蘭陽(yáng)春，戴奇明

（上海普英特高層設(shè)備有限公司，上海 201402）

淺談擦窗機(jī)后備制動(dòng)器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

蘭陽(yáng)春，戴奇明

（上海普英特高層設(shè)備有限公司，上海 201402）

通過分析擦窗機(jī)后備制動(dòng)器的設(shè)計(jì)原理，比較目前實(shí)際工程中擦窗機(jī)各種后備制動(dòng)器的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種全新的后備制動(dòng)設(shè)計(jì)原理，為擦窗機(jī)后備制動(dòng)器的設(shè)計(jì)提供一種全新的設(shè)計(jì)思路，也為起重行業(yè)制動(dòng)器的制動(dòng)原理提供一種新方法。

擦窗機(jī)；后備制動(dòng)器；單向常閉式；機(jī)械制動(dòng)；摩擦傳動(dòng)

制動(dòng)器常見于起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)中，其主要功能是將提升或下降的貨物能平穩(wěn)的停止在需要的高度。而擦窗機(jī)后備制動(dòng)器同樣是在起升機(jī)構(gòu)中，其作用與起重機(jī)的功能是完全相同的，其最主要的不同的地方是，擦窗機(jī)后備制動(dòng)器作為第二道保護(hù)裝置，其觸發(fā)及制動(dòng)要求更加苛刻，擦窗機(jī)后備制動(dòng)器的觸發(fā)及制動(dòng)必須是純機(jī)械式的，不允許采用液壓及電磁等其它方式，因此其在設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，成本更高。雖然觸發(fā)及制動(dòng)要求不同，但其原理都是相同的，是通過外力將卷筒制動(dòng)，從而將起升機(jī)構(gòu)提升的重物平穩(wěn)地停止。另一個(gè)不同的地方是，擦窗機(jī)后備制動(dòng)器必須直接作用在卷筒的輸出軸上，而起重機(jī)上并沒有這個(gè)要求，所以起重機(jī)制動(dòng)器往往都是安裝在高速軸上，制動(dòng)力矩相對(duì)較小，而擦窗機(jī)起升機(jī)構(gòu)的制動(dòng)器都是在低速軸上，制動(dòng)力矩較大。

1 傳統(tǒng)形式

普通制動(dòng)器根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可分為抱閘式制動(dòng)器（圖1）、內(nèi)張式制動(dòng)器（圖2）、盤式制動(dòng)器（圖3）、電磁制動(dòng)器（圖4）等。抱闡式制動(dòng)器與內(nèi)張式制動(dòng)器其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可采用多種動(dòng)力輔助、成本較低，但其亦存在結(jié)構(gòu)外形尺寸較大、進(jìn)入雨水后容易打滑等缺陷。盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)獨(dú)立、便于維護(hù)、系統(tǒng)穩(wěn)定，但其成本較高，適用范圍有限。電磁式制動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)單、響應(yīng)靈敏、壽命長(zhǎng)久、使用可靠特點(diǎn)，已廣泛運(yùn)用于各行各業(yè)中。

圖1 抱閘式制動(dòng)器

圖2 內(nèi)張式制動(dòng)器

圖3 盤式制動(dòng)器

上述各類的制動(dòng)器，其作用都是將旋轉(zhuǎn)元件完全鎖緊固定，避免發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。但是在起升機(jī)構(gòu)中，當(dāng)制動(dòng)器松開瞬間時(shí)，可能發(fā)生溜鉤現(xiàn)象，這在工程實(shí)踐中是非常危險(xiǎn)的。而在擦窗機(jī)后備制動(dòng)器中，也會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)不及時(shí)，或觸發(fā)不可靠等情況，使后備制動(dòng)器失去效果。擦窗機(jī)的后備制動(dòng)器主要功能是：當(dāng)帶制動(dòng)器的減速電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，平臺(tái)產(chǎn)生超速下降，后備制動(dòng)器自動(dòng)觸發(fā)，將卷筒鎖死，從而達(dá)到使平臺(tái)停在某一高度，不發(fā)生自由落體。

圖4 電磁式制動(dòng)器

圖5 擦窗機(jī)后備盤式制動(dòng)器

圖5為典型的擦窗機(jī)后備制動(dòng)器簡(jiǎn)圖，其制動(dòng)原理與起重機(jī)的制動(dòng)器相同，通過剎車鼓制動(dòng)卷筒。當(dāng)擦窗機(jī)正常工作時(shí)，其制動(dòng)器通過人力將張力彈簧拉開，通過一個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)，使彈簧處于一個(gè)平衡狀態(tài)，此時(shí)，剎車鼓完全打開，卷筒可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。梅花輪與卷筒同步旋轉(zhuǎn)，由于其轉(zhuǎn)速較慢，不能觸發(fā)重錘動(dòng)作，但卷筒發(fā)生超速下降時(shí)，卷筒轉(zhuǎn)速加快，導(dǎo)致梅花旋轉(zhuǎn)加速，由于加速度過大，觸發(fā)重錘動(dòng)作，從而使張力彈簧端部的凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到鎖緊卷筒的目的。雖然此種制動(dòng)器完全是機(jī)械式的，但其制動(dòng)瞬間的沖擊系數(shù)仍然較大，給操作人員帶來很大的不舒適性。

2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)

