基于plc的碟片式离心机控制设计_图文

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离心分离技术及装备在化工、医药、食品、纺织、冶金、煤炭、选矿、船舶、 军工等各个领域广泛应用。本文介绍了离心分离机的发展概况及各种应用场合, 并介绍了离心机设备自动化发展趋势。 碟片式离心机的广泛应用使其得到长足的 发展,其逻辑控制也由 PLC 代替了原来的继电器控制。 PLC 控制器具有可靠性高,抗干扰能力强,编程简单,设计周期短,安装、 接线、调试工作量小,使用维护方便,具有很高的灵活性、适应性及很强的的信 息处理能力和多功能的优点。 基于 PLC 控制和变频调速技术对离心机实现进料、 脱液、洗涤、脱水、刮料的全自动控制。基于 PLC 控制的碟片式离心机操作方 便,启动平稳,同时降低了设备故障率提高了工作效率,具有很强的实用性。 关键词:碟片式离心机,PLC,变频调速,自动控制

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ABSTRACT

Centrifugal

separation

technology

and

equipment

in

the

chemical,

pharmaceutical, food, textile, metallurgy, coal, mineral processing, shipping, military industry and other fields a wide range of applications. Centrifugal separator were introduced in this paper the development of the situation and various kinds of applications, and introduces the development trend of automatic centrifuge equipment. Disc centrifuge is widely used to make them get rapid development, the logic control also by PLC instead of the original relay control. PLC controller with high reliability, strong anti-interference ability, simple programming and design cycle short, installation, connection, debugging workload small, use convenient maintenance, high flexibility, adaptability and strong information processing capability and the advantages of multifunction. This article is based on PLC and frequency control of motor speed technology of centrifuge feed, scraper to take off the liquid, washing, dehydration, full automatic control. Based on PLC control of disc centrifuge is easy to operate, stable starting, reduce the equipment failure rate improves the work efficiency at the same time, have very strong practicability.

KEY WORDS: disc centrifuge ,PLC ,variable frequency speed ,automatic control

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目 录
前 言.............................................................. 1 第 1 章 绪论......................................................... 2 1.1 离心机概况及应用场合 .......................................... 2 1.2 离心机的发展趋势 .............................................. 3 第 2 章 碟片式离心机控制系统方案确定................................. 5 2.1 离心机的结构和工作原理 ........................................ 5 2.2 采用 PLC 控制系统的优势 ........................................ 6 2.3 PLC 控制系统的设计步骤 ........................................ 7 第 3 章 控制系统的硬件设计........................................... 9 3.1 控制系统的结构框图 ............................................ 9 3.2 主电路的设计 .................................................. 9 3.3 控制电路的设计 ............................................... 12 3.4 数据采集模块 ................................................. 13 3.5 PLC 的选择 ................................................... 15 3.5.1 PLC 选择注意要点 ...................................... 15 3.5.2 PLC 容量的估算 ........................................ 16 3.5.3 PLC 型号 .............................................. 16 第 4 章 控制系统的软件设计.......................................... 19 4.1 控制系统的工作流程 ........................................... 19 4.2 I/O 地址分配 ................................................. 21 4.3 控制系统控制方式的确定 ....................................... 22 4.4 三相异步电机的启动程序设计 ................................... 22 4.5 启动过程中指示灯的控制程序设计 ............................... 23 4.6 冷却水阀的控制程序设计 ....................................... 24 4.7 关闭水阀的控制程序设计 ....................................... 25 4.8 部分排渣过程控制程序设计 ..................................... 27 4.9 全排渣过程控制程序设计 ....................................... 28

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4.10 冲洗阀的控制程序设计 ........................................ 30 4.11 主程序中电磁阀的控制程序设计 ................................ 30 4.12 转速停车的控制程序设计 ...................................... 32 4.13 电流延时报警程序的设计 ...................................... 32 4.14 振动停车的控制程序设计 ...................................... 33 总 结.............................................................. 34 致 谢.............................................................. 35 参考文献........................................................... 36 附录 1 外文原文 .................................................... 37 附录 2 中文翻译 .................................................... 44

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毕业设计是对大学期间所学知识的一次总的检验和巩固,是一次很好的理论 联系实际的机会,相比以前的几次课程设计,毕业设计对所学基础知识和专业知识 的涉及面更加广泛,是知识与实践的有机结合。做好毕业设计可以为以后的工作 打下坚实的基础,因此具有很重要的意义。 毕业设计是学生即将完成学业的最后一个重要环节, 它既是对所学知识的全 面总结和综合应用,又为今后走向社会是实际操作应用铸就了一个良好的开端。 毕业设计是作者对所学知识理论的检验与总结, 能够培养和提高设计者独立分析 问题和解决问题的能力, 使学生学习并掌握科学研究、工程设计和撰写技术报告 的基本方法。 毕业设计具有学术论文性质, 应能表明作者在科学研究工作中取得的新成果 或提出新的见解, 是作者的科研能力与学术水平的标志。毕业设计具有学术论文 所共有的一般属性,应按照学术论文的格式写作。 在毕业设计的选题与写作中,要注意适应经济、社会发张需要,注意理论结 合实际,特别强调对培养学生的创新精神科研能力水平。 本次毕业设计涉及的知识面有可编程控制器(PLC)等多方面的知识,设计 过程中要求具有清晰的设计思路,具体的设计方案和步骤,准确的设计参数和计 算分析。 通过毕业设计,提高、巩固、扩大了自己所学到的理论知识和技能,提高自 己设计计算、 编写技术文件的能力,培养了我对机械设计独立分析问题和解决问 题的能力, 帮助我初步树立了正确的实际思想,掌握了一定的机械设计方法步骤 和思路为以后的学习和设计工作打下了良好的基础。 由于本人水平有限, 设计中尚有许多不足之处,还望审阅老师给予批评和指 正。

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第1章

绪论

1.1 离心机概况及应用场合
在工业生产中, 离心机基本上属于后处理设备, 主要用于脱水、 浓缩、 分离、 澄清、 净化及固体颗粒分级等工艺过程,它是随着各工业部门的发展而相应发展 起来的。 例如 18 世纪产业革命后,随着纺织工业的迅速发展,1836 年出现了棉布脱 水机。1877 年为适应乳酪加工工业的需要,发明了用于分离牛奶的分离机。进 入 20 世纪之后,随着石油综合利用的发展,要求把水、固体杂质、焦油状物料 等除去,以便使重油当作燃料油使用,50 年代研制成功了自动排渣的碟式活塞 排渣分离机,到 60 年代发展成完善的系列产品。随着近代环境保护、三废治理 发展的需要, 对于工业废水和污泥脱水处理的要求都很高,因此促使卧式螺旋卸 料沉降离心机、 碟式分离机和三足式下部卸料沉降离心机有了进一步的发展,特 别是卧式螺旋卸料沉降离心机的发展尤为迅速。如今,在合成塑料(聚氯乙烯、 聚丙烯)及合成纤维(聚对苯二甲酸乙二脂)生产的分离设备中,螺旋离心机己 成为关键设备之一。 我国从七十年代末开始引进螺旋离心机, 对国外著名公司生产的多种规格的 卧螺离心机进行了仿制。卧螺离心机是原化工部“七五”科技攻关项目,1989 年 南京绿洲机器厂仿制了 ALFANx42o 型大锥角(20)离心机(即 L201) ,用于玉 米蛋白的分离,并于 1992 年制成样机;此后,重庆江北机械厂、解放军第 4819 厂和金华铁路机械厂等研制开发了一系列的螺旋卸料沉降离心机, 并成功地应用 于生产实践。但是就整体水平而言,我国还是远远落后于工业发达国家的。随着 现代工业文明的发展和人类对环境以及可持续发展战略的重视,分离效果好、震 动小、 低噪声成为离心机能否被市场接受的重要条件。这就需要离心机具有良好 的动态特性。通常,动态特性包括临界转速、不平衡响应和稳定性等内容。 为提高螺旋卸料沉降离心机的性能,人们对离心机常见问题进行攻关,对主 要部件进行有限元分析。取得了一定的成果。主要有:北京化工大学硕士顾威应 用有限元分析软件 ANSYs,建立了螺旋输送器的参数化三维有限元模型,进行
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结构静力学分析, 求得螺旋输送器在各种载荷工况下的应力场和位移场,并参照 压力容器的分析设计法校核了螺旋输送器的应力强度, 考察了螺旋叶片的径向位 移。为结构优化设计奠定了基础。 工业用离心机按结构和分离要求,可分为过滤离心机、沉降离心机和分离机 三类。 离心机有一个绕本身轴线高速旋转的圆筒, 称为转鼓, 通常由电动机驱动。 悬浮液(或乳浊液)加入转鼓后,被迅速带动与转鼓同速旋转,在离心力作用下各 组分分离,并分别排出。通常,转鼓转速越高,分离效果也越好。 离心分离机的作用原理有离心过滤和离心沉降两种。 离心过滤是使悬浮液在 离心力场下产生的离心压力, 作用在过滤介质上, 使液体通过过滤介质成为滤液, 而固体颗粒被截留在过滤介质表面,从而实现液-固分离;离心沉降是利用悬浮 液(或乳浊液)密度不同的各组分在离心力场中迅速沉降分层的原理,实现液-固 (或液-液)分离。 还有一类实验分析用的分离机, 可进行液体澄清和固体颗粒富集, 或液-液分离,这类分离机有常压、真空、冷冻条件下操作的不同结构型式。 衡量离心分离机分离性能的重要指标是分离因数。 它表示被分离物料在转鼓 内所受的离心力与其重力的比值,分离因数越大,通常分离也越迅速,分离效果 越好。工业用离心分离机的分离因数一般为 100~20000,超速管式分离机的分 离因数可高达 62000, 分析用超速分离机的分离因数最高达 610000。决定离心分 离机处理能力的另一因素是转鼓的工作面积,工作面积大处理能力也大。 选择离心机须根据悬浮液(或乳浊液)中固体颗粒的大小和浓度、固体与液体 (或两种液体)的密度差、液体粘度、滤渣(或沉渣)的特性,以及分离的要求等进 行综合分析,满足对滤渣(沉渣)含湿量和滤液(分离液)澄清度的要求,初步选择 采用哪一类离心分离机。 然后按处理量和对操作的自动化要求,确定离心机的类 型和规格,最后经实际试验验证。

