三翼自动旋转门设计

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2.1国内外研究现状、水平和发展趋势：自1903年宝盾公司在荷兰生产出第一座旋转门，旋转门至今已有一百年的历史，发展到今天，旋转门已具有可靠的安全系统和先进的驱动技术，其智能化高格调的设计为现代化楼宇建筑的确入口提供了完美的选择。而利用各种控制器、信号控制，实现单扇或多扇沿竖轴自动转动和自动停止的门就叫自动旋转门。 由于国外自动旋转门发展较早，其技术也较为成熟。传动系统技术具有节能、低噪声、传动平稳、寿命长、性能可靠等优点；控制系统采用数字化设计的系统作为控制中枢，有功能更强大，操作更简便等优点；检测安全系统采用先进的红外与微波感应技术，用于感知物体的移动，操纵门体的动行，使用各种安全检测传感器，实现防挤、防夹和防撞功能。与此同时某些厂家生产的自动旋转门还具有远程控制和液晶显示。利用当前先进的通信和网络技术，使自动门的维护不再受时间、地域和专业维护技术的限制，制造商可通过 internet 与设备进行实时交流，校正偏差，让自动门达到最佳运行状态。当出现异常时，可准确传回故障信息，实现远程维护，缩短维护、保养时间；采用液晶显示屏，进行可视化设计，全面显示门体转速、状态和故障等信息。 2.2我国旋转门技术的发展：我国的全自动旋转门技术来源于荷兰、瑞典、 日本等国。90年代后期旋转门开始在我国建筑领域中得到迅速推广和广泛的使用。  国内旋转门生产专业厂家主要有：北京有凯必盛、宝盾、青木宝盾、信步、欧立宝盾、京跃等。外省市有上海康育、广州盛维、青岛福田等。 现代城市建筑物装饰装修中，将高科技应用到建筑物的外观形象上，使城市建筑的入口体现出智能化。对门的选择由单一的功用型向个性化、品位化发展，旋转门以其全新的概念，宽敞开放的门面和高格调的设计，自然成为当代的建筑装饰的主流，无可质疑的必选设施。堪称建筑物的点睛之笔。因此，自动旋转门的发展趋势主要有：新颖独特的总体设计，高度的安全可靠性设计，多种运转使用方式设计，故障即时显示功能设计，楼宇消防智能化控制设计，停电使用功能设计，大通行能力设计，精巧灵敏的遥控控制系统设计，先进的驱动控制系统设计。 3自动旋转门的特点: 作为自动门中的顶级产品，旋转门给人以亲切大方的感觉，同时营造出奢华的气氛，其宽敞的开放门面和高格调的设计，堪称建筑物的点睛之笔。其全新的概念，无可动摇地立足于建筑时代大潮的最前端。但其高造价也不是一般人能接受的。 自动旋转门是楼宇设备中的光机电一体化技术产品，它给人以亲切大方的感觉，同时营造出奢华的气氛，其全新的概念，宽敞的开放门面和高格调的设计，堪称建筑物的点睛之笔，立足于建筑时代大潮的最前端。自动旋转门的最大优点在于它"永远开门，又永远关门"，即对于人员来说，门总可以打开，可对于建筑物来说门又总是关着。因此，自动旋转门在保安功能方面具有独到的发展，但在人员流量方面自动旋转门却没有优势，因为门的转速是固定的，每个门翼之间可容纳的人员也是有限的。每种自动旋转门都有标定的人员流量数值。 自动旋转门由于其永远开启的同时又永远关闭的特点，使其动态密封效果在经常使用的条件下相对于其它两种自动门要好。由于自动旋转门的人流量有限，在大型公共场合还是选择其它两种自动门，毕竞自动旋转门的成本较高。通常在自动旋转门两侧另设自动或手动平开门，一方面增加通行能力，另一方面当自动旋转门出现故障时，不影响人的通过。但是在静态密封效果方面，自动旋转门远不如其它自动门，因为其门体运动方式决定着只能使用毛条密封。 三翼自动旋转门能起到防风，阻挡灰尘、噪音和废气的进入，适用于客流量较大的场所，如宾馆、银行及政府办公机构等。两翼旋转门是集自动旋转门和自动平滑门两者优点于一身的完美组合。根据不同的季节、场合而选择旋转门或平滑门的工作方式，特别适用于客流量很大的场所，如酒店、机场、医院、商厦、娱乐中心等。特点：结构设计新颖：这种设计增强了抗风能力，消除了风口效应，减少了能源损耗，有效的阻挡了灰尘，噪音和废气的进入，充分发挥门的隔离和疏通作用。其展箱具有装饰和展示功能。多重安全保护措施：安装了多部非接触式传感器及独特的安全开关，确保通行者的安全。大门可与火警系统相连，在断电和意外情况下，紧急事故处理单元自动将门旋转至安全疏散位置，同时中间平滑门自动打开，形成一个宽敞的疏散(紧急)通道价格较低又有很好的装饰效果。特点：框架结构-铝合金骨架：门体采用铝合金框架组装、可拆式结构，分成几个独立的部分，易于安装，运输方便。驱动部分由马达和齿轮箱减速机构组成，安装在门中心顶部的保护罩内，维护工作经济方便。门的进出口和旋转部分都装有传感器，高灵敏度的系统保证了大门能即时开启以及对速度的调整，保证了通过者最大程度的行走安全。 4 我设计的自动门的优点 一般的自动旋转门当有残疾人时候必须按变速按钮才能实现速度和时间的变化，并且没有考虑到老人和孩子的速度控制。而我设计的自动的优点在于不用按残疾人按钮都能够实现旋转门的变速控制，这就大大提高了旋转的自动化程度，也方便了残疾人的出行。 5选择自动旋转门的理由: 对门的选择由单一的功用型向个性化、品位化发展，旋转门以其全新的概念，宽敞开放的门面和高格调的设计，自然成为当代的建筑装饰的主流，无可质疑的必选设施,自动旋转门改变了传统门那种手动开关门的状态,以其智能化程度,安全性能,卫生角度给人一种清新的观念.选择自动旋转门越来越受到人们的青睐. 参 考 文 献 [1] 赵负图主编.传感器集成电路手册.化学工业出版社，2002 [2] 成大先．《机械设计手册》单行本，机械传动．