一款電磁制動器的改進設計

趙映川

（長春理工大學，長春 130022）

電磁制動器是電梯安全運行的重要組成部分。在正常狀況下，電梯停止運行時，制動器應能保證在125%的額定載荷情況下使轎廂保持靜止，位置不變。在非正常狀況斷電時，制動器應能自動把運行中的電梯轎廂制停，防止轎廂沖頂或蹲底，確保乘客的人身安全。

某電梯公司引進電梯全套圖樣，在曳引機殼體上配裝一款電磁制動器。按電磁制動器圖樣生產的產品在裝電梯運行后發現，電磁制動器在手動開啟時存在發滯現象，要用較大的開啟力，甚至將頂桿螺紋端部折斷，定位手感不強，有時甚至不能定位。

1 失效分析

電磁制動器的相關結構，如圖1所示。扳手5扳動時，開啟桿2轉動，推動圓盤1。由于圓盤1與頂桿8是剛性聯接，帶動頂桿8向前移動，推開曳引機制動裝置。在正常運行狀態下，電磁制動器通電后，在電磁力作用下，圓盤帶動頂桿移動，推開曳引機制動裝置使曳引機運行。在非工作時，采用扳手轉動開啟桿，使頂桿移動推開曳引機制動裝置。研究產品和圖樣認為，該制動器不屬于常用的典型制動器結構。相關零件的加工必造成諸多尺寸公差、形位公差，如殼體安裝開啟桿的孔加工時存在尺寸公差和形位公差，開啟桿和殼體孔配合部位存在尺寸公差，圓盤和頂桿配合圓盤螺孔存在形位公差[1]。它的手動開啟組件按常用的機-電式常閉塊式直流電磁制器設計。

在上述因素的影響下，開啟桿軸線與圓盤平面傾斜，開啟桿作用端點離開圓盤的中心，導致開啟桿的作用力不能在圓盤的中心而是和塊式制動器一樣作用在圓盤邊緣。

2 受力計算

機構受力狀況可簡化如圖2所示，其中F為開啟桿的開啟力，a為圓盤受力點到頂桿中心的距離，b磁芯的長度，A、B為磁芯的兩端點，頂桿在磁芯中間圓孔移動。在力F的作用下，點A、B兩處受法向反力FNA、FNB，而由法向反力產生的摩擦力為FA、FB。

圖1 電磁制動器的相關結構圖

圖2 機構受力狀況圖

在平衡的臨界狀態，摩擦力為最大值。設f為摩擦系數，則有：

由式（2），可令FNA=FNB=FN，并將其代入式（4）和式（5），于是有：

同時，式（1）和式（3）可分別寫成：

由式（8）可見：在F和b為固定值時，a和FN成正比；當a減少時，FN也減少；當作用力通過頂桿中心時，不存在兩端點的法向力，即a=0時，FN=0。

臨界狀態為[2]：

3 塊式制動器的a和al驗算

塊式制動器是應用較多的制動器，基本結構如圖3所示。它的開啟桿的作用力不通過鐵芯中心，而是作用在鐵芯的圓面邊緣。這種結構的制動器在手動開啟時很順暢，沒有發生過費力、發滯現象。開啟桿如圖4所示。由于制動力、行程、額定電圧等不同，它的尺寸大小不一樣，但其結構基本相同。表1給出目前在大批生產并裝機長期運行的產品，啟動力作用點到運動件即鐵芯軸心距離a和a的臨界值al之比。

圖3 塊式制動器結構圖

圖4 開啟桿圖

由表1可以看出，這些制動器的a值和a的臨界值al之比在0.26之內，證明開啟桿作用力不通過移動件圓心是可以的，也就是作用力可以在移動件鐵芯邊緣。需要注意，a可以存在，但和其臨界值不能相近。

