淺談齒形同步帶在電梯門系統(tǒng)的應(yīng)用

霍俊超，鄧浩斌

（日立電梯（中國(guó)）有限公司，廣東廣州 511430）

淺談齒形同步帶在電梯門系統(tǒng)的應(yīng)用

霍俊超，鄧浩斌

（日立電梯（中國(guó)）有限公司，廣東廣州 511430）

從20世紀(jì)初到現(xiàn)在，電梯發(fā)展已有100多年歷史。門系統(tǒng)的部件是電梯的核心部件之一，起著至關(guān)重要的作用。門機(jī)的發(fā)展歷程中，由搖臂式門機(jī)發(fā)展到皮帶驅(qū)動(dòng)式門機(jī)。到目前為止，所有的電梯門機(jī)均離不開(kāi)皮帶。皮帶在門系統(tǒng)的應(yīng)用中，齒形同步皮帶最受歡迎。齒形同步皮帶相對(duì)于其他皮帶性能更優(yōu)越。隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，皮帶的種類也越來(lái)越多，選擇材料合適的皮帶對(duì)門機(jī)使用性能的提高有著必不可少的幫助。

皮帶；齒形同步帶；門系統(tǒng)；開(kāi)門機(jī)

0 引言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，皮帶的應(yīng)用越來(lái)越廣。在ATM、自動(dòng)檢票機(jī)的分離裝置和定位裝置及信息讀取裝置、印刷機(jī)、郵件自動(dòng)分揀機(jī)、紡織機(jī)械、汽車、機(jī)器人、電動(dòng)注射成型機(jī)、機(jī)床主軸、CT掃描相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、電梯等設(shè)備中均需要應(yīng)用到皮帶傳動(dòng)，工業(yè)上對(duì)皮帶的需求越來(lái)越廣。而對(duì)于電梯門系統(tǒng)，皮帶必不可少。

1 皮帶的分類及其在門系統(tǒng)的應(yīng)用

帶傳動(dòng)可根據(jù)傳動(dòng)方式的不同分為摩擦傳動(dòng)和嚙合傳動(dòng)兩大類。摩擦帶傳動(dòng)包括平帶、V帶、多楔帶等。嚙合傳動(dòng)主要是同步帶。其中平帶由頂布、帶芯和底布組成。V帶可分為包布帶和切邊帶。包布帶和切邊帶均有粘合膠、芯繩，包布帶外層為外包布，切邊帶頂層為頂布。多楔帶由粘合膠、芯繩、頂布和楔膠組成。同步帶則由背膠、芯繩、齒包布、齒膠組成[1]。