化学工业出版社，2004年1月第一版． [3] 房海容，利建勇主编.现代机械工程综合实践教程.机械工业出版社，2005 [4] 郑凤翼，郑丹丹，赵春江主编．PLC控制系统.人民邮电出版社，2006 攀枝花学院本科毕业设计(论文) 1 绪论 1 绪论 1.1旋转门的课题背景 自动旋转门是楼宇设备中的光机电一体化技术产品，它给人以亲切大方的感觉，同时营造出奢华的气氛，其全新的概念，宽敞的开放门面和高格调的设计，堪称建筑物的点睛之笔，立足于建筑时代大潮的最前端。大厦在需要持续不断的人流出入的同时，又要保持建筑物内良好的空气循环及环境的优美，这是建筑师所遇到的一大难题，而旋转门为大厦提供了理想的解决方案，它可有效地防风、防尘和隔音，从而改善了大厦入口附近的环境。旋转门的最大优点在于它"永远开门，又永远关门"，即对于行人来说，门总可以打开，可对于建筑物来说门又总是关着。自动旋转门由于其永远开启的同时又永远关闭的特点，使其动态密封效果较好。因此，自动旋转门在功能方面具有独特的发展。 自动旋转门的最大优点在于它“永远开门，又永远关门”，即对于人员来说，门总可以打开，可对于建筑物来说门又总是关着。因此，自动旋转门在保安功能方面具有独到的发展，但在人员流量方面自动旋转门却没有优势，因为门的转速是固定的，每个门翼之间可容纳的人员也是有限的。每种自动旋转门都有标定的人员流量数值。自动旋转门由于其永远开启的同时又永远关闭的特点，使其动态密封效果在经常使用的条件下相对于其他自动门要好。由于自动旋转门的人流量有限，通常在自动旋转门两侧另设自动或手动平开门，一方面增加通行能力，另一方面当自动旋转门出现故障时，不影响人的通过。但在静态密封效果方面，自动旋转门远不如其他自动门，因为其门体运动方式决定着只能使用毛条密封。 1.2国内外旋转门发展现状 1.2.1国外旋转门发展现状 自1903年宝盾公司在荷兰生产出第一座旋转门，旋转门至今已有一百年的历史，发展到今天，旋转门已具有可靠的安全系统和先进的驱动技术，其智能化高格调的设计为现代化楼宇建筑的确入口提供了完美的选择。国外著名厂家有：荷兰的B00N EDAM  瑞典的BESAM  德国的多玛、盖泽  日本的纳博克、寺冈等。 由于国外自动旋转门发展较早，其技术也较为成熟。自动旋转门的传动系统技术具有节能、低噪声、传动平稳、寿命长、性能可靠等优点；控制系统采用数字化设计的系统作为控制中枢，有功能更强大，操作更简便等优点；检测安全系统采用先进的红外与微波感应技术，用于感知物体的移动，操纵门体的动行，使用各种安全检测传感器，实现防挤、防夹和防撞功能。与此同时某些厂家生产的自动旋转门还具有远程控制和液晶显示。利用当前先进的通信和网络技术，使自动门的维护不再受时间、地域和专业维护技术的限制，制造商可通过 internet 与设备进行实时交流，校正偏差，让自动门达到最佳运行状态。当出现异常时，可准确传回故障信息，实现远程维护，缩短维护、保养时间；采用液晶显示屏，进行可视化设计，全面显示门体转速、状态和故障等信息。 1.2.2国内旋转门发展现状 ①我国旋转门技术的发展：我国的全自动旋转门技术来源于荷兰、瑞典、日本等国。90年代后期旋转门开始在我国建筑领域中得到迅速推广和广泛的使用。旋转门的厂家：国内专业厂家：北京有凯必盛、宝盾、青木、智辉、巨方圆、信步等。外省市有上海康育、广州盛维、沈阳金海、青岛帝盟等。 ②旋转门在我国的市场前景：随着我国国民经济持续稳定地增长，2008年北京申奥成功和WTO的加入。从本世纪开始，我国进入了全面建设小康社会的新阶段，创造美好生活环境是装饰业发展的巨大推动力。现代城市建筑物装饰装修中，将高科技应用到建筑物的外观形象上，使城市建筑的入口体现出智能化。对门的选择由单一的功用型向个性化、品位化发展，旋转门以其全新的概念，宽敞开放的门面和高格调的设计，自然成为当代的建筑装饰的主流，无可质疑的必选设施。堪称建筑物的点睛之笔。但是国家对自动门产品质量、安全性、节能性、噪音、施工质量、售后服务还没有统一的标准，所有国内建筑业院校都没有相关的专业或课程，也没有权威的咨询机构，自动门市场的管理尚处于无序状态。随着国内建筑业的发展，这一状况一定会有所改变。 55 攀枝花学院本科毕业设计(论文) 2 方案确定 2 方案的确定 旋转门主要设计是从门体,传动系统,控制系统，检测系统,安全系统等几个方面进行考虑。从上面几个方面具体分析可以设计两种方案。 2.1方案一的设计 ①框架总成： 分为固定部分和旋转部分，均由铝型材框架和玻璃等组成。立柱、曲壁、门扉一般采用高强度铝合金型材，结构简洁，精密牢固。圆周导轨悬挂整个旋转门体及其驱动设计，每扉门三面安装密封毛条与地面天花及曲壁紧密接触，使门扉在任何位置均处于密闭状态;门扉玻璃采用（3+3）夹胶玻璃或6mm厚钢化玻璃，曲壁玻璃一般采用（4+4）夹胶玻璃，安全可靠。 ②传动系统：由二个三相交流电机提供动力，用减速器带动旋转转盘驱动。 ③控制系统：由单片机、变频器、功能开关组成。由可编程控制器PLC、变频器、功能开关组成。 ④检测系统：由红外传感器实现有无人自动检测，自动对电机启停进行操作。 ⑤安全系统：主要有接触和非接触安全感应器。 旋转门入口立柱均装有安全胶条，防止行人夹伤，自动门入口右侧立柱胶条内装有内藏式防夹感应器，如受挤压门扉即马上停止运转。胶条恢复正常，门扉则自动转动;每扇门扉底边胶条内装有内藏式防碰感应器，碰到物体或行人门扉立即停止运转。胶条恢复正常，门扉则自动转动。 2.2方案二的设计   ①框架总成：分为固定部分和旋转部分，均由铝型材框架和玻璃等组成。立柱、曲壁、门扉一般采用高强度铝合金型材，结构简洁，精密牢固。