无极调速缓降器设计说明书.docx
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无极调速缓降器设计说明书
无极调速缓降器设计说明书
设计者:
邓雪松邓树雷曾道禄黄光磊闫里博
指导教师:
韦丹科冯志君
目录
作品内容简介………………………………………………………2
研制背景及意义………………………………………………………3
设计方案……………………………………………………………4-8
理论设计计算………………………………………………………9-13
心得体会……………………………………………………………13-14
参考文献………………………………………………………………14
1、作品内容简介
我们组设计了一个电磁无极调速缓降器,本作品是利用人自身的重力为动力,在人下降的过程中通过齿轮传动带动直流发电机,使电能作用于电磁制动器、及直流发电机本身通过制动系统自动建立动态平衡从而使人的下降速度在理想的可调范围内,使用前把该装置安装在阳台、楼顶的墙面上,使用时,人体绑上安全带,系上钢丝绳的一头就可以实现自行逃生,该作品用于高楼逃生、深井救人,且使用简单、方便、安全、智能,不管男女老少都能熟练掌握。
该作品的创新点:
1.制动原理突破了以往仅依靠摩擦来制动的界限,增加了电磁力制动,提高了安全可靠性。
2.通过电路控制,下降过程中可以实现无极调速,在高层建筑使人能以最快的速度逃生,真正意义上达到了智能化、自动化。
3.双向的收绳机构可快速重复使用、效率高。
4.利由发电机本身发的电能进行控制,无需外加电源适用于户外及各种无电源环境下工作。
该作品安装有一个直流发电机、一个电磁制动器、一个控制电路,当人下降时,带动发电机发电,电作用于发电机、电磁制动器,控制电路控制电流的大小,从而控制电机、电磁制动器制动力大小,使人的下降速度自动控制在人可以承受且匀速的值,从而真正达到了自动化、智能化,也真是该作品这个特点使它的适用人群、范围大大的拓宽了。
考虑到该作品的高效性,我们还安装了一个往复收绳机构,使人安全到达地面之后,解开钢丝绳,能通过第二个人下降作用把钢丝绳再次绕上滚筒上。
如果是很高的楼层可以通过无级调速使人下降能先快速再慢速到达地面,使人能最快的时间逃生。
在该作品的结构紧凑,零件安排合理,支撑主轴、齿轮、电机、电磁制动器的支架是由角钢通过焊接而成的,安装在墙上的安装支架是由钢板、螺栓杆、螺母通过焊接而成,需要使用时只要将支架安装支架固定在墙上,然后把支撑支架安装上去即可以使用了。
使用时在不高于10层楼高时,建议使用最慢速度,就是把无级调开关速关掉。
在高层使用时使用无级调速功能,首先打开开关,人下降时还在上面的人用手旋动调速旋钮同时看着下降的人,当人快到一楼时旋回最慢速。
2、研制背景及意义
2008年11月14日6时10分许,上海商学院宿舍区发生火灾,四名大学生慌不择路从6楼跳下当场身亡。
如果有了“火灾自救逃生装置”则悲剧可避免;如果“火灾自救逃生装置”成为建筑物的必备装备,则类似悲剧不会发生。
而随着中国经济发展、社会进步,人的居住、办公、学习环境都向高楼发展,且人员密集程度高,一旦发生火灾等事故就会给救援、逃生造成了极大的困难,这是人的自救逃生就显得极其重要,而该作品正事针对这一现象而设计的首先,它结构紧凑、安装方便、操作简单,使用者无须经过专业的培训就可以使用,适用人群广泛,其次它是高度自动化、智能化的一款作品,下降过程中可通过负反馈实现动态平衡,达到速度恒定且人体可承受,发生事故时,场面混乱、情况紧急、这样操作简单、自动化程度高的装置真好可以避免人因紧张产生操作失误的情况,使人达到自救,使伤亡率降到最低,也正因为它有如此突出的自身特点,符合市场要求,因此具有良好的市场前景。