門系統(tǒng)中分為層門和轎門部分。轎門部分包括開(kāi)門機(jī)、轎門板、安全觸板或光幕、轎門地坎、門套。層門部分包括層門導(dǎo)軌架、層門板、層門地坎、門套等。轎門部分隨轎廂運(yùn)動(dòng)。每臺(tái)電梯只有一至兩個(gè)開(kāi)門機(jī)。層門部分每層均有，由于其成本隨建筑的層數(shù)而增加，因此層門聯(lián)動(dòng)采用了成本較低的鋼絲繩。綜觀開(kāi)門機(jī)的發(fā)展史，由早期的鉸鏈門發(fā)展到現(xiàn)在的皮帶傳動(dòng)門機(jī)。鉸鏈門機(jī)又稱搖臂式門機(jī)，廣泛應(yīng)用于20世紀(jì)70年代的電梯門，通過(guò)三相異步電機(jī)，帶動(dòng)鏈輪旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)一系列的連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)門的開(kāi)合，傳動(dòng)系統(tǒng)與門板屬于剛性連接。到了20世紀(jì)80年代初期，皮帶開(kāi)始應(yīng)用于電梯開(kāi)門機(jī)。使用三相異步電機(jī)，通過(guò)平帶帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)減速和增大力矩，驅(qū)動(dòng)輪與從動(dòng)輪之間用V帶傳動(dòng)，中分門通過(guò)皮帶連接板夾住上皮帶和下皮帶，實(shí)現(xiàn)門的反向運(yùn)動(dòng)。旁開(kāi)門則通過(guò)皮帶連接板夾住皮帶的一邊使第一門運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)鋼絲繩聯(lián)動(dòng)裝置聯(lián)動(dòng)第一門與第二門，但平帶沒(méi)有楔緊效應(yīng)。到20世紀(jì)90年代初的門機(jī)則是電機(jī)到驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪到從動(dòng)輪均使用V帶，V帶應(yīng)用在大部分門機(jī)上。到20世紀(jì)90年代末隨著永磁同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用在門電機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需減速裝置的直驅(qū)方式，但仍使用V帶。V帶因依靠摩擦傳動(dòng)，故使用一段時(shí)間后容易打滑，造成維修保養(yǎng)的不便。而且對(duì)帶輪楔角與V帶楔角配合要求較高，不同楔角容易產(chǎn)生打滑和皮帶過(guò)早磨損，或容易產(chǎn)生側(cè)翻和皮帶脫落。打滑的另一個(gè)弊端是會(huì)令開(kāi)關(guān)門末端位置的誤差增大，在關(guān)門末端位置易產(chǎn)生撞門現(xiàn)象，在開(kāi)門末端位置可能產(chǎn)生開(kāi)門到位時(shí)電機(jī)還繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，令門機(jī)械部件或皮帶疲勞或損壞。而且需要的初張力也較大，因此電機(jī)設(shè)計(jì)所需要的軸載荷也相應(yīng)需要較大，造成電機(jī)功率必須更大，相關(guān)傳動(dòng)部件的強(qiáng)度也要求更高，使得設(shè)備體積大、成本高。在20世紀(jì)90年代末期，三菱、東芝等電梯制造商已開(kāi)始將齒形同步帶應(yīng)用在電梯開(kāi)門機(jī)上，直到現(xiàn)今，齒形同步帶在門系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用，無(wú)論是日系的異步門，還是歐系的同步門，均通用齒形同步帶傳動(dòng)。

2 齒形同步帶的分類及特點(diǎn)

齒形同步帶按齒形可分為梯形齒和曲線齒。梯形齒中，節(jié)距有3/8 in（9.525 mm）和1/2 in（12.7 mm）兩種。最初應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)縫紉機(jī)的上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以后其用途日益廣泛增加1/5 in（5.080 mm）、7/8 in（22.225 mm）、1/4 in（6.350 mm）和1/12.5 in（2.032 mm）四種節(jié)距，一直沿用至今。曲線齒在臺(tái)型齒的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)，相比梯型齒，有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）曲線齒采用公制節(jié)距；（2）曲線齒的齒形大，因此跳齒扭矩大；（3）曲線齒與帶輪嚙合過(guò)程較平滑、噪聲低；（4）帶齒與帶齒輪的齒側(cè)間隙小，定位精度高；（5）曲線齒的多邊形效應(yīng)小，傳動(dòng)誤差小，定位精度高；（6）曲線齒受力后在齒根部無(wú)應(yīng)力集中現(xiàn)象，齒剪切強(qiáng)度高[2]。

齒形皮帶相對(duì)于V帶有以下特點(diǎn)。

（1）齒形帶輪的節(jié)圓直徑更小

V帶傳動(dòng)屬于摩擦傳動(dòng)，其輪徑不能過(guò)小，否則會(huì)因包角小而降低傳動(dòng)效率，容易打滑。同步帶傳動(dòng)屬于嚙合傳動(dòng)，不會(huì)發(fā)生打滑，因此直徑可更小。

例如在S5M型同步帶的最小帶輪直徑為?22.28 mm（最小齒數(shù)為14），相比之下M型V帶輪最小直徑才?40 mm。又如S8M型同步帶，帶輪的最小直徑為?56.02 mm（最小齒數(shù)為22），對(duì)應(yīng)地A型V帶的最小帶輪直徑為?67 mm。因此齒形同步帶具有帶輪直徑小的優(yōu)勢(shì)。

