一種電梯鋼帶探傷儀的結構設計

顏紹軍

（日立樓宇技術（廣州）有限公司，廣州 510670）

0 引言

現有技術中，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動轎廂升降。隨著材料技術的發展，在部分電梯的提升裝置中，已開始采用復合曳引鋼帶代替鋼絲繩[1]。這類復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部規則排列，外層的聚氨酯材料能夠起到防銹防腐蝕的作用，相對傳統的鋼絲繩而言，復合曳引鋼帶具備質量輕、折彎半徑小、曳引噪聲低等優勢[2]。但采用復合曳引鋼帶后，鋼絲繩被包裹無法直接觀察，如果內部鋼絲繩出現斷絲、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，有必要開發一種新的檢測設備，用于檢測鋼帶內部的鋼絲繩是否存在上述缺陷，以便及時發現隱患，保障電梯使用安全。為實現上述目的，本文介紹一種電梯鋼帶探傷儀的結構設計方案，該產品基于電磁無損檢測技術而設計[4]，采用Pro/Engineer軟件對鋼帶探傷儀進行參數化建模及裝配[5]，最后利用3D打印技術制作樣品模型進行驗證，結果表明鋼帶探傷儀的結構設計合理，功能符合預期使用要求。

1 需求分析及外觀設計

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備，隨梯走慢車對電梯鋼帶進行掃描，以確認電梯鋼帶是否存在損傷缺陷。所以產品的結構設計需要滿足應用場景的操作需求：便于抓握、便于操作、便于觀察，確保產品符合人機工程學的要求——操作舒適、界面友好；產品外形尺寸不能太大，否則左右兩側會與相鄰的鋼帶干涉；產品內部涉及多個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，需要考慮產品的可維護性，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動，需要考慮減少接觸摩擦，保證運動順暢；在井道檢測鋼帶，因鋼帶處于懸掛狀態，所以鋼帶只能從側面進入探傷儀。

1.2 探傷儀外觀設計

根據上述需求分析的結果，接下來就可以進行產品的外觀設計了。產品外形近似一個長方體，各主要零件采用黃、藍相間的主色調，對比明顯，便于在昏暗的電梯井道中快速識別設備；產品上蓋增加把手，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構，增加握持時的摩擦力，把手下表面設置波浪式結構，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構，方便手持設備時對大拇指進行限位，防止手指上滑誤觸發紅色的啟動按鈕；上蓋的上端設置一個綠色的電源指示燈，多個紅色的缺陷告警指示燈，告警指示燈數量與鋼帶內部鋼絲繩數量一致，哪條鋼絲繩存在缺陷，對應的指示燈就亮紅燈告警，同時產品內部主板上設有蜂鳴器，當檢測到鋼絲繩有缺陷時，蜂鳴器會發出告警聲，結合紅色指示燈閃爍，提供聲光告警功能，方便操作者第一時間接收到告警信號；上蓋面板上設有顯示窗，用于顯示主板上搭載的數碼管信息，這些顯示信息可以是當前檢測數據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x米）等；上蓋正上方位置，設有啟動按鈕，用于設備開關機，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啟動按鈕，意外關機。相關元素按照上述要求布局，采用Pro/Engi?neer軟件進行參數化建模，完成后的產品外觀如圖1所示。

圖1 產品外觀

2 探傷儀結構設計

鋼帶探傷儀采用翻蓋式結構，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。下面對產品的總體結構以及各主要部件的設計方案進行詳細闡述。

2.1 總體結構設計

產品整體分上下蓋兩部分，上下蓋之間預留有空腔，供檢測對象——電梯鋼帶通過；上下蓋之間采用阻尼轉軸連接，阻尼轉軸的優點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；這種側面翻蓋式的結構，方便操作者在電梯井道現場將電梯鋼帶套入探傷儀內部。同時，在探傷儀上蓋的左側面設置一個鎖緊開關，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，上述器件位置遠離鋼帶，磁路不符合預期設計，傳感器也無法采集對應鋼絲繩處的磁通量信號，影響檢測的準確性。此外，為方便使用者在有需要時更換充電鋰電池及數據存儲卡（SD卡），探傷儀上蓋設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據存儲卡，提高了設備的可維護性。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構布局如總體結構如圖2所示。

圖2 總體結構

2.2 滾輪組件

為便于記錄鋼帶的缺陷位置，在上蓋內側的上端設置有滾輪組件，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。其結構方案及裝配關系如滾輪組件圖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，滾輪轉動時帶動軸承1轉動，可以減少滾輪兩端的磨損，延長零件機械壽命。滾輪固定架上方設置2個導柱1，導柱1外面套有壓縮彈簧，導柱1與彈簧插入上蓋面板的空心圓柱孔內，滾輪固定架下方設置4個導柱2，導柱2插入上蓋底板的空心圓柱孔內，此結構將滾輪限定在上蓋的面板與底板之間，通過彈簧的壓縮，以及導柱1與導柱2的導向，保證滾輪可以在一定范圍內上下浮動，以適應鋼帶運行過程中的振動、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，會帶動滾輪一直轉動。因為編碼器的轉軸與滾輪的中心孔為過盈配合，滾輪轉動就會帶動編碼器轉動，編碼器轉動一圈，即滾輪轉動一圈，根據滾輪外圓的周長，編碼器的脈沖信號最終可以轉換成距離信息，從而也就可以對鋼帶的缺陷位置進行定位。滾輪組件與探傷儀的裝配關系如總裝剖面如圖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行檢測時，電梯是處于檢修狀態走慢車運行的[6]，一般此時鋼帶相對探傷儀的運行速度小于或等于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，在下蓋內部的左右兩側一共設置了4組軸承組件，在下蓋內部的上下兩端以及上蓋的下端一共設置了3組軸承組件。這種結構布局方案可以保證鋼帶的左右兩側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

鋼帶探傷儀設計完成后，為驗證其結構的合理性，可以將Pro/Engineer創建的三維模型輸入到3D打印機，即可快速獲得對應的樣品模型。經過模型試裝配，各零部件配合良好，沒有出現干涉等不良現象，整機操作方便，各主要功能模塊運行順暢，達到了預期目標。由此可見，該產品結構設計合理，所采用的設計方法正確可行。樣品試裝配沒有問題后，接下來就可以進行模具開發了，為產品量產做準備。因為該產品是基于電磁無損檢測技術而設計，所以各零部件需要采用非磁性材料進行加工，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 結束語

本文介紹了一種電梯鋼帶探傷儀的結構設計方案，設計過程結合實際應用場景對使用需求進行分析，確定產品的外觀及總體結構，并運用三維軟件Pro/Engineer對產品進行參數化建模及裝配，最后制作樣品模型，驗證該產品結構設計的合理性。鋼帶探傷儀是典型的機電一體化產品，相關設計過程及結構設計方案，可以為今后類似產品的開發提供一種新的設計思路，具有比較重要的指導意義。

同時，該產品輕巧便攜，人機界面友好，具備操作簡單、運行可靠等優勢，能夠探測電梯鋼帶內部鋼絲繩出現的微小缺陷，起到了事故預防的作用，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。