四翼自动旋转门机电系统设计含有全套CAD图纸.docx

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四翼自动旋转门机电系统设计含有全套CAD图纸

四翼自动旋转门机电系统设计（含有全套CAD图纸）

优秀设计

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第1章绪论

1.1引言

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。

1.2旋转门的优缺点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。

在经济飞速发展的中国,在我们高楼耸立的大都市,在大厦、宾馆、酒店、银行、商场和写字楼,自动旋转门已经是随处可见。

自动门不但能给我们带来人员进出方便、节约空调能源、防风、防尘、降低噪音等好处,更令我们的大门增添了不少高贵典雅的气息。

同时,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。

旋转门的市场前景将越来越大。

但是旋转门也存在着缺点,第一它适用范围有一定的局限性,它只能应用在一些高档场合.第二如果控制系统设计不完善,可能出现伤人事件.。

1.3自动旋转门的发展

1.3.1国外旋转门发展的状况

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提供了完美的选择。

国外自动旋转门发展较早,其技术成熟。

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,当出现异常时,可准确传回故障信息。

1.3.2我国旋转门技术的发展状况

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。

上海康育、广州盛维、青岛福田等。

以京跃公司的产品为例,国内自动旋转门在控制系统方面已有较大的发展,技术也趋于成熟主控部分基本可实现自主生产设计。

但就节能方面的设计仍存在较多问题,如旋转速度的调节和温控系统设计等。

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,目前国内四翼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。

1.4旋转门的分类

1.4.1旋转门的基本类型

自稳定性自动旋转门三翼和四翼旋转门轴通过轴承机构垂直安装于地面,三个或四个门翼呈发散式固定在中心门轴上,各门扇之间的角度相等,人在内扇之间推动（按顺时针）门扇,就成为一个手动旋转门。

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,就成为自动旋转门。

图1.1自稳定性自动旋转门

悬挂式自动旋转门（两翼旋转门）为进一步扩大旋转门人员流量,扩大旋转门门扇之间的距离,可以考虑将旋转门的门扇数量减为两个。

中心门轴结构难以实现两翼旋转门的紧急打开功能。

于是两翼旋转门采用了上部圆周导轨悬挂整个门体的设计,以一个或两个电机驱动。

图1.2悬挂式自动旋转门

全玻璃自动旋转门从结构上看,全玻璃自动旋转门与自稳定性自动旋转门一样。

也分三翼和四翼两种。

也是地面支撑的稳定性结构。

所不同的是,驱动装置埋在地下。

上部和下部各有一个连接门扇的金属盘,金属盘上有固定门扇的门夹,门扇玻璃在中间直接相结合,省略了中心门轴,极大地提高了门轴的通透性。

图1.3全玻璃自动旋转门

1.4.2旋转门具体方案的确定

在选择了旋转门的类型后,本设计还必须确定其设计的具体方案。

通过查阅大量的资料,本设计出以下几种方案:

第一个方案:

采用立柱式的旋转门,控制系统采用单片机控制。

第二个方案:

采用悬挂式的旋转门,控制系统采用PLC控制。

第三个方案:

