一种电梯钢带探伤仪的结构设计

颜绍军

（日立楼宇技术（广州）有限公司，广州 510670）

0 引言

现有技术中，电梯通过曳引钢丝绳来连接轿厢、对重块，依靠钢丝绳与曳引轮的摩擦力驱动轿厢升降。随着材料技术的发展，在部分电梯的提升装置中，已开始采用复合曳引钢带代替钢丝绳[1]。这类复合曳引钢带由聚氨酯（TPU）材料包裹多根钢丝绳组成，多根钢丝绳在聚氨酯材料内部规则排列，外层的聚氨酯材料能够起到防锈防腐蚀的作用，相对传统的钢丝绳而言，复合曳引钢带具备质量轻、折弯半径小、曳引噪声低等优势[2]。但采用复合曳引钢带后，钢丝绳被包裹无法直接观察，如果内部钢丝绳出现断丝、翘丝、截面积损失等缺陷时，无法用肉眼识别，影响电梯使用安全[3]。

因此，为解决上述问题，有必要开发一种新的检测设备，用于检测钢带内部的钢丝绳是否存在上述缺陷，以便及时发现隐患，保障电梯使用安全。为实现上述目的，本文介绍一种电梯钢带探伤仪的结构设计方案，该产品基于电磁无损检测技术而设计[4]，采用Pro/Engineer软件对钢带探伤仪进行参数化建模及装配[5]，最后利用3D打印技术制作样品模型进行验证，结果表明钢带探伤仪的结构设计合理，功能符合预期使用要求。

1 需求分析及外观设计

1.1 需求分析

钢带探伤仪主要是供电梯维保人员使用，维保人员站在电梯轿顶手持该设备，随梯走慢车对电梯钢带进行扫描，以确认电梯钢带是否存在损伤缺陷。所以产品的结构设计需要满足应用场景的操作需求：便于抓握、便于操作、便于观察，确保产品符合人机工程学的要求——操作舒适、界面友好；产品外形尺寸不能太大，否则左右两侧会与相邻的钢带干涉；产品内部涉及多个PCBA电路板，需要充分考虑各个板卡之间的电气连接及走线要求；作为一个检测仪器，需要考虑产品的可维护性，对于易损件如锂电池、SD卡需要考虑可拆卸、可更换；检测时，钢带探伤仪与钢带存在相对运动，需要考虑减少接触摩擦，保证运动顺畅；在井道检测钢带，因钢带处于悬挂状态，所以钢带只能从侧面进入探伤仪。

1.2 探伤仪外观设计

根据上述需求分析的结果，接下来就可以进行产品的外观设计了。产品外形近似一个长方体，各主要零件采用黄、蓝相间的主色调，对比明显，便于在昏暗的电梯井道中快速识别设备；产品上盖增加把手，以便维保人员抓握，把手上表面均匀分布着一些微小的凸起结构，增加握持时的摩擦力，把手下表面设置波浪式结构，以适合手指握持的姿势，增加操作者的舒适度，把手上端增加一个翘起的结构，方便手持设备时对大拇指进行限位，防止手指上滑误触发红色的启动按钮；上盖的上端设置一个绿色的电源指示灯，多个红色的缺陷告警指示灯，告警指示灯数量与钢带内部钢丝绳数量一致，哪条钢丝绳存在缺陷，对应的指示灯就亮红灯告警，同时产品内部主板上设有蜂鸣器，当检测到钢丝绳有缺陷时，蜂鸣器会发出告警声，结合红色指示灯闪烁，提供声光告警功能，方便操作者第一时间接收到告警信号；上盖面板上设有显示窗，用于显示主板上搭载的数码管信息，这些显示信息可以是当前检测数据保存在存储器中文件名、存在缺陷的钢丝绳位置（第几根）、缺陷的位置信息（例如离检测起始点x米）等；上盖正上方位置，设有启动按钮，用于设备开关机，启动按钮有一半置于把手凹槽的下方，这样有利于避免检测过程中误触发启动按钮，意外关机。相关元素按照上述要求布局，采用Pro/Engi⁃neer软件进行参数化建模，完成后的产品外观如图1所示。

图1 产品外观

2 探伤仪结构设计

钢带探伤仪采用翻盖式结构，整体上分为上盖和下盖两部分，其中上盖包含的较为重要的部件是滚轮组件，下盖包含的较为重要的部件是轴承组件。下面对产品的总体结构以及各主要部件的设计方案进行详细阐述。

