顏紹軍

（日立樓宇技術(shù)（廣州）有限公司，廣州 510670）

0 引言

現(xiàn)有技術(shù)中，電梯通過曳引鋼絲繩來連接轎廂、對重塊，依靠鋼絲繩與曳引輪的摩擦力驅(qū)動轎廂升降。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，在部分電梯的提升裝置中，已開始采用復(fù)合曳引鋼帶代替鋼絲繩[1]。這類復(fù)合曳引鋼帶由聚氨酯（TPU）材料包裹多根鋼絲繩組成，多根鋼絲繩在聚氨酯材料內(nèi)部規(guī)則排列，外層的聚氨酯材料能夠起到防銹防腐蝕的作用，相對傳統(tǒng)的鋼絲繩而言，復(fù)合曳引鋼帶具備質(zhì)量輕、折彎半徑小、曳引噪聲低等優(yōu)勢[2]。但采用復(fù)合曳引鋼帶后，鋼絲繩被包裹無法直接觀察，如果內(nèi)部鋼絲繩出現(xiàn)斷絲、翹絲、截面積損失等缺陷時，無法用肉眼識別，影響電梯使用安全[3]。

因此，為解決上述問題，有必要開發(fā)一種新的檢測設(shè)備，用于檢測鋼帶內(nèi)部的鋼絲繩是否存在上述缺陷，以便及時發(fā)現(xiàn)隱患，保障電梯使用安全。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本文介紹一種電梯鋼帶探傷儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，該產(chǎn)品基于電磁無損檢測技術(shù)而設(shè)計[4]，采用Pro/Engineer軟件對鋼帶探傷儀進(jìn)行參數(shù)化建模及裝配[5]，最后利用3D打印技術(shù)制作樣品模型進(jìn)行驗證，結(jié)果表明鋼帶探傷儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，功能符合預(yù)期使用要求。

1 需求分析及外觀設(shè)計

1.1 需求分析

鋼帶探傷儀主要是供電梯維保人員使用，維保人員站在電梯轎頂手持該設(shè)備，隨梯走慢車對電梯鋼帶進(jìn)行掃描，以確認(rèn)電梯鋼帶是否存在損傷缺陷。所以產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要滿足應(yīng)用場景的操作需求：便于抓握、便于操作、便于觀察，確保產(chǎn)品符合人機(jī)工程學(xué)的要求——操作舒適、界面友好；產(chǎn)品外形尺寸不能太大，否則左右兩側(cè)會與相鄰的鋼帶干涉；產(chǎn)品內(nèi)部涉及多個PCBA電路板，需要充分考慮各個板卡之間的電氣連接及走線要求；作為一個檢測儀器，需要考慮產(chǎn)品的可維護(hù)性，對于易損件如鋰電池、SD卡需要考慮可拆卸、可更換；檢測時，鋼帶探傷儀與鋼帶存在相對運(yùn)動，需要考慮減少接觸摩擦，保證運(yùn)動順暢；在井道檢測鋼帶，因鋼帶處于懸掛狀態(tài)，所以鋼帶只能從側(cè)面進(jìn)入探傷儀。

