.75
1390
2.3
1.6
75%
表 3-4 Y2-802-4 型三相異步電動(dòng)機(jī)的尺寸參數(shù)
中心高H
外形尺寸
L×(AC/2+AD) ×HD
底腳安裝尺寸
A×B
地腳螺栓孔直徑
K
軸伸尺寸
D×E
裝鍵部位尺寸
F×GD
80
285×232.5×170
125×100
10
19×40
8×27
圖 3-4 三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
3.3減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.3.1材料的選擇
考慮到蝸桿傳動(dòng)難于保證高的接觸精度，滑動(dòng)速度由較大，以及蝸桿變形等因素，故蝸桿、蝸輪不能都用硬材料制造，其中之一（通常是蝸輪）應(yīng)該用減磨性良好的軟材料來制造。
蝸輪材料主要有以下幾種：
（1）鑄錫青銅 適用于Vs>=12m/s~26m/s和持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的工況，離心鑄造的可得到致密的細(xì)晶粒組織，可取大值，沙型鑄造的取小值。
（2）鑄鋁青銅 適用于Vs<=10m/s的工況，抗膠合能力差，蝸桿硬度應(yīng)不低于45HRC。
（3）鑄鋁黃銅 點(diǎn)蝕強(qiáng)度高，但磨損性能差，宜用于低滑動(dòng)速度場合。
（4）灰鑄鐵和球墨鑄鐵 適用于Vs<=2m/s的工況，前者表面經(jīng)硫化物處理有利于減輕磨損，后者若與淬火蝸桿配對能用于重載場合。直徑較大的蝸輪常用鑄鐵。
蝸桿材料按材料分有碳鋼和合金鋼。蝸輪直徑很大時(shí)，也可采用青銅蝸桿，蝸輪則用鑄鐵。按熱處理不同分可分為硬面蝸桿和調(diào)質(zhì)蝸桿。在要求持久性高的動(dòng)力傳動(dòng)中，可選用滲碳鋼淬火，也可選用中碳鋼表面或整體淬火以得到必要的硬度，制造時(shí)必須磨削。用氮化鋼滲氮處理的蝸桿可以不磨削，但需要拋光。只有在缺乏磨削設(shè)備時(shí)才選用調(diào)質(zhì)蝸桿。受短時(shí)沖擊載荷的蝸桿，不宜用滲碳鋼淬火，最好用調(diào)質(zhì)鋼。鑄鐵蝸輪與鍍鉻蝸桿配對時(shí)，有有利于傳動(dòng)的承載能力和滑動(dòng)速度。
綜合考慮，在本設(shè)計(jì)中選擇蝸輪材料為減磨性較好的鑄鋁青銅，蝸桿材料為45號鋼。
3.3.2蝸輪蝸桿傳動(dòng)基本尺寸
螺母轉(zhuǎn)速=蝸輪轉(zhuǎn)速，即轉(zhuǎn)/min，
蝸桿轉(zhuǎn)速=電機(jī)轉(zhuǎn)速，即轉(zhuǎn)/min，
要求傳動(dòng)比
表3-5鋼蝸桿和青銅蝸輪間的當(dāng)量摩擦系數(shù)及當(dāng)量摩擦角
Vs(m/s)
Vs(m/s)
0.01 0.10~0.12 5°41’~ 6°51’
1.5 0.04~0.05 2°20’ ~2°50
0.1 0.08~0.09 4°30’ ~5°10
2.0 0.035~0.045 2°00’~2°30
0.25 0.065~0.075 3°40’ ~4°20
2.50 0.03~0.04 1°40~2°20’
0.5 0.055~0.065 3°10’ ~3°40
3 0.028~0.035 1°30~2°0’
1.0 0.045~0.055 2°20’ ~3°10
4 0.023~0.03 1°20~1°40’
當(dāng)量摩擦系數(shù)
設(shè)，查表3-5，取大值，在參考文獻(xiàn)[1]圖13.11的線上選取一點(diǎn)，查得：，且設(shè)定，
蝸輪轉(zhuǎn)矩： ，
使用系數(shù)： 查表3-6得： ，
表3-6使用系數(shù)KA
動(dòng)力機(jī)工作特性
工作機(jī)工作特性
均勻平穩(wěn)
輕微沖擊
中等沖擊
嚴(yán)重沖擊
均勻平穩(wěn)
1.00
1.25
1.50
1.75
輕微沖擊
1.10
1.35
1.60
1.85
中等沖擊
1.25
1.50
1.75
2.0
嚴(yán)重沖擊
1.50
1.75
2.0
>=2.25
轉(zhuǎn)速系數(shù)：，
彈性系數(shù)：根據(jù)蝸輪副材料查表3-7得，
壽命系數(shù)：設(shè)機(jī)器使用壽命，則壽命系數(shù)
接觸系數(shù)：由參考文獻(xiàn)[1]圖13.12I線查得
接觸疲勞極限：查參考文獻(xiàn)表3-7得
