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基于磁流變技術(shù)的電梯輔助安全傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

文檔作者：鄭祥盤郭源帆陳淑梅文檔來源： 1．福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院 2．福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年01月05日
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170
機(jī)械設(shè)計(jì)與制造
Machinery Design &amp;amp; Manufacture
第8期
2014年8月
基于磁流變技術(shù)的電梯輔助安全傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)
鄭祥盤 ，一，郭源帆 ，陳淑梅-
(1．福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建福州350116；2．福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，福建福州350008)
摘要：電梯是建筑中用于垂直輸送人員或貨物的交通運(yùn)輸工具。屬于特種設(shè)備，在使用過程中必須保證安全性與可靠
性，同時(shí)也需要滿足乘坐舒適性、能耗、噪聲等多方面的要求。為實(shí)現(xiàn)電梯高可靠性和高安全性的啟動(dòng)、制停運(yùn)行性能．提
出了基于磁流變技術(shù)的傳遞力矩與產(chǎn)生制動(dòng)力的的電梯輔助安全傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)理念。內(nèi)容包括：電梯磁流變離合傳動(dòng)裝
置、電梯磁流變制動(dòng)裝置的基本結(jié)構(gòu)，分析了其工作原理；針對(duì)電梯信號(hào)特征剖析了其控制方式，為電梯傳動(dòng)系統(tǒng)的安全
可靠性提供了雙重功能保護(hù)。磁流變技術(shù)發(fā)展為電梯安全技術(shù)創(chuàng)新提供新的思路，同時(shí)也為磁流變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用與研
究提供了理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：磁流變；電梯；輔助安全傳動(dòng)裝置；離合器；制動(dòng)器
中圖分類號(hào)：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001—3997(2014)08—0170—03
Design of Elevator Auxiliary Safety Transmission Device
Via Magnetorheological Technology
ZHENG Xiang-pan ，GUO Yuan-fan ，CHEN Shu—mei
(1．School ofMechanical Engineering and Automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)ujian Fuzhou 350116，China；
2．Fujian Specid Equipment Inspection and Research Institute，F(xiàn)ujian Fuzhou 350008，China)
Abstract：The elevator is usedfor vertical transportation personnel in construction or me of transport of the goods．It
belongs to special equipment，in use process it must gta~arttee the safety and reliability，but also needs to meet the ride
comfort，energy consumption，noise and other aspects of requirements．In order to realize the elevator ofhigh reliability and
high securityto start or stop the operationpe】 塒l口，zce，designofelevator。掀 safetytransmissiondevice totransmission
torque and produce braking for~e via magnetorheological (MR)technology Was put forward．A kind of structure
mognetorheologica elevator auxiliary transmission device which include the clutch and brake had been de signed，and
its workingprinciple Was analyzed． Control mode Was analyzed by the elevator sign~ characteristics，whichprovided a double
