基于直流發(fā)電機和電磁制動器的新型高樓逃生緩降機

陳品志，姚榮華，何鵬飛

CHEN Pin-zhi, YAO Rong-hua, HE Peng-fei

（北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081）

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市高樓高度不斷增加，密度日益密集，高層建筑的安全隱患也逐漸增多。由于時間、空間等諸多因素限制，在發(fā)生火災(zāi)或者爆炸等突發(fā)災(zāi)難時，安全迅速的疏散人群的問題越來越受到人們的重視。

目前市面上已有多種高樓緩降裝置，其中有一類是具有備用電源的大型電控多人緩降裝置。這類裝置相當于是一部額外的應(yīng)急電梯，在控制電路的作用下，無論負載重量的大小，裝置下降速度能保持穩(wěn)定，但此類裝置有成本高，占用空間大等缺陷，因而很少應(yīng)用。另外一類為無需電源的小型緩降裝置，這類裝置的緩降原理主要有流體阻尼式、摩擦阻尼式、手控式等。流體阻尼式和摩擦阻尼式的缺陷為下落速度會隨使用者體重增加而增大，手控式的缺陷為下落速度需要使用者控制，對使用者身體條件有一定要求，不適用于老人小孩以及行動不便者。

綜合分析了各類逃生緩降裝置的優(yōu)缺點，筆者設(shè)計制作了一套基于直流發(fā)電機與電磁制動器的逃生緩降裝置，其兼有電控緩降裝置對速度精確控制和小型緩降裝置成本低廉、體積重量小、無需外接電源等優(yōu)點。

1 結(jié)構(gòu)及原理

該逃生緩降裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。固定不轉(zhuǎn)的心軸3固定在機架8上。繩筒2上繞有鋼絲繩，通過滾動軸承支撐于心軸3上并軸向固定。繩筒3的轉(zhuǎn)動通過傳動比1：7的NGW型行星齒輪組1傳遞至空心軸7，空心軸7通過滾針軸承支承于心軸3上，使其能自由周向旋轉(zhuǎn)，并用彈性擋圈進行軸向位置固定。錐齒輪組4將空心軸7的轉(zhuǎn)動換向后傳遞給直流發(fā)電機5。電磁制動器6的固定端與機架8固連，活動端以鍵的形式與空心軸7相連接，周向固定并能軸向自由滑動。

人下落時帶動繩筒2旋轉(zhuǎn)，在行星輪系1的作用下空心軸7的轉(zhuǎn)速為繩筒2的7倍。空心軸7通過錐齒輪組4將旋轉(zhuǎn)運動傳遞至直流發(fā)電機5。直流發(fā)電機在外力矩帶動下轉(zhuǎn)動時能產(chǎn)生電動勢，起到發(fā)電機的作用，它發(fā)出的電能一方面提供給電磁制動器6，另一方面提供給自動控制電路。空心軸7同時帶動電磁制動器6的活動端旋轉(zhuǎn)。當使用者下降速度大于預(yù)定值V1時電磁制動器開始工作，其活動端被電磁吸力吸引至固定端的摩擦面上產(chǎn)生制動摩擦力矩，當使用者下降速度小于預(yù)定值V2時，電磁制動器停止工作，使用者下降速度上升。通過預(yù)先設(shè)置合適的V1、V2值即能實現(xiàn)下降速度穩(wěn)定在V1，V2之間的功能。

2 直流發(fā)電機的發(fā)電性能測試

2.1 實驗設(shè)備參數(shù)

1）發(fā)電機：由于小型24V的直流發(fā)電機很少見，因此選用24V永磁有刷直流電動機代替。其型號為直流24V，額定轉(zhuǎn)速7400rpm，經(jīng)端部減速器減速后額定轉(zhuǎn)速300rpm，最大負載電流2A，減速后額定輸出力矩0.76N·m，最大輸出力矩2.4N·m，額定功率35W。

圖1 主要結(jié)構(gòu)圖

2）電磁制動器：直流24V，額定電流0.83A，額定功率20W，額定功率下制動力矩20 N·m。

3）0-500rpm無級變速手持電鉆，輸出力矩＞40 N·m。

4）數(shù)字式萬用表。

5）磁傳感器式轉(zhuǎn)速表。

2.2 實驗方法與結(jié)果

方法：用手持電鉆將發(fā)電機動力輸入軸夾緊，手持電鉆帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，用轉(zhuǎn)速表測發(fā)電機轉(zhuǎn)速n，用數(shù)字式萬用表測發(fā)電機的輸出電壓U。測量兩次，第一次發(fā)電機空載，第二次接上電磁制動器。