表3-7蝸輪材料 力學(xué)性能和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)
蝸輪材料
力學(xué)性能
設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)
HB
Mpa
Mpa
%
Mpa
Mpa
Mpa
m/s
鑄錫青銅
220
130
80
3
88.3
147
265
115
12
330
170
90
4
88.3
147
425
190
26
鑄錫青銅
鑄錫青銅
240
120
70
12
98.1
152
350
165
12
270
140
80
7
98.1
152
430
190
26
鑄鋁青銅
490
180
100
13
122.6
164
250
400
10
續(xù)表3-7
蝸輪材料
力學(xué)性能
設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)
HB
Mpa
Mpa
%
Mpa
Mpa
Mpa
m/s
鑄鋁青銅
540
200
110
15
122.6
164
265
500
10
鑄鋁青銅
630
250
157
16
122.6
164
550
270
10
700
300
160
13
122.6
164
660
377
10
鑄鋁青銅
670
310
167
18
122.6
164
250
402
10
750
400
185
5
122.6
164
265
502
10
注：表中每項(xiàng)第一行為砂型鑄造，第二項(xiàng)為離心鑄造
接觸疲勞最小安全系數(shù)： 取
中心距：
代入數(shù)據(jù)得：， 取標(biāo)準(zhǔn)值
蝸桿頭數(shù)：， 取
蝸輪齒數(shù)：， 取
模數(shù)： ， 取
蝸桿分度圓直徑：， 取標(biāo)準(zhǔn)值
蝸輪分度圓直徑：
蝸桿導(dǎo)程角：
蝸輪寬度： ， 取
蝸桿圓周速度：
蝸桿尺寸：齒頂圓直徑
齒根圓直徑
蝸桿螺紋長度 ， 取
蝸輪尺寸：齒頂圓直徑
齒根圓直徑
3.3.3 強(qiáng)度校核
（1）齒面接觸疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算
許用接觸應(yīng)力：
最大接觸應(yīng)力：
滿足條件
（2）輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算
齒根彎曲疲勞極限
彎曲疲勞最小安全系數(shù)
許用彎曲疲勞應(yīng)力
輪齒最大彎曲應(yīng)力 滿足條件。
3.3.4蝸輪蝸桿傳動(dòng)中的作用力分析
在蝸桿傳動(dòng)中作用在齒面上的法向壓力仍可分解為圓周力、徑向力和軸向力。顯然，作用于蝸桿上的軸向力等于蝸輪上的圓周力，蝸桿上的圓周力等于蝸輪上的軸向力；蝸桿上的徑向力則等于蝸輪上的徑向力。這些對應(yīng)的力的數(shù)值相等，方向彼此相反。如圖3-5所示。
圖3-5蝸輪蝸桿受力圖
蝸輪上作用力
3.3.5實(shí)際傳動(dòng)動(dòng)力參數(shù)
由于蝸輪蝸桿各基本尺寸需圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，傳動(dòng)比最終確定為且蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率與估計(jì)值略有差別，因此，實(shí)際傳動(dòng)、動(dòng)力參數(shù)如下：
（1）各軸實(shí)際轉(zhuǎn)矩：
螺母：N·mm
蝸輪：=54059/0.98=55162 N·mm
蝸桿： N·mm
電機(jī)軸： N·mm
（2）各軸實(shí)際轉(zhuǎn)速
蝸桿：r/min
蝸輪： r/min
螺母： r/min
螺桿：m/min
（3）電機(jī)實(shí)際功率
KW
F，滿足條件，因此下端軸承選用51111型。
上端軸承受力比較小，因此只需考慮安裝問題，結(jié)合自制螺母的直徑，選用51108型平面推力軸承。
（2）蝸桿軸承的選擇
根據(jù)蝸桿的受力圖可知，蝸桿牙部分除受徑向力外還受軸向力的作用，因此選用軸承時(shí)考慮優(yōu)先選用能同時(shí)承受徑向力和軸向力的圓錐滾子軸承，型號：30205。
4.1.3軸承校驗(yàn)
（1）計(jì)算圓錐滾子軸承壽命
圖4-1 蝸桿及軸承受力分析
已求得：蝸桿所受徑向力,軸向力.