采用中心门轴结构安装和驱动旋转门体设计，每扉门三面安装密封毛条与地面天花及曲壁紧密接触，使门扉在任何位置均处于密闭状态;门扉玻璃采用（3+3）夹胶玻璃或6MM厚钢化玻璃，曲壁玻璃一般采用（4+4）夹胶玻璃，安全可靠。 ②驱动系统：由一个三相交流电机提供动力，用减速器带动中心门轴驱动。 ③控制系统：由可编程控制器PLC、变频器、功能开关组成。 ④检测系统：由红外传感器实现有无人自动检测，自动对电机启停进行操作。 ⑤安全系统：主要有接触和非接触安全感应器。 旋转门入口立柱均装有安全胶条，防止行人夹伤，自动门入口右侧立柱胶条内装有内藏式防夹感应器，如受挤压门扉即马上停止运转。胶条恢复正常，门扉则自动转动;每扇门扉底边胶条内装有内藏式防碰感应器，碰到物体或行人门扉立即停止运转。胶条恢复正常，门扉则自动转动。 2.3方案选择 三翼旋转门采用方案二这种结构，即中心门轴通过轴承机构垂直安装于地面，三个呈发散式固定在中心门轴上，各门扇之间的角度相等。中心门轴的上方安装电动机及其他电气控制部件，再配以感应装置和安全装置，就成为一个完整的自动旋转门。但是，这种旋转门门翼与中心轴的固定方式决定了门扇宽度不能太大，所以这种旋转门的直径最大只有约4m。为了解决这一问题，工程师们将中心门轴设计成了门扇固定在大钢管上面，相对减小了门扇宽度，增加了电机对门中心的旋转作用力矩，使这种旋转门的最大直径扩大到6m。这种结构是稳定性，使用的可靠性很高，使用寿命长。考虑到旋转门在停止时一定耍密封，所以三翼旋转门的每个分隔可以容纳更多的人，可是门的净开口宽度较小。而方案一由于采用两个电机驱动也给驱动系统带来了许多麻烦，同时也不利于节能。在控制系统上，由于单片机的程序设计和接口设计较为繁杂，只利于大批量生产，不适于单件设计。综合两种方案进行比较，可以看出第二种方案在具体设计中更具有实用性，完善性。故选择第二种方案。 攀枝花学院本科毕业设计(论文) 3 门体结构设计 3 门结构的设计 三翼自动旋转门的尺寸可以根据可以确定其尺寸，其具体尺寸如下所示； 表3.1 门体尺寸 门旋转直径 3200mm 门净高 A 2400mm 门总高 B 2710mm 门出入口尺寸 C 1430mm 门外径D 3360mm 单扇门半径DW 1315mm 图3.1 门体结构简图 3.1门结构材料的选用 门体主要包括门体骨架的材料和门体玻璃。 ①根据相关门体标准,可按90系列的推门进行设计。门体骨架采用90系列推拉门专用铝型材，根据中可以确定门体骨架铝型材； 三翼旋转门门扇 左边框 选代号 L090704 右边框 选代号 L090704 上横 选代号 L090706 下横 选代号 L090707 图3.2 L090706型铝型材 图3.3 L090707型铝型材 图3.4 L090704型铝型材 ②门体玻璃的选用 门扉玻璃一般有几种选择，一是防弹玻璃，二是夹胶玻璃，三是钢化玻璃。由于自动旋转门一般用于高级的宾馆，写字楼等高档场所,一般无特殊要求。由于防弹玻璃价格较为昂贵，并且无多大实际用处，而夹胶玻璃它安装的透光性不是较好。因此选择钢化玻璃是最合适的。根据参考其他相关产品的选择情况，可以选6mm的钢化透明玻璃。 3.2门结构尺寸的确定 根据前面的总体设计可知，三翼旋转门的结构尺寸可参照中90系列（尺寸高度为2400mm,一扇门宽度为1315mm）进行设计。 根据以上节点,可以计算单扇门的相关尺寸为： 左边框和右边框的高度为： 式(3.1) =2400-225 =2350mm 式中：为门扇边框高度尺寸，为门净高度。 上横和下横的宽度为： 式(3.2) =1315mm 式中：为门扇宽度。 玻璃的实际高度为： 式(3.3) 式中： 为玻璃外显示尺寸，，玻璃上下门边尺寸。 实际宽度为： 式(3.4) =1315-264212 =1211mm 式中：门扇上边框安装玻璃的宽度，玻璃边框实际尺寸。 3.3中间轴的设计与轴承的选用 ①中间轴的设计 轴的直径为：= 式(3.5) =3200-21315-23-216 =532mm 式中：为门体旋转直径，为门扇边框安装胶条与曲壁之间的间隙，为 扇门边框安装胶条的宽度。 由于轴是用来安装轴承、齿轮、门扇的，并且在轴向受到力不大。所以选用结构用不锈钢焊接钢管。用牌号0Cr18Ni9制造，以热处理状态交货的半径为532mm,壁厚为8mm,定尺长度为3000mm,中间轴在安装轴承的两端要车削1mm，并且达到530mm，尺寸精度为普通级。 ②轴承的选用 为了使轴承能很好的固定，必须使用轴承座。由于要使用两个轴承，则轴承座也要使用两个，上下各一个。对于轴承座，其内径为轴承的外径，其厚度必须满足强度要求。因为轴所计算的直径为532mm,两端车削后直径为530mm，故选用双列圆锥滚子轴承，根据(GB/T-22-1995)选型号为35000型，代号为3519/530。 安装在轴上的轴承主要受轴向力。并且轴承受到的轴向力比较大，故需在门安装地面设计一个凹型台，防止轴的向下滑动和安装时防止其他杂质进入轴衬内。 图3.5 下轴承座 3.4曲壁部分设计 曲壁由4根角钢做为支撑体，每2根构成一边曲壁体。角钢竖在水泥板上，进出口各布置2根，然后顶部又用一圆形角钢将4根角钢固定在一起。形成曲壁的整体框架，然后安装铝合金玻璃壁。曲壁由2块相同的圆弧玻璃组成。 ①材料的选用 曲壁上圆弧梁选用6063专用弧形材。顶部用的角钢弯曲成一个圆弧，由四段构成，便于加工。玻璃的选用8mm弯钢化玻璃。 ②材料尺寸的确定 由于圆的内圆半径为1600mm,门口对应的圆角为 则两边曲壁各对应的圆心角应： 式(3.6) 所以两边曲壁对应的弧长： 式(3.7) 玻璃尺寸的确定 玻璃的弧长： 式(3.8) 玻璃的高度： 式(3.9) 曲壁立柱（）角钢尺寸确定： 由于要保持角钢的稳定性，预埋在地下的角钢尺寸为100mm。