基于扭矩傳感器的電動助力型消防卷盤的結構系統

王勃翰，鄧成中，李卓林

（西華大學 機械工程學院，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需要用力拖拽軟管進行滅火，滅火后需要手動將軟管卷回消防卷盤內，比較費力。也有一部分電機控制的消防卷盤，可以通過遙控器或按鈕來控制軟管的展開和收回，但是用普通的電機控制方式來控制消防卷盤，其輸出轉矩和速度與消防軟管的長度和重量不匹配，可能導致消防軟管收放不平滑，影響消防效果；普通電機的控制方式較為簡單，不能實現精確的力矩和速度調節，可能導致消防軟管受力過大或過小，損傷消防軟管；普通電機控制方式的堵轉特性會導致電機表面溫度過高，可能引起火災或電氣故障。所以一種對消防軟管自動收裝，且能自動控制電機輸出轉矩和速度，同時還節省體力的電動助力型消防卷盤裝置的設計顯得尤為重要。

1 消防卷盤機械結構設計

該電動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、進水裝置5、支座6、電動助力系統裝置7、帶內直齒輪卷盤外殼8、兩個直齒輪9 構成。消防卷盤三視圖以及三維圖如圖1～4 所示。

圖1 正面立體結構示意圖

圖2 俯視立體結構示意圖

圖3 側視立體結構示意圖

圖4 電動助力型消防卷盤三維圖

如圖1～4 所示，卷盤外殼和帶內直齒輪卷盤外殼之間固接中心卷筒，用于轉動時拉伸與收卷消防軟管；中心卷筒的中心設有中心軸，用于支撐消防卷盤；消防軟管固纏繞于中心卷筒，用于消防；中心軸一端接有進水裝置，用于進水；中心軸另一端接有電動助力系統裝置，用于提供電動助力；進水裝置底部安裝有支座，用于固定進水裝置和支撐中心軸；電動助力系統裝置底部安裝有支座，用于固定電動助力系統裝置和支撐中心軸。電動助力系統裝置兩軸安裝有兩個直齒輪，兩個直齒輪與帶內直齒輪卷盤外殼內嚙合傳動連接，電動助力系統提供電動助力驅動兩個直齒輪轉動，兩個直齒輪帶動帶內直齒輪卷盤外殼轉動，從而帶動消防卷盤轉動，達到自動控制消防卷盤的轉速，方便且快速拉伸與收卷消防軟管的目的。該電動助力型消防卷盤支座設計有螺紋孔，方便在各種場景下固定消防卷盤，便于消防卷盤在各種場合下的使用。

2 電動助力系統裝置結構

該電動助力系統結構包括有軸、直齒圓錐齒輪、聯軸器、動態扭矩傳感器、蝸輪蝸桿減速機構、直流無刷電機、蓄電池、印制電路板等。結構簡圖如圖5 所示。

圖5 電動助力系統裝置結構簡圖

如圖5 所示，軸主要用于支撐旋轉的機械零件，確保機械運動的穩定性，并有效傳遞運動和動力；直齒圓錐齒輪，用來傳遞兩相交軸之間的運動和動力，確保了動力傳輸的高效性；動態扭矩傳感器，檢測消防人員拉伸或收卷消防軟管時，施加到軸上的力矩大小和軸旋轉的速度，采集有關數據并傳遞給主控制器；聯軸器，用于傳遞運動，保證運動的順暢傳遞；蝸輪蝸桿減速機構，用于減速和增加轉矩，降低消防卷盤轉動速度并增加輸出的扭矩大小[2]，為直流無刷電動機輸出的動力提供一定的控制，輔助直流無刷電機的助力；直流無刷電機，用于為消防卷盤的轉動提供相應的轉動助力，并且只在消防卷盤需要助力的時候才進行工作，根據主控制器發出命令來工作，提供轉動助力。

印制電路板，由用于控制的主控制器、直流無刷電機的驅動電路、用于監測的反饋電路、接收外部信號的接口電路等構成，印制電路板是電動助力系統裝置中的關鍵部件，通過各個傳感器傳遞過來的數據信號，來進行分析、計算和控制，通過直流無刷電機驅動電路實施的PWM（脈沖寬度調制）控制，可以實現對功率元件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 信號的占空比來調節直流無刷電機的速度，從而實現電機速度的精確控制，來控制直流無刷電機的轉動，如圖6 所示。蓄電池，用于為電動助力系統裝置的各個需要供電的元器件供電，確保系統的可靠運行。

圖6 印制電路板總體結構圖

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，確保了部件間的穩固連接。動態扭矩傳感器垂直安裝，蝸輪和蝸桿直接連接，蝸桿和電機通過聯軸器實現彈性連接，用于實現電動助力系統裝置的機械運動。

該電動助力系統裝置的運作方式是：消防人員拉伸消防軟管會帶動消防卷盤的轉動，從而將動力傳送到直齒圓錐齒輪上，直齒圓錐齒輪通過軸，將扭矩和轉速信號傳送給動態扭矩傳感器，動態扭矩傳感器將信號發送給主控制器。主控制器再驅動直流無刷電機的轉動，直流無刷電機再通過蝸輪蝸桿減速機構將動力傳送軸上，軸帶動直齒圓錐齒輪的轉動，來帶動直齒輪的轉動，進而帶動帶內直齒輪卷盤外殼的轉動，從而帶動消防卷盤的轉動，方便消防軟管的拉伸與收卷，用來實現對消防卷盤的電動助力控制。