查手冊30205軸承主要性能參數(shù)：Cr=32.2KN，=37KN，=7000r/min，e=0.37，Y=1.6，=0.9，a=12.5°
所以，附加軸向力；
因?yàn)?，所以，右端軸承被壓緊，則：
軸承軸向力,
，取=1，=0；
，取=0.4，=0.4cot12.5°=1.8
考慮平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，沖擊載荷系數(shù)=1,
當(dāng)量動(dòng)載荷
因?yàn)镻1T1（54059）
（2）螺桿與聯(lián)軸器處鍵的選擇
參考輪轂及軸徑，選擇為的鍵，取鍵長L=25mm；
許用轉(zhuǎn)矩
= >T3(4352) 合格
4.3聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)與計(jì)算
聯(lián)軸器是用于連接不同機(jī)構(gòu)中兩軸，使他們在傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力過程中一起回轉(zhuǎn)而不脫開。聯(lián)軸器主要有機(jī)械式，液力式和電磁式三種。機(jī)械式連軸器是應(yīng)用最廣泛的連軸器，它借助于機(jī)械構(gòu)件相互間的機(jī)械作用力來傳遞轉(zhuǎn)矩。液力式好電磁式是借助于液力和電磁力來傳遞轉(zhuǎn)矩。
聯(lián)軸器廣泛用于船舶，機(jī)車，汽車，冶金礦山，石油化工，其重運(yùn)輸，紡織，輕工，農(nóng)業(yè)機(jī)械，印刷機(jī)械和泵，風(fēng)機(jī)，機(jī)床等各類機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)中。
聯(lián)軸器的種類很多，按其性能分為：
（1） 剛性聯(lián)軸器
1）套筒聯(lián)軸器
2）凸緣聯(lián)軸器
3）夾殼聯(lián)軸器
4）緊箍咒夾殼聯(lián)軸器
（2）撓性聯(lián)軸器
1）無彈性元件撓性聯(lián)軸器
2）非金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器
3）金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器
聯(lián)軸器選擇應(yīng)考慮的問題：
在深知所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的工況及技術(shù)要求的情況下，選擇聯(lián)軸器應(yīng)考慮以下問題：
（1）所需傳遞轉(zhuǎn)矩大小、載荷性質(zhì)及產(chǎn)品對緩沖和減振方面的要求；
（2）軸的轉(zhuǎn)速高低和引起的離心力大??；
（3）兩軸對位移大?。◤较蛭灰?、軸向位移、角位移）；
（4）聯(lián)軸器的制造、安裝、維修、成本。
在本設(shè)計(jì)中，選擇聯(lián)軸器的基本決定因素是聯(lián)軸器所受扭矩的大小。（也即電機(jī)軸的扭矩）
求得，電機(jī)軸的扭矩
由于聯(lián)軸器已標(biāo)準(zhǔn)化，只需根據(jù)其所受最大扭矩及軸徑大小選擇聯(lián)軸器，因此，綜合考慮，選擇YL1型凸緣聯(lián)軸器，其基本參數(shù)見表4-2。
表4-2YL1型凸緣聯(lián)軸器基本參數(shù)
公稱扭矩Tn
許用轉(zhuǎn)速n
r/min
軸孔直徑
mm
L
mm
D
mm
D1
mm
螺栓
L0
mm
重量
kg
數(shù)
直徑
10
8100
19
30
71
53
3
M6
64
0.94
圖4-2YL1型凸緣聯(lián)軸器
5 控制電路及過載保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
5.1 過載及最大行程保護(hù)元件
5.1.1 熱繼電器
熱繼電器是一種電氣保護(hù)元件。它是利用電流的熱效應(yīng)來推動(dòng)動(dòng)作機(jī)構(gòu)使觸頭閉合或斷開的保護(hù)電器，主要用于電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)、斷相保護(hù)、電流不平衡保護(hù)以及其他電氣設(shè)備發(fā)熱狀態(tài)時(shí)的控制。
熱繼電器是用于電動(dòng)機(jī)或其它電氣設(shè)備、電氣線路的過載保護(hù)的保護(hù)電器。