2.1 总体结构设计

产品整体分上下盖两部分，上下盖之间预留有空腔，供检测对象——电梯钢带通过；上下盖之间采用阻尼转轴连接，阻尼转轴的优点就是可以让上下盖打开后停止在某个位置，避免随意晃动触碰到旁边其它钢带；这种侧面翻盖式的结构，方便操作者在电梯井道现场将电梯钢带套入探伤仪内部。同时，在探伤仪上盖的左侧面设置一个锁紧开关，用于检测时将上下盖锁紧，防止钢带从探伤仪中脱出，因为上下盖内部装配有磁铁磁轭的励磁回路、含有漏磁传感器的上下检测板，上下盖意外打开后，上述器件位置远离钢带，磁路不符合预期设计，传感器也无法采集对应钢丝绳处的磁通量信号，影响检测的准确性。此外，为方便使用者在有需要时更换充电锂电池及数据存储卡（SD卡），探伤仪上盖设置有可拆卸的电池盖，电池盖上端插入上盖中，下端采用螺钉紧固，拆除电池盖就可以更换锂电池或数据存储卡，提高了设备的可维护性。其余诸如指示灯、启动按钮、显示窗、滚轮组件、轴承组件等各零部件的结构布局如总体结构如图2所示。

图2 总体结构

2.2 滚轮组件

为便于记录钢带的缺陷位置，在上盖内侧的上端设置有滚轮组件，滚轮组件主要包含滚轮、滚轮固定架、弹簧、轴承1、编码器、编码器支架等零件。其结构方案及装配关系如滚轮组件图3所示。

图3 滚轮组件

滚轮两端安装有轴承1，然后通过滚轮固定架上下夹紧固定，滚轮转动时带动轴承1转动，可以减少滚轮两端的磨损，延长零件机械寿命。滚轮固定架上方设置2个导柱1，导柱1外面套有压缩弹簧，导柱1与弹簧插入上盖面板的空心圆柱孔内，滚轮固定架下方设置4个导柱2，导柱2插入上盖底板的空心圆柱孔内，此结构将滚轮限定在上盖的面板与底板之间，通过弹簧的压缩，以及导柱1与导柱2的导向，保证滚轮可以在一定范围内上下浮动，以适应钢带运行过程中的振动、钢带厚度差异等异常。滚轮在弹簧的作用力下，始终与运动的钢带上表面保持接触，钢带穿过探伤仪时，会带动滚轮一直转动。因为编码器的转轴与滚轮的中心孔为过盈配合，滚轮转动就会带动编码器转动，编码器转动一圈，即滚轮转动一圈，根据滚轮外圆的周长，编码器的脉冲信号最终可以转换成距离信息，从而也就可以对钢带的缺陷位置进行定位。滚轮组件与探伤仪的装配关系如总装剖面如图4所示。

图4 总装剖面图

2.3 轴承组件

利用探伤仪对电梯井道的钢带进行检测时，电梯是处于检修状态走慢车运行的[6]，一般此时钢带相对探伤仪的运行速度小于或等于0.5 m/s。为减少检测时钢带与探伤仪之间的摩擦力，避免钢带穿过探伤仪时卡死，在探伤仪与钢带的接触面设置有轴承组件，如图5所示。

图5 轴承组件

轴承组件在探伤仪中的布局如图6所示，其中，在下盖内部的左右两侧一共设置了4组轴承组件，在下盖内部的上下两端以及上盖的下端一共设置了3组轴承组件。这种结构布局方案可以保证钢带的左右两侧以及上下面都能与滚动轴承接触，保证检测时钢带探伤仪运行顺畅，减少零件磨损。

图6 轴承组件布局

3 样品验证

钢带探伤仪设计完成后，为验证其结构的合理性，可以将Pro/Engineer创建的三维模型输入到3D打印机，即可快速获得对应的样品模型。经过模型试装配，各零部件配合良好，没有出现干涉等不良现象，整机操作方便，各主要功能模块运行顺畅，达到了预期目标。由此可见，该产品结构设计合理，所采用的设计方法正确可行。样品试装配没有问题后，接下来就可以进行模具开发了，为产品量产做准备。因为该产品是基于电磁无损检测技术而设计，所以各零部件需要采用非磁性材料进行加工，主要零部件的材料清单如表1所示[7－8]。

表1 主要零部件材料清单

4 结束语

本文介绍了一种电梯钢带探伤仪的结构设计方案，设计过程结合实际应用场景对使用需求进行分析，确定产品的外观及总体结构，并运用三维软件Pro/Engineer对产品进行参数化建模及装配，最后制作样品模型，验证该产品结构设计的合理性。钢带探伤仪是典型的机电一体化产品，相关设计过程及结构设计方案，可以为今后类似产品的开发提供一种新的设计思路，具有比较重要的指导意义。

同时，该产品轻巧便携，人机界面友好，具备操作简单、运行可靠等优势，能够探测电梯钢带内部钢丝绳出现的微小缺陷，起到了事故预防的作用，保障乘梯安全效果明显，解决了钢带电梯使用过程中的后顾之忧。