则角钢的高度可估算为： 式(3.10) 顶部圆周钢材尺寸的确定： 顶部周钢材的内直径为3200mm,分为两半圆角钢用螺栓固定在立柱角钢上,则圆周角钢内圆弧长为： 式(3.11) 式中：d为旋转门的旋转直径。 则每段内圆弧长： 式(3.12) 3.5华盖的设计 华盖部分是用来安装驱动系统和控制系统的部分，其主要由和型材框架和薄金属版构成一个圆柱形体。其主要安装轴承，电机，控制装置等。 由于华盖要用来安装电机，电机的有一定重量。为了保证电机在工作时不发生振动现象，故选择的钢架结构要求其刚度比较高。故选择热扎钢板。其厚度为2毫米，直径为3360mm的圆形，上下各一张。 ①华盖底部设计 旋转门的外径为3360mm，由于底部要安装轴承，必须在钢板中间打孔。与此同时角钢也要穿过钢板，也必须在钢板上加工槽。 图3.6下华盖尺寸图 ②上华盖的设计 旋转门的外径为3360mm，由于上面的钢板要用来安装电机，故必须在其上面打孔。同时为了保证钢板用足够的强度来支撑电机的重量，则必须在钢板上打钢架。钢架与钢板焊接在一起。由于电机的重量不大，故用一般方钢。其具体尺寸如下图所示： 图3.7 上华盖尺寸图 攀枝花学院本科毕业设计(论文) 4 驱动系统设计 4 驱动系统设计 4.1轴和轴承设计计算 4.1.1轴的尺寸设计 由于轴承还没有缺定出来，但是轴的直径已知。并且旋转轴在径向受力不大主要受到径向力的作用，故可以选择圆锥滚子轴承。根据文献[5]中预选双列圆锥滚子轴承，型号为3519。其宽度为190 mm。又由于齿轮与轴承必须留出一定的距离，一般选择为40mm。其具体尺寸如下图所示： 图4.1 轴的结构图 轴的质量计算：由公式W=0.02491(D-S)S 其中W为钢管的线密度（kg/m）,D为钢管的外径（mm），S为钢管的壁厚（mm）。 M=WL (L为钢管的长度) = 式(4.1) =152.73kg 4.1.2轴承的选择与验算 径向力确定：轴承受到的径向力为减速器输出的转矩除以大齿轮的分度圆半径。其值为Fr= ==850.6N 轴向力的确定：Fa=Mg = =(152.73+449) 10 式(4.2) =3487.3N 设定工作时间为87600小时(10年365天24小时) 由中间轴两端按轴承的地方车削后d=530mm，由文献[5]中表6-2-80预选双列圆锥滚子轴承，型号为3519。其中e=0.41，Y1=1.6，Y2=2.5，Y0=1.6，Cr =2390KN。 当==4.1大于0.41时 当量动载荷 Pr =0.45Fr +YFa =0.45×850.6+2.5×3487.3 式(4.3) =9101.02N 查文献[3]中表10-5得Y=Y2=2.5 查文献[5]中表6-2-8﹀6-2-11得fh=2.0,fn=1.435,fd=1.1,fT=0.9,fm=1 根据式C= (fh ×fd× ×fT) ×Pe =(2×1.1××0.9) ×9101.2 式(4.4) =12557.8N 轴承Cr=2390000N>12557.8N，故合适。 4.2轴的校核 在确定轴承的支点位置时，由文献[5]中查取值。对于双列圆锥滚子轴承，由文献[5]中查得。作简支梁的轴的支承跨距。根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图。 图4.2 中间轴受力图 从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以看出截面C是轴的危险截面。现将计算出轴的受力情况： ①水平面的受力分析 支反力 式(4.5) ②垂直面受力 支反力 式(4.6) ③弯矩的计算 式(4.7) ④扭矩的计算 T=225.4 式(4.8) 按弯扭合成应力校核的轴的强度进行校核时，只需对轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面C）的强度。由文献[3]中公式15—5及上表中的数值，并取，轴的计算应力 = 式(4.9) =4.68MPa 其中W为抗弯、抗扭截面系数，，d1为钢管的内径，d为钢管的外径。 前面已选定轴的材料为0Cr18Ni9，调质处理，由文献[3]中表15—1查得 。因此 ，故安全。 4.3电机的确定 4.3.1确定各扇门的质量 由于转轴中心两端是对称的，以一边门体计算即可。 铝型材密度： 代号为L090704的线密度为0.966 代号为L090706的线密度为0.836 代号为L090707的线密度为1.152 每扇门框的质量： =2.36020.966+1.1350.836+1.1351.152 式(4.10) =8.053kg 式中：，，分别为各铝型材的密度。 单扇门玻璃的质量： = 式(4.11) 式中：为玻璃的体积，为玻璃的密度。 单扇门的质量： 式(4.12) =40.82+8.053 =49kg 式中：为单扇玻璃的质量，单扇门框的质量。 4.3.2各部分转动惯量的计算 假设门扇为均匀的质量体,其在宽度方向的面密度可以用下式计算,其中R为门扇的宽度，L为门扇的长度。 则门扇对中心惯量可用下式计算 式(4.13) 由平行轴定理知，门扇相对于轴的转动惯量为： 式(4.14) =56.6 （其中L1为轴的半径） 4.3.3 惯性力矩的计算 假设门体1s内加速到门体的快速转速，由于旋转门体的最大转速为6r/min，即角速度，由于传感器一般工作在2m范围内检测人是否来临，当人迈进门边时，门体要以正常速度转动，则在这时门体要加速到正常速度。