3.设计方案
传动方案选择、制动机构、电路控制、重复缓降实现机构
(1)传动方案选择:
主要有三种传动方案,链传动、带传动、齿轮传动。
我们这里的传动要求是运转时能保持恒定的瞬时转速比、载荷大、效率高、工作可靠、机构紧凑、中间还要有一个惰轮来增加制动效果;然而链传动只能实现平行轴间链轮的同向传动、传动比不恒定、不宜载荷大高速场合,带传动虽然符合其中的一些特点,可是也不能全部符合,只有齿轮能满足这里的传动要求,综上所述最后选择了齿轮传动。
如下图:
(2)制动机构:
该机构主要由电磁制动器(通电流会提供扭矩给与它连接的轴)、直流发电机组成;这部分机构采用的制动方式与以往的其他机械不同,其主要是通过人在下降过程中,由系在人身上钢丝绳带动饶有钢丝绳的滚筒,滚筒上的中心轴的一端的齿轮通过连接在电磁制动器轴的一端的齿轮之间啮合传动,制动器上的齿轮又与电机轴上的齿轮啮合带动电机轴作转动;这时电机作为发电机产生感应电动势,通过外控制电路和电磁制动器就形成了一个以直流电机为电源,外控制电路加电磁制动器的负反馈回路。
当调定电流控制器的参数时人下降的速度快,就会带动滚筒转速加快,同样通过齿轮转动的电机轴转速也会加快,电机提供的电压就会越高,流入电磁制动器的电流也会变大,电磁制动器提供的扭矩也会增大,且根据“愣次定律”电机本身也会提供一定的扭矩来阻止人的下降速度,这样人的下降速度、电磁制动器扭矩、电机扭矩三者就会通过电流的大小达到一个动态平衡使人的下降速度保持在一个恒定的速度。
这采用的制动方式不是直接产生摩擦力,而是中间产生电流,在通过电流产生扭矩来改变人的下降速度,这也使人的下降速度可以用电子元件来实现自动化控制,和下降过程中的实现无级调速。
(3)电路控制
直流电机的调速方案一般有下列3种方式:
1、改变电枢电压;2、改变激磁绕组电压;3、改变电枢回路电阻。
在我们的产品中,人下降提供的拉力一定,一方面可以通过调节发电机的回路电阻改变回路电流使发电机转子有有一与驱动力相反的力,另一方面也可以调节通过电磁制动器的电流给驱动力一个阻力,这两者都能提供制动力,当系统调定时人的重力与上述两个力加上机构的摩擦力就可以建立一个动态平衡从而人匀速下降。
通过实验我们发现改变电磁制动器的电流的制动效果比单纯改变发电机回路电流的制动效果好得多,考虑到双重制动保险和更容易控制,发电机(24V200W)出来先接一个大功率电阻再接电流控制器;考虑到直流电机的正方转在,在条电流前应该先整流滤波。
如下图:
把电车控制器的欠压保护和过流保护去掉就改装成我们需要的电流控制器。
这款有刷控制器采用了故障率非常低的通用元件,是非专用PWM芯片有刷控制器的典型代表。
一般脉宽调功率开关管的占空比(也叫导通比)大,电机转速就高,反之,导通比小,电机转速就低。
决定功率开关管导通比的就是脉宽调制器(PWM),是电压比较器的一种,它的一个输入是速度转把的速度电压信号,另一个是基准电压,基准电压是一个幅度不变的锯齿波(三角波),这些就是最基本的调速电路组成。
生产厂家一般还扩充一些电路,这些电路有的是增加了部分功能,有的则是完善了某些性能。
该控制器以PWM为中心,前面有三角波发生器、电瓶欠压检测、电机过电流检测,后面有驱动、功率开关等。
每部分都是独立的,检查调试都比较方便。
三角波发生器由IC1A、R8,R9,R14,R15,R16,C8、D6、组成施密特振荡器,C8上产生三角波。
脉宽调制器是IC1B,它的输入之一6脚来自C8上的三角波;输入之二7脚是来自速度转把的速度信号。
1脚输出调宽脉冲,送互被推挽放大器。