1.2 离心机的发展趋势
七十年代以来除了过滤虹吸刮刀卸料离心机外, 大多数的离心机和分离机在 操作原理上没有获得突破性的进展,但是充分发挥每种离心机固有的特点,各种 机器在原有基础上的发展却是显著的。归纳各种机器现有的水平,可以看出离心 机总的发展趋势具有下列特点:
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(1)自动化、连续操作产品占主导地位 为了保证分离后产品质量稳定,节省劳力,提高质量,需要自动化,连续操 作的机器。 现在间歇式人工操作离心机仅在极个别场合下应用。由于机械制造技 术、液压技术及电气控制技术的进步,各类离心机基本上都实现了自动化。有一 些难以调节、难以控制的参数,也都实现了自动控制,如用液用装置调节卧螺的 差转速,活塞排渣分离机用光电管来控制澄清液的分离质量等。 (2)专用离心机越来越多 为了提高机器分离性能,加大单机处理量,寻求最佳操作工况,针对某些物 料而有各种专用结构、专用控制系统、专用附加装置。如并流结构卧螺用于污水 处理、FO 型离心机用于细粘物料、卧螺中差速同速同步自控系统、离心力卸料 离心机中蒸汽加热装置、气流刮刀上部卸料三足离心机等等;显然结合生产工艺、 物料性质研制离心机新结构、新装置是使离心机水平迅速提高的一个重要因素。 (3)提高技术参数 各类离心机和分离机都出现了大型化机器。如转鼓直径 3000 毫米的三足离 心机,2500 毫米的刮刀离心机,1340 毫米的卧螺,840 毫米的碟式离心机。 由于高转速、 大型机器增多及要处理易腐蚀、 易磨损物料, 因此广泛采用高强度、 耐腐、耐磨材料。 (4)组合转鼓结构增多 近年来出现了许多组合结构的离心机,如 sharoles 公司的 350H 型,Brid 公 司的 SVS1400 型,Alfa-Laval 公司的 VS500 型是螺旋卸料沉降过滤组合离心机 苏制 BLIH 型碟片与螺旋组合离心机(在沉降卧螺圆柱段上加碟片),Alfa-Laval 公司的 LX 型在碟市分离机上组合有螺旋输送器等。

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第 2 章 碟片式离心机控制系统方案确定

2.1 离心机的结构和工作原理

图 2.1 碟片式离心机的结构

碟式离心机是立式离心机的一种,转鼓装在立轴上端,通过传动装置由电动 机驱动而高速旋转。转鼓内有一组互相套叠在一起的碟形零件--碟片。碟片与碟 片之间留有很小的间隙。 悬浮液 (或乳浊液) 由位于转鼓中心的进料管加入转鼓。 当悬浮液(或乳浊液)流过碟片之间的间隙时,固体颗粒(或液滴)在离心机作 用下沉降到碟片上形成沉渣(或液层) 。沉渣沿碟片表面滑动而脱离碟片并积聚 在转鼓内直径最大的部位, 分离后的液体从出液口排出转鼓。碟式离心机碟片的 作用是缩短固体颗粒(或液滴)的沉降距离、扩大转鼓的沉降面积,转鼓中由于 安装了碟片而大大提高了分离机的生产能力。 积聚在转鼓内的固体在分离机停机 后拆开转鼓由人工清除,或通过排渣机构在不停机的情况下从转鼓中排出。 碟片式离心机有一个高速回转的转鼓, 转鼓中的料液在惯性离心力的作用下 有余密度不同而分成轻液和重液,并有余各自的管道排出机外,料液中的少量固 体微粒则趋向鼓壁,并均匀地附在内壁上,从而达到了分离的目的。
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碟片式离心机的清渣工作可以在每批料液完成分离澄清操作之后进行, 也可 以在转鼓壁上的沉渣积存到一定厚度时停机进行。

图 2.2 碟片式离心机工作原理示意图

转鼓全速旋转,乳浊液从中间进入蝶片之间,在离心惯性力作用下,各液相 按密度不同而分离,重液相沿蝶片间隙向外移动,从隔板外部溢流孔排出。轻液 相在内层,从隔板内部溢流孔排出。 固相颗粒沉降在转鼓内壁,经人工排渣或喷嘴、活塞排渣

2.2 采用 PLC 控制系统的优势
采用 PLC 控制系统,与传统的机械传动原理控制系统相比具有以下优势: (1)适应工艺性强。可实现不停车,随原矿品位高低的变化,根据选矿工艺要 求及时修正每一台离心机的给矿时间、断矿时间、冲水时间、复位时间,从而能 达到获得最佳选矿回收指标的选矿周期。 (2)能及时跟踪离心机转鼓、摆斗和电磁阀的工作状态,有异常情况能及时发 现。 (3)由于自控系统具有故障识别功能, 运行期间始终跟踪离心机转鼓、 进料口、 下摆斗和电磁阀的工作状态,发现异常情况及时报警、关断进料口,避免了精、 尾矿分离不清,确保了离心选矿过程的回收率。与此同时,也告知工作人员故障 机台号和故障部位,以便及时检查维修。
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(4)控制系统操作简单、控制直观。 (5)各台离心机的工作参数、动作状态均可在自动控制柜的显示屏上或远程计 算机上进行调整、修改和观察。故障点可由显示屏直观地予以显示,解决了多台 离心机同时工作时,作业人员需不断巡查、人为观察各离心机工作状况、工作量 大、需极强的责任心等问题,极大地提高了劳动生产率和确保设备、人员的安全 生产,提高了企业现代化管理水平。

2.3 PLC 控制系统的设计步骤
(1)深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求 这是整个系统设计的基础,以后的选型、编程、调试都是以此为目标的。 ① 被控对象就是所要控制的机械、电气设备、生产线或生产过程。 ② 控制要求主要指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、 必要的保护和连锁等。 对较复杂的控制系统, 还可将控制任务分成几个独立部分, 这样可化繁为简,有利于编程和调试。 (2)确定 I/O 设备 根据被控对象的功能要求,确定系统所需的输入、输出设备。常用的输入设 备有按钮、选择开关、行程开关、传感器、编码器等,常用的输出设备有继电器、 接触器、指示灯、电磁阀、变频器、伺服、步进等。 (3)选择合适的 PLC 类型 根据已确定的用户 I/O 设备,统计所需的输入信号和输出信号的点数,选 择合适的 PLC 类型,包括机型的选择、 I/O 模块的选择、特殊模块、电源模 块的选择等。 (4)分配 I/O 点 分配 PLC 的输入输出点,编制出输入 / 输出分配表或者画出输入 / 输出 端子的接线图。接着就可以进行 PLC 程序设计,同时可进行控制柜或操作台的 设计和现场施工。 (5)编写梯形图程序 根据工作功能图表或状态流程图等设计出梯形图即编程。 这一步是整个应用