采用中轴式的旋转门,控制系统采用PLC控制。

对于第一个方案由于采用立柱式的旋转门,它在修建的时候必须把立柱修好。

如果我们想改变一下旋转门的位置必须另外修建一个立柱。

控制系统采用单片机控制,它在大规模生产旋转门的情况下是非常实用的。

对于第二个方案由于使用了悬挂式的旋转门,故其旋转门的每个分隔可以容纳更多的人。

控制系统采用PLC控制,它适合于旋转门的小批量生产。

对于第三种方案由于采用了中轴式旋转门,故旋转门的每个分隔将可以容纳较少的人,控制系统采用PLC控制,它适合于旋转门的小批量生产。

由于设计的是一般的高档宾馆,其出入的人数比较少,并且要进行小批量的生产,故选用第三种方案,利用PLC控制。

第2章门体结构设计

本设计选择自稳定性自动旋转门的设计（四翼）由于本设计设计的是一般高档宾馆大门,故必须满足豪华、气派的要求,而旋转门刚好符合上述的条件。

但是旋转还分为几大类,由于高档宾馆的出入人数不是很多,故选择一般的自稳定性旋转门就满足其要求了。

并且它还具有稳定性、可靠性很高,使用寿命长的特点。

四翼自动旋转门的门体部分设计主要包括旋转门体部分设计和固定部分曲壁设计,旋转门体又包括中间旋转门扇和中轴。

其中旋转门扇都由铝型材框架和玻璃构成。

曲壁是构成旋转门体部分的旋转空间,由进出门口和四块弧形框玻璃构成。

根据文献可以确定四翼自动旋转门的尺寸,其具体尺寸如表2.1所示:

表2.1四翼旋转门尺寸表

门旋转直径E3600mm

门净高A2163mm

门总高B2633mm

门出入口尺寸C2427mm

门外径D3760mm

单扇门半径DW1005mm图2.1四翼旋转门结构尺寸图

2.1确定门扇材料

门扇主要包括门扇骨架的材料和门扇玻璃.根据相关门体标准,可按90系列的推门进行设计。

门扇骨架采用90系列推拉门专用铝型材,根据文献,确定门扇骨架铝型材具体选择如表2.2所示:

表2.290系列平开门铝型材

类型代号

光企L090704

勾企L090705

上横L090706

下横L090707

90系列铝型材的截面如图2.2所示:

（a）光企截面图（b）勾企截面图（c）上横截面图（d）下横截面图图2.290系列铝型材的截面

其它附加物体的,并且在上横、下横上安装的毛条与一般的平开门的安装方式是不由于90系列平开门与一般的旋转门是有区别的,旋转门是不用在勾企安装一样的,故我们旋转门的截面图都采用光企的截面图。

2.1.1确定门扇玻璃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。

参考其他相关产品的选择情况,可以选6mm的钢化透明玻璃2.1.2确定门扇的尺寸.

根据前面的总体设计可知,旋转门尺寸可按90系列的平开门的尺寸进行计算。

光企和勾起的长度为:

LA-2L'-h2.1

2200-2×25-20

2130mm

其中:

L为光企或勾企的长度,A门净高的高度,L'为门体上下所留的间隙,h为安装门扇扁钢的厚度。

上横和下横的宽度为:

BDW+L12.2

1005+64

1069mm

其中:

B为上横或下横的宽度,L1为门扇夹到金属盘内的距离。

而玻璃的长度为:

L1L-2×b1+2×h12.3

2130-2×64+2×12

2026mm

其中:

b1为铝合金截面的长度,h1为铝合金所夹玻璃的长度。

玻璃的宽度为:

B1B-2×b1+2×h12.4

1069-2×64+24

965mm

2.2曲壁部分设计

曲壁由8根角钢做为支撑体,每4根构成一边曲壁体。

角钢竖在水泥板上,进出口各布置1根,曲壁圆弧中间布置两根。

其中安装在圆弧中间的两根角钢是焊接在一起的。

曲壁由四块相同的圆弧玻璃组成。

2.2.1确定材料

由于曲壁上圆弧梁必须选用专用的铝型材,根据中国建材网选用6063专用弧形材,其截面如图2.4所示。

由于支撑架必须承受电机和华盖的重量,故支架的强度要求比较高。

根据文献选用的角钢。

其截面形式如图2.3所示。

图2.3角钢截面图图2.46063铝合金截面图

由于曲壁玻璃必须做成圆弧形,必须选用专用玻璃。

因此选用8mm弧形钢化玻璃。

2.2.2确定材料尺寸

根据表2.1查得四翼旋转门直径3600mm,门出入口尺寸C2427mm,故对应的圆心角为:

