淺談齒形同步帶在電梯門系統(tǒng)的應(yīng)用

霍俊超，鄧浩斌

（日立電梯（中國）有限公司，廣東廣州 511430）

淺談齒形同步帶在電梯門系統(tǒng)的應(yīng)用

霍俊超，鄧浩斌

（日立電梯（中國）有限公司，廣東廣州 511430）

從20世紀(jì)初到現(xiàn)在，電梯發(fā)展已有100多年歷史。門系統(tǒng)的部件是電梯的核心部件之一，起著至關(guān)重要的作用。門機的發(fā)展歷程中，由搖臂式門機發(fā)展到皮帶驅(qū)動式門機。到目前為止，所有的電梯門機均離不開皮帶。皮帶在門系統(tǒng)的應(yīng)用中，齒形同步皮帶最受歡迎。齒形同步皮帶相對于其他皮帶性能更優(yōu)越。隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，皮帶的種類也越來越多，選擇材料合適的皮帶對門機使用性能的提高有著必不可少的幫助。

皮帶；齒形同步帶；門系統(tǒng)；開門機

0 引言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，皮帶的應(yīng)用越來越廣。在ATM、自動檢票機的分離裝置和定位裝置及信息讀取裝置、印刷機、郵件自動分揀機、紡織機械、汽車、機器人、電動注射成型機、機床主軸、CT掃描相機、數(shù)碼相機、電梯等設(shè)備中均需要應(yīng)用到皮帶傳動，工業(yè)上對皮帶的需求越來越廣。而對于電梯門系統(tǒng)，皮帶必不可少。

1 皮帶的分類及其在門系統(tǒng)的應(yīng)用

帶傳動可根據(jù)傳動方式的不同分為摩擦傳動和嚙合傳動兩大類。摩擦帶傳動包括平帶、V帶、多楔帶等。嚙合傳動主要是同步帶。其中平帶由頂布、帶芯和底布組成。V帶可分為包布帶和切邊帶。包布帶和切邊帶均有粘合膠、芯繩，包布帶外層為外包布，切邊帶頂層為頂布。多楔帶由粘合膠、芯繩、頂布和楔膠組成。同步帶則由背膠、芯繩、齒包布、齒膠組成[1]。

門系統(tǒng)中分為層門和轎門部分。轎門部分包括開門機、轎門板、安全觸板或光幕、轎門地坎、門套。層門部分包括層門導(dǎo)軌架、層門板、層門地坎、門套等。轎門部分隨轎廂運動。每臺電梯只有一至兩個開門機。層門部分每層均有，由于其成本隨建筑的層數(shù)而增加，因此層門聯(lián)動采用了成本較低的鋼絲繩。綜觀開門機的發(fā)展史，由早期的鉸鏈門發(fā)展到現(xiàn)在的皮帶傳動門機。鉸鏈門機又稱搖臂式門機，廣泛應(yīng)用于20世紀(jì)70年代的電梯門，通過三相異步電機，帶動鏈輪旋轉(zhuǎn)，并通過一系列的連桿機構(gòu)實現(xiàn)門的開合，傳動系統(tǒng)與門板屬于剛性連接。到了20世紀(jì)80年代初期，皮帶開始應(yīng)用于電梯開門機。使用三相異步電機，通過平帶帶動驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)減速和增大力矩，驅(qū)動輪與從動輪之間用V帶傳動，中分門通過皮帶連接板夾住上皮帶和下皮帶，實現(xiàn)門的反向運動。旁開門則通過皮帶連接板夾住皮帶的一邊使第一門運動，并通過鋼絲繩聯(lián)動裝置聯(lián)動第一門與第二門，但平帶沒有楔緊效應(yīng)。到20世紀(jì)90年代初的門機則是電機到驅(qū)動輪，驅(qū)動輪到從動輪均使用V帶，V帶應(yīng)用在大部分門機上。到20世紀(jì)90年代末隨著永磁同步驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用在門電機上，實現(xiàn)了無需減速裝置的直驅(qū)方式，但仍使用V帶。V帶因依靠摩擦傳動，故使用一段時間后容易打滑，造成維修保養(yǎng)的不便。而且對帶輪楔角與V帶楔角配合要求較高，不同楔角容易產(chǎn)生打滑和皮帶過早磨損，或容易產(chǎn)生側(cè)翻和皮帶脫落。打滑的另一個弊端是會令開關(guān)門末端位置的誤差增大，在關(guān)門末端位置易產(chǎn)生撞門現(xiàn)象，在開門末端位置可能產(chǎn)生開門到位時電機還繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，令門機械部件或皮帶疲勞或損壞。而且需要的初張力也較大，因此電機設(shè)計所需要的軸載荷也相應(yīng)需要較大，造成電機功率必須更大，相關(guān)傳動部件的強度也要求更高，使得設(shè)備體積大、成本高。在20世紀(jì)90年代末期，三菱、東芝等電梯制造商已開始將齒形同步帶應(yīng)用在電梯開門機上，直到現(xiàn)今，齒形同步帶在門系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用，無論是日系的異步門，還是歐系的同步門，均通用齒形同步帶傳動。