1.2 探傷儀外觀設(shè)計

根據(jù)上述需求分析的結(jié)果，接下來就可以進(jìn)行產(chǎn)品的外觀設(shè)計了。產(chǎn)品外形近似一個長方體，各主要零件采用黃、藍(lán)相間的主色調(diào)，對比明顯，便于在昏暗的電梯井道中快速識別設(shè)備；產(chǎn)品上蓋增加把手，以便維保人員抓握，把手上表面均勻分布著一些微小的凸起結(jié)構(gòu)，增加握持時的摩擦力，把手下表面設(shè)置波浪式結(jié)構(gòu)，以適合手指握持的姿勢，增加操作者的舒適度，把手上端增加一個翹起的結(jié)構(gòu)，方便手持設(shè)備時對大拇指進(jìn)行限位，防止手指上滑誤觸發(fā)紅色的啟動按鈕；上蓋的上端設(shè)置一個綠色的電源指示燈，多個紅色的缺陷告警指示燈，告警指示燈數(shù)量與鋼帶內(nèi)部鋼絲繩數(shù)量一致，哪條鋼絲繩存在缺陷，對應(yīng)的指示燈就亮紅燈告警，同時產(chǎn)品內(nèi)部主板上設(shè)有蜂鳴器，當(dāng)檢測到鋼絲繩有缺陷時，蜂鳴器會發(fā)出告警聲，結(jié)合紅色指示燈閃爍，提供聲光告警功能，方便操作者第一時間接收到告警信號；上蓋面板上設(shè)有顯示窗，用于顯示主板上搭載的數(shù)碼管信息，這些顯示信息可以是當(dāng)前檢測數(shù)據(jù)保存在存儲器中文件名、存在缺陷的鋼絲繩位置（第幾根）、缺陷的位置信息（例如離檢測起始點(diǎn)x米）等；上蓋正上方位置，設(shè)有啟動按鈕，用于設(shè)備開關(guān)機(jī)，啟動按鈕有一半置于把手凹槽的下方，這樣有利于避免檢測過程中誤觸發(fā)啟動按鈕，意外關(guān)機(jī)。相關(guān)元素按照上述要求布局，采用Pro/Engi?neer軟件進(jìn)行參數(shù)化建模，完成后的產(chǎn)品外觀如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品外觀

2 探傷儀結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋼帶探傷儀采用翻蓋式結(jié)構(gòu)，整體上分為上蓋和下蓋兩部分，其中上蓋包含的較為重要的部件是滾輪組件，下蓋包含的較為重要的部件是軸承組件。下面對產(chǎn)品的總體結(jié)構(gòu)以及各主要部件的設(shè)計方案進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

產(chǎn)品整體分上下蓋兩部分，上下蓋之間預(yù)留有空腔，供檢測對象——電梯鋼帶通過；上下蓋之間采用阻尼轉(zhuǎn)軸連接，阻尼轉(zhuǎn)軸的優(yōu)點(diǎn)就是可以讓上下蓋打開后停止在某個位置，避免隨意晃動觸碰到旁邊其它鋼帶；這種側(cè)面翻蓋式的結(jié)構(gòu)，方便操作者在電梯井道現(xiàn)場將電梯鋼帶套入探傷儀內(nèi)部。同時，在探傷儀上蓋的左側(cè)面設(shè)置一個鎖緊開關(guān)，用于檢測時將上下蓋鎖緊，防止鋼帶從探傷儀中脫出，因為上下蓋內(nèi)部裝配有磁鐵磁軛的勵磁回路、含有漏磁傳感器的上下檢測板，上下蓋意外打開后，上述器件位置遠(yuǎn)離鋼帶，磁路不符合預(yù)期設(shè)計，傳感器也無法采集對應(yīng)鋼絲繩處的磁通量信號，影響檢測的準(zhǔn)確性。此外，為方便使用者在有需要時更換充電鋰電池及數(shù)據(jù)存儲卡（SD卡），探傷儀上蓋設(shè)置有可拆卸的電池蓋，電池蓋上端插入上蓋中，下端采用螺釘緊固，拆除電池蓋就可以更換鋰電池或數(shù)據(jù)存儲卡，提高了設(shè)備的可維護(hù)性。其余諸如指示燈、啟動按鈕、顯示窗、滾輪組件、軸承組件等各零部件的結(jié)構(gòu)布局如總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 總體結(jié)構(gòu)

2.2 滾輪組件

為便于記錄鋼帶的缺陷位置，在上蓋內(nèi)側(cè)的上端設(shè)置有滾輪組件，滾輪組件主要包含滾輪、滾輪固定架、彈簧、軸承1、編碼器、編碼器支架等零件。其結(jié)構(gòu)方案及裝配關(guān)系如滾輪組件圖3所示。