2arccosC/2//22arccos2427/2/3600/296度。

则两边曲壁各对应的圆心角应为:

2.5所以两边曲壁对应的弧长为:

2.6

则每扇曲壁的弧长为:

2.7

其中:

为角钢的厚度,为曲壁的弧长,r为四翼旋转门的半径。

确定玻璃尺寸:

每一扇玻璃的弧长:

2.8）

玻璃的高度为:

hA-2×h2-2×h32.92200-2×75-2×122026mm

其中:

A为门净高度,h2为6063铝合金的截面长度,h3为铝合金夹玻璃的长度。

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300mm.则角钢的高度可估算为:

h角A+300+l2.102200+300+2302730mm

其中:

A为门净高度,l为上下华盖的距离。

角钢与6063专用铝合金是靠螺钉连接的,同时它与上华盖也是靠螺钉连接的。

6063专用铝合金与下华盖也是通过螺钉连接的

2.3华盖的总体设计

华盖骨架是由上下两块钢板和穿过华盖的八根角钢组成。

它主要用来安装轴承、电机、控制装置等。

由于华盖要用来安装电机、轴承座等,重量比较大。

故选择的材料要求其强度比较高。

根据文献选择一般结构用热扎钢板。

其厚度为5毫米,长度为4000毫米,宽度为4000毫米。

上下各一张。

下华盖的设计:

由表2.1查得旋转门的外径为3760mm,故下面的钢板要做成一个直径为3760mm的一个圆。

中心轴要通过下华盖,故需要在钢板中心钻一个直径为170mm的孔。

与此同时角钢也要通过下华盖,还需要在钢板上加工八个槽。

其具体尺寸如图2.5所示。

上华盖的设计:

由于旋转门的外径为3760mm,故上面的钢板要做成一个直径为3760mm的一个圆。

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

图2.5下华盖图

来支撑电机的重量,则必须在钢板上打钢架。

钢架与钢板通过焊接连接。

由于电机的重量不大,故根据文献选择型号为8的热轧槽钢。

具体尺寸如图2.6所示。

图2.6上华盖图

2.4金属盘与轴承支座的设计

2.4.1金属盘的设计由表2.1查得旋转门直径3600mm,单扇门半径DW1005mm,故轴的直径D-2DW-h3600-2×1005-601530mm其中h为门扇与曲壁之间的间隙.但是实际上轴的尺寸不可能做得太大。

因为轴太大不利于安装和加工。

为了解决上述矛盾,我们需要设计一个金属盘,它一部分连接到轴上,一部分连接到门体上,这样就很好的解决了因轴太小而不能满足标准尺寸的要求。

其具体尺寸如图2.7所示。

图2.7金属盘尺寸图

为了让门体固定在金属盘上,需要使用两根扁钢,上下各一根。

扁钢的一部分与门体连接,另一部分与金属盘连接。

根据文献,选用宽为32,厚度为10的热扎扁钢。

2.4.2轴承座及防尘盖的设计

为了防止灰尘进入轴承,则必须在轴承座上面安装防尘盖,其具体尺寸如图2.10、2.11所示。

图2.8下防尘盖

图2.9上防尘盖旋转门没有固定轴承的地方,则需要设计轴承座来固定轴承。

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。

又由于轴承受到的轴向力比较大,故需要设计一个凸台,防止轴承的向下滑动,其具体的尺寸与结构如下图2.8、2.9所示

图2.10上轴承座图图2.11下轴承座图

2.5本章小结

本章内容为门体设计,既对门的基本几何形状设计。

从门款的选材到定型,再到门的相关零件的设计,使门的基本情况有了进一步的阐述。

门体选材为常见材料,大大的节约成本。

支撑部分结构简单,材料也选用热轧钢板,避免了加工精度的要求,是设计极可能的简单化。

第3章传动系统的设计

整个门体的传动系统由减速电机提供动力,减速电机通过一次减速后,再通过一对齿轮把动力传给轴,而金属盘将门扇与轴相连接,这样就实现了动力装置到执行装置的动力的传递过程。