（2）同步帶的延伸率更小

V帶的芯線一般使用聚酯纖維，同步帶的芯線一般使用玻璃纖維。玻璃纖維的最大特點(diǎn)是受熱時(shí)不易被拉長(zhǎng)，具有延伸率小的優(yōu)點(diǎn)，如圖1所示：

圖1 V帶與同步帶延伸率對(duì)比

從圖1可知，同步帶的抗拉伸性優(yōu)于V帶。

（3）同步帶輪的輸出力和傳動(dòng)容量更大

電機(jī)輸出公式：F=2T/d

其中T為電機(jī)的扭矩，d為節(jié)圓直徑，F(xiàn)為電機(jī)額定輸出力。

可知，在相同的電機(jī)輸出扭矩下，電機(jī)輸出力與帶輪直徑成反比，門機(jī)的拖動(dòng)負(fù)載取決于輸出力F。

在已知功率情況下，V帶的動(dòng)態(tài)軸負(fù)載的計(jì)算式為：

其中：Fc——?jiǎng)討B(tài)軸負(fù)載（N），Pd——設(shè)計(jì)動(dòng)力（kW），v——皮帶速度（m/s），Kθ——接觸角修正系數(shù)，θ1——小皮帶輪的接觸角（°）。

同步帶的動(dòng)態(tài)軸負(fù)載的計(jì)算式為[1]：

其中：Fc——?jiǎng)討B(tài)軸負(fù)載（N），Pd——設(shè)計(jì)動(dòng)力（kW），v——皮帶速度（m/s）

由上可知，在相同皮帶速度情況下，傳動(dòng)容量與輸出力/動(dòng)態(tài)軸負(fù)載成正比。因此帶輪直徑越小，傳動(dòng)容量越大。容易推出，同步帶的傳動(dòng)容量?jī)?yōu)于V帶。

（4）同步帶的噪音稍比V帶大

噪音與帶與帶輪的接觸面積有關(guān)。齒形帶的運(yùn)行噪音來(lái)自兩個(gè)方面。一方面是帶齒和齒輪嚙合時(shí)產(chǎn)生的沖擊噪音。這是由于帶的多邊形效應(yīng)及帶齒與輪齒相互碰撞而發(fā)出的聲音。實(shí)際上嚙合沖擊噪音是帶與帶齒槽所形成的空腔內(nèi)氣柱共鳴產(chǎn)生的。另一方面是帶的弦振動(dòng)噪音，包括帶與帶輪的擋邊摩擦，及帶運(yùn)行時(shí)與空氣摩擦產(chǎn)生的噪音等。

但對(duì)于如開(kāi)門機(jī)相對(duì)低速轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，V帶與齒形同步帶的噪音差異基本上可以忽略。