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系统设计的最核心工作,也是比较困难的一步,要设计好梯形图,首先要十分熟 悉控制要求,同时还要有一定的电气设计的实践经验。 (6)进行软件测试 将程序下载到 PLC 后,应先进行测试工作。因为在程序设计过程中,难免 会有疏漏的地方。 因此在将 PLC 连接到现场设备上去之前, 必需进行软件测试, 以排除程序中的错误,同时也为整体调试打好基础,缩短整体调试的周期。 (7)应用系统整体调试 在 PLC 软硬件设计和控制柜及现场施工完成后, 就可以进行整个系统的联 机调试,如果控制系统是由几个部分组成,则应先作局部调试,然后再进行整体 调试;如果控制程序的步序较多,则可先进行分段调试,然后再连接起来总调。 调试中发现的问题,要逐一排除,直至调试成功。 (8)编制技术文件 系统技术文件包括说明书、 电气原理图、 电器布置图、 电气元件明细表、 PLC 梯形图等。 在 PLC 系统设计时,确定控制方案后,下一步工作就是 PLC 的选型工作。 应详细分析工艺过程的特点、控制要求,明确控制任务和范围,确定所需的操作 和动作,然后根据控制要求,估算输入输出点数、确定 PLC 的功能、外部设备 特性等,最后选择有较高性能价格比的 PLC 和设计相应的控制系统。

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第 3 章 控制系统的硬件设计

3.1 控制系统的结构框图

图 3.1 控制系统的结构框图

硬件电路设计分为主电路、控制电路、数据采集模块、PLC 的选择与人机交 互界面的设计五部分。 实现对离心机三相异步电动机启动的主电路;三相异步电 机启动—运行切换的控制电路与报警装置、电磁阀、指示灯的开关控制电路、数 据采集模块、PLC 的选择及人机交互界面的设计。

3.2 主电路的设计
根据现场要求三相异步电机选用型号 YB2-168S-4。拖动电动机 M 的功率为 22kW,额定电压为 AC380V,转速为 1460r/min。直接起动是一种简单、可靠、 经济的起动方法, 但电动机起动电流远远超过额定电流。电机的启动电流一般不 超过 65A,全速后的工作电流不超过 30A。因此,电机的启动是通过三角形—三 角形(无中性点)转化的。首先是三角形启动,由于电机和传动轴之间加有液力 耦合器, 所以电机到全速时, 转鼓还要继续加速一段时间, 因此电机的电流很高, 但转鼓到全速状态时, 电机的电流将在额定范围之内, 所以电机在三角形状态时, 需用两路切换,一路在启动使用,选用电流较大的交流接触器和热继电器,保证 在系统在全速之前不会超载,另一路在全速使用,保证系统的正常运行(切换由
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PLC 控制器实现) 。 本设计中, 主回路采用具有过载保护的接触器自锁控制线路。主拖动电动机 M 的启动电路主要由两路切换实现,一路由接触器 KM1 的主触点和热继电器 FR1 组成,一路由接触器 KM2 的主触点和热继电器 FR2 组成。在三相异步电动 机控制线路中,采用热继电器来做过载保护。热继电器的工作过程,若电动机在 运行过程中, 由于过载或其他原因使电流超过额定值,热继电器的串接在主电路 中的热元件因受热发生弯曲,通过传动机构使串接在控制电路中的常闭触头分 断,切断控制电路。接触器 KM 线圈失电,主触头和自锁触头分断,电动机 M 失电停转。另外主电路中电流表是必不可少的,用于实时电流检测。开关采用低 压断路器, 低压断路器采用装置式低压断路器,具有模压绝缘材料制成的封闭型 外壳将所有构件组装在一起, 用作配电网络的保护以及成为电动机、照明电路及 电热器等控制开关。使用自动空气开关作为电动机的电源启动开关,对电源线路 及电动机等实行保护,当发生严重的过载或短路及欠电压等故障时能 自动切断电路,设计主电路电气图如图 3.2 所示:

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图 3.2 主电路电气图

空气开关采用装置式低压断路器,QS0 选用型号 DZ47—60(额定电流 100A) ,QS1 选用型号 DZ47—60(额定电流 60A)。 热继电器用符号 FR 表示,IRT=(0.95~1.05)IN 其中:IRT 是热继电器的额 定电流,IN 是电动机的额定电流,IRT=(0.95~1.05)*57.9=55.00A~60.80A。本 设计中,根据现场负载情况与电机效率问题,现场检测启动电流与全速电流:电 机的启动电流一般不超过 65A,全速后的工作电流不超过 30A。所以启动时热继 电器 FR1 和 FR2 选用型号 JR16-60/3D。 接触器用符号 KM 表示,IC=PN/(KUN)其中:IC 是接触器触头流,PN 是电动机额定功率,K 是经验系数一般取 1~1.4,UN 是电动机额定电压: IC=22*1000/[(1~1.4)*380]=41.4A~57.9A 根据实际情况通过的最大电流不超过 65A,所以接触器选用 CJ10—100 型号。

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电流表(互感器)用来测量电流,量程为0-150A、互感器选用 LMK1-0.5 50/5 。

3.3 控制电路的设计
控制电路分为两部分, 三相异步电机的启动—运行切换、报警装置与电磁阀 和指示灯的开关控制。 三相异步电机的控制电路的组成与主电路相对应, 设计的控制电气电路如图 3.3 所示。有两路启动,一路由启动中继触点 KA1,热继电器触点 FR1 和接触器 线圈 KM1,接触器连锁常闭触点 KM2。一路由运行中继触点 KA2,热继电器触 点 FR2 和接触器线圈 KM2,接触器连锁常闭触点 KM1。当一个接触器得电动作 时, 通过其辅助常闭触头使另一个接触器不能得电动作,接触器之间这种相互制 约的作用叫做接触器联锁(或互锁) 。

图 3.3 控制电路电气图

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控制电路工作过程是循环的。先合上开关 QS0 和电动机开关 QS1。1)按下 启动按钮 SB1,KM1 线圈得电,KM1 自锁触头闭合自锁,KM1 主触头闭合,同 时 KM1 联锁触头分断对 KM2 联锁, 同时通过 PLC 动作中继 KA1, 电动机 M 启 动连续转动。同时,PLC 动作中继 KA0 和中继 KA12,启动指示灯亮,停止指 示灯灭;2)PLC 控制系统设置启动时间,实现启动和运行的两路切换,启动延 时后,PLC 动作中继 KA2,KM2 线圈得电,KM2 自锁触头闭合自锁,KM2 主 触头闭合,同时 KM2 联锁触头分断对 KM1 联锁,电动机 M 切换到正常运行。 3)按下停止按钮 SB2,PLC 动作中继 KA2,电动机 M 停止转动。同时通过 PLC 动作中继 KA0 和中继 KA12,启动指示灯灭,停止指示灯亮。自锁是通过 KM1、 KM2 实现的,KA1 和 KA2 用于启动运行切换。 其次, 控制电路设置报警与消除报警装置: 旋钮 SB4 (常闭) 中继触点 KA5 , 和报警器组成。 变压器的型号选择 BK-25VA ,将 AC220 变为 AC24。 电磁阀 Y1—Y6 共 6 个,20mA,AC24V。 指示灯 HL2、HL4、HL5 共 3 只,0.25W,AC24V。 报警器的一个,参数要求 0.25W,AC24V。 最后,电磁阀控制主要由中间继电器来实现。由 PLC 得到的输出信号经过 中间继电器来控制电磁阀, 指示灯与电磁阀并联,电磁阀的开闭对应相应的指示 灯的亮灭,其中根据工业要求:关闭水阀、开启水阀、冲洗阀设置指示灯。

3.4 数据采集模块
系统在排渣时, 电机电流会升高,从系统开始排渣到检测结束的时间称作电 流检测延时, 若系统在这段时间内电流没有提升到设定的报警电流,说明离心机 没有达到相应的工作状态,系统将发出报警。振动烈度过大,影响碟片式离心机 的正常工作, 转速过高或过低说明碟片式离心机未处于正常的工作状态,为了使 离心机平稳的工作, 所以设置运行电流检测和实际转速检测。数据采集模块包括 三个模拟量采集, 测量当前设备的振动大小、 电机的运行电流、 转鼓的实际转速, 设计的数据采集部分电气图如图 3.4 所示。

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模拟量的采集有两个作用, 首先用于显示屏数字量的显示,便于实时连续观 察信号变化;其次为了达到工业要求,与报警器一起作用,当满足条件时发出报 警。

图 3.4 数据采集部分电气图

电流的测量方法采用电流互感器法,互感器选用 LMK1-0.5 150/5 。电流表 直接测量电流需要切断电路接入测量装置, 采用电流互感器法可以在不切断电路 的情况下,测得电路中的电流,灵敏度高。电流互感器是由闭合的铁心和绕组组 成。它的一次绕组匝数很少,串在需要测量的电流的线路中,因此它经常有线路 的全部电流流过,二次绕组匝数比较多,串接在测量仪表和保护回路中。 转速测量采用磁电式转速传感器 VB-Z9200 , 是针对测速齿轮而设计的发电 型传感器(无源) ,测速齿轮旋转引起的磁隙变化,在探头线圈中产生感应电势 来达到测速目的。 安装在靠近测速齿轮的地方,输出与旋转机械的转速成正比的 频率信号。它不需要供电,具有输出信号大,抗干扰能力增强,可在烟雾、油气、 水雾等恶劣环境中使用等特点。 振动测量采用一体化振动变送器,型号为 M341706。振动速度传感器是利 用磁电感应原理把振动信号变换成电信号它主要由磁路系统、惯性质量、弹簧尼