2 齒形同步帶的分類及特點

齒形同步帶按齒形可分為梯形齒和曲線齒。梯形齒中，節(jié)距有3/8 in（9.525 mm）和1/2 in（12.7 mm）兩種。最初應(yīng)用于驅(qū)動縫紉機的上、下往復(fù)運動，以后其用途日益廣泛增加1/5 in（5.080 mm）、7/8 in（22.225 mm）、1/4 in（6.350 mm）和1/12.5 in（2.032 mm）四種節(jié)距，一直沿用至今。曲線齒在臺型齒的基礎(chǔ)上開發(fā)，相比梯型齒，有以下優(yōu)點：（1）曲線齒采用公制節(jié)距；（2）曲線齒的齒形大，因此跳齒扭矩大；（3）曲線齒與帶輪嚙合過程較平滑、噪聲低；（4）帶齒與帶齒輪的齒側(cè)間隙小，定位精度高；（5）曲線齒的多邊形效應(yīng)小，傳動誤差小，定位精度高；（6）曲線齒受力后在齒根部無應(yīng)力集中現(xiàn)象，齒剪切強度高[2]。

齒形皮帶相對于V帶有以下特點。

（1）齒形帶輪的節(jié)圓直徑更小

V帶傳動屬于摩擦傳動，其輪徑不能過小，否則會因包角小而降低傳動效率，容易打滑。同步帶傳動屬于嚙合傳動，不會發(fā)生打滑，因此直徑可更小。

例如在S5M型同步帶的最小帶輪直徑為?22.28 mm（最小齒數(shù)為14），相比之下M型V帶輪最小直徑才?40 mm。又如S8M型同步帶，帶輪的最小直徑為?56.02 mm（最小齒數(shù)為22），對應(yīng)地A型V帶的最小帶輪直徑為?67 mm。因此齒形同步帶具有帶輪直徑小的優(yōu)勢。

（2）同步帶的延伸率更小

V帶的芯線一般使用聚酯纖維，同步帶的芯線一般使用玻璃纖維。玻璃纖維的最大特點是受熱時不易被拉長，具有延伸率小的優(yōu)點，如圖1所示：

圖1 V帶與同步帶延伸率對比

從圖1可知，同步帶的抗拉伸性優(yōu)于V帶。

（3）同步帶輪的輸出力和傳動容量更大

電機輸出公式：F=2T/d

其中T為電機的扭矩，d為節(jié)圓直徑，F(xiàn)為電機額定輸出力。

可知，在相同的電機輸出扭矩下，電機輸出力與帶輪直徑成反比，門機的拖動負載取決于輸出力F。

在已知功率情況下，V帶的動態(tài)軸負載的計算式為：

其中：Fc——動態(tài)軸負載（N），Pd——設(shè)計動力（kW），v——皮帶速度（m/s），Kθ——接觸角修正系數(shù)，θ1——小皮帶輪的接觸角（°）。

