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基于磁流變技術的電梯輔助安全傳動裝置設計

文檔作者：鄭祥盤郭源帆陳淑梅文檔來源： 1．福州大學機械工程及自動化學院 2．福建省特種設備檢驗研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月05日
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170
機械設計與制造
Machinery Design &amp;amp; Manufacture
第8期
2014年8月
基于磁流變技術的電梯輔助安全傳動裝置設計
鄭祥盤 ，一，郭源帆 ，陳淑梅-
(1．福州大學機械工程及自動化學院，福建福州350116；2．福建省特種設備檢驗研究院，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輸工具。屬于特種設備，在使用過程中必須保證安全性與可靠
性，同時也需要滿足乘坐舒適性、能耗、噪聲等多方面的要求。為實現(xiàn)電梯高可靠性和高安全性的啟動、制停運行性能．提
出了基于磁流變技術的傳遞力矩與產(chǎn)生制動力的的電梯輔助安全傳動裝置設計理念。內容包括：電梯磁流變離合傳動裝
置、電梯磁流變制動裝置的基本結構，分析了其工作原理；針對電梯信號特征剖析了其控制方式，為電梯傳動系統(tǒng)的安全
可靠性提供了雙重功能保護。磁流變技術發(fā)展為電梯安全技術創(chuàng)新提供新的思路，同時也為磁流變傳動機構的應用與研
究提供了理論基礎。
關鍵詞：磁流變；電梯；輔助安全傳動裝置；離合器；制動器
中圖分類號：TH16 文獻標識碼：A 文章編號：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輸工具。
隨著城市發(fā)展建設，建筑物規(guī)模越來越大、人們生活品質要求越
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。電梯屬于特種設備，在使用過程中必須保證安全I生與可靠
性，同時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)傳動簡圖閉，如圖1所示。曳引系統(tǒng)工作
原理：曳引機1通過制動器2連接到減速器3上，然后減速器把
動力傳輸給曳引輪4，曳引輪通過鋼絲繩把動力傳給對重6和轎
廂7，轎廂和對重通過鋼絲繩和曳引輪之間的摩擦來保證轎廂和
對重的上下運動。制動器是曳引式電梯極其重要的安全裝置，且
是電梯安全運行要可靠制停的機械安全部件圈。
1．曳引機2制動器3減速器4．曳引輪5．導向輪6．對重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
基金項目：福建省質監(jiān)局資助項目(FJQI2011011)；2012年度中央財政支持地方高校發(fā)展專項資金項目
作者簡介：鄭祥盤，(1981一)，男，福建三明人，博士，工程師，主要研究方向：磁流變技術及應用；
陳淑梅，(1960-)，女，福建福州人，博士，教授，博士生導師，主要研究方向：流體機械工程技術
第8期 鄭祥盤等：基于磁流變技術的電梯輔助安全傳動裝置設計 171
磁流變液是一種新型智能材料，其最大的特點是在磁場的作
用下，剪切屈服應力隨磁場增強而增大，撤除磁場后又恢復為粘性
較低的流體，即在有無磁場的條件下，固體和液態(tài)間的轉換變化過
程可逆且迅速 基于這種磁流變效應材料開發(fā)的器件具有結構簡
單、無級傳動平Jl頤且無沖擊、響應快、易于控制、低噪音、耗能少等特
點目。因此，磁流變液具有廣泛的工程應用潛力。當前，國內外專家學
者對磁流變液技術的應用研究主要集中在阻尼控制、減振應用方
面，磁流變液傳動裝置作為一種新型的傳動方式，目前對它的工程
應用還不成熟，急需對磁流變液的相關傳動機理、無級變速理論、傳
動器件的結構設計和控制理論做更加系統(tǒng)深入的分析探討，以此來
推動磁流變傳動技術的繼續(xù)發(fā)展[61。將磁流變技術與電梯技術相
結合，既發(fā)揮了磁流變液材料的優(yōu)良特性，又滿足了日益增長的對
電梯安全技術發(fā)展需求。基于磁流變技術的電梯輔助安全傳動裝置
設計，既是國家鼓勵電梯創(chuàng)新技術的發(fā)展，又狠抓落實了電梯安全
性能。標準GB7588-2003(電梯制造與安裝安全規(guī)范》規(guī)定：制動系
統(tǒng)應具有—個機電式制動器(摩擦型)。此外，還可以裝設其他制動
裝置。據(jù)此，提出一種結構簡單的基于磁流變技術的電梯輔助安全
傳動裝置，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)有曳引式電梯傳動裝置只有機電式制動器結構這唯一安
全部件，要可靠制動其安全性較低，且工作時有振動沖擊大、噪音
高、能耗大的缺點，以下設計提供了一種基于磁流變技術的電梯
輔助安全傳動裝置及其系統(tǒng)。輔助安全傳動裝置由兩部分組成：
磁流變液離合器和磁流變液制動器。裝置置于上述圖1的曳引機1
與制動器2之間，曳引機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器相連。由磁流變液的磁流變效應可知在磁
場作用下剪切屈服應力增大，所以線圈通電產(chǎn)生磁場對離合器來說
此時主動輪帶動從動輪處于動力傳遞狀態(tài)，而對制動器則是處于制
動狀態(tài)，反之不通電則分別處于離合狀態(tài)和非制動狀態(tài)。通過控制
電源對離合部分和制動部分的不同施加時間，就可以控制整個裝置
的傳動狀態(tài)，而且兩個部分的協(xié)調工作可以加大系統(tǒng)的整體可靠
性，比如動力斷開的同時制動，既保證沒有動力輸出，又保證轎廂不
會在慣性作用下運動。此外，可引入來自電梯其他部分的狀態(tài)監(jiān)控
信號(如轎廂速度信號、層門的閉合信號、電機溫度信號、電機轉速
