鄭 杰，曹懷志，鄭志華

（林肯電梯（中國(guó)）有限公司，浙江嘉興 314415）

0 引言

根據(jù)文獻(xiàn)[1]中G1.5實(shí)驗(yàn)裝置規(guī)定：擁有自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道[2]生產(chǎn)許可的電梯生產(chǎn)廠家必須配備梯級(jí)（踏板）滾輪可靠性試驗(yàn)裝置（以下簡(jiǎn)稱滾輪可靠性試驗(yàn)裝置）。這不僅是國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督總局對(duì)廠家生產(chǎn)擁有生產(chǎn)資質(zhì)的硬性要求，更是自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道生產(chǎn)廠家能夠確保自己所生產(chǎn)的產(chǎn)品安全可靠的必要條件之一。目前，在浙江特檢內(nèi)，滾輪可靠性試驗(yàn)裝置總體占地約10 m2，高度約1.7 m，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，所以對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)開(kāi)發(fā)一款價(jià)格便宜、體積小、智能化控制的滾輪可靠性試驗(yàn)裝置尤為迫切。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制

1.1 硬件設(shè)計(jì)

圖1所示為滾輪可靠性試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖，其硬件主要由PLC、電機(jī)、蜂鳴器、變頻器、指示燈1、指示燈2、指示燈3、指示燈4、指示燈5、UKS開(kāi)關(guān)1、UKS開(kāi)關(guān)2、UKS開(kāi)關(guān)3等組成。邏輯控制最核心的工作由PLC完成，電機(jī)通過(guò)圓弧形同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)與主輪連接，蜂鳴器在測(cè)試完成或者安全開(kāi)關(guān)觸發(fā)信號(hào)時(shí)產(chǎn)生聲音提示，變頻器控制電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速由0逐漸增大到額定輸出，在停止時(shí)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速由額定速度逐漸減少到0，這樣使得啟動(dòng)和停止時(shí)更加的平穩(wěn)，防止了突然加載扭矩或者突然扭矩為0時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生竄動(dòng)，指示燈1顏色設(shè)定為綠色，在設(shè)備停止時(shí)做顏色提示，指示燈2顏色設(shè)定為紅色，在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)做顏色提示，指示燈3顏色設(shè)定為黃色，在UKS開(kāi)關(guān)1斷開(kāi)時(shí)做顏色提示，指示燈4顏色設(shè)定為黃色，在UKS開(kāi)關(guān)2斷開(kāi)時(shí)做顏色提示，指示燈5顏色設(shè)定為黃色，在UKS開(kāi)關(guān)3斷開(kāi)時(shí)做顏色提示，UKS開(kāi)關(guān)1，安裝在頂部，可以用于檢測(cè)測(cè)試滾輪是否安裝到位，同時(shí)可以檢測(cè)杠桿組件是否破壞、長(zhǎng)桿是否撓度過(guò)大，UKS開(kāi)關(guān)2，安裝在后門(mén)側(cè)，可以用于檢測(cè)后門(mén)是否關(guān)閉，UKS開(kāi)關(guān)3，安裝在前門(mén)側(cè)，可以用于檢測(cè)前門(mén)是否關(guān)閉。

圖1 滾輪可靠性試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 系統(tǒng)控制

1.2 .1控制邏輯

控制系統(tǒng)邏輯如圖2程序流程圖所示。程序開(kāi)始后首先判斷前門(mén)、后門(mén)與配重塊處的UKS開(kāi)關(guān)是否閉合，只要其中有1個(gè)開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，則電機(jī)停轉(zhuǎn)，停止指示燈亮，蜂鳴器嘯叫，程序結(jié)束；如果UKS開(kāi)關(guān)全部閉合，則判斷運(yùn)行的時(shí)間是否已經(jīng)達(dá)到試驗(yàn)要求時(shí)長(zhǎng)，如果時(shí)間還未達(dá)到，則運(yùn)行指示燈亮，電機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。因PLC屬于“順序掃描，不斷循環(huán)”的工作模式[3]，所以啟動(dòng)后程序會(huì)在上述邏輯內(nèi)循環(huán)判斷，如果在測(cè)試過(guò)程中所有的UKS開(kāi)關(guān)一直處于閉合狀態(tài)，那么只有測(cè)試時(shí)間符合設(shè)定值時(shí)，電機(jī)才會(huì)停轉(zhuǎn)，然后停止指示燈亮，蜂鳴器嘯叫，程序結(jié)束。如果在測(cè)試過(guò)程中有外力因素（如門(mén)被打開(kāi)）或者結(jié)構(gòu)性因素（如杠桿件疲勞破壞、滾輪安裝不到位運(yùn)行中晃動(dòng)脫落等）等原因引起UKS開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，程序在判斷UKS開(kāi)關(guān)是否閉合時(shí)會(huì)進(jìn)入“否”的邏輯，電機(jī)就會(huì)停轉(zhuǎn)，同時(shí)以燈光方式提示斷開(kāi)的UKS開(kāi)關(guān)的位置，裝置以蜂鳴方式聲音提醒，從而達(dá)到了設(shè)備運(yùn)行時(shí)的安全性以及故障可追溯性的目的，這對(duì)操作人員的安全保護(hù)和設(shè)備的故障清除具有十分重要的意義。