protection for the safety and reliabi~ty of the elevator transmission device．Magnetorheological technology development
provides new ideas for the elevator security technology innovation,but also for the application and the research of
magnetorheologicaltransmissionme chan ismprovide s theory basis．
Key Words：M R；Elevator；Auxiliary Safety Transmission Device；Clutch；Brake
1 引言
電梯是建筑中用于垂直輸送人員或貨物的交通運(yùn)輸工具。
隨著城市發(fā)展建設(shè)，建筑物規(guī)模越來越大、人們生活品質(zhì)要求越
來越高，電梯也就被越來越多的使用，提高了人類的工作效率和生
活水平。電梯屬于特種設(shè)備，在使用過程中必須保證安全I(xiàn)生與可靠
性，同時(shí)也需要滿足乘坐舒適性、能耗、噪聲等多方面的要求哪。
現(xiàn)在電梯曳引系統(tǒng)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖閉，如圖1所示。曳引系統(tǒng)工作
原理：曳引機(jī)1通過制動(dòng)器2連接到減速器3上，然后減速器把
動(dòng)力傳輸給曳引輪4，曳引輪通過鋼絲繩把動(dòng)力傳給對(duì)重6和轎
廂7，轎廂和對(duì)重通過鋼絲繩和曳引輪之間的摩擦來保證轎廂和
對(duì)重的上下運(yùn)動(dòng)。制動(dòng)器是曳引式電梯極其重要的安全裝置，且
是電梯安全運(yùn)行要可靠制停的機(jī)械安全部件圈。
1．曳引機(jī)2制動(dòng)器3減速器4．曳引輪5．導(dǎo)向輪6．對(duì)重7．轎廂
圖1曳引系統(tǒng)工作原理圖
Fig．1 Elevator Traction System Principle
來稿日期：2014--01—23
基金項(xiàng)目：福建省質(zhì)監(jiān)局資助項(xiàng)目(FJQI2011011)；2012年度中央財(cái)政支持地方高校發(fā)展專項(xiàng)資金項(xiàng)目
作者簡(jiǎn)介：鄭祥盤，(1981一)，男，福建三明人，博士，工程師，主要研究方向：磁流變技術(shù)及應(yīng)用；
陳淑梅，(1960-)，女，福建福州人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：流體機(jī)械工程技術(shù)
第8期 鄭祥盤等：基于磁流變技術(shù)的電梯輔助安全傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 171
磁流變液是一種新型智能材料，其最大的特點(diǎn)是在磁場(chǎng)的作
用下，剪切屈服應(yīng)力隨磁場(chǎng)增強(qiáng)而增大，撤除磁場(chǎng)后又恢復(fù)為粘性
較低的流體，即在有無磁場(chǎng)的條件下，固體和液態(tài)間的轉(zhuǎn)換變化過
程可逆且迅速 基于這種磁流變效應(yīng)材料開發(fā)的器件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)
單、無級(jí)傳動(dòng)平Jl頤且無沖擊、響應(yīng)快、易于控制、低噪音、耗能少等特
點(diǎn)目。因此，磁流變液具有廣泛的工程應(yīng)用潛力。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)
者對(duì)磁流變液技術(shù)的應(yīng)用研究主要集中在阻尼控制、減振應(yīng)用方
面，磁流變液傳動(dòng)裝置作為一種新型的傳動(dòng)方式，目前對(duì)它的工程
應(yīng)用還不成熟，急需對(duì)磁流變液的相關(guān)傳動(dòng)機(jī)理、無級(jí)變速理論、傳
動(dòng)器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制理論做更加系統(tǒng)深入的分析探討，以此來
推動(dòng)磁流變傳動(dòng)技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展[61。將磁流變技術(shù)與電梯技術(shù)相
結(jié)合，既發(fā)揮了磁流變液材料的優(yōu)良特性，又滿足了日益增長(zhǎng)的對(duì)
電梯安全技術(shù)發(fā)展需求?；诖帕髯兗夹g(shù)的電梯輔助安全傳動(dòng)裝置
設(shè)計(jì)，既是國(guó)家鼓勵(lì)電梯創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展，又狠抓落實(shí)了電梯安全
性能。標(biāo)準(zhǔn)GB7588-2003(電梯制造與安裝安全規(guī)范》規(guī)定：制動(dòng)系
統(tǒng)應(yīng)具有—個(gè)機(jī)電式制動(dòng)器(摩擦型)。此外，還可以裝設(shè)其他制動(dòng)
裝置。據(jù)此，提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的基于磁流變技術(shù)的電梯輔助安全