3 齒形同步帶在開(kāi)門機(jī)的應(yīng)用方式對(duì)皮帶性能的影響

同步帶應(yīng)用在開(kāi)門機(jī)有兩種布置方式，分別位橫向放置和豎向放置。橫向放置主要是因?yàn)殚T電機(jī)為碟型（也叫臥式電機(jī)，皮帶連接板夾上或下皮帶使其與門板聯(lián)動(dòng)）。豎向放置主要是因?yàn)殚T電機(jī)為筒式（也叫立式電機(jī)，皮帶連接板一般夾前皮帶使其與門板聯(lián)動(dòng)）。皮帶豎向放置時(shí)，過(guò)大的跨距長(zhǎng)度會(huì)令皮帶因重力作用下垂，皮帶受橫向剪切的程度大于電機(jī)橫向放置時(shí)。用立式電機(jī)通常是為節(jié)省門上坎部件的布置空間，同時(shí)因皮帶豎向放置的限制，帶輪的軸間距不能過(guò)大，因此皮帶豎向放置時(shí)只能聯(lián)動(dòng)一邊門，另一邊門只能依靠鋼絲繩聯(lián)動(dòng)裝置。因此此種布置方式多應(yīng)用在同步門的中分與旁開(kāi)門，而對(duì)于異步門，只能應(yīng)用在旁開(kāi)門，應(yīng)用在中分門的并不多見(jiàn)。而對(duì)于同步帶橫向放置，則皮帶受重力時(shí)的下垂范圍遠(yuǎn)小于同步帶的彎曲允許范圍，因此適合于同步門和異步門。對(duì)于中分的異步門，皮帶可雙邊聯(lián)動(dòng)，但對(duì)于同步門只能聯(lián)動(dòng)單邊，這是由于皮帶驅(qū)動(dòng)門刀轉(zhuǎn)動(dòng)決定兩門不能用皮帶聯(lián)動(dòng)。因此同步門所需要的皮帶跨距長(zhǎng)度更小，而異步門則多用長(zhǎng)跨距同步帶。

對(duì)于同步門，在關(guān)門末端時(shí)，大多需要電機(jī)的堵轉(zhuǎn)力令門刀閉合或張開(kāi)，故此階段內(nèi)對(duì)皮帶的拉力過(guò)大。為降低跳齒輪的幾率，初始張力應(yīng)比異步門的稍大。

初始張力的計(jì)算公式為：

其中：Fδ——撓曲負(fù)載；Ls——跨距長(zhǎng)度；Lp——皮帶長(zhǎng)度；Y——與皮帶型號(hào)有關(guān)的常數(shù)；δ——在Fδ作用下的撓度；T0——皮帶的初始張力。

由上式可知，在相同的撓曲負(fù)載情況下，Ls/ Lp越大，所需的初始張力T0就越小。而軸間距縮小時(shí)，皮帶周長(zhǎng)縮短量為軸間距縮小量的2倍。因此軸間距越小，軸間距與周長(zhǎng)的比就越小，在皮帶同一撓度下所需的張緊負(fù)載（T0）就越大。因此同步門機(jī)一般不宜使用長(zhǎng)跨距同步帶。

4 不同材料齒形同步帶在開(kāi)門機(jī)的應(yīng)用

齒形皮帶的橡膠材料分為：天然橡膠、丁苯橡膠、丁二烯橡膠、氯丁橡膠、丁腈橡膠。天然橡膠的耐磨性、抗彎曲開(kāi)裂性最好。氯丁橡膠的耐老化性、耐臭氧、耐堿性最好。丁腈橡膠的耐油性最好。更高抗拉強(qiáng)度要求的可用氫化丁腈橡膠（可達(dá)50～400 kgf/cm2）或聚氨酯橡膠（200～450 kgf/cm2），氫化丁腈橡膠成本較高，聚氨酯橡膠耐熱、耐酸、堿性差，若井道環(huán)境較惡劣，也不適用。

齒形皮帶的芯線材料分為：聚酰胺、聚酯、芳綸、棉、玻璃纖維、鋼絲。其中玻璃纖維的抗拉強(qiáng)度較大，因此其延伸率也較小。芯線的抗拉強(qiáng)度對(duì)比如表1。

表1 芯線的抗拉強(qiáng)度對(duì)比

由表1可知，玻璃纖維的抗拉性能優(yōu)于其他材料，其穩(wěn)定性和彎曲疲勞性能好，在齒形皮帶中最常用。但由于水對(duì)玻璃纖維的延伸率影響較大，吸水后的玻璃纖維性能大大下降。故消防梯中不能使用玻璃纖維芯線的皮帶，而推薦使用芳綸芯線，芳綸芯線的彎曲疲勞性和耐水性更好。

在常規(guī)的使用工況下的門機(jī)，一般選用氯丁橡膠、玻璃纖維芯線的皮帶。而在消防梯，一般不使用玻璃纖維芯線的皮帶，而采用帆布或芳綸芯線的。

5 齒形同步帶的選用要領(lǐng)