電動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，如拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行工作過程中，若機(jī)械出現(xiàn)不正常的情況或電路異常使電動(dòng)機(jī)遇到過載，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降、繞組中的電流將增大，使電動(dòng)機(jī)的繞組溫度升高。若過載電流不大且過載的時(shí)間較短，電動(dòng)機(jī)繞組不超過允許溫升，這種過載是允許的。但若過載時(shí)間長，過載電流大，電動(dòng)機(jī)繞組的溫升就會(huì)超過允許值，使電動(dòng)機(jī)繞組老化，縮短電動(dòng)機(jī)的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)闺妱?dòng)機(jī)繞組燒毀。所以，這種過載是電動(dòng)機(jī)不能承受的。熱繼電器就是利用電流的熱效應(yīng)原理，在出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)不能承受的過載時(shí)切斷電動(dòng)機(jī)電路，為電動(dòng)機(jī)提供過載保護(hù)的保護(hù)電器。
使用熱繼電器對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過載保護(hù)時(shí)，將熱元件與電動(dòng)機(jī)的定子繞組串聯(lián)，將熱繼電器的常閉觸頭串聯(lián)在交流接觸器的電磁線圈的控制電路中，并調(diào)節(jié)整定電流調(diào)節(jié)旋鈕，使人字形撥桿與推桿相距一適當(dāng)距離。當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，通過熱元件的電流即為電動(dòng)機(jī)的額定電流，熱元件發(fā)熱，雙金屬片受熱后彎曲，使推桿剛好與人字形撥桿接觸，而又不能推動(dòng)人字形撥桿。常閉觸頭處于閉合狀態(tài)，交流接觸器保持吸合，電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。
若電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)過載情況，繞組中電流增大，通過熱繼電器元件中的電流增大使雙金屬片溫度升得更高，彎曲程度加大，推動(dòng)人字形撥桿，人字形撥桿推動(dòng)常閉觸頭，使觸頭斷開而斷開交流接觸器線圈電路，使接觸器釋放、切斷電動(dòng)機(jī)的電源，電動(dòng)機(jī)停車而得到保護(hù)。 可見，熱繼電器通常是直接斷開接觸器的控制回路來斷開主回路的。
熱繼電器的工作原理如圖5-1
圖5-1 熱繼電器原理圖
由電阻絲做成的熱元件，其電阻值較小，工作時(shí)將它串接在電動(dòng)機(jī)的主電路中，電阻絲所圍繞的雙金屬片是由兩片線膨脹系數(shù)不同的金屬片壓合而成，左端與外殼固定。當(dāng)熱元件中通過的電流超過其額定值而過熱時(shí)，由于雙金屬片的上面一層熱膨脹系數(shù)小，而下面的大，使雙金屬片受熱后向上彎曲，導(dǎo)致扣板脫扣，扣板在彈簧的拉力下將常閉觸點(diǎn)斷開。觸點(diǎn)是串接在電動(dòng)機(jī)的控制電路中的，使得控制電路中的接觸器的動(dòng)作線圈斷電，從而切斷電動(dòng)機(jī)的主電路。
（1）熱繼電器的基本結(jié)構(gòu)
包括加熱元件、主雙金屬片、動(dòng)作機(jī)構(gòu)和觸頭系統(tǒng)以及溫度補(bǔ)償元件。
（2）熱繼電器的種類
熱繼電器的種類很多，常用的有JR0、JR16、JR16B、JRS和T系列。
（3）熱繼電器的型號及含義
以JR系列熱繼電器為例，型號含義如圖5-2：
圖5-2 熱繼電器型號含義
5.1.2 行程開關(guān)
行程行程開關(guān)又稱限位開關(guān)，用于控制機(jī)械設(shè)備的行程及限位保護(hù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，將行程開關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時(shí)，行程開關(guān)的觸點(diǎn)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電路的切換。因此，行程開關(guān)是一種根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似。行程開關(guān)廣泛用于各類機(jī)床和起重機(jī)械，用以控制其行程、進(jìn)行終端限位保護(hù)。在電梯的控制電路中，還利用行程開關(guān)來控制開關(guān)轎門的速度、自動(dòng)開關(guān)門的限位，轎廂的上、下限位保護(hù)。
行程開關(guān)按其結(jié)構(gòu)可分為直動(dòng)式、滾輪式、微動(dòng)式和組合式。