傳動(dòng)裝置，在提高電梯安全性能又可以改善乘坐舒適性，耐沖擊，同
時(shí)能耗低、噪音低，符合電梯智能化和綠色環(huán)保的要求。
2系統(tǒng)工作原理與組成
現(xiàn)有曳引式電梯傳動(dòng)裝置只有機(jī)電式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)這唯一安
全部件，要可靠制動(dòng)其安全性較低，且工作時(shí)有振動(dòng)沖擊大、噪音
高、能耗大的缺點(diǎn)，以下設(shè)計(jì)提供了一種基于磁流變技術(shù)的電梯
輔助安全傳動(dòng)裝置及其系統(tǒng)。輔助安全傳動(dòng)裝置由兩部分組成：
磁流變液離合器和磁流變液制動(dòng)器。裝置置于上述圖1的曳引機(jī)1
與制動(dòng)器2之間，曳引機(jī)輸出軸先與磁流變液離合器連接然后通過
聯(lián)軸器與磁流變液制動(dòng)器相連。由磁流變液的磁流變效應(yīng)可知在磁
場(chǎng)作用下剪切屈服應(yīng)力增大，所以線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)對(duì)離合器來說
此時(shí)主動(dòng)輪帶動(dòng)從動(dòng)輪處于動(dòng)力傳遞狀態(tài)，而對(duì)制動(dòng)器則是處于制
動(dòng)狀態(tài)，反之不通電則分別處于離合狀態(tài)和非制動(dòng)狀態(tài)。通過控制
電源對(duì)離合部分和制動(dòng)部分的不同施加時(shí)間，就可以控制整個(gè)裝置
的傳動(dòng)狀態(tài)，而且兩個(gè)部分的協(xié)調(diào)工作可以加大系統(tǒng)的整體可靠
性，比如動(dòng)力斷開的同時(shí)制動(dòng)，既保證沒有動(dòng)力輸出，又保證轎廂不
會(huì)在慣性作用下運(yùn)動(dòng)。此外，可引入來自電梯其他部分的狀態(tài)監(jiān)控
信號(hào)(如轎廂速度信號(hào)、層門的閉合信號(hào)、電機(jī)溫度信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)速
信號(hào)等)，經(jīng)過控制系統(tǒng)的邏輯計(jì)算與判斷，控制電源對(duì)裝置不同部
分供電而實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)控制，增強(qiáng)電梯的安全性。同時(shí)，由于磁流變液的
優(yōu)良特性使得裝置具有傳動(dòng)平緩、沖擊小、低噪音、反應(yīng)迅速的優(yōu)
點(diǎn)。輔助安全傳動(dòng)裝置特點(diǎn)是：在原有電梯傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，添加
了雙重安全保護(hù)功能，安全眭能大大提升；可引入電梯不同的狀態(tài)
信號(hào)，進(jìn)行簡(jiǎn)單可靠的邏輯運(yùn)算，對(duì)電梯傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行雙重的安全
保護(hù)控制；整體系統(tǒng)反應(yīng)速度快，能在最短的時(shí)間內(nèi)，避免事故的
發(fā)生；系統(tǒng)的引入對(duì)原有電梯系統(tǒng)只是添加性的改進(jìn)，不需改變
或破環(huán)原有結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單可靠，維護(hù)方便。
3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的磁流變液裝置部分，如圖2所示。圖中左側(cè)為磁流變
離合器，中間為聯(lián)軸器、右邊為磁流變制動(dòng)器，它們都為筒形靜止
線圈結(jié)構(gòu)，并一同固定在電梯的機(jī)座上。在設(shè)計(jì)時(shí)要保證，磁流變
離合器的傳遞力矩大于電機(jī)的最大力矩，磁流變制動(dòng)器的制動(dòng)力
矩大于抱閘的制動(dòng)力矩。磁流變制動(dòng)器的制動(dòng)力矩一般都要大于
磁流變離合器的傳遞力矩。磁流變離合器主要由磁流變液、磁軛、
線圈、隔磁環(huán)、主動(dòng)軸、主動(dòng)輪、從動(dòng)軸、從動(dòng)輪、機(jī)殼、軸承、密封
圈等組成 。由兩匝固定在磁軛中的周向線圈產(chǎn)生圍繞在線圈周
圍的磁場(chǎng)。兩匝線圈分別通以方向相反的直流電流，產(chǎn)生的磁感
應(yīng)線即在紙面上，由于隔磁環(huán)的存在，磁感應(yīng)線將繞過它，經(jīng)過從
動(dòng)輪，磁流變液，主動(dòng)輪形成閉合曲線，這樣就可以使磁流變液在
磁場(chǎng)下發(fā)生磁流變效應(yīng)。電梯電機(jī)通電后帶動(dòng)磁流變離合器主動(dòng)
輪轉(zhuǎn)動(dòng)。線圈通電，則產(chǎn)生的磁場(chǎng)將使得磁流變液由液態(tài)轉(zhuǎn)換為
固體，具有較大的剪切應(yīng)力，帶動(dòng)從輪轉(zhuǎn)動(dòng)，離合器處于接合工作
狀態(tài)，由此實(shí)現(xiàn)了力矩的傳遞。當(dāng)線圈中沒有電流時(shí)，則沒有磁
場(chǎng)，磁流變液處于液態(tài)，基本無法傳遞力矩，離合器處于離合狀
態(tài)，此時(shí)斷開了力矩傳遞。