標(biāo)準(zhǔn)的齒形同步帶選用方法是根據(jù)電機(jī)輸出功率選用。還有另一種是依慣性矩計(jì)算，主要應(yīng)用在正反轉(zhuǎn)頻繁的場(chǎng)合。第三種是依有效拉力，主要應(yīng)用在低速的傳送用帶場(chǎng)合。

根據(jù)電機(jī)功率設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先確定電機(jī)的技術(shù)特征，例如電機(jī)的額定功率，帶輪的轉(zhuǎn)速，帶輪的節(jié)圓直徑。根據(jù)電機(jī)的額定功率，結(jié)合實(shí)際工況，確定負(fù)荷修正系數(shù)、惰輪比修正系數(shù)、速比修正系數(shù)、環(huán)境修正系數(shù)，得出設(shè)計(jì)功率；再根據(jù)帶輪節(jié)圓直徑，將轉(zhuǎn)速換算成皮帶的線速度。結(jié)合以上所得值，明確帶的型號(hào)，計(jì)算帶與帶輪的齒數(shù)，修正帶與帶輪的嚙合齒數(shù)，然后確定帶寬，最后進(jìn)行傳動(dòng)設(shè)計(jì)確認(rèn)。

根據(jù)實(shí)際載荷設(shè)計(jì)，首先要判斷是否需正反轉(zhuǎn)和急劇變速，若有經(jīng)常正反轉(zhuǎn)，則需考慮慣性矩的傳動(dòng)設(shè)計(jì)，要計(jì)算負(fù)載的慣性矩，計(jì)算加、減速轉(zhuǎn)矩，確定各種修正系數(shù)，再確定帶的型號(hào)，后續(xù)步驟同根據(jù)電機(jī)功率設(shè)計(jì)時(shí)的相同。若沒(méi)有正反轉(zhuǎn)頻繁和急劇變速的場(chǎng)合，則可根據(jù)有效拉力設(shè)計(jì)，進(jìn)行有效拉力的計(jì)算，再根據(jù)其值得出設(shè)計(jì)拉力，再確定皮帶型號(hào)，后續(xù)步驟同根據(jù)電機(jī)功率設(shè)計(jì)時(shí)的相同。

6 結(jié)論

本文結(jié)論如下:

（1）齒形同步帶在電梯開(kāi)門機(jī)中應(yīng)用最廣泛：

（2）齒形同步帶比其他皮帶擁有更優(yōu)異的性能，包括帶輪直徑可做得更小、延伸率更小、輸出的傳動(dòng)容量更大；

（3）一般工況下的門機(jī)，可選用玻璃纖維芯線，氯丁橡膠的齒形同步帶。

［1］阪東化學(xué)株式會(huì)社.阪東傳動(dòng)帶綜合設(shè)計(jì)手冊(cè)［Z］. 2011.

［2］日本傳動(dòng)帶專業(yè)技術(shù)委員會(huì).帶傳動(dòng)與精密傳送實(shí)用設(shè)計(jì)［Z］.1996.

The Application of Toothed Timing Belt in the Door System

HUO Jun-chao，DENG Hao-bin
（Hitachi Elevator（China）Co.，Ltd.，Guangzhou511430，China）

From last century，the development of elevator history has over 100 years.Door system，one of the core components of elevator，plays an important role in the elevator’s movement.In the course of door machine development，belt drawing door machine had been replaced the rocker door machine.Up to now，belts are inseparable from elevator door machine.In the application of door system，the toothed timing belts are the most widely used.Toothed timing belt has the better performance to other belts.With the development of the chemical industry，the kind of the belt is also increasing.Choose the right material of belts is indispensable to improve the performance of door machine.

belt；toothed timing belt；door system；door machine

TU857

：A

：1009－9492(2014)12－0233－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.060

霍俊超，男，1983年生，廣東順德人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：電梯門系統(tǒng)。已發(fā)表論文6篇。

(編輯：王智圣)

2014－07－23