基于扭矩传感器的电动助力型消防卷盘的结构系统

王勃翰，邓成中，李卓林

（西华大学 机械工程学院，四川成都，610039）

0 引言

消防卷盘是一种用于灭火和救援的消防器具，它由软管、卷盘、连接管和喷枪等部件组成，能在迅速展开软管的过程中喷射灭火剂[1]。普通的消防卷盘使用时需要用力拖拽软管进行灭火，灭火后需要手动将软管卷回消防卷盘内，比较费力。也有一部分电机控制的消防卷盘，可以通过遥控器或按钮来控制软管的展开和收回，但是用普通的电机控制方式来控制消防卷盘，其输出转矩和速度与消防软管的长度和重量不匹配，可能导致消防软管收放不平滑，影响消防效果；普通电机的控制方式较为简单，不能实现精确的力矩和速度调节，可能导致消防软管受力过大或过小，损伤消防软管；普通电机控制方式的堵转特性会导致电机表面温度过高，可能引起火灾或电气故障。所以一种对消防软管自动收装，且能自动控制电机输出转矩和速度，同时还节省体力的电动助力型消防卷盘装置的设计显得尤为重要。

1 消防卷盘机械结构设计

该电动助力型消防卷盘由消防软管1、中心卷筒2、卷盘外壳3、中心轴4、进水装置5、支座6、电动助力系统装置7、带内直齿轮卷盘外壳8、两个直齿轮9 构成。消防卷盘三视图以及三维图如图1～4 所示。

图1 正面立体结构示意图

图2 俯视立体结构示意图

图3 侧视立体结构示意图

图4 电动助力型消防卷盘三维图

如图1～4 所示，卷盘外壳和带内直齿轮卷盘外壳之间固接中心卷筒，用于转动时拉伸与收卷消防软管；中心卷筒的中心设有中心轴，用于支撑消防卷盘；消防软管固缠绕于中心卷筒，用于消防；中心轴一端接有进水装置，用于进水；中心轴另一端接有电动助力系统装置，用于提供电动助力；进水装置底部安装有支座，用于固定进水装置和支撑中心轴；电动助力系统装置底部安装有支座，用于固定电动助力系统装置和支撑中心轴。电动助力系统装置两轴安装有两个直齿轮，两个直齿轮与带内直齿轮卷盘外壳内啮合传动连接，电动助力系统提供电动助力驱动两个直齿轮转动，两个直齿轮带动带内直齿轮卷盘外壳转动，从而带动消防卷盘转动，达到自动控制消防卷盘的转速，方便且快速拉伸与收卷消防软管的目的。该电动助力型消防卷盘支座设计有螺纹孔，方便在各种场景下固定消防卷盘，便于消防卷盘在各种场合下的使用。

2 电动助力系统装置结构

该电动助力系统结构包括有轴、直齿圆锥齿轮、联轴器、动态扭矩传感器、蜗轮蜗杆减速机构、直流无刷电机、蓄电池、印制电路板等。结构简图如图5 所示。

图5 电动助力系统装置结构简图

如图5 所示，轴主要用于支撑旋转的机械零件，确保机械运动的稳定性，并有效传递运动和动力；直齿圆锥齿轮，用来传递两相交轴之间的运动和动力，确保了动力传输的高效性；动态扭矩传感器，检测消防人员拉伸或收卷消防软管时，施加到轴上的力矩大小和轴旋转的速度，采集有关数据并传递给主控制器；联轴器，用于传递运动，保证运动的顺畅传递；蜗轮蜗杆减速机构，用于减速和增加转矩，降低消防卷盘转动速度并增加输出的扭矩大小[2]，为直流无刷电动机输出的动力提供一定的控制，辅助直流无刷电机的助力；直流无刷电机，用于为消防卷盘的转动提供相应的转动助力，并且只在消防卷盘需要助力的时候才进行工作，根据主控制器发出命令来工作，提供转动助力。

印制电路板，由用于控制的主控制器、直流无刷电机的驱动电路、用于监测的反馈电路、接收外部信号的接口电路等构成，印制电路板是电动助力系统装置中的关键部件，通过各个传感器传递过来的数据信号，来进行分析、计算和控制，通过直流无刷电机驱动电路实施的PWM（脉冲宽度调制）控制，可以实现对功率元件MOSFET 的精确通断操作。这种控制方式允许主控制器通过改变PWM 信号的占空比来调节直流无刷电机的速度，从而实现电机速度的精确控制，来控制直流无刷电机的转动，如图6 所示。蓄电池，用于为电动助力系统装置的各个需要供电的元器件供电，确保系统的可靠运行。

图6 印制电路板总体结构图

轴和直齿圆锥锥齿轮、蜗轮通过键连接，锥齿轮之间的啮合方式为外啮合，确保了部件间的稳固连接。动态扭矩传感器垂直安装，蜗轮和蜗杆直接连接，蜗杆和电机通过联轴器实现弹性连接，用于实现电动助力系统装置的机械运动。

该电动助力系统装置的运作方式是：消防人员拉伸消防软管会带动消防卷盘的转动，从而将动力传送到直齿圆锥齿轮上，直齿圆锥齿轮通过轴，将扭矩和转速信号传送给动态扭矩传感器，动态扭矩传感器将信号发送给主控制器。主控制器再驱动直流无刷电机的转动，直流无刷电机再通过蜗轮蜗杆减速机构将动力传送轴上，轴带动直齿圆锥齿轮的转动，来带动直齿轮的转动，进而带动带内直齿轮卷盘外壳的转动，从而带动消防卷盘的转动，方便消防软管的拉伸与收卷，用来实现对消防卷盘的电动助力控制。