信號等)，經(jīng)過控制系統(tǒng)的邏輯計算與判斷，控制電源對裝置不同部
分供電而實現(xiàn)傳動控制，增強電梯的安全性。同時，由于磁流變液的
優(yōu)良特性使得裝置具有傳動平緩、沖擊小、低噪音、反應迅速的優(yōu)
點。輔助安全傳動裝置特點是：在原有電梯傳動結構的基礎上，添加
了雙重安全保護功能，安全眭能大大提升；可引入電梯不同的狀態(tài)
信號，進行簡單可靠的邏輯運算，對電梯傳動系統(tǒng)進行雙重的安全
保護控制；整體系統(tǒng)反應速度快，能在最短的時間內，避免事故的
發(fā)生；系統(tǒng)的引入對原有電梯系統(tǒng)只是添加性的改進，不需改變
或破環(huán)原有結構；系統(tǒng)構成簡單可靠，維護方便。
3結構設計
系統(tǒng)的磁流變液裝置部分，如圖2所示。圖中左側為磁流變
離合器，中間為聯(lián)軸器、右邊為磁流變制動器，它們都為筒形靜止
線圈結構，并一同固定在電梯的機座上。在設計時要保證，磁流變
離合器的傳遞力矩大于電機的最大力矩，磁流變制動器的制動力
矩大于抱閘的制動力矩。磁流變制動器的制動力矩一般都要大于
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)、主動軸、主動輪、從動軸、從動輪、機殼、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。兩匝線圈分別通以方向相反的直流電流，產(chǎn)生的磁感
應線即在紙面上，由于隔磁環(huán)的存在，磁感應線將繞過它，經(jīng)過從
動輪，磁流變液，主動輪形成閉合曲線，這樣就可以使磁流變液在
磁場下發(fā)生磁流變效應。電梯電機通電后帶動磁流變離合器主動
輪轉動。線圈通電，則產(chǎn)生的磁場將使得磁流變液由液態(tài)轉換為
固體，具有較大的剪切應力，帶動從輪轉動，離合器處于接合工作
狀態(tài)，由此實現(xiàn)了力矩的傳遞。當線圈中沒有電流時，則沒有磁
場，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)，此時斷開了力矩傳遞。
磁流變制動器主要由磁流變液、磁軛、線圈、隔磁環(huán)、制動
軸、制動輪、定子機殼、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，此時磁流變
制動器處于制動狀態(tài)，磁流變液由液態(tài)轉換為固體，定子機殼固
定所以剪切應力迫使轉子停止轉動。因此，兩個磁流變裝置只配
置一個直流電源。電梯運行時，磁流變離合器通電結合，磁流變制
動器不通電，即不制動，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，則需要磁流變離合器斷電處于離合狀態(tài)，而后
面的磁流變制動器，應該處于制動狀態(tài)，保證轎廂不運動。綜上系
統(tǒng)在某一時間下，只需一個直流線圈選擇I生的向磁流變離合器或
者磁流變制動器供電，這種只能二選一的設置，為系統(tǒng)提供雙重
保護，保證了電梯運行的安全陛。
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．從動軸8．從動輪9．機殼1O．主動輪1 1．主動軸12制動輪
13．定子機殼14．制動軸15．彈簧擋圈
圖2電梯磁流變輔助安全傳動裝置結構圖
Fig．2 MR Safety Auxiliary Transmission Device Structure
4控制方式
磁流變輔助安全傳動系統(tǒng)控制結構圖，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
動器，安裝在原來電梯的電機與抱閘之間，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，防止轎廂運動?？刂撇糠值娜蝿帐欠治鲭娞莞鱾鞲衅骼^電器
172 機械設計與制造
No．8
Aug．2014
的信號做出判斷，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，為電梯安全技術的創(chuàng)新
制動器供電，決定電梯處于傳動狀態(tài)或是制動狀態(tài)。當電機編碼
器轉速信號正常，電機無過熱信號，各處速度和限位信號正常時，
系統(tǒng)與原來的電梯一樣正常切換傳動或者制動。只要任意信號不
正常時，微處理器反應出電梯不正常，并立即無條件的將直流電
源切換給磁流變液制動器，實現(xiàn)安全保護功能。
圖3磁流變電梯輔助安全傳動系統(tǒng)示意圖
Fig．3 MR Safety Auxiliary Transmission System Diagram
5結論
設計了磁流變電梯輔助安全傳動裝置包括電梯磁流變離合
傳動裝置、電梯磁流變制動裝置，給電梯傳動系統(tǒng)的安全可靠性
提供了雙重保護功能。利用磁流變液可在磁場下受控無級且迅速
改變剪切屈服強度的特性來控制動力傳遞和制動，滿足了電梯對
發(fā)展提供新的思路。
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(上接第169頁)
形成一條線，更容易確定接收管的角度來對上光點。同時采用了
靈活的隨動舵機和轉向舵機的雙舵機方案，使得激光傳感器探測
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。為了達到良好的控制效果，在相同的30m測
試賽道上，進行長時間的比較試驗和調試，分別采用單雙舵機控
制方案，來實現(xiàn)智能車沿指定路徑行駛的功能，在不同控制方案
下的測試結果，如表2所示。可見，與傳統(tǒng)的單舵機控制方法相
比，智能車運行的穩(wěn)定性和快速性都得到了很大的提高。
表2測試結果
Tab．2 Test Results
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