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等部分组成。在传感器壳体中刚性地固定有磁铁,惯性质量(线圈组件) ,用弹 簧元件悬挂于壳上。工作时,将传感器安装在机器上,在机器振动时,在传感器 工作频率范围内,线圈与磁铁相对运动、切割磁力线,在线圈内产生感应电压, 该电压值正比于振动速度值。将振动速度传感器、精密测量电路集成在一起,实 现了传统的“传感器十变送器”模式的振动测量系统的功能,实现了经济型高精度 振动测量系统,该变送器可直接连接 PLC。 变送单元在控制系统中起着重要的作用, 它将各种过程参数转换成相应的统 一标准信号, 以供系统显示或进行下一步的调整控制所用,在任何系统的自动控 制中变送器都有首要环节和重要组成部分, 因为只有获得了准确和可靠的过程参 数才能进行准确的数据处理,进而才能实现满意的控制效果。 电流变送器采用 TD5A 交流电流变送器,输出 4-20mA,额定输入 150-1000 可选,AC 220V 供电。此型号交流电流变送器是可以将单相交流电流信号隔离 转变成能够直接被 PLC、 二次仪表等各种采集装置直接采集和接受的标准工业电 流信号的装置。 能为过程控制中需要进行电量测控的场合提供解决方案。在工业 控制领域具有稳定可靠,抗干扰能力强的优势。 转速变送器选用型号 SZBS-1 型转速变送器,SZBS-1 型转速变送器除了能 将角位移转换成电脉冲信号外, 还可同时输出与转速成线性对应关系,输出信号 为 4~20mA DC 恒定电流,转速为 0 时输出 4mA,额定转速时输出 20mA,中间 线性分度。

3.5 PLC 的选择
3.5.1 PLC 选择注意要点 在选择 PLC 并用其控制一台机器或一个过程时,不仅要考虑应用系统目前 的需求, 还应考虑到未来发展的需要。如果能够考虑到未来的发展将会用最小的 代价对系统进行革新和增加新功能。若考虑周到,则存储器的扩充需求也许只要 再安装一个存储器模块即可满足;如果具有可用的通信口,就能满足增加一个外 围设备的需要。 对局域网的考虑可允许在将来将单个控制器集成为一个厂级通信 网。 若未能合理估计现在和将来的目标, PLC 控制系统将会很快变为不合适或者 过时。在其选型时需要注意: (1)根据生产工艺要求,分析被控对象的复杂程度;
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(2)对 I/O 点数和 I/O 点的类型(数字量、模拟量等)统计; (3)适当进行内存容量估计的基础上,确定留有适当的余量而不浪费资源的机型 (小、中、大形机器); (4)结合市场情况,考察 PLC 生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通 信等综合情况,选定价格性能比较好的 PLC 机型。在 PLC 实际应用中,是以其 为控制核心组成电气控制系统,实现对生产、工业过程的控制。 3.5.2 PLC 容量的估算 PLC 容量包括两个方面:一是 I/O 的点数,二是用户存储器的容量。 (1)I/O 点数的估算 根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数,并考虑到今

后调整和扩充,一般应加上 10%~15%的备用量。 (2)用户存储器容量的估算 用户应用程序占用多少内存与许多因素(如 I/O 点

数、控制要求、运算处理量、程序结构等)有关,存储器容量的选择一般有两种 方法: ① 根据编程实际使用的节点数计算。这种方法可精确地计算出存储器实际使用容 量,但需编完程序之后才能计算出结果。 ② 估算法。用户可根据控制系统的规模和应用的目的,存储器的字数可按以下公 式进行估算。 开关量输入:所需存储器字数-输入点数× 10 开关量输出:所需存储器字数-输出点数× 8 定时器/计数器:所需存储器字数-定时器/计数器数量× 2 模拟量:所需存储器字数-模拟量通道数× 100 通信接口:所需存储器字数-接口个数× 300 根据上述计算得到的存储器的总字数再加上备用量即为用户存储器的容量。 3.5.3 PLC 型号 PLC 采用西门子公司 S7-200 系列产品。 型号为 6ES7 216-1BD23-OXBO, 如 图 3.5 所示。

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图 3.5 PLC 216-1BD23-OXBO 图

此 PLC 产品底板上配有数字量的输入、输出模块。用来采集和控制柜内场 的各类开关量信号; 底板上同时也配有处理模拟量信号输入模块,装有现场各类 变送器采集模拟信号如离心机振动幅度、 离心机转速测量反馈和电机运行电流等 信号输入模块,经过换算,在人机界面上实时显示。

图 3.6 现场控制箱主视图

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表 3-1 现场防爆控制箱器件列表 名称 电流表 蜂鸣器 指示灯 旋转按钮 按钮 带灯按钮 电箱 数量(只) 1 1 3 1 2 2 1 备注 量程(0-150A) 互感器(LMK1-0.5 150/5) AC220V (密封、排渣、冲洗) AC24V 旋到清除时端开,旋到报警时闭合 全排渣为红色,部分排渣为绿色 AC24V,启动为绿色,停止为红色 材料为胶木,防爆

运行状态界面设置八个状态显示及六个指示灯, 八个状态显示分别是排渣周 期显示已设定的排渣周期, 电机电流显示当前电机的运行电流,振动烈度显示当 前设备的震动大小, 当前转速显示当前转鼓的实际转速,转速百分比显示当前转 速所占额定转速的百分比, 启动时间显示电机的启动时间,运行时间显示本次系 统运行时间,累计时间显示系统运行的累计时间。六个状态指示灯分别是启动、 运行、密封、水洗、部排、全排和报警。 参数设定界面包括六个参数设定,启动时间、排渣周期、冲洗时间和振动烈 度、电流检测延时、排渣电流报警设定六个参数设定。 报警主要是为了离心机正常工作,设定转速超高报警、电流延时报警、振动 超高报警。 由于时间原因,触摸屏编程不做为重点,不再做触摸屏编程。

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第 4 章 控制系统的软件设计

4.1 控制系统的工作流程

开始

初始化

手动/自动

进料

自动程序 进料、清洗、甩干

卸料

结束
图 4.1 控制系统的工作流程

根据硬件电路图以及开关量与模拟量的控制要求, 分析了碟片式离心机控制 系统工作流程,并根据硬件电路图以及开关量与模拟量的控制要求,完成了控 制系统的软件设计,包括 I/O 地址分配、控制系统控制方式的确定、三相异步
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电机的启动程序设计、 启动过程中指示灯的控制程序设计、冷却水阀的控制程序 设计、关闭水阀的控制程序设计、部分排渣过程控制程序设计、全排渣过程控制 程序设计、冲洗阀的控制程序设计、主程序中电磁阀的控制程序设计、转速停车 的控制程序设计、 电流延时报警程序的设计、 振动停车的控制程序设计。再者对 离心机运行过程中的各项参数,电流、速度、振幅进行全方位的测量, 即在离心 机中安装各种性能的传感器,将收集的各种信息输入计算机,经系统处理后, 及时了解各种参数的变化以采取相应的措施。 碟片式分离机 (带定量器和转鼓阀的转鼓)的排渣过程是顺序循环的工作过 程。工作过程即电磁阀的动作过程,其工作流程如图 4.1 所示. 按工作功能可分为五部分:启动、密封、排渣周期、部分排渣、全部排渣。 (1)启动过程中,为了防止涡轮离合器中油温过高,在启动期间会加注冷 却水,冷却水电磁阀周期动作,时间有启动延时设定。 (2)启动结束后,关闭水阀打开 20s,转鼓密封,滑动活塞盘被托起。 (3)排渣周期中,为了防止没有足够的水托起滑动活塞盘,所以要定期打 开关闭水阀来补水,关闭水阀打开 1s,关闭 120s,排渣周期由时间设定。 (4)经过离心机工作一段时间后,为了保证离心机正常有效的工作,要进 行排渣。部分排渣,关闭水阀打开 20s,经过 2s 后气动阀和开启水阀同时 打开 1s,滑动活塞盘降下,此过程中冲洗阀一直打开,直至部分排渣结束 一段时间后。排渣周期与部分排渣往复循环。 (5)当离心机工作结束时,要进行全排渣。全排渣中,预注水阀和开启水 阀同时打开 10s,活动滑塞盘降到底,10s 过后,排渣结束,关闭水阀再打 开 20s 进行密封,此过程中冲洗阀一直打开,直至全排渣结束一段时间后。 (6)工作过程中时间参数均可通过人机界面进行设定和修改。 (7)启动过程中,为了防止涡轮离合器中油温过高,在启动期间会加注冷 却水,冷却水电磁阀周期动作,时间有启动延时设定。 (8)启动结束后,关闭水阀打开 20s,转鼓密封,滑动活塞盘被托起。 (9)排渣周期中,为了防止没有足够的水托起滑动活塞盘,所以要定期打 开关闭水阀来补水,关闭水阀打开 1s,关闭 120s,排渣周期由时间设定。 (10)经过离心机工作一段时间后,为了保证离心机正常有效的工作,要行