3 电动助力型消防卷盘工作原理

当需要使用消防卷盘时，消防人员可直接拉伸消防软管，此时带内直齿轮卷盘外壳轮开始转动，内直齿轮带动直齿轮转动，直齿轮带动直齿圆锥齿轮转动，直齿圆锥齿轮带动输入轴转动，动态扭矩传感器测量采集作用在输入轴的力矩和转速大小，将力矩和转速大小转换成对应的模拟信号分别发送给主控制器，主控制器通过A/D 转换将该信号转换为对应的数字信号量，通过编程对数字信号进行滤波、放大、校准等预处理，然后根据一定的算法将其转换为电机所需的助力电流值。接着，将这个目标电流值与实际电流值进行比较，得到一个误差信号。最后，通过PID 来调节PWM 信号的占空比，从而控制电机的力矩大小和转向，产生一个合适的辅助动力，最后电机输出的力矩通过蜗轮蜗杆式减速机构作用到输出轴，从而带动卷盘外壳的转动，实现电动助力。消防软管便会随着带内直齿轮卷盘外壳的转动自动拉伸，此时消防人员拉伸消防软管便会非常轻松，方便且省时省力，一个人便可轻松完成。

在使用完成后，朝消防软管收卷的方向转动消防卷盘，电动助力系统装置便开始工作，动态扭矩传感器继续测量采集作用在输入轴的力矩和转速大小，（此时采集到的力矩和拉伸消防软管采集到的力矩方向是相反的，如果规定拉伸消防软管是使电机正传产生电动助力，那么此时便是使电机反转产生电动助力。）将力矩和转速大小转换成对应的模拟信号分别发送给主控制器，主控制器经过一系列处理后，控制电机反转，产生一个合适的辅助动力，实现电动助力。此时消防卷盘便可自动收卷消防软管，在消防卷盘回转到使用消防软管时的转动圈数后，电动助力系统装置便停止工作。达到了可以轻松收卷消防软管，操作方便且省时省力的效果。

该电动助力系统装置会通过主控制器进行实时分析控制，消防人员拉伸消防软管速度的快慢会影响助力的大小，主控制器会通过计算给消防卷盘一个自适应的合适速度。在实际操作中，消防人员只需轻轻拉动软管，卷盘的电动助力系统就会启动，通过内部的传感器和控制器来检测和调节所需的助力。这种智能化的控制系统可以根据拉伸和收卷的不同阶段自动调整电机的运行状态，确保软管能够平稳地展开和收回；让消防人员拉伸消防软管更加省力且方便。

此外，电动助力型消防卷盘还具有自我保护功能，如果消防软管收卷时遇到障碍物难以收卷，电机难以拖动，导致电机温度、电流、和转矩增加到一定数值；主控制器就会取得在程序中预设的一个PWM 占空比最大值，通过调节PWM信号的占空比，来降低电机的转速和功率，使电机功率正常；让电机正常工作，从而避免设备损坏，延长了设备的使用寿命。

4 电动助力型消防卷盘说明

该电动助力型消防卷盘由卷盘外壳、中心卷筒、中心轴、进水装置和电动助力系统装置等部件组成。卷盘外壳内侧设有直齿轮，且与中心卷筒的两端固接，使中心卷筒能够随着卷盘外壳旋转。中心卷筒上缠绕着消防软管，当需要使用时，可以通过转动卷盘外壳将消防软管拉伸出来，当使用完成后，可以收纳消防软管。中心轴穿过中心卷筒的中心，起到支撑和连接的作用。中心轴的一端连接着进水装置，可以将水源引入消防软管。中心轴的另一端连接着电动助力系统装置，可以为消防卷盘提供电动助力，使其转动更加轻松和快速。进水装置和电动助力系统装置的底部都安装有支座，可以将它们固定在合适的位置，支撑整个消防卷盘。电动助力系统装置的两轴上分别安装有两个直齿轮，与卷盘外壳内侧的直齿轮相啮合，实现了电动助力系统装置和卷盘外壳的传动连接。通过电动助力系统装置，可以辅助消防卷盘的转动，使消防软管的拉伸和收卷更加方便和快捷。该电动助力型消防卷盘的支座上还设计有螺纹孔，可以根据不同的场景和需求，将消防卷盘固定在适合的地方，增加了消防卷盘的使用范围和灵活性。

该消防卷盘可以在车载、室内、室外等场景下使用，使用时，将消防软管拉伸，电动助力系统装置便会开始工作，根据消防人员拉伸消防软管的力的大小来提供给电机一个合适的速度，辅助消防卷盘转动。

消防软管接上水枪，进水装置接上水阀，打开水阀后即可进行灭火，在消防软管拉伸到合适的灭火位置后，消防人员便不再用力拉伸消防软管，系统提供的电动助力会越来越小，直到电机停止转动。使用完毕后，朝消防软管收卷的方向转动卷盘外壳，电机便会反转，辅助消防卷盘的转动。

5 结束语

电动助力型消防卷盘是一种现代消防设备，它通过内置的电动机和传感器系统来辅助消防人员快速展开或收回消防软管。这种设备的设计提高了消防作业的效率和安全性，使得消防人员能轻松完成展开和收回消防软管的任务。

本文设计了一种基于扭矩传感器的电动助力型消防卷盘，它能够智能地感知消防人员拉伸或收卷消防软管时的力矩和转速，并根据这些数据自动控制电机的输出，从而实现消防卷盘的电动助力，使消防软管的拉伸和收卷更加轻松和快速，提高了消防效率和安全性。该消防卷盘适用于多种场景，如车载、室内、室外等场景，可以根据不同的环境和需求，将消防卷盘固定在合适的位置，增加了消防卷盘的使用范围和灵活性。该消防卷盘具有较高的实用价值，为消防工作提供了一种新的解决方案。