同步帶的動態(tài)軸負載的計算式為[1]：

其中：Fc——動態(tài)軸負載（N），Pd——設(shè)計動力（kW），v——皮帶速度（m/s）

由上可知，在相同皮帶速度情況下，傳動容量與輸出力/動態(tài)軸負載成正比。因此帶輪直徑越小，傳動容量越大。容易推出，同步帶的傳動容量優(yōu)于V帶。

（4）同步帶的噪音稍比V帶大

噪音與帶與帶輪的接觸面積有關(guān)。齒形帶的運行噪音來自兩個方面。一方面是帶齒和齒輪嚙合時產(chǎn)生的沖擊噪音。這是由于帶的多邊形效應(yīng)及帶齒與輪齒相互碰撞而發(fā)出的聲音。實際上嚙合沖擊噪音是帶與帶齒槽所形成的空腔內(nèi)氣柱共鳴產(chǎn)生的。另一方面是帶的弦振動噪音，包括帶與帶輪的擋邊摩擦，及帶運行時與空氣摩擦產(chǎn)生的噪音等。

但對于如開門機相對低速轉(zhuǎn)動的機構(gòu)，V帶與齒形同步帶的噪音差異基本上可以忽略。

3 齒形同步帶在開門機的應(yīng)用方式對皮帶性能的影響

同步帶應(yīng)用在開門機有兩種布置方式，分別位橫向放置和豎向放置。橫向放置主要是因為門電機為碟型（也叫臥式電機，皮帶連接板夾上或下皮帶使其與門板聯(lián)動）。豎向放置主要是因為門電機為筒式（也叫立式電機，皮帶連接板一般夾前皮帶使其與門板聯(lián)動）。皮帶豎向放置時，過大的跨距長度會令皮帶因重力作用下垂，皮帶受橫向剪切的程度大于電機橫向放置時。用立式電機通常是為節(jié)省門上坎部件的布置空間，同時因皮帶豎向放置的限制，帶輪的軸間距不能過大，因此皮帶豎向放置時只能聯(lián)動一邊門，另一邊門只能依靠鋼絲繩聯(lián)動裝置。因此此種布置方式多應(yīng)用在同步門的中分與旁開門，而對于異步門，只能應(yīng)用在旁開門，應(yīng)用在中分門的并不多見。而對于同步帶橫向放置，則皮帶受重力時的下垂范圍遠小于同步帶的彎曲允許范圍，因此適合于同步門和異步門。對于中分的異步門，皮帶可雙邊聯(lián)動，但對于同步門只能聯(lián)動單邊，這是由于皮帶驅(qū)動門刀轉(zhuǎn)動決定兩門不能用皮帶聯(lián)動。因此同步門所需要的皮帶跨距長度更小，而異步門則多用長跨距同步帶。

對于同步門，在關(guān)門末端時，大多需要電機的堵轉(zhuǎn)力令門刀閉合或張開，故此階段內(nèi)對皮帶的拉力過大。為降低跳齒輪的幾率，初始張力應(yīng)比異步門的稍大。

初始張力的計算公式為：

其中：Fδ——撓曲負載；Ls——跨距長度；Lp——皮帶長度；Y——與皮帶型號有關(guān)的常數(shù)；δ——在Fδ作用下的撓度；T0——皮帶的初始張力。

由上式可知，在相同的撓曲負載情況下，Ls/ Lp越大，所需的初始張力T0就越小。而軸間距縮小時，皮帶周長縮短量為軸間距縮小量的2倍。因此軸間距越小，軸間距與周長的比就越小，在皮帶同一撓度下所需的張緊負載（T0）就越大。因此同步門機一般不宜使用長跨距同步帶。

4 不同材料齒形同步帶在開門機的應(yīng)用

齒形皮帶的橡膠材料分為：天然橡膠、丁苯橡膠、丁二烯橡膠、氯丁橡膠、丁腈橡膠。天然橡膠的耐磨性、抗彎曲開裂性最好。氯丁橡膠的耐老化性、耐臭氧、耐堿性最好。丁腈橡膠的耐油性最好。更高抗拉強度要求的可用氫化丁腈橡膠（可達50～400 kgf/cm2）或聚氨酯橡膠（200～450 kgf/cm2），氫化丁腈橡膠成本較高，聚氨酯橡膠耐熱、耐酸、堿性差，若井道環(huán)境較惡劣，也不適用。