眾所周知，起升機(jī)構(gòu)與一般的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不同，起升機(jī)構(gòu)中附力力矩都是單方向的，即重物本身不可能發(fā)生向上運(yùn)動(dòng)，也就是說我們需要制動(dòng)卷筒的其實(shí)就是防止重物下墜，即只需要單向制動(dòng)。假如，我們有一個(gè)制動(dòng)器，其永遠(yuǎn)是將重物鎖死在空中某一高度位置，當(dāng)重物要下降時(shí)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，克服摩擦力，使重物下降。當(dāng)需要提升重物時(shí)，理論上我們需要克服重物本身以及摩擦力，因此，需要的電機(jī)功率將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常下降的功率，因而，我們通過一組單向轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，當(dāng)電機(jī)提升重物時(shí)，不需要克服摩擦力，僅僅只需克服重力。即起升機(jī)構(gòu)上升與下降，電機(jī)的輸出功率相同，這樣可以避免其它機(jī)構(gòu)失效時(shí)造成重物超速下降。雖然這種原理很簡(jiǎn)單，但實(shí)現(xiàn)此種功能非常復(fù)雜，一是如何保證摩擦傳動(dòng)時(shí)的磨損問題，二是如何實(shí)現(xiàn)單向無力阻力傳動(dòng)的問題。

通過上面的闡述，我們可以將此機(jī)構(gòu)取一個(gè)簡(jiǎn)易的名稱，即“單向常閉式制動(dòng)器”，從字面上可以理解為，該制動(dòng)器是常閉式的，但是僅僅是單方向上的，而另一方向旋轉(zhuǎn)則無制動(dòng)功能。我們都知道單向軸承可以實(shí)現(xiàn)單向的傳動(dòng)，但是單向軸承的可靠性一般，用在起升設(shè)備上其安全性較差，因此不建議作為實(shí)現(xiàn)單向傳動(dòng)的部件。另一種常見實(shí)現(xiàn)單向功能的就是通過棘輪棘爪機(jī)構(gòu)，而棘輪棘爪機(jī)構(gòu)是完全限制單向轉(zhuǎn)動(dòng)，并且一旦發(fā)生制動(dòng)后，其內(nèi)張力較大，如果需要實(shí)現(xiàn)逆向傳動(dòng)非常困難。

針對(duì)摩擦傳動(dòng)時(shí)的磨損問題，我們可以考慮采用蝸輪蝸桿，代替普通通過機(jī)械摩擦?xí)r的磨損問題，即通過控制蝸桿的阻力矩。而單向傳動(dòng)方面，由于擦窗機(jī)或一般起重設(shè)計(jì)的起升速度都非常慢，其卷筒的轉(zhuǎn)速均為低速，因此，采用滾柱單向逆止是完全可以實(shí)現(xiàn)的，因傳動(dòng)過程中，滾柱由于受到重力影響，始終會(huì)位于下方，與棘輪保證接觸狀態(tài)，也就說明不會(huì)因?yàn)闈L柱脫離，產(chǎn)生下降過程中無法逆止的現(xiàn)象。通過上述兩組機(jī)構(gòu)的有效結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)“單向常閉式制動(dòng)器”的功能，圖6為其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖6 單向常閉式制動(dòng)器

根據(jù)圖6示意，當(dāng)內(nèi)棘輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于滾柱脫離，使得內(nèi)棘輪能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，輸入電機(jī)僅需要克服懸掛重物的力矩，完全不受制動(dòng)外圈的影響，力矩限制器及蝸桿等系統(tǒng)不參與工作。當(dāng)內(nèi)棘輪繞箭頭方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)棘輪帶動(dòng)制動(dòng)外圈一起轉(zhuǎn)動(dòng)，而通過力矩限制器來調(diào)節(jié)阻力矩，使得整個(gè)制動(dòng)外圈的阻力矩大于懸掛重物產(chǎn)生的力矩，因此，輸入電機(jī)無動(dòng)力輸入起升機(jī)構(gòu)卷筒時(shí)，卷筒由于力矩限制器的作用，能始終保持平衡狀態(tài)，當(dāng)需要下降重物時(shí)，只需要克服力矩限制器的阻力矩減去懸掛重物產(chǎn)生的力矩，因此在設(shè)計(jì)阻力矩的時(shí)候，可以使阻力的大小為額定載荷下的下滑力矩的2倍。這樣可以保證無論是懸掛重物上升或下降時(shí)，電機(jī)的輸入功率都基本相同。為了減小由于內(nèi)棘輪可能鎖死情況，可以將與內(nèi)棘輪的逆轉(zhuǎn)的鋼球改成滾柱，以增大接觸面積。同時(shí)，在設(shè)計(jì)滾柱的數(shù)量上，一定要保證有3～4個(gè)滾柱能在重力的影響下，產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)的功能，否則可能由于滾柱過少無法產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)的功能。

3 小 結(jié)

通過此種新型的制動(dòng)設(shè)計(jì)，可以避免由于制動(dòng)延時(shí)產(chǎn)生的溜勾現(xiàn)象，以及可能由于超速后無法制動(dòng)以、沖擊系數(shù)大等一系列問題，避免了較大的沖擊系數(shù)，使擦窗機(jī)的整個(gè)結(jié)構(gòu)更安全、輕便。本文為制動(dòng)器的設(shè)計(jì)開辟了一種新的理念，以供起重設(shè)備及擦窗機(jī)同行們參考。

[1] 張質(zhì)文．起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．北京：中國(guó)鐵道出版社，1998．

[2] 成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版）[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[3] 孟憲源．現(xiàn)代機(jī)構(gòu)手冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995．

（編輯 賈澤輝）

Discussion on gondola reserve brake innovative design

LAN Yang-chun, DAI Qi-ming

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1001-1366(2015)11-0045-03

2015-09-02