互补推挽驱动由Q1,Q2组成,脉冲高电平到来,上管NPN管Q1导通,12V加到功率管T1的栅极,T1导通;脉冲低电平到来,Q1截止,下管PNP管Q2导通,将T1栅极的电荷迅速放掉,T1截止。
电池欠压保护由IC2C组成电压比较器,当电瓶电压低于31.5V时,它的14脚变为低电位,把82K的电阻改成100于是14脚保持高电位通过把PWM和驱动,最终使VDMOS不会截止。
如下图:
(4)重复缓降实现机构:
该机构主要有滚筒(已用三个挡环分为左右两个部分,右部分钢丝绳沿顺时针绕时,左部分做沿逆时针绕),滚筒中间的环用来隔开左右部分钢丝绳,使其两部分互不干扰的简单机构,当第一个人下降时,把沿顺时针绕的钢丝绳即在右边的系在身上,人下降就拖动滚筒做沿逆时针转,左边的钢丝绳绕上滚筒,第二个人即可用左边的钢丝绳头系在身上进行缓降,第二个人下降完后右边的滚筒又把第一个人下降时绕出的钢丝绳绕回到滚筒上,以供第三个人来使用,如此反复以实现人的重复缓降。
4.理论设计计算
(1)、机械部分:
机构运动简图
轴的弯扭图
原始数据及计算
计算结果
F
=1000NV=2m/sd筒=78mm
[
-1]=60
Fa+Fb=F
Fb*240-F*110=0
V=
T轴=
Me=
d
d实=1.04*d
=489.95r/min
T轴=38983.57n.mm
Fa=541.67N
Fb=458.33N
Me=71203.48N.mm
d=20.16
d实=20.96
(2)、电控部分:
P电机=200WN额定=1000r/minU电机=24VP
=30W
=30N*mU制动器=24Vi传动比=3R=6欧姆
V人=N*(d筒/2)*(d筒/2)*∏/(i*60)
F=F
*i*d筒+F电机+F摩擦
根据电磁感应定律,直流发电机的转速跟输出电压是正比的关系。
而电磁制动器的刹车性能如下图:
电机的转速和扭矩的关系图:
由以上的图对比可知调节电流控制器可以打破原来的动态平衡而建立新的动态平衡;由实验可知人的下降速度在2米每秒以下且是可调。
4.心得体会
在这里首先要感谢给我们组以指导的高中庸、韦丹科、冯志君老师,学校、系的领导为我们提供设备,实训中心热忱为我们提供服务的师傅们,还有在设计过程中帮我们解决问题的同班的同学。
创新设计结束了,这是一次能很好让我们把平时所学的知识来一次集体考试了设计。
很高兴我们组能按时按计划完成这一次设计。
我们通过这次课程设计我们能把平时学到的知识再进一步进行了巩固,也学到了很多平时在课堂学不到的知识,首先我们知道了在一个组中大家的一起协作才是最重要的,要很好的发挥每一组员的特长,必须分工明确,在大家通过做这一个设计都能学到东西能力能得到提高;其次也让我们知道了做设计的工作流程,让我们提前接触,了解其中会出现的问题,并通过自己与组员之间的讨论解决确定最优的方案,提高我们自己发现、分析、解决问题的能力,为以后我们出去工作打好基础;在其间也暴露了我们很多问题,比如在设计过程中缺少耐心、毅力,有时遇到困难只能寄望于老师,太过依赖老师不能坚持自己完成,没有能很好的运用现有的资料,使得设计显得无理可依,没能把全部的方面都考虑进去往往出现顾此失彼的尴尬境地,最好不停的修改图幅给自己造成了很多麻烦,装配阶段由于当初的设计没有综合考虑到一些问题,使得我们在装配过程中遇到了很多困难,浪费了很多宝贵的时间给后面的调试造成了一定的阻碍,这个以后必须的注意。
6.参考资料:
【1】《机械设计》璞良贵高等教育出版社
【2】《机械设计新标准应用手册》杨永才北进科学技术出版社
【3】《电工学》秦曾煌高等教育出版社
【4】《材料力学Ⅰ》刘鸿文高等教育出版社
【5】《画法几何及机械制图》毛昕高等教育出版社
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