齒形皮帶的芯線材料分為：聚酰胺、聚酯、芳綸、棉、玻璃纖維、鋼絲。其中玻璃纖維的抗拉強度較大，因此其延伸率也較小。芯線的抗拉強度對比如表1。

表1 芯線的抗拉強度對比

由表1可知，玻璃纖維的抗拉性能優(yōu)于其他材料，其穩(wěn)定性和彎曲疲勞性能好，在齒形皮帶中最常用。但由于水對玻璃纖維的延伸率影響較大，吸水后的玻璃纖維性能大大下降。故消防梯中不能使用玻璃纖維芯線的皮帶，而推薦使用芳綸芯線，芳綸芯線的彎曲疲勞性和耐水性更好。

在常規(guī)的使用工況下的門機，一般選用氯丁橡膠、玻璃纖維芯線的皮帶。而在消防梯，一般不使用玻璃纖維芯線的皮帶，而采用帆布或芳綸芯線的。

5 齒形同步帶的選用要領(lǐng)

標(biāo)準(zhǔn)的齒形同步帶選用方法是根據(jù)電機輸出功率選用。還有另一種是依慣性矩計算，主要應(yīng)用在正反轉(zhuǎn)頻繁的場合。第三種是依有效拉力，主要應(yīng)用在低速的傳送用帶場合。

根據(jù)電機功率設(shè)計時，應(yīng)先確定電機的技術(shù)特征，例如電機的額定功率，帶輪的轉(zhuǎn)速，帶輪的節(jié)圓直徑。根據(jù)電機的額定功率，結(jié)合實際工況，確定負荷修正系數(shù)、惰輪比修正系數(shù)、速比修正系數(shù)、環(huán)境修正系數(shù)，得出設(shè)計功率；再根據(jù)帶輪節(jié)圓直徑，將轉(zhuǎn)速換算成皮帶的線速度。結(jié)合以上所得值，明確帶的型號，計算帶與帶輪的齒數(shù)，修正帶與帶輪的嚙合齒數(shù)，然后確定帶寬，最后進行傳動設(shè)計確認。

根據(jù)實際載荷設(shè)計，首先要判斷是否需正反轉(zhuǎn)和急劇變速，若有經(jīng)常正反轉(zhuǎn)，則需考慮慣性矩的傳動設(shè)計，要計算負載的慣性矩，計算加、減速轉(zhuǎn)矩，確定各種修正系數(shù)，再確定帶的型號，后續(xù)步驟同根據(jù)電機功率設(shè)計時的相同。若沒有正反轉(zhuǎn)頻繁和急劇變速的場合，則可根據(jù)有效拉力設(shè)計，進行有效拉力的計算，再根據(jù)其值得出設(shè)計拉力，再確定皮帶型號，后續(xù)步驟同根據(jù)電機功率設(shè)計時的相同。

6 結(jié)論

本文結(jié)論如下:

（1）齒形同步帶在電梯開門機中應(yīng)用最廣泛：

（2）齒形同步帶比其他皮帶擁有更優(yōu)異的性能，包括帶輪直徑可做得更小、延伸率更小、輸出的傳動容量更大；

（3）一般工況下的門機，可選用玻璃纖維芯線，氯丁橡膠的齒形同步帶。

［1］阪東化學(xué)株式會社.阪東傳動帶綜合設(shè)計手冊［Z］. 2011.

［2］日本傳動帶專業(yè)技術(shù)委員會.帶傳動與精密傳送實用設(shè)計［Z］.1996.

The Application of Toothed Timing Belt in the Door System

HUO Jun-chao，DENG Hao-bin
（Hitachi Elevator（China）Co.，Ltd.，Guangzhou511430，China）

From last century，the development of elevator history has over 100 years.Door system，one of the core components of elevator，plays an important role in the elevator’s movement.In the course of door machine development，belt drawing door machine had been replaced the rocker door machine.Up to now，belts are inseparable from elevator door machine.In the application of door system，the toothed timing belts are the most widely used.Toothed timing belt has the better performance to other belts.With the development of the chemical industry，the kind of the belt is also increasing.Choose the right material of belts is indispensable to improve the performance of door machine.

belt；toothed timing belt；door system；door machine

TU857

：A

：1009－9492(2014)12－0233－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.060

霍俊超，男，1983年生，廣東順德人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：電梯門系統(tǒng)。已發(fā)表論文6篇。

(編輯：王智圣)

2014－07－23