在0.5s内加速到此速度,则角速度，由于电机要带动门体转动，有一个加速过程，有一个加速过程此过程需要克服旋转门体的惯性力矩才能使其转动，根据力矩转动惯量和角速度的关系。则可能算出旋转门体的惯性力矩为： 式(4.15) 4.3.4电机的确定 根据机械设计中电机所需功率按下式计算： 式(4.16) 由电动机至转动轴的传动总效率为： 式(4.17) 式中,,分别为滚子轴承，齿轮，联轴器的传动效率。 取，，，则总的传动效率为： 式(4.18) =0.83 则可以计算出电机的功率 式(4.19) 由于门体还应能承受一定的风阻，以及旋转门体周围无条件与曲壁门体间的摩擦阻力，尽管其产生的力较小，但由于门体直径过大，则会产生较大的阻力矩。同时还有一些其他没有考虑的因素，如齿轮的转动惯量，因此特将计算出的功率放大一些同时门体的转动较底，则电机应适应转速较底的，根据相关的计算结果 可以选以下两种电机。 表4.1 电机参数表 方案 型号 额定功率 (KW) 转矩 (N.m) 同步 满载 转速 转速 r/min) 总传 齿轮传 减速器 动比 动比 1 JCJ71-0.55 0.55 23.5 1500 1440 240 21.8 11 2 JXJ1-35-0.37 0.37 82.0 1500 1440 240 6.9 35 由于电机输出的转速较大，一般在1500r/min，通过减速器难以实现门体转速6r/min，因此在选电机时可以选用带减速器的电机来实现要求。根据相关要求，可以选用一个JXJ系列齿轮减速三相异步电机，JXJ系列异步电机按照TB1T6442-92标准设计制造,广泛用于轻工,纺织，建筑机械行业。JXJ系列异步电动机是直接输出低转速，大转距，且有转速型谱宽，运转平衡，噪声低，高效节能，体积小，重量轻，规格多，选用方便等特点。 由于计算出所需电机功率为0.26KW,加上一些忽略因素，应该选择电机功率在0.26KW上的电动机才行。综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格和齿轮传动，可见方案2比较合适。即选用JXJ1-35-0.75摆线针轮减速器三相异步电机。 表4.2 电机参数表 型号 额定功率 (KW) 转矩 (N.m) 同步 满载转速 转速 r/min) 总传 齿轮传 减速器 动比 动比 JXJ1-35-0.37 0.37 67.9 1500 1440 240 6.9 35 图4.3 电机尺寸图 表4.3 电机尺寸表 P E M n-d D2 D3 D4 D b h B 4 9 129 4-12 290 260 230 45 8 31 576 4.4齿轮的设计计算 4.4.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 按传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。旋转门为一般传动，速度不高，故选用7级精度（GB10095-88）。查文献[3]中小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮的材料选用45钢（调质）硬度为240HBS，其材料硬度相差40HBS。取小齿轮齿数 =30，大齿轮齿数 ，取=206。 4.4.2按齿面接触强度设计 由设计公式进行计算，即 式(4.20) ①确定公式内的各计算参数 试选用载荷系数=1.25。 计算小齿轮传递的转矩 式(4.21) 由文献[3]中表10-7选取齿宽系数=1。 由文献[3]中表10-6查得材料的弹性系数。 由文献[3]中图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限，大齿轮的接触疲劳强度极限。 由根据应力循环次数 式(4.22) 式(4.23) 由文献[3]中图10-19查得接触疲劳寿命系数：，。 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1％，安全系数S=1，得 式(4.24) 式(4.25) ②计算 试计算小齿轮的分度圆，代入[]中较小的值 式(4.26) 计算圆周速度v 式(4.27) 计算齿宽 由文献[3]中表10—7取=0.6 式(4.28) 计算齿宽和齿高之比b/h 模数： 式(4.29) 齿高： 式(4.30) 式(4.31) 计算载荷系数 根据v=0.125m/s，7级精度，由文献[3]中图10-8查得动载系数Kv=1.4； 直齿轮，假设。由文献[3]中图10—3查得 由文献[3]中表10-2查得两段的齿轮的使用系数， 由文献[3]中表10-47级精度、小齿轮相对支承悬臂布置时， 式(4.32) 将数据代入后得 式(4.33) 由b/h=13.322,=2.79，查文献[3]中图10-13得=2.65 故载荷系数 式(4.34) 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式可得 式(4.35) 计算模数 式(4.36) 4.4.3按齿根弯曲强度设计 设计计算公式 式(4.37） ①确定计算公式内的各计算参数 由文献[3]中图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲疲劳强度极限； 由文献[3]中图10-18查得弯曲疲劳寿命系数，； 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由下式得 式(4.38) 式(4.39) 计算载荷系数K 式(4.40) 查取齿形系数 由文献[3]中表10-5查得，； 查取应力校正系数 由文献[3]中表10-5可查得，； 计算大、小齿轮的并加以比较 式(4.41) 式(4.42) 由上式可得大齿轮的数值较大。 ②设计计算 式(4.43) 此计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮的模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取有弯曲强度算得的模数2.62并就近圆整为标准值m=3；按接触强度算得的分度圆直径，算出小齿轮齿数：，取=33。大齿轮齿数：取 这样的齿轮传动，既满足齿面接触疲劳强度，又满足齿根弯曲疲劳强度，而且做到了结构紧凑，避免浪费。 4.4.4几何尺寸计算 ①计算分度圆直径 式(4.44) 式(4.45) ②计算中心距 式(4.46) ③计算齿轮宽度 式(4.47) 取。 ④验算 式(4.48) ，合适。 式(4.49) 由于轴的尺寸非常大，故将齿轮改为齿圈其设计。其设计与一般齿轮设计时完全一样的。 攀枝花学院本科毕业设计(论文) 5 控制系统部分设计 5 控制系统设计 5.1硬件设计 5.1.1变频器容量选择计算 变频器容量的选用有很多因数决定，列如电动机的容量，电动机的额定电流，电动机加速时间等，其中最主要的电动机的额定电流。 表5.1 电机参数表 电动机型号 额定功率（W） 额定电流（A） 额定电压（V） 效率（%） 功率因素 电机转动惯量 飞轮的转动惯量 Y881-4 550 1.51 380 73 0.76 2.2 0.0018 0.6 ①驱动一台电动机 对于连续运转的变频器必须同时满足下列3项计算公式： 满足负载输出/kVA： 式(5.1) 满足电动机容量/kVA： 式(5.2) 满足电动机电流/A： 式（5.3) 式中： 为变频器的容量/kVA 负载要求的电动机轴输出功率/kw 电动机额定电压/v 电动机额定电流/A 电动机效率 电动机功率因数 电流波形补偿系数 k是电流波形补偿系数，由于变频器的输出波形并不是完全的正弦波，而含有高次谐波的成分，其电流应有所增加。对PWM控制方式的变频器，k约为1.05~1.1。 ②指定变频器的启动加速时间 变频器产品型号所列的变频容量，一般以标准条件为准，在变频器过载能力以内进行加减速，在进行急剧加速和减速时，一般利用失速防止功能，以避免变频器跳闸，但同时也加长了加减速时间。 如果生产设备对加速时间有特殊要求时，必须事先核实编破器的容量是否能够满足所要求的加速时间，如不能满足,则要选用加大一档的变频器容量。 在指定加速时间的情况下，变频器所必需的容量计算如下： 式(5.4) 式中： 为变频器的容量/kVA 电流补偿系数,对PWM控制方式的变频器,k约为1.05~1.1 电动机效率 电动机功率因数 电动机额定转速/(r/min) 电动机轴上的飞轮力矩/() 电动机加速时间/s 负载转矩/() ③指定变频器的减速时间 降低变频器的输出频率，就可以实现电动机减速。加快变频器输出频率的降低速率，可使电动机更快的减速。当变频器输出频率对应的速度低于电动机的实际转速时，电动机就进行再生制动。在这种运行状况下，异步电动机将变成异步发电机，而负载的机械能将被转换为电能并反馈给变频器。当反馈能量过大时，变频器本身的过电压保护电路将会动作并切断变频器的输出，使电动机处于自由减速状态，反而无法达到快速减速的目的。 为了避免出现上述现象，使上述能量能在直流中间回路的其他部分消耗，而不造成电压升高。在电压星变频器中，一般都在直流中间回路的电容器两端并联上制动三极管和制动电阻。当直流中间回路的电压升高到一定的电压值，制动三极管就回导通，使直流电压通过制动电阻放电，既电动机回馈给变频器的直流中间回路的能量，以热能的形式在制动电阻上消耗掉。 制动电阻的选择方法： 1)计算制动力矩 式(5.5) 式中： 动力矩/ 电动机转动惯量/ 折算至电动机轴的负载转动惯量/ 减速开始速度/() 减速完了速度/() 减速时间/s 负载转矩/ 2)计算制动电阻的阻值 在进行再生制动时，即使不加放电的制动电阻，电动机内部也将有20%的铜损被转换为制动力矩。考虑这个因数，可以按下式初步计算制动电阻的预选值。 式(5.6) 式中： 制动电阻 直流电路电压/V 对200V级变频器, =380V 对400V级变频器, =760V 制动转矩/() 电动机额定转矩/() 减速开始速度/() 上式中，如果，则没必要加制动电阻。 放电电路由制动三极管和制动电阻串联而成，因此，制动三极管本身允许通过电流就是放电电路的最大允许值。所以制动电阻的最小值。 由上可见，制动电阻的阻值应由来决定。有的变频器生产厂家在产品目录中。给出制动电阻最小值的参考值，可供用户在选择制动电阻时参考。 3)计算制动电阻平均消耗的功率/kW 如前所述，电动机额定转距的20%制动转距由电动机内部损失产生，所以可以按下式求得电动机制动时，制动电阻上消耗的平均功率： 式(5.7) =(5.76-0.22.2)1440 =0.802 由于三翼自动旋转门是恒转矩负载，故变频器选用通用型的。又因为三翼旋转门的转速不允许超过额定值，电机不会过载。因而可以选用通用的变频器，只要所选用的变频器满足一般环境下使用即可。根据以上的计算的数据，选用佳灵JP6C-T9-0.75。