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排渣。部分排渣,关闭水阀打开 20s,经过 2s 后气动阀和开启水阀同时打开 1s,滑动活塞盘降下,此过程中冲洗阀一直打开,直至部分排渣结束一段时 间后。排渣周期与部分排渣往复循环。 (11)当离心机工作结束时,要进行全排渣。全排渣中,预注水阀和开启水 阀同时打开 10s,活动滑塞盘降到底,10s 过后,排渣结束,关闭水阀再打 开 20s 进行密封,此过程中冲洗阀一直打开,直至全排渣结束一段时间后。

4.2 I/O 地址分配
根据现场控制要求,根据开关量的控制需求,确定PLC的 I/O 地址分配。 根据输入输出需要,确定输入与输出开关量的控制。输入信号点数需要六个,显 然, 电机的启动与停止控制按钮需要两个点、离心机的部分排渣和全部排渣两种 工作方式需要两个点、 为了确定电机的正常运转, 设置电动机中的自锁触点KM1 和KM2,起到电机启动的保护作用。信号输出点数需要十一个,包括电机的的 启动与运行两个点, 离心机的开启与关闭两个状态显示,六个电磁阀的动作控制 六个点,报警装置一个点。模拟量的输入与控制需要三条地址线,分别是转速的 测量值、电流的测量值和振动测量值。输入输出地址分配如表4-1。
表 4-1 输入输出地址分配表 输入信号 地址 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 功能说明 启动按钮 停止按钮 全排渣按钮 部分排渣按钮 电机启动触点 KM1 地址 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.5 Q0.6 输出信号 功能说明 启动指示 电机启动 电机运行 报警装置 冷却水阀

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续表 4-1 输入信号 电机运行触点 KM2 模拟信号 RA 模拟信号 RB 模拟信号 RD 转速测量值 电流测量值 振动测量值 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 输出 关闭水阀 预注水阀 开启水阀 冲洗阀 气动阀 停止指示

4.3 控制系统控制方式的确定
为保证控制系统可靠、安全地运行,该控制系统具有两种控制方式:1)自 动控制方式,通过一体化 PLC 的程序自动控制现场离心机电磁阀动作;2)手动 控制方式,在控制箱盘面上设有手/自动切换开关,当由自动切换到手动控制方 式时,可通过盘面上的控制按钮手动控制离心机工作的所有电磁阀开或关。PLC 不能正常完成自动控制功能时,通过人工手动控制,离心机仍然能够正常工作。

4.4 三相异步电机的启动程序设计
I0.0 启动按钮,中继 M0.1 置 1。 (网络 2 初始化中实现) 中继 M0.1 动作电机启动,中继 M0.2 动作电机运行,VW16 代表启动延时。 按下启动按钮 SB1,KM1 闭合,电机启动状态,接着启动延时(T37) ,定 时结束后动作 Q0.2,等待 KM2 闭合,进入运行等待状态,设计三相异步电机的 启动程序如图 4.2 所示。

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图 4.2 三相异步电机的启动程序

4.5 启动过程中指示灯的控制程序设计
M1.6 动作触摸屏上的指示灯。 启动过程中,启动指示灯 0.8s 亮,0.8s 暗,间歇闪烁,待到运行状态时,启 动指示灯亮,设计启动过程中指示灯的控制程序如图 4.3 所示。

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图 4.3 启动过程中指示灯的控制程序

4.6 冷却水阀的控制程序设计
电机启动过程中,冷却水阀周期动作,动作 5s,关闭 15s,直至电机进入运 行状态为止,设计的冷却水阀的控制程序如图 4.4 所示。

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图 4.4 冷却水阀的控制程序

4.7 关闭水阀的控制程序设计
关闭水的控制分为两部分, 在排渣周期中的周期性补水和在排渣子程序中的 动作,分开来编写。 在排渣周期中的周期性补水过程中关闭水阀设计控制程序一, 设计的关闭水 阀的控制程序如图 4.5 所示。 中继 M0.2 动作电机运行,中继 M1.5 动作触摸屏密封指示灯。 在电机启动之后,电机切换到运行状态,先进行密封。电机运行触点 KM2 闭合,电机正常运行,关闭水阀动作 20s,之后自动进入排渣周期,排渣子 程的调用。 在排渣子程序中的关闭水阀过程设计控制程序二, 设计的冷却水阀的控制程 序如图 4-6 所示。 M0.3 动作排渣周期,M0.4 动作部分排渣,M1.2 动作全排渣,M0.6 动作关 闭水电磁阀,VW10 表示排渣周期中,密封阀周期动作次数。 排渣过程中,排渣周期时,根据设置的补水次数关闭水周期动作补水,补水 1s,关闭 120s。

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图 4.5 关闭水阀的控制程序一

图 4.6 冷却水阀的控制程序设计二
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4.8 部分排渣过程控制程序设计
设计的部分排渣过程控制程序如图 4.7 所示,M2.0 动作手动按钮,M0.3 动 作排渣周期,M0.4 动作部分排渣,M1.2 动作全排渣,M0.5 动作触摸屏指示灯, M0.4 动作关闭水阀,M0.7 动作预注水阀。 部分排渣过程,设计的部分排渣过程控制脉冲图如图 4.8 所示。排渣补水周 期结束之后、按下部分排渣按钮、或者触下触摸屏上部分排渣按钮,启动部分排 渣,关闭水阀动作 20s,预注水阀动作 4s,经过 2s 气动阀和开启水阀同时打开 1s。

图 4.7 部分排渣过程控制程序

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M0.4 哦, 20S M0.7 4 S S 图 4.8 部分排渣过程控制脉冲图

4.9 全排渣过程控制程序设计
设计的全排渣过程控制程序脉冲图如图 4.11 所示, M0.3 动作排渣周期, M0.4 动作部分排渣,M1.2 动作全排渣,M1.1 动作气动阀和开启水阀,M1.7 动作手 动全排渣按钮,M1.3 动作预注水阀和开启水阀,M1.4 动作关闭水阀。 全排渣过程,在部分排渣 M0.4 无动作时,按下全排按钮或手动按钮 M1.7, 全排渣中,预注水阀和开启水阀同时打开 10s,然后关闭水阀动作 20s。设计的 全排渣过程控制程序如图 4.9,4.10 所示

图 4.9 全排渣过程控制程序图一

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图 4.10 全排渣过程控制程序图二

M1.2

30S

M1.4

20S

M1.3

10S

图 4.11 全排渣过程控制程序脉冲图

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4.10 冲洗阀的控制程序设计
设计的冲洗阀的控制程序如图 4.12 所示,M1.0 动作冲洗水阀,VW12 表示 冲洗时间。 在 M0.3 排渣周期中全排渣 M1.2 或部分排渣 M0.4 过程中开启, 冲洗时间过 后关闭冲洗水阀。

图 4.12 冲洗阀的控制程序图

4.11 主程序中电磁阀的控制程序设计
设计的主程序中电磁阀的控制程序如图 4.13 所示,密封阀开启条件(网络 15)是 M0.3 排渣中 M0.6 动作时、M0.4 部分排渣时、M1.4 全排渣时、M1.5 密 封时。 冲洗阀的开启条件(网络 16)是排渣中 M1.0 动作时。 预注水阀动作条件 (网络 17) 是部分排渣中 M0.7 动作时或者全排渣中 M1.3 动作时。

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开启水阀动作条件 (网络 18) 是部分排渣中 M1.1 动作时或者全排渣中 M1.3 动作时。 气动阀动作条件(网络 19)是部分排渣中 M1.1 动作时。

图 4.13 主程序中电磁阀的控制程序图

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4.12 转速停车的控制程序设计
设计的转速停车的控制程序如图 4.14 所示,M4.2 转速超高停车允许,M3.6 转速超高停车,M3.7 转速过低报警,Alw1 为转速采集传输的数据,VD184 是转 速上限值,VD200 是转速下限值。

图 4.14 转速停车的控制程序图

4.13 电流延时报警程序的设计
设计的电流延时报警程序如图 4.15 所示, M0.2 电机运行中继, M4.0 电流延 时报警,M2.6 电流延时报警允许,VD204 设定电机电流。

图 4.15 电流延时报警程序

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4.14 振动停车的控制程序设计
设计的振动停车的控制程序如图 4.16 所示, M2.5 振动报警, M4.3 振动停车 允许,M4.1 振动停车,VD208 振动设置。

