一款电磁制动器的改进设计

赵映川

（长春理工大学，长春 130022）

电磁制动器是电梯安全运行的重要组成部分。在正常状况下，电梯停止运行时，制动器应能保证在125%的额定载荷情况下使轿厢保持静止，位置不变。在非正常状况断电时，制动器应能自动把运行中的电梯轿厢制停，防止轿厢冲顶或蹲底，确保乘客的人身安全。

某电梯公司引进电梯全套图样，在曳引机壳体上配装一款电磁制动器。按电磁制动器图样生产的产品在装电梯运行后发现，电磁制动器在手动开启时存在发滞现象，要用较大的开启力，甚至将顶杆螺纹端部折断，定位手感不强，有时甚至不能定位。

1 失效分析

电磁制动器的相关结构，如图1所示。扳手5扳动时，开启杆2转动，推动圆盘1。由于圆盘1与顶杆8是刚性联接，带动顶杆8向前移动，推开曳引机制动装置。在正常运行状态下，电磁制动器通电后，在电磁力作用下，圆盘带动顶杆移动，推开曳引机制动装置使曳引机运行。在非工作时，采用扳手转动开启杆，使顶杆移动推开曳引机制动装置。研究产品和图样认为，该制动器不属于常用的典型制动器结构。相关零件的加工必造成诸多尺寸公差、形位公差，如壳体安装开启杆的孔加工时存在尺寸公差和形位公差，开启杆和壳体孔配合部位存在尺寸公差，圆盘和顶杆配合圆盘螺孔存在形位公差[1]。它的手动开启组件按常用的机-电式常闭块式直流电磁制器设计。

在上述因素的影响下，开启杆轴线与圆盘平面倾斜，开启杆作用端点离开圆盘的中心，导致开启杆的作用力不能在圆盘的中心而是和块式制动器一样作用在圆盘边缘。

2 受力计算

机构受力状况可简化如图2所示，其中F为开启杆的开启力，a为圆盘受力点到顶杆中心的距离，b磁芯的长度，A、B为磁芯的两端点，顶杆在磁芯中间圆孔移动。在力F的作用下，点A、B两处受法向反力FNA、FNB，而由法向反力产生的摩擦力为FA、FB。

图1 电磁制动器的相关结构图

图2 机构受力状况图

在平衡的临界状态，摩擦力为最大值。设f为摩擦系数，则有：

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

同时，式（1）和式（3）可分别写成：

由式（8）可见：在F和b为固定值时，a和FN成正比；当a减少时，FN也减少；当作用力通过顶杆中心时，不存在两端点的法向力，即a=0时，FN=0。

临界状态为[2]：

3 块式制动器的a和al验算

块式制动器是应用较多的制动器，基本结构如图3所示。它的开启杆的作用力不通过铁芯中心，而是作用在铁芯的圆面边缘。这种结构的制动器在手动开启时很顺畅，没有发生过费力、发滞现象。开启杆如图4所示。由于制动力、行程、额定电圧等不同，它的尺寸大小不一样，但其结构基本相同。表1给出目前在大批生产并装机长期运行的产品，启动力作用点到运动件即铁芯轴心距离a和a的临界值al之比。

图3 块式制动器结构图

图4 开启杆图

由表1可以看出，这些制动器的a值和a的临界值al之比在0.26之内，证明开启杆作用力不通过移动件圆心是可以的，也就是作用力可以在移动件铁芯边缘。需要注意，a可以存在，但和其临界值不能相近。

表1 铁芯轴心距离a和a的临界值al表

4 开启杆的改进设计

4.1 原设计的a值和a的临界值al之比

在原设计中，b=49 mm，a=56.5 mm，f=0.3，临界值al=81.7 mm。可见，a为临界值al的0.7倍，较相近，但不至于自锁。由于在开启时顶杆的力不仅要克服摩擦力，还要大于电梯曳引机制动装置的制动力才能开启[3]。扳手用力越大，摩擦力越大，因此会出现发滞、扳动费力甚至造成顶杆和圆盘联接处折断的情况。

4.2 改进设计

原设计的开启杆如图5所示（只标注了主要尺寸）。原设计的开启杆的下端部到达圆盘中心，即顶杆中心。因为开启杆和圆盘边缘接触，所以下端部不起作用。如果改变开启杆长度，将不便安装。开启杆的长度不变，只是将Φ21 mm的下部长度改为10 mm，其余部分外径改为Φ19 mm，如图6所示，保证在任意情况下接触点在圆盘中心的10 mm范围内。这时a值和a的临界值al之比为0.12，在0.26之内，手动启动时不会产生费力、发滞现象。

图5 原设计的开启杆（单位：mm）

5 开启杆导向定位机构的改进设计

5.1 原导向定位机构

原设计导向和定位由一个空芯顶丝来完成，顶丝如图7所示。加工成如图7所示的顶丝1，内装有压簧2和钢球3。顶丝下端加工成圆筒状用作导向，钢球用作定位。顶丝安装于壳体上，圆筒部分插入开启杆导向槽内，起到导向作用，如图8所示。当开启杆转动到开启位置，钢球在压簧作用下，落入开启杆的直角V形凹处定位。这种机构在一般情况下是可行的，简单方便但定位感不强。由于曳引机运行中装在曳引机上的电磁制动器的开启杆会受到冲击和振动，造成开启杆不断发生轴向窜动，致使起导向作用的顶丝下端产生变形，压住或包住里面的钢球而起不到定位作用。如果钢球在定位处被压住，则无法转动，不能制动，存在较大的安全隐患[4]。

图6 改进设计的开启杆（单位：mm）

图7 原设计的顶丝

图8 原设计顶丝插入导向槽后

5.2 改进的导向定位机构

本设计将导向和定位机构分开，各行其责。定位机构仍为装有压簧和钢球的空芯顶丝，依靠钢球实现定位。它的外圆不作为导向，如图9所示。顶丝仍安装在原处，如图10所示。在开启杆外圆上直接加工直角V形凹坑作为钢球定位落入处，开启杆外圆长度是44 mm，为原外圆长度的1.4倍，提高了定位精度。

图9 导向定位机构（单位：mm）

图10 导向定位机构顶丝部分

由于圆周长，V形凹处孔的边缘趋向同一平面，将钢球直径由3 mm改为4 mm。V形凹坑直径选择为将钢球沉入到半径的3/4，即凹坑直径为4.6 mm，定位可靠，手感强。钢球落入凹坑孔中深，移出路径长，不会因振动和冲击离位。导向机构单独采用加工如图11所示的导向螺钉来完成。导向螺钉插入开启杆上相关部位的导向槽。为了固定顶丝，原来是在顶丝的后端与壳体连接处冲出凹坑，防止移位。这种方法不可拆，出现问题不便修复[5]。现改为平头顶丝旋入，压紧定位和导向顶丝，既固定可靠，又可拆卸。

图11 导向螺钉（单位：mm）

6 结语

改进后，开启杆的作用力基本通过顶杆的中心，不会产生较大的摩擦力。a值和a的临界值al之比为0.12，远远小于现有的制动器0.26的比值。将定位和导向机构分开，在开启杆外圆上直接加工直角V形凹坑作为钢球定位，落入处增大凹坑直径，并单独采用导向螺钉完成导向。按改进后的图样生产的电磁制动器装入曳引机，装梯运行良好，人工开启灵活自如，未出现发滞、费力现象，定位精确可靠，导向良好。