基于扭矩傳感器的電動(dòng)助力型消防卷盤的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

王勃翰，鄧成中，李卓林

（西華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川成都，610039）

0 引言

消防卷盤是一種用于滅火和救援的消防器具，它由軟管、卷盤、連接管和噴槍等部件組成，能在迅速展開軟管的過程中噴射滅火劑[1]。普通的消防卷盤使用時(shí)需要用力拖拽軟管進(jìn)行滅火，滅火后需要手動(dòng)將軟管卷回消防卷盤內(nèi)，比較費(fèi)力。也有一部分電機(jī)控制的消防卷盤，可以通過遙控器或按鈕來控制軟管的展開和收回，但是用普通的電機(jī)控制方式來控制消防卷盤，其輸出轉(zhuǎn)矩和速度與消防軟管的長(zhǎng)度和重量不匹配，可能導(dǎo)致消防軟管收放不平滑，影響消防效果；普通電機(jī)的控制方式較為簡(jiǎn)單，不能實(shí)現(xiàn)精確的力矩和速度調(diào)節(jié)，可能導(dǎo)致消防軟管受力過大或過小，損傷消防軟管；普通電機(jī)控制方式的堵轉(zhuǎn)特性會(huì)導(dǎo)致電機(jī)表面溫度過高，可能引起火災(zāi)或電氣故障。所以一種對(duì)消防軟管自動(dòng)收裝，且能自動(dòng)控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和速度，同時(shí)還節(jié)省體力的電動(dòng)助力型消防卷盤裝置的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

1 消防卷盤機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該電動(dòng)助力型消防卷盤由消防軟管1、中心卷筒2、卷盤外殼3、中心軸4、進(jìn)水裝置5、支座6、電動(dòng)助力系統(tǒng)裝置7、帶內(nèi)直齒輪卷盤外殼8、兩個(gè)直齒輪9 構(gòu)成。消防卷盤三視圖以及三維圖如圖1～4 所示。

圖1 正面立體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 俯視立體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 側(cè)視立體結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 電動(dòng)助力型消防卷盤三維圖

如圖1～4 所示，卷盤外殼和帶內(nèi)直齒輪卷盤外殼之間固接中心卷筒，用于轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)拉伸與收卷消防軟管；中心卷筒的中心設(shè)有中心軸，用于支撐消防卷盤；消防軟管固纏繞于中心卷筒，用于消防；中心軸一端接有進(jìn)水裝置，用于進(jìn)水；中心軸另一端接有電動(dòng)助力系統(tǒng)裝置，用于提供電動(dòng)助力；進(jìn)水裝置底部安裝有支座，用于固定進(jìn)水裝置和支撐中心軸；電動(dòng)助力系統(tǒng)裝置底部安裝有支座，用于固定電動(dòng)助力系統(tǒng)裝置和支撐中心軸。電動(dòng)助力系統(tǒng)裝置兩軸安裝有兩個(gè)直齒輪，兩個(gè)直齒輪與帶內(nèi)直齒輪卷盤外殼內(nèi)嚙合傳動(dòng)連接，電動(dòng)助力系統(tǒng)提供電動(dòng)助力驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)直齒輪帶動(dòng)帶內(nèi)直齒輪卷盤外殼轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)消防卷盤轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到自動(dòng)控制消防卷盤的轉(zhuǎn)速，方便且快速拉伸與收卷消防軟管的目的。該電動(dòng)助力型消防卷盤支座設(shè)計(jì)有螺紋孔，方便在各種場(chǎng)景下固定消防卷盤，便于消防卷盤在各種場(chǎng)合下的使用。

2 電動(dòng)助力系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)

該電動(dòng)助力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括有軸、直齒圓錐齒輪、聯(lián)軸器、動(dòng)態(tài)扭矩傳感器、蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)、直流無刷電機(jī)、蓄電池、印制電路板等。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5 所示。

圖5 電動(dòng)助力系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

如圖5 所示，軸主要用于支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，確保機(jī)械運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，并有效傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力；直齒圓錐齒輪，用來傳遞兩相交軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，確保了動(dòng)力傳輸?shù)母咝裕粍?dòng)態(tài)扭矩傳感器，檢測(cè)消防人員拉伸或收卷消防軟管時(shí)，施加到軸上的力矩大小和軸旋轉(zhuǎn)的速度，采集有關(guān)數(shù)據(jù)并傳遞給主控制器；聯(lián)軸器，用于傳遞運(yùn)動(dòng)，保證運(yùn)動(dòng)的順暢傳遞；蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，用于減速和增加轉(zhuǎn)矩，降低消防卷盤轉(zhuǎn)動(dòng)速度并增加輸出的扭矩大小[2]，為直流無刷電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力提供一定的控制，輔助直流無刷電機(jī)的助力；直流無刷電機(jī)，用于為消防卷盤的轉(zhuǎn)動(dòng)提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)助力，并且只在消防卷盤需要助力的時(shí)候才進(jìn)行工作，根據(jù)主控制器發(fā)出命令來工作，提供轉(zhuǎn)動(dòng)助力。