圖3 滾輪組件

滾輪兩端安裝有軸承1，然后通過滾輪固定架上下夾緊固定，滾輪轉(zhuǎn)動時帶動軸承1轉(zhuǎn)動，可以減少滾輪兩端的磨損，延長零件機(jī)械壽命。滾輪固定架上方設(shè)置2個導(dǎo)柱1，導(dǎo)柱1外面套有壓縮彈簧，導(dǎo)柱1與彈簧插入上蓋面板的空心圓柱孔內(nèi)，滾輪固定架下方設(shè)置4個導(dǎo)柱2，導(dǎo)柱2插入上蓋底板的空心圓柱孔內(nèi)，此結(jié)構(gòu)將滾輪限定在上蓋的面板與底板之間，通過彈簧的壓縮，以及導(dǎo)柱1與導(dǎo)柱2的導(dǎo)向，保證滾輪可以在一定范圍內(nèi)上下浮動，以適應(yīng)鋼帶運(yùn)行過程中的振動、鋼帶厚度差異等異常。滾輪在彈簧的作用力下，始終與運(yùn)動的鋼帶上表面保持接觸，鋼帶穿過探傷儀時，會帶動滾輪一直轉(zhuǎn)動。因為編碼器的轉(zhuǎn)軸與滾輪的中心孔為過盈配合，滾輪轉(zhuǎn)動就會帶動編碼器轉(zhuǎn)動，編碼器轉(zhuǎn)動一圈，即滾輪轉(zhuǎn)動一圈，根據(jù)滾輪外圓的周長，編碼器的脈沖信號最終可以轉(zhuǎn)換成距離信息，從而也就可以對鋼帶的缺陷位置進(jìn)行定位。滾輪組件與探傷儀的裝配關(guān)系如總裝剖面如圖4所示。

圖4 總裝剖面圖

2.3 軸承組件

利用探傷儀對電梯井道的鋼帶進(jìn)行檢測時，電梯是處于檢修狀態(tài)走慢車運(yùn)行的[6]，一般此時鋼帶相對探傷儀的運(yùn)行速度小于或等于0.5 m/s。為減少檢測時鋼帶與探傷儀之間的摩擦力，避免鋼帶穿過探傷儀時卡死，在探傷儀與鋼帶的接觸面設(shè)置有軸承組件，如圖5所示。

圖5 軸承組件

軸承組件在探傷儀中的布局如圖6所示，其中，在下蓋內(nèi)部的左右兩側(cè)一共設(shè)置了4組軸承組件，在下蓋內(nèi)部的上下兩端以及上蓋的下端一共設(shè)置了3組軸承組件。這種結(jié)構(gòu)布局方案可以保證鋼帶的左右兩側(cè)以及上下面都能與滾動軸承接觸，保證檢測時鋼帶探傷儀運(yùn)行順暢，減少零件磨損。

圖6 軸承組件布局

3 樣品驗證

鋼帶探傷儀設(shè)計完成后，為驗證其結(jié)構(gòu)的合理性，可以將Pro/Engineer創(chuàng)建的三維模型輸入到3D打印機(jī)，即可快速獲得對應(yīng)的樣品模型。經(jīng)過模型試裝配，各零部件配合良好，沒有出現(xiàn)干涉等不良現(xiàn)象，整機(jī)操作方便，各主要功能模塊運(yùn)行順暢，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。由此可見，該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，所采用的設(shè)計方法正確可行。樣品試裝配沒有問題后，接下來就可以進(jìn)行模具開發(fā)了，為產(chǎn)品量產(chǎn)做準(zhǔn)備。因為該產(chǎn)品是基于電磁無損檢測技術(shù)而設(shè)計，所以各零部件需要采用非磁性材料進(jìn)行加工，主要零部件的材料清單如表1所示[7－8]。

表1 主要零部件材料清單

4 結(jié)束語

本文介紹了一種電梯鋼帶探傷儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，設(shè)計過程結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場景對使用需求進(jìn)行分析，確定產(chǎn)品的外觀及總體結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用三維軟件Pro/Engineer對產(chǎn)品進(jìn)行參數(shù)化建模及裝配，最后制作樣品模型，驗證該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。鋼帶探傷儀是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，相關(guān)設(shè)計過程及結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，可以為今后類似產(chǎn)品的開發(fā)提供一種新的設(shè)計思路，具有比較重要的指導(dǎo)意義。

同時，該產(chǎn)品輕巧便攜，人機(jī)界面友好，具備操作簡單、運(yùn)行可靠等優(yōu)勢，能夠探測電梯鋼帶內(nèi)部鋼絲繩出現(xiàn)的微小缺陷，起到了事故預(yù)防的作用，保障乘梯安全效果明顯，解決了鋼帶電梯使用過程中的后顧之憂。