图 4.16 振动停车的控制程序图

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总 结

本设计主要以 PLC 为核心,利用 PLC 强大的控制功能,实现了利用可编程 控制器控制电梯的功能。 梯形图程序在模拟调试时可以非常直观的展现出碟片式 离心机的运行过程。在调试过程中,本设计充分发挥了 PLC 接线简单、编程直 观等台电。 调试结果表明, 在适应性、 精确性和可靠性方面, 达到了设计的要求, 表明该设计方案是可行的。 通过这次的设计,我学到很多东西,在工作上也得到了提高。并且,可编程 对控制器有了进一步的了解。我选择这个设计,对以前学习的 PLC 有了更加深 刻的记忆。在进行毕业设计的过程中,各位老师和同学给了我很大的帮助,非常感 谢他们。

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致 谢
首先,我要感谢我的导师陈,她严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、 学习中的榜样, 给了起到了指明灯的作用; 她循循善诱的教导和不拘一格的思路 给予我无尽的启迪, 让我很快就感受到了设计的快乐并融入其中。其次我要感谢 同组同学对我的帮助和指点, 没有他们的帮助和提供资料,没有他们的鼓励和加 油,这次毕业设计就不会如此的顺利进行。 此次毕业设计历时三个月, 是我大学学习中遇到过的时段最长、涉及内容最 广、 工作量最大的一次设计。 用老师的一句话概括就是这次毕业设计相当如是把 以前的小课程设计综合在一起的过程, 只要把握住每个小课设的精华、 环环紧扣、 增强逻辑, 那么这次的任务也就不难了。虽说老师说的话让此次的毕业设计看起 来不是那么的可怕,但是当我真的开始着手时,还的确是困难重重。 俗话说的好, “磨刀不误砍柴工” ,当每次遇到不懂得问题时,我都会第一时 间记在本子上面, 然后等答疑的时候问陈老师,老师对于我提出来的问题都一一 解答, 从来都不会因为我的问题稍过简单加以责备,而是一再的告诫我做设计该 注意的地方, 从课题的选择到项目的最终完成,老师都始终给予我细心的指导和 不懈的支持,她真正起到了“传道授业解惑疑”的作用,让人油然而生的敬佩。 除此之外,我们组和老师还有另外两个交流途径:打电话和邮件,为此老师还特 意建立一个群, 以便大家第一时间接收到毕业设计的最新消息和资料,每次大家 都在群不亦乐乎的讨论着毕业设计的事情。多少个日日夜夜,老师不仅在学业上 给我以精心指导,同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀,除了敬佩老师 的专业水平外,她的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样,并将积 极影响我今后的学习和工作。在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在论文即将完成之际, 我的心情无法平静,从开始进入课题到论文的顺利完 成,有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助,在这里请接受我诚挚的 谢意! 最后我还要感谢我的母校青岛理工大学四年来对我的栽培。

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参考文献
[1] 廖常初﹒PLC 基础及应用﹒北京:机械工业出版社,2003 [2] 张万忠. 刘明芹﹒电器与 PLC 控制技术﹒北京:化学工业出版社,2003 [3] 汪晓光. 孙晓瑛﹒可编程控制器原理及应用﹒第二版﹒北京:机械工业出版社,2004 [4] 张进秋. 陈永利﹒可编程控制器原理及应用实例﹒北京:机械工业出版社,2004 [5] 吴亦锋﹒可编程序控制器原理与应用速成﹒福州:福建科学技术出版社,2004 [6] 李树雄﹒可编程序控制器原理及应用教程﹒北京:北京航空航天大学出版社,2003 [7] 殷洪义.可编程序控制器选择设计与维护﹒北京:机械工业出版社,2004 [8] 廖常初﹒以转换为中心的 PLC 顺序控制﹒电气时代,2004 [9] 王丽华. 周锋、扬世凤﹒基于 PLC 的电梯实时故障监测系统﹒电气传动,2004 [10] 罗雪莲﹒交流双速电梯 PLC 控制﹒机电一体化,2001 [11]Douglas M Bryce.Introduction to PLC programming.New York:Mechanical intustry press, 2004 [12]Chambrers T. L .Examples of application of PLC .Chicago: The university of Chicago press,2001

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附录 1 外文原文 Friction , Lubrication of Bearing

In many of the problem thus far , the student has been asked to disregard or neglect friction . Actually , friction is present to some degree whenever two parts are in contact and move on each other. The term friction refers to the resistance of two or more parts to movement. Friction is harmful or valuable depending upon where it occurs. friction is

necessary for fastening devices such as screws and rivets which depend upon friction to hold the fastener and the parts together. Belt drivers, brakes, and tires are additional applications where friction is necessary. The friction of moving parts in a machine is harmful because it reduces the mechanical advantage of the device. The heat produced by friction is lost energy

because no work takes place. Also , greater power is required to overcome the increased friction. Heat is destructive in that it causes expansion. Expansion may cause a bearing or sliding surface to fit tighter. If a great enough pressure builds up because made from low temperature materials may melt. There are three types of friction which must be overcome in moving parts: (1)starting, (2)sliding, and(3)rolling. Starting friction is the friction between two solids that tend to resist movement. When two parts are at a state of rest, the surface irregularities of both parts tend to interlock and form a wedging action. To produce motion in these parts, the wedge-shaped peaks and valleys of the stationary surfaces must be made to slide out and over each other. The rougher the two surfaces, the greater is starting friction resulting from their movement . Since there is usually no fixed pattern between the peaks and valleys of two mating parts, the irregularities do not interlock once the parts are in motion but slide over each other. The friction of the two surfaces is known as sliding friction. As shown in figure ,starting friction is always greater than sliding friction . Rolling friction occurs when roller devces are subjected to tremendous stress
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which cause the parts to change shape or deform. Under these conditions, the material in front of a roller tends to pile up and forces the object to roll slightly uphill. This changing of shape , known as deformation, causes a movement of molecules. As a result ,heat is produced from the added energy required to keep the parts turning and overcome friction. The friction caused by the wedging action of surface irregularities can be overcome partly by the precision machining of the surfaces. However, even these smooth surfaces may require the use of a substance between them to reduce the friction still more. This substance is usually a lubricant which provides a fine, thin oil film. The film keeps the surfaces apart and prevents the cohesive forces of the surfaces from coming in close contact and producing heat . Another way to reduce friction is to use different materials for the bearing surfaces and rotating parts. This explains why bronze bearings, soft alloys, and copper and tin iolite bearings are used with both soft and hardened steel shaft. The iolite bearing is porous. Thus, when the bearing is dipped in oil, capillary action carries the oil through the spaces of the bearing. This type of bearing carries its own lubricant to the points where the pressures are the greatest. Moving parts are lubricated to reduce friction, wear, and heat. The most commonly used lubricants are oils, greases, and graphite compounds. Each lubricant serves a different purpose. The conditions under which two moving surfaces are to work determine the type of lubricant to be used and the system selected for distributing the lubricant. On slow moving parts with a minimum of pressure, an oil groove is usually sufficient to distribute the required quantity of lubricant to the surfaces moving on each other . A second common method of lubrication is the splash system in which parts moving in a reservoir of lubricant pick up sufficient oil which is then distributed to all moving parts during each cycle. This system is used in the crankcase of lawn-mower engines to lubricate the crankshaft, connecting rod ,and parts of the piston. A lubrication system commonly used in industrial plants is the pressure system.
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In this system, a pump on a machine carries the lubricant to all of the bearing surfaces at a constant rate and quantity. There are numerous other systems of lubrication and a considerable number of lubricants available for any given set of operating conditions. Modern industry pays greater attention to the use of the proper lubricants than at previous time because of the increased speeds, pressures, and operating demands placed on equipment and devices. Although one of the main purposes of lubrication is reduce friction, any substance-liquid , solid , or gaseous-capable of controlling friction and wear between sliding surfaces can be classed as a lubricant.

Varieties of lubrication
Unlubricated sliding. Metals that have been carefully treated to remove all foreign materials seize and weld to one another when slid together. In the absence of such a high degree of cleanliness, adsorbed gases, water vapor ,oxides, and contaminants reduce frictio9n and the tendency to seize but usually result in severe wear; this is called “unlubricated ”or dry sliding. Fluid-film lubrication. Interposing a fluid film that completely separates the sliding surfaces results in fluid-film lubrication. The fluid may be introduced intentionally as the oil in the main bearing of an automobile, or unintentionally, as in the case of water between a smooth tuber tire and a wet pavement. Although the fluid is usually a liquid such as oil, water, and a wide range of other materials, it may also be a gas. The gas most commonly employed is air. Boundary lubrication. A condition that lies between unlubricated sliding and fluid-film lubrication is referred to as boundary lubrication, also defined as that condition of lubrication in which the friction between surfaces is determined by the properties of the surfaces and properties of the lubricant other than viscosity. Boundary lubrication encompasses a significant portion of lubrication phenomena and commonly occurs during the starting and stopping off machines.
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Solid lubrication. Solid such as graphite and molybdenum disulfide are widely used when normal lubricants do not possess sufficient resistance to load or temperature extremes. But lubricants need not take only such familiar forms as fats, powders, and gases; even some metals commonly serve as sliding surfaces in some sophisticated machines.