（1）直動(dòng)式行程開關(guān) 其結(jié)構(gòu)原理如圖5-3所示，其動(dòng)作原理與按鈕開關(guān)相同，但其觸點(diǎn)的分合速度取決于生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)行速度，不宜用于速度低于0.4m／min的場所。
圖5-3? 直動(dòng)式行程開關(guān)
1-推桿? 2-彈簧? 3-動(dòng)斷觸點(diǎn)? 4-動(dòng)合觸點(diǎn)
（2）滾輪式行程開關(guān) 其結(jié)構(gòu)原理如圖5-4所示，當(dāng)被控機(jī)械上的撞塊撞擊帶有滾輪的撞桿時(shí)，撞桿轉(zhuǎn)向右邊，帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，頂下推桿，使微動(dòng)開關(guān)中的觸點(diǎn)迅速動(dòng)作。當(dāng)運(yùn)動(dòng)機(jī)械返回時(shí)，在復(fù)位彈簧的作用下，各部分動(dòng)作部件復(fù)位。
圖5-4滾輪式行程開關(guān)
1-滾輪 2-上轉(zhuǎn)臂3、5、11-彈簧 4-套架 6-滑輪 7-壓板 8、9-觸點(diǎn) 10-橫板
滾輪式行程開關(guān)又分為單滾輪自動(dòng)復(fù)位和雙滾輪(羊角式)非自動(dòng)復(fù)位式，雙滾輪行移開關(guān)具有兩個(gè)穩(wěn)態(tài)位置，有“記憶”作用，在某些情況下可以簡化線路。
（3）微動(dòng)開關(guān)式行程開關(guān)??常用的有LXW-11系列產(chǎn)品
本設(shè)計(jì)為方便控制螺桿做線性運(yùn)動(dòng)，采用上海人民電器開關(guān)廠有限公司生產(chǎn)的直動(dòng)式行程開關(guān)，其基本尺寸如圖5-5所示：
圖5-5 直動(dòng)式行程開關(guān)
5.2電器控制基本電路設(shè)計(jì)
結(jié)合螺旋起重機(jī)控制電路要求隨時(shí)停車以及限制最大起重量以保護(hù)電機(jī)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并繪制其電器控制基本電路圖，如圖5-6所示。其中，QS：三相電源開關(guān)；FU：熔斷器；FR：熱繼電器；KM1、KM2：接觸器；SB：按鈕；SQ：行程開關(guān)；M：電動(dòng)機(jī)。
該電路基本工作原理如下：
按下正向啟動(dòng)按鈕SB2（上升按鈕）時(shí)，接觸器KM2得電吸合，其常開主觸點(diǎn)將電動(dòng)機(jī)定子繞組接通電源，相序?yàn)閁、V、W，電動(dòng)機(jī)正向啟動(dòng)運(yùn)行。
按下停止按鈕SB1時(shí)，KM2失電釋放，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。
按下反向啟動(dòng)按鈕SB3（下降按鈕）時(shí)，KM3線圈得電主觸點(diǎn)吸合，其常開觸點(diǎn)將相序?yàn)閃、V、U的電源接至電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)反向啟動(dòng)運(yùn)行。
再按下停止按鈕SB1，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。
SQ為行程開關(guān)，控制重物的最大抬升高度。當(dāng)重物上升至最大高度時(shí)，SQ動(dòng)作，其常閉觸點(diǎn)斷開，使接觸器KM2失電，整個(gè)電路停電，此時(shí)只需長按反向啟動(dòng)按狃（下降按鈕）SB3，即可下降。至合適位置時(shí)按下停止按鈕SB1。當(dāng)螺桿下降至最小高度時(shí)，SQ動(dòng)作，其常閉觸點(diǎn)斷開，使接觸器KM3失電，整個(gè)電路停電，此時(shí)只需長按正向啟動(dòng)按狃（上升按鈕）SB2，即可上升。至合適位置時(shí)按下停止按鈕SB1。
圖5-6 電器控制圖
6 系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化