该变频器的参数如下； 表5.2 变频器参数表 变频器型号JP6C-T79 -0.75 适配电动机功率/kW 0.75 额 定 电 流 额定容量/kVA 2.0 电压/V 3相,380~440 额定频率/Hz 50/60 额定电流/A 2.5 额定过载 短时间 额定电流的150%1min 电 源 相数,电压,频率 3相,380~440,50Hz/60Hz 允许波动 电压10%~-15%,频率5%~-5% 瞬间电压降低范围 310V以上,继续运转 所需电源容量/kVA 1.2 输 出 功 率 调整 最高频率/Hz 50~400可变设定 基本频率/Hz 50~400可变设定 启动频率/Hz 0.5~60可变设定 载波频率/Hz 2~6可变设定 精度 模拟设定 设定分辨率 模拟设定 控 制 电压/频率特性 用基本频率可变设定320~440V 电矩提升 自动:按照负载转矩,调整至最佳 手动设定:0.1~20.0编码设定 启动转矩 150%以上(转矩矢量控制) 制 动 制动转矩 100%以上 可选使用时 150%以上(用DBR时) 直流制动 可设定制动开关开始频率,时间等 外壳防护等级 IP40 冷却方式 自冷 质量/kg 2.4 5.1.2传感器与安全系统的设计 ①检测传感器的选用 检测系统是由安装于门口上面的四个传感器来实现的，其主要功能是感知人的进出从而发出开门信号。红外传感器的选择主要考虑检测范围和输出形式及其特点。ADS-A型门传感器是较好的选择。它的检测范围可调，安装高度在门的设计高度范围内，其输出形式为继电器接点，可以直接和控制器相连。那么此检测传感器就可以选择这个。其性能参数见文献[16]。 ②安全系统设计 为防止三翼旋转门在工作过程中因某些原因而发生伤人的事故出现，那么就需要配置一定的安全系统。主要采用以下方式。红外线防夹安全感应器防止门扇与曲壁柱之间夹伤行人，当人在门扇与曲壁立柱安全距离内时，感应器与接近开关信号同时生效,门扇应马上停止。防撞胶条安装于入口右侧门立柱上，胶条内装有内藏式感应器，如遇物体碰撞或受压，门扇马上停止转动，防止夹伤行人，胶条内感应器恢复正常后，转门也随之恢复正常运转。每扇门扉底边装有全开宽内藏式感应器，如碰到物体或受压，门扇马上停止转动，防止门扇打倒行人，胶条内感应器恢复正常后，转门也随之恢复正常运转。此外，还采用了4只测量范围为5mm 的电感式接近开关。接近开关用于防夹位置区域设定、直流制动封门及锁门定位。 1)防夹接近开关的选用 由于在出入口两个防夹区域内要安装了防夹传感器。而防夹感应器是用来感应人是否处于防夹区域内，而不知道是否门扇已经靠近防夹区域内，所以仅靠防夹传感器是无法鉴别人是否即将受夹或正在受夹。则需要一个接近开关来判断门翼也走到了防夹区域内。如果在防夹区域内，则接近感应器发出信号表示，如果此时有人进入防夹区则有可能被夹。两信号同时有效时，则使门停转制动。由于人的宽度一般在0.5m以下，可设此距离为接近感应器感应距离。当门翼靠近曲壁门柱0.5m时，接近开关传感器就可以发出信号。因此选择光电式 BR系列接近传感器,其型号为BPR100-DDT传感器。其性能参数见文献[16]。 2)防夹传感器的选用 防夹传感器是用来检测人是否在防夹区域内用的。应采用红外线传感器检测，其检测方式是竖直的。因此当人在防夹区域时，传感器只有通过竖直检测才不会误判。假如传感器不是竖直的，而是发散的，如人正常经过转门区时，防夹传感器就有可能检测到人的存在，而此时门翼又有可能正好在防夹接近传感器范围内。两者信号同时有效，使门体无故停转，而造成不必要的麻烦。因此可以选择红外垂直防夹传感器。红外线防夹传感器安装在门的进出口的两个防夹区域内，即进出口的右边立柱旁的华盖上，其具体位置根据调节而定。基于以上条件,可以选用型号为BX15M-TFR。其性能参数见文献[16]。 3)直流制动接近开关选用 由于当电动机停转时，门要停在指定的位置，而门停转时，电机要先停转而门体有一定惯性而使得门无法停在指定的位置上。这时我们就需要接近开关，当门靠近门停位置时，就产生信号发出制动信息，使门体在这个位置。接近开关的感应距离过大，会使门制动后停在指定位置的前边。感应位置过小，由于接近开关也有一个响应时间，则使门停超过门应停的位置。根据相关自动门产品类型，可选用CR系列电容圆柱型接近开关为8mm的型号,PNP输出。其性能参数见文献[16]。 4)锁门接近开关的选用 当锁门时，为了让门精确的停位在上锁的位置，同样需要一接近开关提前感应锁门位置的临近，发出锁门信号使门体精确停在这个位置便于我们上电磁锁和机械锁，而无需人再来推门体使其准确停位。接近开关的感应距离过小都到不了门体的精确停位，而使得无法上锁。所以感应距离为适当才可。根据相关自动门产品类推，可选用5mm感应距离高周波振动角柱型接近开关。可选择型号为PS12-4DN，常开触点，PNP输出，三线连接。其性能参数见文献[16]。 5)防碰撞传感器的选用 防碰传感器主要时为了防止人和门的速度不一致时，旋转门翼打到行人；而防撞传感器则是为了防止人因不小心撞在门体的立柱上，而引起旋转门体旋转过来撞伤行人。其采用接触式传感器防夹安全带来实现，它是以向其施加垂直压力致使触带内的导电体互相接触，这导致电阻和电流改变而产生开关信号的。防碰传感器安装在两扇旋转门翼的底部，而防撞传感器安装在门体的立柱上。选用型号ASR-001。其性能参数见文献[16]。 6)接近开关的选用 而锁门接近开关则时为了看门翼是否靠近门的锁门位置，因此应该安装在门安装电子锁的位置附近。选用型号ASR-002。其性能参数见文献[16]。 5.1.3控制系统功能特点 ①变速功能 旋转门设有低速，中速，高速三种旋转速度，分别对应残疾，middle和high三个按钮进行切换，以适应残疾人通过,正常运转和紧急疏散对转速的不同要求。 ②自动转停功能 来人时自动启动，并以正常转速动转，15s时无人进出，则自动停转并封门。 ③防夹功能 当门扇运转靠近曲壁立柱时，如果行人试图从两者之间(防夹区)进入旋转门，则门立即自动停转以防夹伤行人。行人离开防夹区，门自动恢复运转。 ④防撞功能 行人紧靠右侧立柱或遇到物体碰撞右侧立柱,则旋转门马上停转，以防止撞伤行人或撞坏物体，行人或物体离开右侧立柱,自动门恢复运转。 ⑤防碰功能 行人在旋转门内通行过程中，如遇到门扇碰到行人脚后跟，则门立即停转，以防止碰伤行人。行人离开门扇，门自动恢复旋转。 ⑥锁门功能 采用电磁锁方式锁门，只要转动钥匙既可完成自动锁门工作，快捷方便。 ⑦急停功能 当出现紧急意外事故十，按下急停按钮，门立即停转，解除急停信号，门又自动恢复运转。 ⑧暂停功能(STOP钮) 与急停功能相当，不同的是按STOP钮后，必须用残疾，middle和high三个按钮中的一个进行恢复。 ⑨残疾优先功能 当按下残疾按钮后，30s内门始终以2r/min的速度低速运转，此时按middle和high钮无效，以确保残疾人安全通过。30s后来人，门自动以正常速度运转。 ⑩电动机过载保护功能 当电动机过载时，门停转并且指示灯闪烁报警。过载消除后门自动恢复运转。 变频器报警输出和延时自动复位功能 当变频器过压或过流时，关闭输出，门停转并报警( 指示灯闪烁)，延时3s自动复位。 漏电保护。 5.1.4 控制系统驱动控制原理 ①电气控制系统接线方案 图5.1 控制系统接线图 ②传感器设置方案 红外线被动式感应器安装于旋转门的进口和出口华盖上，每处各安装两个红外传感器，感应行人进入门体，门扇马上以正常的速度旋转。红外线防夹安全感应器防止门扇与曲壁柱之间夹伤行人。当门扇接近曲壁立柱时，感应器与接近开关信号同时生效，门扇马上停止。防撞胶条安装于入口右侧门立柱上，胶条内装有内藏式感应器，如遇物体碰撞或受压，门扇马上停止转动，防止夹伤行人。胶条内感应器恢复正常以后，转门也随之恢复正常运转。没扇门扉底边装有全开内藏式感应器，如碰到物体或受压，门扇马上停止转动，防止门扇打倒行人。胶条内感应器恢复正常后，转门也随之运转。此外，还采用了四只测量范围为5mm的电感式接近开关。接近开关用于防夹位置区域设定，直流制动封门及锁门定位。 5.1.5 PLC系统控制分析及地址分配设计 ①节点分析及机型的选择 通过对旋转门控制要求的分析，PLC控制输入信号有22个，输出接点共8个。按照预留15%-20%的接点数来计算，输入接点至少要30个，输出接点至少要10个。 本系统为个简单控制系统，按一般经验来估算，同时由上段对I/O接点的分析主要有：开关量输入字节数：30×15=450 开关量输出字节数：10×8=80 系统推断定时器/计数器字节数：8×1=8 总计大约需要538个字节数容量。加上预留30%，有1K的程序容量足够了。 由以上可得，同时兼顾经济性原则。 PLC产品中OMRON系列可编程控制器是当今国内外最新，最具特色、最具代表性的微型PLC。在此系列PLC中设置了高数计数器，对来自特定的输入继电器的高频脉冲进行中断处理，扩大了PLC的应用领域。本系统选择了COM1-CPU11-E型PLC。由PLC型号主回路电压AC（100～240）V；输入端参数为电压DC24V，电流5/7mA；继电器输出端电压AC150V，DC30V以内。故本系统选用直流输出方式。 表5.3 PLC性能参数表 性能指标 COM1-CPU11-E 程序存储容量 3.2KB 数据存储容量 1KB I/O电数 128位 指令类型 117种指令 基本指令执行时间 0.5us~1.5us 扩展I/O模块数量 7块 记时/记数区 512记时器/记数器 ②开关的选择 本控制系统为PLC控制，各种开关的容量要求不高，普通的开关足已，主要考虑输入参数要求。对急停、STOP、middle、high、残疾开关，选择普通按钮开关LA系。Middl、high、残疾、开关为LA2，急停开关为LA2（红色），STOP关为LA2-A红色（十字型）。 ③电源的选择 PLC自带的输入口电源一般为直流24V。输入口每一点的电流定额一般为7mA,这个电流是输入口短接时产生的最大电流(端口本身纯存在阻抗)。当输入口上接有一定阻抗的负载时,其流过的电流就要减少,PLC输入口信号传递所需的最小电流一般为2mA左右,这样就规定了输入口接人的最大阻抗。为了保障最小有效电流,输入口所接器件的总阻抗要小于2000欧。从另一方面说,输入口机内电源功率一般只有几瓦,当输入口所接的传感器所需功耗较大时,需另配专用电源供电。 ④熔断器的选择 为了保护电路（短路保护）需要有熔断器FU,选择的依据是熔体的额定电流IR大于线路工作电流I（I=2A），所以选择RL1-15，熔体额定电流等级为4。 ⑤整流器的选择 为降低电压的波动对控制系统的不良影响，选择把交流变为低压直流供电。因此，选择型号为ZBA-10/24型整流器，它的输入电压为交流220V，输出电压为直流0～24V，额定电流10A。 ⑥输出模块的确定 输出模块的任务是将PLC内部低电平的控制信号，转换为外部所需电平的输出信号，以驱动外部负载。输出模块有三种输出方式：继电器输出、双向晶闸管输出、达林顿晶体管输出。这几种输出形式均有各自的特点，用户可根据系统的要求加以确定。继电器输出价格便宜，使用电压范围广。通电压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，且有隔离作用。但继电器有舢点；寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交直流负载。当驱动