Function of lubricants
Although a lubricant primarily controls friction and ordinarily does perform numerous other functions, which vary with the application and usually are interrelated . Friction control. The amount and character of the lubricant made available to sliding surfaces have a profound effect upon the friction that is encountered. For example, disregarding such related factors as heat and wear but considering friction alone between the same surfaces with on lubricant. Under fluid-film conditions, friction is encountered. In a great range of viscosities and thus can satisfy a broad spectrum of functional requirements. Under boundary lubrication conditions , the effect of viscosity on friction becomes less significant than the chemical nature of the lubricant. Wear control. wear occurs on lubricated surfaces by abrasion, corrosion ,and solid-to-solid contact wear by providing a film that increases the distance between the sliding surfaces ,thereby lessening the damage by abrasive contaminants and surface asperities. Temperature control. Lubricants assist in controlling corrosion of the surfaces themselves is twofold. When machinery is idle, the lubricant acts as a preservative. When machinery is in use, the lubricant controls corrosion by coating lubricated parts with a protective film that may contain additives to neutralize corrosive materials. The ability of a lubricant to control corrosion is directly relatly to the thickness of the lubricant film remaining on the metal surfaces and the chermical composition of the lubricant.

Other functions
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Lubrication are frequently used for purposes other than the reduction of friction. Some of these applications are described below. Power transmission. Lubricants are widely employed as hydraulic fluids in fluid transmission devices. Insulation. In specialized applications such as transformers and switchgear , lubricants with high dielectric constants acts as electrical insulators. For maximum insulating properties, a lubricant must be kept free of contaminants and water. Shock dampening. Lubricants act as shock-dampening fluids in energy transferring devices such as shock absorbers and around machine parts such as gears that are subjected to high intermittent loads. Sealing. Lubricating grease frequently performs the special function of forming a seal to retain lubricants or to exclude contaminants.

The object of lubrication is to reduce friction ,wear , and heating of machine pars which move relative to each other. A lubricant is any substance which, when inserted between the moving surfaces, accomplishes these purposes. Most lubricants are liquids(such as mineral oil, silicone fluids, and water),but they may be solid for use in dry bearings, greases for use in rolling element bearing, or gases(such as air) for use in gas bearings. The physical and chemical interaction between the lubricant and lubricating surfaces must be understood in order to provide the machine elements with satisfactory life. The understanding of boundary lubrication is normally attributed to hardy and doubleday , who found the extrememly thin films adhering to surfaces were often sufficient to assist relative sliding. They concluded that under such circumstances the chemical composition of fluid is important, and they introduced the term “boundary lubrication”. Boundary lubrication is at the opposite end of the spectrum from hydrodynamic lubrication. Five distinct of forms of lubrication that may be defined :(a) hydrodynamic; (b)hydrostatic;(c)elastohydrodynamic (d)boundary; (e)solid film. Hydrodynamic lubrication means that the load-carrying surfaces of the bearing are separated by a relatively thick film of lubricant, so as to prevent metal contact, and
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that the stability thus obtained can be explained by the laws of the lubricant under pressure ,though it may be; but it does require the existence of an adequate supply at all times. The film pressure is created by the moving surfaces itself pulling the lubricant under pressure, though it maybe. The film pressure is created by the moving surface to creat the pressure necessary to separate the surfaces against the load on the bearing . hydrodynamic lubrication is also called full film ,or fluid lubrication . Hydrostatic lubrication is obtained by introducing the lubricant ,which is

sometime air or water ,into the load-bearing area at a pressure high enough to separate the surface with a relatively thick film of lubricant. So ,unlike hydrodynanmic lubrication, motion of one surface relative to another is not required . Elasohydrodynamic lubrication is the phenomenon that occurs when a lubricant is introduced between surfaces which are in rolling contact, such as mating gears or rolling bearings. The mathematical explanation requires the hertzian theory of contact stress and fluid mechanics. When bearing must be operated at exetreme temperatures, a solid film lubricant such as graphite or molybdenum disulfide must be use used because the ordinary mineral oils are not satisfactory. Must research is currently being carried out in an effort, too, to find composite bearing materials with low wear rates as well as small frictional coefficients. In a journal bearing, a shaft rotates or oscillates within the bearing , and the relative motion is sliding . in an antifriction bearing, the main relative motion is

rolling . a follower may either roll or slide on the cam. Gear teeth mate with each other by a combination of rolling and sliding . pistions slide within their cylinders.

All these applications require lubrication to reduce friction ,wear, and heating. The field of application for journal bearing s is immense. The crankshaft and connecting rod bearings of an automotive engine must poerate for thousands of miles at high temperatures and under varying load conditions . the journal bearings used in the steam turbines of power generating station is said to have reliabilities approaching 100 percent. At the other extreme there are thousands of applications in which the loads are light and the service relatively unimportant. a simple ,easily installed
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bearing is required ,suing little or no lubrication. In such cases an antifriction bearing might be a poor answer because because of the cost, the close ,the radial space required ,or the increased inertial effects. Recent metallurgy developments in bearing materials , combined with increased knowledge of the lubrication process, now make it possible to design journal bearings with satisfactory lives and very good reliabilities.

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附录 2 中文翻译 轴承的摩擦与润滑
现在看来,有很多这种情况,许多学生在被问到关于摩擦的问题时,往往都 没引起足够的重视,甚至是忽视它。实际上,摩擦从某种程度上说,存在于任何 两个相接 触并有相对运动趋势的部件之间。而摩擦这个词,本身就意味着,两 个或两个以上部件的阻止相对运动趋势。 在一个机器中,运动部件的摩擦是有害的,因为它降低了机械对能量的充 分利用。由它引起的热能是一种浪费的能 量。因为不能用它做任何事情。还有, 它还需要更大的动力来克服这种不断增大的摩擦。热能是有破坏性的。因为它产 生了膨胀。而膨胀可以使得轴承或滑 动表面之间的配合更紧密。如果因为膨胀 导致了一个足够大的积压力,那么,这个轴承就可能会卡死或密封死。另外,随 着温度的升高,如果不是耐高温材料制造的轴承,就可能会损坏甚至融化。 在运动部件之间会发生很多摩擦,如 1.启动摩擦 2.滑动摩擦 3.转动摩擦。 启动摩擦是两个固体之间产生的倾向于组织其相对运动趋势的摩擦。 当两个 固体处于静止状态时,这两个零件表面的不平度 倾向于相互嵌入,形成楔入作 用,为了使这些部件“动”起来。这些静止部件的凹谷和尖峰必须整理光滑,而且 能相互抵消。 这两个表面之间越不光滑, 由运动造成的启动摩擦 (最大静摩擦力) 就会越大。 因为,通常来说,在两个相互配合的部件之间,其表面不平度没有固定的图 形。一旦运动部件运动起来,便有了规律可循,滑动就可以实现这一点。两个运 动部件之间的摩擦就叫做滑动摩擦。启动摩擦通常都稍大于滑动摩擦。 转动摩擦一般发生在转动部件和设备上,这些设备“抵触”极大的外作用力, 当然这种外力会导致部件的变形和性能的改变。在这种情况下,转动件的材料趋 向于堆积并且强迫运动部件缓慢运动,这种改变就是通常所说的形变。可以使分

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子运动。当然,最终的结果是,这种额外的能量产生了热能,这是必需的。因为 它可以保证运动部件的运动和克服摩擦力。 由运动部件的表面不平度的楔入作用引起的摩擦可以被部分的克服, 那就需 要靠两表面之间的润滑。 但是, 即使是非常光滑的两个表面之间也可能需要一种 物质,这种物质就是通常所说的润滑剂,它可以提供一个比较好的、比较薄的油 膜。这个油膜使两个表面分离,并且组织运动部件的两个表面的相互潜入,以免 产生热量使两表面膨胀,又引起更近的接触。 减小摩擦的另一种方式是用不同的材料制造轴承和转动零件。 可以拿黄铜轴 承、 铝合金和含油轴承合金做例子进行解释。也就是说用软的或硬的金属组成表 面。含油轴承合金是软的。这样当轴承在油中浸泡过以后,因为毛细管的作用, 将由带到轴承的各个表面。这种类型的轴承把它的润滑剂带到应力最大的部位。 对运动部件润滑以减小摩擦,应力和热量,最常用的是油、脂、还有合成剂。 每一种润滑剂都有其各自不同的功能和用途。 两个运动部件之间的运动情况决定 了润滑剂的类型的选择。润滑剂的分布也决定了系统的选择。 在低速度运动的部件, 一个油沟足以将所需要的数量的润滑剂送到相互运动 的表面。 第二种通用的润滑方法是飞溅润滑系统, 在每个周期内这个系统内一些零件 经过润滑剂存储的位置, 带起足够的润滑油, 然后将其散布到所有的运动零件上。 这种系统用于草坪修剪机中发动机的曲轴箱,对曲轴、连杆和活塞等零件进行润 滑。 在工业装置中,常用的有一种润滑系统是压力系统。这种系统中,一个机器 上的一个泵, 可以将润滑剂带到所有的轴承表面。并且以一种连续的固定的速度 和数量。 关于润滑,还有许多其他的系统,针对各种类型的润滑剂,对不同类型的运 动零件是有效的。由于设备或装置的速度、压力和工作要求的提高,现代工业比 以前任何时候都更注重选用适当的润滑剂。 尽管润滑的主要目的之一是为了减小摩擦力, 任何可以控制两个滑动表面之 间摩擦和磨损的物质,不管是液体还是固体或气体,都可以归类于润滑剂。