3.1各扇门的质量计算

由于四翼旋转门的四扇成对称分布,其质量完全一样,所以计算一扇门的质量,再乘以四就是整个门体的质量。

由文献查得铝合金的线密度为0.836kg/m。

则每扇门框的质量为:

m1σl3.1σ2×L+2×B0.836×2×2.13+2×1.0695.35kg单扇门玻璃的质量:

m2V玻×ρ3.2

单扇门的质量:

mm1+m229.33+5.3534.68kg

其中:

σ为线密度,l为铝合金边框的总长度,B为铝合金边框的宽度,ρ为玻璃密度。

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:

由平行轴定理知,门扇相对于轴的转动惯量为:

（3.3）

其中:

L1为旋转门的中心到门扇的距离,R为门体总的长度。

旋转门体的最大转速为6r/min,则角速度。

由于传感器一般在2m范围内检测人的来临,当人迈进门边时,门体要加速到正常速度转动。

按照一般情况下,人走过两米需要的时间最小为2秒,但是此时间还要减去变频器、PLC、传感器等的滞后时间1.5秒。

所以电机的加速时间设为0.5秒。

在0.5s内加速到6m/min速度,则角加速度,由于电机要带动门体转动,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:

.则可以算出旋转门体的惯性力矩为:

3.43.3选择电机

根据机械设计中电机所需功率按下式计算:

3.5

由电动机至转动轴的传动总效率为:

3.6

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:

0.83

则可以计算出电机的功率:

由于一般电机输出的转速较大,一般在1500r/min左右。

门体的最大转速为才6m/min,故需要减速器进行减速。

减速电机既能提供动力,又能进行减速。

故选用减速电机提供动力。

根据相关要求,可以选用一个JXJ系列电机,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。

方案型号额定功率

KW转矩

N.m同步转速

（r/min满载转速总传动比齿轮传动比减速器动比

1JXJ0-11-0.550.5548.31500144024021.811

2JXJ1-43-0.550.551007150014402405.643

3JXJ1-59-0.550.55207.2150014402404.0759

由上面计算出所需电机功率为0.36kw。

但是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.因此特将计算出的功率放大一些.,应该选择电机功率在0.36kw以上的电动机才行。

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JXJ1-43-0.55摆线针轮减速器三相异步电机。

其具体参数如

表3.1电动机传动方案

图3.2所示。

表3.2电动机的参数

方案型号额定功率

KW转矩

N.m同步转速

（r/min满载转速总传动比齿轮传动比减速器动比

2JXJ1-43-0.550.551007150014402405.643

电动机主要外形见图3.1和安装尺寸见表3.3:

图3.1电动机外形图

表3.3电动安装尺寸（单位为毫米）

PEMn-dD2D3D4DbhB

49826-1016013411025831220

3.4齿轮的设计

3.4.1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。

四翼旋转门是一般工作机器,速度不高,故选用7级精度（GB10095-88）。

查文献,选择小齿轮材料为45Cr（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17,大齿轮齿数Z217×5.695.2,取96。

3.4.2按齿面接触强度设计

①确定公式内的各计算参数

由设计公式进行计算,即3.7

试选用载荷系数1.3。

计算小齿轮传递的转矩

根据表3.3查得转矩

由文献选取齿宽系数1。

由文献查得材料的弹性系数。

由文献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

3.8

3.9

由文献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S1,得

3.10

3.11

②计算试计算小齿轮的分度圆,代入[]中较小的值

3.12

58.6mm

计算圆周速度v

3.13

计算齿宽

由文献取1

1mm3.14

计算齿宽和齿高之比b/h

模数:

3.15

齿高:

3.163.17

计算载荷系数

根据v0.1m/s,7级精度,由文献查得动载系数Kv0.75;直齿轮,假设。

由文献查得

由文献查得两段的齿轮的使用系数,

由文献知精度、小齿轮相对支承对称布置时,

3.18

将数据代入后得由b/h7.6,1.41,查文献得1.41,则

按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径,由式可得

3.19

计算模数

3.20

3.4.3按齿根弯曲强度设计由资料资料查得齿形系数和应力修正系数为:

3.21由资料查得弯曲疲劳寿命系数:

;计算弯曲疲劳需用应力:

小齿轮弯曲疲劳强度极限,取弯曲疲劳安全系数S1.43.22计算圆周力:

3.23计算齿根弯曲应力:

3.243.25

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,可取按弯曲强度算得的模数2.43并就近圆整为标准值m2.5;按接触强度算得的分度圆直径,小齿轮齿数大齿轮齿数:

取Z2134.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。

3.4.4几何尺寸计算

计算分度圆直径

3.26

3.27

计算中心距

3.28

计算齿轮宽度

mm3.29

取。

计算齿轮的齿根高:

mm3.30

计算齿顶高:

mm3.31

验算

3.32

合适。

3.33

3.5轴与轴承的选择

3.5.1轴的尺寸确定

根据前面的齿轮的尺寸可以确定轴的外径为170mm,由于轴要安装齿轮和轴承,其精度要求比较高,故选择精密无缝钢管。

根据文献选择型号为5-170×5×3000倍-GB/T-1999精密无缝钢管。

厚度为8mm,密度为38.2kg/m。

图3.2轴的尺寸图

由于轴承还没有确定出来,但是轴的直径已知。

并且旋转轴在径向受力不大,主要受到轴向力的作用,故选择推力滚子轴承。

根据[5]预选推力滚子轴承,型号为29334。

其宽度为103mm.。

又由于齿轮与轴承必须留出一定的距离,安装套筒,一般选择为20mm。

同时齿轮的宽度为60mm,具体尺寸如图3.2所示。

轴的质量计算:

3.34

38.2×2.514

96kg

其中:

W为钢管的线密度（kg/m）,L为钢管的长度。

3.5.2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FrM/R100700/170/21184.7N.

轴向力的确定:

3.35

m钢管+4×m门体+m其他×10

96+4×34.68+10×10

2447.2N

设定工作时间为8年。

由于d170mm,按表6-2-80预选推力滚子轴承,型号为29334。

由于Fa/Fr2432.3/1184.70.49,故Fr〈0.55Fa

由文献知当量动载荷为3.36

1.2×1184.7+2432.3

3853.94N

查文献得:

fh0.73,fn1.435,fd1.1,fT0.9,fm1根据式Cfh×fd×fm/fn×fT×Pe3.370.723×1.1×1/1.435×0.9×3853.942373.2N

轴承Cr1878000N2373.2N合适。

3.5.3轴的校核

在确定轴承的支点位置时,应从手册中查取值。

对于推力调心滚子轴承,由文献查得a51.5mm。

因此,作简支梁的轴的支承跨距l2301mm。

根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图如图3.2所示。

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。

现将计算列于表3.3.

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。

根据文献取a0.6,轴的计算应力为:

3.38

17.04MPa

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。

根据前面已选定轴的材料为0Cr18Ni9,调质处理,由文献查得。

因此,故安全.

图3.2轴的弯扭组合图

表3.3轴的弯扭数据

载荷垂直面水平面

支反力

弯矩M

总弯矩

扭矩

3.6本章小结本章内容对自动旋转门机械传动部分进行了一系列的而设计。

旋转门的工作原理更加清晰。

门体转动惯量计算和门体质量计算为设计提供了理论依据。

电机选择则为门体提供了旋转动力。

电机选择的是减速电机,故齿轮设计十分重要。

轴的设计是为了使门体有一个强度很好的机构