磁流變制動(dòng)器主要由磁流變液、磁軛、線圈、隔磁環(huán)、制動(dòng)
軸、制動(dòng)輪、定子機(jī)殼、軸承、密封圈、彈簧擋圈等組成嘲。磁路與磁
流變離合器相同。不同之處在于，線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，此時(shí)磁流變
制動(dòng)器處于制動(dòng)狀態(tài)，磁流變液由液態(tài)轉(zhuǎn)換為固體，定子機(jī)殼固
定所以剪切應(yīng)力迫使轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，兩個(gè)磁流變裝置只配
置一個(gè)直流電源。電梯運(yùn)行時(shí)，磁流變離合器通電結(jié)合，磁流變制
動(dòng)器不通電，即不制動(dòng)，力矩可以順利的傳遞至蝸桿蝸輪的曳引
系統(tǒng)。電梯停止時(shí)，則需要磁流變離合器斷電處于離合狀態(tài)，而后
面的磁流變制動(dòng)器，應(yīng)該處于制動(dòng)狀態(tài)，保證轎廂不運(yùn)動(dòng)。綜上系
統(tǒng)在某一時(shí)間下，只需一個(gè)直流線圈選擇I生的向磁流變離合器或
者磁流變制動(dòng)器供電，這種只能二選一的設(shè)置，為系統(tǒng)提供雙重
保護(hù)，保證了電梯運(yùn)行的安全陛。
1
1．線圈2．磁軛3．隔磁環(huán)4．磁流變液5窟封圈6．軸承
7．從動(dòng)軸8．從動(dòng)輪9．機(jī)殼1O．主動(dòng)輪1 1．主動(dòng)軸12制動(dòng)輪
13．定子機(jī)殼14．制動(dòng)軸15．彈簧擋圈
圖2電梯磁流變輔助安全傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖
Fig．2 MR Safety Auxiliary Transmission Device Structure
4控制方式
磁流變輔助安全傳動(dòng)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。主要由
控制部分(下虛線框)、磁流變液裝置部分(上虛線框)、電梯原有
部分和電源整流器等輔助部分組成。上面詳述的磁流變離合和制
動(dòng)器，安裝在原來電梯的電機(jī)與抱閘之間，由電梯的供電電源經(jīng)
整流后為它們提供電源。萬一出現(xiàn)停電則由抱閘或蝸桿蝸輪鎖
死，防止轎廂運(yùn)動(dòng)。控制部分的任務(wù)是分析電梯各傳感器繼電器
172 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造
No．8
Aug．2014
的信號(hào)做出判斷，從而控制電源向磁流變離合供電還是向磁流變 安全、節(jié)能、環(huán)保、舒適性等方面的要求，為電梯安全技術(shù)的創(chuàng)新
制動(dòng)器供電，決定電梯處于傳動(dòng)狀態(tài)或是制動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)編碼
器轉(zhuǎn)速信號(hào)正常，電機(jī)無過熱信號(hào)，各處速度和限位信號(hào)正常時(shí)，
系統(tǒng)與原來的電梯一樣正常切換傳動(dòng)或者制動(dòng)。只要任意信號(hào)不
正常時(shí)，微處理器反應(yīng)出電梯不正常，并立即無條件的將直流電
源切換給磁流變液制動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)功能。
圖3磁流變電梯輔助安全傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖
Fig．3 MR Safety Auxiliary Transmission System Diagram
5結(jié)論
設(shè)計(jì)了磁流變電梯輔助安全傳動(dòng)裝置包括電梯磁流變離合
傳動(dòng)裝置、電梯磁流變制動(dòng)裝置，給電梯傳動(dòng)系統(tǒng)的安全可靠性
提供了雙重保護(hù)功能。利用磁流變液可在磁場(chǎng)下受控?zé)o級(jí)且迅速
改變剪切屈服強(qiáng)度的特性來控制動(dòng)力傳遞和制動(dòng)，滿足了電梯對(duì)
發(fā)展提供新的思路。
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(上接第169頁)
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靈活的隨動(dòng)舵機(jī)和轉(zhuǎn)向舵機(jī)的雙舵機(jī)方案，使得激光傳感器探測(cè)
到更多的道路信息，不至于丟線，配合激光傳感器的前瞻性，更加
有利于速度的提升。為了達(dá)到良好的控制效果，在相同的30m測(cè)
試賽道上，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的比較試驗(yàn)和調(diào)試，分別采用單雙舵機(jī)控
制方案，來實(shí)現(xiàn)智能車沿指定路徑行駛的功能，在不同控制方案
下的測(cè)試結(jié)果，如表2所示?？梢姡c傳統(tǒng)的單舵機(jī)控制方法相
比，智能車運(yùn)行的穩(wěn)定性和快速性都得到了很大的提高。
表2測(cè)試結(jié)果
Tab．2 Test Results
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