表1 鐵芯軸心距離a和a的臨界值al表

4 開啟桿的改進設計

4.1 原設計的a值和a的臨界值al之比

在原設計中，b=49 mm，a=56.5 mm，f=0.3，臨界值al=81.7 mm。可見，a為臨界值al的0.7倍，較相近，但不至于自鎖。由于在開啟時頂桿的力不僅要克服摩擦力，還要大于電梯曳引機制動裝置的制動力才能開啟[3]。扳手用力越大，摩擦力越大，因此會出現發滯、扳動費力甚至造成頂桿和圓盤聯接處折斷的情況。

4.2 改進設計

原設計的開啟桿如圖5所示（只標注了主要尺寸）。原設計的開啟桿的下端部到達圓盤中心，即頂桿中心。因為開啟桿和圓盤邊緣接觸，所以下端部不起作用。如果改變開啟桿長度，將不便安裝。開啟桿的長度不變，只是將Φ21 mm的下部長度改為10 mm，其余部分外徑改為Φ19 mm，如圖6所示，保證在任意情況下接觸點在圓盤中心的10 mm范圍內。這時a值和a的臨界值al之比為0.12，在0.26之內，手動啟動時不會產生費力、發滯現象。

圖5 原設計的開啟桿（單位：mm）

5 開啟桿導向定位機構的改進設計

5.1 原導向定位機構

原設計導向和定位由一個空芯頂絲來完成，頂絲如圖7所示。加工成如圖7所示的頂絲1，內裝有壓簧2和鋼球3。頂絲下端加工成圓筒狀用作導向，鋼球用作定位。頂絲安裝于殼體上，圓筒部分插入開啟桿導向槽內，起到導向作用，如圖8所示。當開啟桿轉動到開啟位置，鋼球在壓簧作用下，落入開啟桿的直角V形凹處定位。這種機構在一般情況下是可行的，簡單方便但定位感不強。由于曳引機運行中裝在曳引機上的電磁制動器的開啟桿會受到沖擊和振動，造成開啟桿不斷發生軸向竄動，致使起導向作用的頂絲下端產生變形，壓住或包住里面的鋼球而起不到定位作用。如果鋼球在定位處被壓住，則無法轉動，不能制動，存在較大的安全隱患[4]。

圖6 改進設計的開啟桿（單位：mm）

圖7 原設計的頂絲

圖8 原設計頂絲插入導向槽后

5.2 改進的導向定位機構

本設計將導向和定位機構分開，各行其責。定位機構仍為裝有壓簧和鋼球的空芯頂絲，依靠鋼球實現定位。它的外圓不作為導向，如圖9所示。頂絲仍安裝在原處，如圖10所示。在開啟桿外圓上直接加工直角V形凹坑作為鋼球定位落入處，開啟桿外圓長度是44 mm，為原外圓長度的1.4倍，提高了定位精度。

圖9 導向定位機構（單位：mm）

圖10 導向定位機構頂絲部分

由于圓周長，V形凹處孔的邊緣趨向同一平面，將鋼球直徑由3 mm改為4 mm。V形凹坑直徑選擇為將鋼球沉入到半徑的3/4，即凹坑直徑為4.6 mm，定位可靠，手感強。鋼球落入凹坑孔中深，移出路徑長，不會因振動和沖擊離位。導向機構單獨采用加工如圖11所示的導向螺釘來完成。導向螺釘插入開啟桿上相關部位的導向槽。為了固定頂絲，原來是在頂絲的后端與殼體連接處沖出凹坑，防止移位。這種方法不可拆，出現問題不便修復[5]。現改為平頭頂絲旋入，壓緊定位和導向頂絲，既固定可靠，又可拆卸。

圖11 導向螺釘（單位：mm）

6 結語

改進后，開啟桿的作用力基本通過頂桿的中心，不會產生較大的摩擦力。a值和a的臨界值al之比為0.12，遠遠小于現有的制動器0.26的比值。將定位和導向機構分開，在開啟桿外圓上直接加工直角V形凹坑作為鋼球定位，落入處增大凹坑直徑，并單獨采用導向螺釘完成導向。按改進后的圖樣生產的電磁制動器裝入曳引機，裝梯運行良好，人工開啟靈活自如，未出現發滯、費力現象，定位精確可靠，導向良好。