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润滑的种类
无润滑滑动。经过精心处理的、去除了所有外来物质的金属在相互滑动时会 粘附或熔接到一起。当达不到这么高的纯净度时,吸附在表面的气体、水蒸气、 氧化物和污染物就会降低摩擦力并减小粘附的趋势,但通常会产生严重的磨损, 这种现象被称为“无润滑”摩擦或者叫做干摩擦。 流体膜润滑。在滑动面之间引入一层流体膜,把滑动表面完全隔离开,就产 生了流体膜润滑。这种流体可能是有意引入的。例如汽车主轴承中的润滑油;也 可能是无意中引入的, 例如在光滑的橡胶轮胎和潮湿的路面之间的水。尽管流体 通常是油、水和其他很多种类的液体,它可以是气体。最常用的气体是空气。 为了把零件隔离开,润滑膜中的压力必须和作用在滑动面上的负荷保持平 衡。如果润滑膜中的压力是由外源提供的,这种系统称为流体静压润滑。如果滑 动表面之间的压力是由于滑动面本身的形状和运动所共同产生的, 这种系统就称 为流体动压力润滑。 边界润滑。处于无润滑滑动和流体膜润滑之间的润滑被称为边界润滑。它可 以被定为这样一种润滑状态, 在这种状态中,表面之间的摩擦力取决于表面的性 质和润滑剂中的其他性质。 边界润滑包括大部分润滑现象,通常在机器的启动和 停止时出现。 固体润滑。当普通润滑剂没有足够的承受能力或者不能在温度极限下工作 时,石墨和二硫化钼这一类固体润滑剂得到广泛应用。但润滑剂不仅仅以脂肪、 粉末和油脂这样一些为人们所熟悉的形态出现,在一些精密的机器中,金属也通 常作为滑动面。

润滑剂的作用
尽管润滑剂主要是用来控制摩擦和磨损的, 它们能够而且通常也确实起到许 多其他的作用,这些作用随其用途不同而不同,但通常相互之间是有关系的。 控制摩擦力。 滑动面之间润滑剂的数量和性质对所产生的摩擦力有很大的 影响。例如,不考虑热和磨损这些相关因素,只考虑两个油膜润滑表面见的摩擦 力,它能比两个同样表面,但没有润滑时小 200 倍。在流体润滑状况时,摩擦力 与流体黏度成正比。一些诸如石油衍生物这类润滑剂,可以有很多黏度,因此能 够满足范围宽广的功能要求。 在边界润滑状态,润滑剂黏度对摩擦力的影响不象
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其化学性质的影响那么显著。 磨损控制。磨蚀、腐蚀与固体和固体之间的接触就会造成磨损。适当的润滑 剂将能帮助克服上述提到的一些磨损现象。 润滑剂通过润滑膜来增加滑动面之间 的距离,从而减轻磨料污染物和表面不平度造成的损伤,因此,减轻了磨损和由 固体与固体之间接触造成的磨损。 控制温度。 润滑剂通过减小摩擦和将产生的热量带走来降低温度。其效果取 决于润滑剂的用量和外部冷却措施。 冷却剂的种类也会在较小的程度上影响表面 的温度。 控制腐蚀。润滑剂在控制表面腐蚀方面有双重作用。当机器闲置不工作时, 润滑剂起到防腐剂的作用。 当机器工作时,润滑剂通过给被润滑零件涂上一层可 能含有添加剂, 能使腐蚀性材料中和的保护膜来控制腐蚀。润滑剂控制腐蚀的能 力与润滑剂保留在金属表面的润滑膜的厚度和润滑剂的化学成分有直接的关系。

其他作用
除了减小摩擦外,润滑剂还经常有其他的用途。其中的一些用途如下所述。 传递动力。润滑剂被广泛用来作为液压传动中的工作液体。 绝缘。在象变压器和配电装置这些特殊用途中,具有很高介电常数的润滑剂 起电绝缘材料的作用。 为了获得最高绝缘性能,润滑剂中不能含有任何杂质和水 分。 减振。 在象减振器这样的能量传递装置中和在承受很高的间隙载荷的齿轮这 样的机器零件的周围,润滑剂被作为减振液使用。 密封。润滑脂通常还有一个特殊作用,就是形成密封层以防止润滑剂外泻和 污染物进入。 润滑的目的就是为了,减小摩擦力,降低能量损耗,减少机器的热量产生。 热量就是因为表面的相互间的相对运动造成的。润滑剂可以是任何一种物质,这 样的物质被填充到发生相对运动的两个表面之间,实现这一目的。大部分的润滑 剂是液体,比如说,油,脂,合成剂等。但它们有时也可能是固体,用在干轴承 上,有的用在旋转基体的轴承上,或者也可能是气体,如空气等,它是用在空气 轴承上。 在润滑剂和润滑表面之间这种化学的和物质的相互渗入作用,就是为了 提供给机器一个良好的工作状态。

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对润滑剂边界的理解,往往是比较硬的,而且是流动的、非常薄的一层帖附 在被润滑的表面。这些表面通常是要发生相对滑动。有些人推断,按这种理解, 液体的这种化学合成是十分重要的,它们提出了这样的词“边界润滑”,边界润滑 是和流体润滑相对的另一种润滑。 关于润滑的五种不同的润滑形式主要有: (1)无润滑润滑剂。 (2)流体膜润滑。 (3)干润滑。 (4)边界润滑。 (5)固体润滑。 无润滑润滑剂是指轴承的工作表面被一种相对比较厚的液体润滑剂分隔开, 于是阻止了金属表面的直接接触, 这样得到的这种稳定性就可以用一种理论来解 释:润滑液在外压力下工作的理论,尽管这只是一种可能。但确实需要在任何时 候都得提供的足够充分。 这种挤压力是运动表面本身施加给润滑剂而产生的,当 然这仍然是一种可能。 这种由运动表面产生的挤压力产生了必要的压力来分隔工 作表面来抵抗加在轴承上的载荷。所以,这种润滑也可以被叫做液体润滑。 还有一种润滑方式,那是一种特别的润滑剂,它有时是空气或水,当加在轴 承上的外载荷足够高时, 它就会以一种比较厚的状态分隔开相互相对运动的工作 表面。所以,不像上面的那种润滑方式,并不需要两种工作表面一定发生相对运 动。 第三种润滑方式是一种现象,这种现象是,一种润滑剂是用在发生相对转动 的工作表面之间。 比如说齿轮或者是滚动轴承。从数学上的解释就需要接触压力 和流体机械的理论。 当轴承不得不在较高的温度下工作的时候,固体润滑剂例如合成物等,必须 被使用,因为通常使用的润滑油在这种情况下都不能工作。目前,在这方面的研 究正在实施, 为了寻找到合成轴承的材料, 并且有低损耗和小的热量产生的性能。 在有的轴承上,摇杆旋转或在轴承上转动,相对运动就是滑动。在一个自锁 的轴承装置中,这种相对运动就是转动。其他的装置也可能是旋转或滑动。齿轮 的齿啮合是转动与相对滑动的合成。活塞是相对于刚体的滑动,所有的这些应用

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都需要润滑剂来减小摩擦,降低能耗,减少热量的产生。 在有些轴承的应用领域是不太成熟的。有些有连接杆的轴承,比如说汽车发 动机上的, 必须在几千度高的高温下和各种不同性质的载荷下工作。这种轴承用 在汽轮发动设备上可以说是稳定性接近 100%。还有另一种极端的情况,在有些 轴承有几千种应用,应对各种不同的载荷。其他的辅助设施就相对不重要了。需 要的是一个简单的、容易安装的轴承。需要很少的甚至是不需要润滑剂。在这种 情况下,有的轴承并不是最好的选择,因为成本和相近的公差。最近在轴承材料 上的研究已有了一定的突破。 随着对润滑的研究的知识的积累,设计出有良好工 作状况和较高的稳定性的轴承已不是很遥远了。

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