3 電動助力型消防卷盤工作原理

當需要使用消防卷盤時，消防人員可直接拉伸消防軟管，此時帶內直齒輪卷盤外殼輪開始轉動，內直齒輪帶動直齒輪轉動，直齒輪帶動直齒圓錐齒輪轉動，直齒圓錐齒輪帶動輸入軸轉動，動態扭矩傳感器測量采集作用在輸入軸的力矩和轉速大小，將力矩和轉速大小轉換成對應的模擬信號分別發送給主控制器，主控制器通過A/D 轉換將該信號轉換為對應的數字信號量，通過編程對數字信號進行濾波、放大、校準等預處理，然后根據一定的算法將其轉換為電機所需的助力電流值。接著，將這個目標電流值與實際電流值進行比較，得到一個誤差信號。最后，通過PID 來調節PWM 信號的占空比，從而控制電機的力矩大小和轉向，產生一個合適的輔助動力，最后電機輸出的力矩通過蝸輪蝸桿式減速機構作用到輸出軸，從而帶動卷盤外殼的轉動，實現電動助力。消防軟管便會隨著帶內直齒輪卷盤外殼的轉動自動拉伸，此時消防人員拉伸消防軟管便會非常輕松，方便且省時省力，一個人便可輕松完成。

在使用完成后，朝消防軟管收卷的方向轉動消防卷盤，電動助力系統裝置便開始工作，動態扭矩傳感器繼續測量采集作用在輸入軸的力矩和轉速大小，（此時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，如果規定拉伸消防軟管是使電機正傳產生電動助力，那么此時便是使電機反轉產生電動助力。）將力矩和轉速大小轉換成對應的模擬信號分別發送給主控制器，主控制器經過一系列處理后，控制電機反轉，產生一個合適的輔助動力，實現電動助力。此時消防卷盤便可自動收卷消防軟管，在消防卷盤回轉到使用消防軟管時的轉動圈數后，電動助力系統裝置便停止工作。達到了可以輕松收卷消防軟管，操作方便且省時省力的效果。

該電動助力系統裝置會通過主控制器進行實時分析控制，消防人員拉伸消防軟管速度的快慢會影響助力的大小，主控制器會通過計算給消防卷盤一個自適應的合適速度。在實際操作中，消防人員只需輕輕拉動軟管，卷盤的電動助力系統就會啟動，通過內部的傳感器和控制器來檢測和調節所需的助力。這種智能化的控制系統可以根據拉伸和收卷的不同階段自動調整電機的運行狀態，確保軟管能夠平穩地展開和收回；讓消防人員拉伸消防軟管更加省力且方便。

此外，電動助力型消防卷盤還具有自我保護功能，如果消防軟管收卷時遇到障礙物難以收卷，電機難以拖動，導致電機溫度、電流、和轉矩增加到一定數值；主控制器就會取得在程序中預設的一個PWM 占空比最大值，通過調節PWM信號的占空比，來降低電機的轉速和功率，使電機功率正常；讓電機正常工作，從而避免設備損壞，延長了設備的使用壽命。

4 電動助力型消防卷盤說明

該電動助力型消防卷盤由卷盤外殼、中心卷筒、中心軸、進水裝置和電動助力系統裝置等部件組成。卷盤外殼內側設有直齒輪，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。中心卷筒上纏繞著消防軟管，當需要使用時，可以通過轉動卷盤外殼將消防軟管拉伸出來，當使用完成后，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助力系統裝置，可以為消防卷盤提供電動助力，使其轉動更加輕松和快速。進水裝置和電動助力系統裝置的底部都安裝有支座，可以將它們固定在合適的位置，支撐整個消防卷盤。電動助力系統裝置的兩軸上分別安裝有兩個直齒輪，與卷盤外殼內側的直齒輪相嚙合，實現了電動助力系統裝置和卷盤外殼的傳動連接。通過電動助力系統裝置，可以輔助消防卷盤的轉動，使消防軟管的拉伸和收卷更加方便和快捷。該電動助力型消防卷盤的支座上還設計有螺紋孔，可以根據不同的場景和需求，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、室外等場景下使用，使用時，將消防軟管拉伸，電動助力系統裝置便會開始工作，根據消防人員拉伸消防軟管的力的大小來提供給電機一個合適的速度，輔助消防卷盤轉動。

消防軟管接上水槍，進水裝置接上水閥，打開水閥后即可進行滅火，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，系統提供的電動助力會越來越小，直到電機停止轉動。使用完畢后，朝消防軟管收卷的方向轉動卷盤外殼，電機便會反轉，輔助消防卷盤的轉動。

5 結束語

電動助力型消防卷盤是一種現代消防設備，它通過內置的電動機和傳感器系統來輔助消防人員快速展開或收回消防軟管。這種設備的設計提高了消防作業的效率和安全性，使得消防人員能輕松完成展開和收回消防軟管的任務。

本文設計了一種基于扭矩傳感器的電動助力型消防卷盤，它能夠智能地感知消防人員拉伸或收卷消防軟管時的力矩和轉速，并根據這些數據自動控制電機的輸出，從而實現消防卷盤的電動助力，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景，如車載、室內、室外等場景，可以根據不同的環境和需求，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用價值，為消防工作提供了一種新的解決方案。