由本設(shè)計(jì)可以看出，它只適用于人工啟動(dòng)，手動(dòng)控制。為適應(yīng)生產(chǎn)自動(dòng)流水線作業(yè)，使本產(chǎn)品的使用范圍更加廣泛，市場前景更加廣闊，本設(shè)計(jì)的二次開發(fā)及優(yōu)化中可增設(shè)電阻應(yīng)變片式壓力傳感器，其基本動(dòng)作原理是：托盤上有重物時(shí)，壓力傳感器變化信號，使電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)重物上升，上升到指定位置（該指定位置由位置傳感器控制），重物被取走后，壓力傳感器信號復(fù)原，使電機(jī)反轉(zhuǎn)，到指定位置停轉(zhuǎn)。如此反復(fù)。在這個(gè)過程中，電阻應(yīng)變片式壓力傳感器充當(dāng)?shù)淖饔檬菈毫﹂_關(guān)，光電式位置傳感器充當(dāng)?shù)淖饔檬枪怆婇_關(guān)，它們隨著壓力的有無和螺桿位置的變化指導(dǎo)著電機(jī)的正轉(zhuǎn)，停止以及反轉(zhuǎn)。因此，必須了解壓力傳感器及位置傳感器的原理及種類。
6.1力學(xué)傳感器
力學(xué)傳感器是將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號的器件，力學(xué)量可分為幾何學(xué)量、運(yùn)動(dòng)學(xué)量及力學(xué)量三部分，其中幾何學(xué)量指的是位移、形變、尺寸等，運(yùn)動(dòng)學(xué)量是指幾何學(xué)量的時(shí)間函數(shù)，如速度、加速度等。力學(xué)量包括質(zhì)量、力、力矩、壓力、應(yīng)力等。壓電式壓力傳感器 、壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器 、壓阻式壓力傳感器 、變面積式電容壓力傳感器 、差動(dòng)變極距式電容壓力傳感器 、應(yīng)變式壓力傳感器 、應(yīng)變片式轉(zhuǎn)矩傳感器 、振筒式諧振壓力傳感器 、振膜式諧振壓力傳感器 、電阻應(yīng)變式稱重傳感器。
力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價(jià)格和較高的精度以及較好的線性特性。
6.1.1電阻應(yīng)變片力傳感器
某些固體材料受到外力的作用后，除了產(chǎn)生變形，其電阻率也要發(fā)生變化，這種由于應(yīng)力的作用而使材料電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為“壓阻效應(yīng)”。利用壓阻效應(yīng)制成的傳感器稱為壓阻式傳感器。根據(jù)制作材料的不同，應(yīng)變元件可以分為兩大類。一種是利用半導(dǎo)體材料的體電阻做成粘貼式應(yīng)變片，稱為半導(dǎo)體應(yīng)變片，用此應(yīng)變片制成的傳感器稱為半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器，另一種是在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻，以此擴(kuò)散電阻的傳感器稱為擴(kuò)散型壓阻傳感器。
（1）半導(dǎo)體應(yīng)變片式傳感器
半導(dǎo)體應(yīng)變片應(yīng)變元件的工作原理基于導(dǎo)體和半導(dǎo)體的“應(yīng)變效應(yīng)”，即當(dāng)導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將發(fā)生變化。電阻值的相對變化與應(yīng)變的關(guān)系如式6.1所示：
式（6.1）
式中為材料的應(yīng)變；K為材料的電阻應(yīng)變系數(shù)，即單位應(yīng)變引起的電阻相對變化量。金屬材料的K值約為2～6，半導(dǎo)體材料的K值可達(dá)60～180。
金屬電阻應(yīng)變片主要有絲式應(yīng)變片和箔式應(yīng)變片兩種結(jié)構(gòu)。如圖6-1所示。
圖6-1 電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)
絲式應(yīng)變片由金屬絲柵(亦稱敏感柵)、基底、引線、保護(hù)膜等組成。敏感柵一般采用直徑0.015～0.05mm的金屬絲，用粘合劑固定在厚0.02～0.04mm的紙或膠膜基底上。引線是由直徑0.1～0.2mm低阻鍍錫銅線制成，用于將敏感柵與測量電路相連。
箔式應(yīng)變片的敏感柵是用厚度為0.003～0.0lmm的金屬箔經(jīng)光刻、腐蝕等工藝制成的。優(yōu)點(diǎn)是表面積與截面積之比大，散熱條件好，能承受較大電流和較高電壓，因而輸出靈敏度高，并可制成各種需要的形狀，便于大批量生產(chǎn)。由于上述優(yōu)點(diǎn)，它已逐漸取代絲式應(yīng)變片。
應(yīng)變片與彈性元件的裝配可以采用粘貼式或非粘貼式，在彈性元件受壓變形的同時(shí)應(yīng)變片亦發(fā)生應(yīng)變，其電阻值將有相應(yīng)的改變。粘貼式應(yīng)變壓力計(jì)可采用1、2或4個(gè)特性相同的應(yīng)變元件，粘