印制電路板，由用于控制的主控制器、直流無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路、用于監(jiān)測(cè)的反饋電路、接收外部信號(hào)的接口電路等構(gòu)成，印制電路板是電動(dòng)助力系統(tǒng)裝置中的關(guān)鍵部件，通過各個(gè)傳感器傳遞過來的數(shù)據(jù)信號(hào)，來進(jìn)行分析、計(jì)算和控制，通過直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)施的PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)功率元件MOSFET 的精確通斷操作。這種控制方式允許主控制器通過改變PWM 信號(hào)的占空比來調(diào)節(jié)直流無刷電機(jī)的速度，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的精確控制，來控制直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖6 所示。蓄電池，用于為電動(dòng)助力系統(tǒng)裝置的各個(gè)需要供電的元器件供電，確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

圖6 印制電路板總體結(jié)構(gòu)圖

軸和直齒圓錐錐齒輪、蝸輪通過鍵連接，錐齒輪之間的嚙合方式為外嚙合，確保了部件間的穩(wěn)固連接。動(dòng)態(tài)扭矩傳感器垂直安裝，蝸輪和蝸桿直接連接，蝸桿和電機(jī)通過聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)彈性連接，用于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)助力系統(tǒng)裝置的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

該電動(dòng)助力系統(tǒng)裝置的運(yùn)作方式是：消防人員拉伸消防軟管會(huì)帶動(dòng)消防卷盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將動(dòng)力傳送到直齒圓錐齒輪上，直齒圓錐齒輪通過軸，將扭矩和轉(zhuǎn)速信號(hào)傳送給動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，動(dòng)態(tài)扭矩傳感器將信號(hào)發(fā)送給主控制器。主控制器再驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，直流無刷電機(jī)再通過蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳送軸上，軸帶動(dòng)直齒圓錐齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，來帶動(dòng)直齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)帶內(nèi)直齒輪卷盤外殼的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)消防卷盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，方便消防軟管的拉伸與收卷，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)消防卷盤的電動(dòng)助力控制。

3 電動(dòng)助力型消防卷盤工作原理

當(dāng)需要使用消防卷盤時(shí)，消防人員可直接拉伸消防軟管，此時(shí)帶內(nèi)直齒輪卷盤外殼輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)直齒輪帶動(dòng)直齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，直齒輪帶動(dòng)直齒圓錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，直齒圓錐齒輪帶動(dòng)輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)態(tài)扭矩傳感器測(cè)量采集作用在輸入軸的力矩和轉(zhuǎn)速大小，將力矩和轉(zhuǎn)速大小轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)分別發(fā)送給主控制器，主控制器通過A/D 轉(zhuǎn)換將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)量，通過編程對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、校準(zhǔn)等預(yù)處理，然后根據(jù)一定的算法將其轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需的助力電流值。接著，將這個(gè)目標(biāo)電流值與實(shí)際電流值進(jìn)行比較，得到一個(gè)誤差信號(hào)。最后，通過PID 來調(diào)節(jié)PWM 信號(hào)的占空比，從而控制電機(jī)的力矩大小和轉(zhuǎn)向，產(chǎn)生一個(gè)合適的輔助動(dòng)力，最后電機(jī)輸出的力矩通過蝸輪蝸桿式減速機(jī)構(gòu)作用到輸出軸，從而帶動(dòng)卷盤外殼的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)助力。消防軟管便會(huì)隨著帶內(nèi)直齒輪卷盤外殼的轉(zhuǎn)動(dòng)自動(dòng)拉伸，此時(shí)消防人員拉伸消防軟管便會(huì)非常輕松，方便且省時(shí)省力，一個(gè)人便可輕松完成。

在使用完成后，朝消防軟管收卷的方向轉(zhuǎn)動(dòng)消防卷盤，電動(dòng)助力系統(tǒng)裝置便開始工作，動(dòng)態(tài)扭矩傳感器繼續(xù)測(cè)量采集作用在輸入軸的力矩和轉(zhuǎn)速大小，（此時(shí)采集到的力矩和拉伸消防軟管采集到的力矩方向是相反的，如果規(guī)定拉伸消防軟管是使電機(jī)正傳產(chǎn)生電動(dòng)助力，那么此時(shí)便是使電機(jī)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生電動(dòng)助力。）將力矩和轉(zhuǎn)速大小轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)分別發(fā)送給主控制器，主控制器經(jīng)過一系列處理后，控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個(gè)合適的輔助動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)助力。此時(shí)消防卷盤便可自動(dòng)收卷消防軟管，在消防卷盤回轉(zhuǎn)到使用消防軟管時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)后，電動(dòng)助力系統(tǒng)裝置便停止工作。達(dá)到了可以輕松收卷消防軟管，操作方便且省時(shí)省力的效果。