結(jié)果：空載時測量數(shù)據(jù)如表1所示，接負載時測量結(jié)果如表2所示。

從數(shù)據(jù)中能看出電壓和轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)很強的線性關(guān)系，使用MATLAB一階擬合得：

空載時U=0.0476×n，接負載時U=0.0382×n，如圖1所示。

3 電磁制動器阻力矩計算

電磁制動器工作原理是固定端內(nèi)部線圈通電后產(chǎn)生磁場，可視為一個直流電磁鐵，將鐵質(zhì)活動端吸合于固定端摩擦面上產(chǎn)生摩擦力矩T，T的計算公式為：

表1 空載發(fā)電機輸出電壓U與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系

表2 接負載時發(fā)電機輸出電壓U與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系

圖2 抗沖擊原理圖

式中 F——電磁吸力

R——摩擦面平均半徑

式(1)中R為定值，因此摩擦力矩T僅與電磁吸力F有關(guān)，F(xiàn)的計算公式為：

式中 B0氣隙中的磁感應(yīng)強度

S0空氣隙的截面積

式(2)中僅B0為變量，其值與通過線圈電流I平方成正比，而直流電磁鐵電流I與線圈兩端電壓U成正比，因此電磁制動器制動力矩與線圈兩端電壓U的平方成正比。當U=24V，即額定值時，制動器產(chǎn)生制動力矩為額定值20 N·m。據(jù)此能推算出任意電壓值U1時電磁制動器產(chǎn)生的制動力矩T1為：

根據(jù)3.2所求出的U1和n的關(guān)系與式(3)能得到任意轉(zhuǎn)速n下電磁制動器能產(chǎn)生的的制動力矩T1。如圖2所示。

實際使用中電磁制動器需要提供的制動力矩T1為：

其中m為使用者體重，R=0.1m為繩筒半徑，I=7為行星輪系增速比。

圖3 轉(zhuǎn)速n與電磁制動器制動力、制動力矩關(guān)系圖

4 控制電路

控制電路由速度反饋、運算處理和開關(guān)控制3部分組成。速度反饋部分由光電碼盤和光電傳感器組成，運算處理部分由STC51單片機及其附屬電路構(gòu)成，開關(guān)控制部分由5V電磁繼電器構(gòu)成。速度反饋部分的功能是按一定比例將空心軸轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)化成脈沖頻率f，通過測量脈沖頻率f即能計算出空心軸的轉(zhuǎn)速n。運算處理部分的作用是接收光電傳感器發(fā)出的脈沖信號f，并與內(nèi)部程序預(yù)設(shè)值f1、f2進行比較，f1對應(yīng)的空心軸轉(zhuǎn)速n1=525rpm，繩筒轉(zhuǎn)速為n2=75rpm，對應(yīng)使用者下降速度為V1=0.785m/s（繩筒半徑0.1m）。f2對應(yīng)的空心軸轉(zhuǎn)速n1'=400rpm，繩筒轉(zhuǎn)速n2'=57.14rpm，對應(yīng)使用者下降速度為V2=0.6m/s。當f＞f1時，即使用者下降速度大于0.785m/s時，在單片機的控制下電磁制動器開始工作。當f＜f2時，即使用者下降速度小于0.6m/s時在單片機的控制下電磁制動器停止工作。

圖4 控制電路流程圖

控制電路工作流程圖如圖3所示。

5 實機測試結(jié)果

為了驗證裝置的性能，筆者設(shè)計制作了一臺樣機，以下是實際試驗得到的數(shù)據(jù)。

表3 裝置下降速度測試結(jié)果

6 結(jié)論

隨著城市化的進行和高樓業(yè)的蓬勃發(fā)展，為了保證人們的生命安全，目前已經(jīng)發(fā)明了多種逃生緩降器。從社會需求出發(fā)，筆者發(fā)明了文中所述的高樓逃生緩降機，通過文中對直流發(fā)電機，電磁制動器性能的研究，從理論上闡釋了此種方法的可行性。并且筆者制作了一臺樣機進行試驗，試驗結(jié)果表明，此高樓緩降機能很好的完成緩降的功能，使得不同質(zhì)量的負載均能以幾乎相同的速度緩降，此優(yōu)點是目前絕大多數(shù)高樓緩降機所不具備的。并且此緩降機制動部分采用技術(shù)成熟，商品化程度高的直流電動機與電磁制動器，有價格低廉、性能穩(wěn)定、質(zhì)量輕體積小等優(yōu)點，具有很強的市場推廣價值。并且文中所述的直流電機和電磁制動器組成的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)不僅能應(yīng)用于高樓緩降機，也能應(yīng)用于其他需要控制轉(zhuǎn)速并且不能外接電源的場合。具有很廣闊的應(yīng)用前景。

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