1.2.2 輸入與輸出

圖3所示為輸入輸出配置圖。輸入端由啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、UKS開(kāi)關(guān)1、UKS開(kāi)關(guān)2、UKS開(kāi)關(guān)3組成，輸出端由變頻器、警示燈1、警示燈2、警示燈3、警示燈4、警示燈5、蜂鳴器組成，共占用5個(gè)輸入端口，7個(gè)輸出端口。西門(mén)子PLC入門(mén)款S7-200SMARTCR40[4]擁有4路100Hz高頻記數(shù)，2個(gè)通訊端口，40個(gè)I/O口，其程序編譯軟件為STEP 7 MicroWIN SMART[5]，此款軟件具備先進(jìn)的程序結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的向?qū)Чδ?，并融入帶狀菜單和移?dòng)式窗口設(shè)計(jì)，同時(shí)具備軟件編輯、程序模擬、實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能，使軟件友好，編輯高效。所以此款PLC完全能滿足滾輪可靠性試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)要求。

圖2 程序流程圖

圖3 輸入輸出配置圖

2 機(jī)械設(shè)計(jì)

根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]附頁(yè)AA滾輪形式試驗(yàn)要求規(guī)定：試驗(yàn)線速度應(yīng)當(dāng)?shù)扔谶m用的自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道最大名義速度；用作自動(dòng)扶梯主輪的滾輪實(shí)驗(yàn)時(shí)的加載壓力和運(yùn)行時(shí)間至少為1 300 N、250 h。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4所示為滾輪可靠性試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖。滾輪通過(guò)滾輪連接件與杠桿連接在一起，配重塊連接在杠桿的遠(yuǎn)端，通過(guò)杠桿原理，配重塊的重力在滾輪處被放大，并且使?jié)L輪和大輪壓在一起，用雙螺母將M16×150六角螺栓固定在框架的上方使螺栓下端貼在杠桿的上端，但是并不施加額外的向下的力，以防止可能出現(xiàn)的杠桿上竄。利用杠桿原理將輪滾處受力放大倍數(shù)后，設(shè)備的整體外尺寸長(zhǎng)×寬×高為1 300 mm×280 mm×585 mm。

2.2 滾輪的安裝、拆卸與設(shè)備停用

圖5所示為滾輪的安裝、拆卸與設(shè)備停用。在滾輪安裝、拆卸狀態(tài)時(shí)，將M16×150六角螺栓從頂面拆下后安裝在配重塊支撐件中，杠桿微微向上傾斜，滾輪與大輪之間沒(méi)有擠壓力，配重塊的重力和M16×150六角螺栓提供的支撐力平衡，此時(shí)即可用套筒將滾輪背后的安裝螺母擰下，完成滾輪的安裝、拆卸。當(dāng)設(shè)備停用時(shí)沒(méi)有滾輪，配重塊放置于設(shè)備底部，此時(shí)上方的UKS開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，由上文描述可知，即便設(shè)備上電，電機(jī)也不會(huì)啟動(dòng)。

2.3 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.3.1 校核電機(jī)選型、傳動(dòng)比

電機(jī)參數(shù)：功率P=160 W；扭矩N1=8.5 N·m；轉(zhuǎn)動(dòng)軸齒數(shù)Z1=28。電扶梯最大名義速度v1=0.65 m/s，滾輪處所受壓力大小FN=1 300 N，滾輪到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的距離L1=95 mm，配重塊重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的距離L2=950 mm，配重塊總質(zhì)量G=13 kg，圓弧齒同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)，取系數(shù)[7]KA=2，大輪處齒輪齒數(shù)[8]Z2=45，大輪半徑r=120 mm，傳動(dòng)效率[9]ζ=98%，大輪與滾輪之間的摩擦系數(shù)取[9]μ=0.15。則有：

圖5 滾輪的安裝、拆卸與設(shè)備停用狀態(tài)

電機(jī)的轉(zhuǎn)速：

大輪的轉(zhuǎn)速：

大輪邊緣處的線速度：

大輪處的扭矩：

滾輪與大輪的摩擦力：

由上述計(jì)算可知：v≥v1；fmax≥f，所以電機(jī)和傳動(dòng)比滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3.2 關(guān)鍵機(jī)械件的校核

在滾輪可靠性裝置中設(shè)計(jì)中，需對(duì)杠桿件以及轉(zhuǎn)軸進(jìn)行受力校核。杠桿件的強(qiáng)度校核其彎曲應(yīng)力[10]求得，其剛度可以由卡式定理[10]直接求得，轉(zhuǎn)軸的受力是剪切破壞。上述受力計(jì)算過(guò)于簡(jiǎn)單，不再展開(kāi)論述。

大輪邊緣處可克服的最大摩擦力：

3 結(jié)束語(yǔ)

此款梯級(jí)滾輪可靠性測(cè)試裝置引入PLC進(jìn)行智能控制，使測(cè)試過(guò)程安全可靠；使用西門(mén)子入門(mén)級(jí)的PLC使得造價(jià)低廉；機(jī)械結(jié)構(gòu)方面利用杠桿原理使裝置尺寸小巧便于移動(dòng)和安裝。這滿足了自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道生產(chǎn)廠家對(duì)于這類裝置的需求。