該電動(dòng)助力系統(tǒng)裝置會(huì)通過主控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)分析控制，消防人員拉伸消防軟管速度的快慢會(huì)影響助力的大小，主控制器會(huì)通過計(jì)算給消防卷盤一個(gè)自適應(yīng)的合適速度。在實(shí)際操作中，消防人員只需輕輕拉動(dòng)軟管，卷盤的電動(dòng)助力系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)，通過內(nèi)部的傳感器和控制器來檢測(cè)和調(diào)節(jié)所需的助力。這種智能化的控制系統(tǒng)可以根據(jù)拉伸和收卷的不同階段自動(dòng)調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，確保軟管能夠平穩(wěn)地展開和收回；讓消防人員拉伸消防軟管更加省力且方便。

此外，電動(dòng)助力型消防卷盤還具有自我保護(hù)功能，如果消防軟管收卷時(shí)遇到障礙物難以收卷，電機(jī)難以拖動(dòng)，導(dǎo)致電機(jī)溫度、電流、和轉(zhuǎn)矩增加到一定數(shù)值；主控制器就會(huì)取得在程序中預(yù)設(shè)的一個(gè)PWM 占空比最大值，通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比，來降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率，使電機(jī)功率正常；讓電機(jī)正常工作，從而避免設(shè)備損壞，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

4 電動(dòng)助力型消防卷盤說明

該電動(dòng)助力型消防卷盤由卷盤外殼、中心卷筒、中心軸、進(jìn)水裝置和電動(dòng)助力系統(tǒng)裝置等部件組成。卷盤外殼內(nèi)側(cè)設(shè)有直齒輪，且與中心卷筒的兩端固接，使中心卷筒能夠隨著卷盤外殼旋轉(zhuǎn)。中心卷筒上纏繞著消防軟管，當(dāng)需要使用時(shí)，可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)卷盤外殼將消防軟管拉伸出來，當(dāng)使用完成后，可以收納消防軟管。中心軸穿過中心卷筒的中心，起到支撐和連接的作用。中心軸的一端連接著進(jìn)水裝置，可以將水源引入消防軟管。中心軸的另一端連接著電動(dòng)助力系統(tǒng)裝置，可以為消防卷盤提供電動(dòng)助力，使其轉(zhuǎn)動(dòng)更加輕松和快速。進(jìn)水裝置和電動(dòng)助力系統(tǒng)裝置的底部都安裝有支座，可以將它們固定在合適的位置，支撐整個(gè)消防卷盤。電動(dòng)助力系統(tǒng)裝置的兩軸上分別安裝有兩個(gè)直齒輪，與卷盤外殼內(nèi)側(cè)的直齒輪相嚙合，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)助力系統(tǒng)裝置和卷盤外殼的傳動(dòng)連接。通過電動(dòng)助力系統(tǒng)裝置，可以輔助消防卷盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，使消防軟管的拉伸和收卷更加方便和快捷。該電動(dòng)助力型消防卷盤的支座上還設(shè)計(jì)有螺紋孔，可以根據(jù)不同的場(chǎng)景和需求，將消防卷盤固定在適合的地方，增加了消防卷盤的使用范圍和靈活性。

該消防卷盤可以在車載、室內(nèi)、室外等場(chǎng)景下使用，使用時(shí)，將消防軟管拉伸，電動(dòng)助力系統(tǒng)裝置便會(huì)開始工作，根據(jù)消防人員拉伸消防軟管的力的大小來提供給電機(jī)一個(gè)合適的速度，輔助消防卷盤轉(zhuǎn)動(dòng)。

消防軟管接上水槍，進(jìn)水裝置接上水閥，打開水閥后即可進(jìn)行滅火，在消防軟管拉伸到合適的滅火位置后，消防人員便不再用力拉伸消防軟管，系統(tǒng)提供的電動(dòng)助力會(huì)越來越小，直到電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。使用完畢后，朝消防軟管收卷的方向轉(zhuǎn)動(dòng)卷盤外殼，電機(jī)便會(huì)反轉(zhuǎn)，輔助消防卷盤的轉(zhuǎn)動(dòng)。

5 結(jié)束語

電動(dòng)助力型消防卷盤是一種現(xiàn)代消防設(shè)備，它通過內(nèi)置的電動(dòng)機(jī)和傳感器系統(tǒng)來輔助消防人員快速展開或收回消防軟管。這種設(shè)備的設(shè)計(jì)提高了消防作業(yè)的效率和安全性，使得消防人員能輕松完成展開和收回消防軟管的任務(wù)。

本文設(shè)計(jì)了一種基于扭矩傳感器的電動(dòng)助力型消防卷盤，它能夠智能地感知消防人員拉伸或收卷消防軟管時(shí)的力矩和轉(zhuǎn)速，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)自動(dòng)控制電機(jī)的輸出，從而實(shí)現(xiàn)消防卷盤的電動(dòng)助力，使消防軟管的拉伸和收卷更加輕松和快速，提高了消防效率和安全性。該消防卷盤適用于多種場(chǎng)景，如車載、室內(nèi)、室外等場(chǎng)景，可以根據(jù)不同的環(huán)境和需求，將消防卷盤固定在合適的位置，增加了消防卷盤的使用范圍和靈活性。該消防卷盤具有較高的實(shí)用價(jià)值，為消防工作提供了一種新的解決方案。