劉昆+張明勤+金剛+韓立芳

0 引言

隨著近些年我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，預(yù)制件的使用量日益增加，2015年長沙某大廈僅用12天就建設(shè)完成，其中預(yù)制件所占比例為92%。使用預(yù)制件搭建建筑將是未來的發(fā)展趨勢，但是，目前尚沒有針對預(yù)制件裝卸的專用起重設(shè)備，因此，針對建筑工地預(yù)制件裝卸研發(fā)了一種小型起重機。

1 問題的提出

起重機卷揚機構(gòu)的主要作用是完成重物的起升和緩降，目前，起重機卷揚設(shè)備大多采用電動或液壓作為卷揚機構(gòu)的動力源。但由于實際施工現(xiàn)場初期缺少必要的配套設(shè)施，另外由于預(yù)制件多由工廠加工完成后直接運至施工現(xiàn)場，因此，如何利用機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)預(yù)制件在卸車時的緩降是本次卷揚機構(gòu)設(shè)計的重點。

2 緩降機構(gòu)方案設(shè)計

2.1運用TRIZ理論分析問題

TRIZ理論把實際問題轉(zhuǎn)化為39個通用工程參數(shù)，利用沖突矩陣找到發(fā)明原理中解決問題的標(biāo)準(zhǔn)解，然后結(jié)合本人相關(guān)知識得到特定的解，從而得到具有創(chuàng)新性的設(shè)計方案或改進方案。

通過分析要實現(xiàn)預(yù)制件緩降，即實現(xiàn)對其可操作性的提高，但是在提高可操作性的同時會產(chǎn)生一些負(fù)面因素，如表1所示。通過分析需要參考發(fā)明原理主要內(nèi)容見表2。

表1 TRIZ技術(shù)矛盾沖突矩陣

表2 對應(yīng)發(fā)明原理

2.2緩降機構(gòu)方案設(shè)計

對于小型起重機來說，要實現(xiàn)預(yù)制件的緩降控制，就是要通過機械結(jié)構(gòu)克服一定量預(yù)制件重力，從而減少勢能向動能的轉(zhuǎn)化量。根據(jù)表2所列發(fā)明原理的提示，結(jié)合現(xiàn)實使用情況，直接利用摩擦力是最直接、最顯而易見的辦法。但是這種方法的可靠性較差，對摩擦材料的要求較高，因此并不適用于起重設(shè)備。

2.2.1渦輪蝸桿機構(gòu)

在此基礎(chǔ)之上，通過“1分割原理”的啟發(fā)，可以將原有預(yù)制件的重量通過力的分解，將其分解為不同方向的力，使相互接觸物質(zhì)間的正壓力減小，從而減小對材料的損耗，增加結(jié)構(gòu)的可靠性。

這樣就將問題轉(zhuǎn)化為如何通過兩個面的接觸實現(xiàn)對預(yù)制件卸載時限速的問題，該機構(gòu)的選擇或者設(shè)計需考慮兩個主要問題：（1）由于空間的限制，接觸過程需要具有一種循環(huán)特性；（2）選擇合適的壓力角方向。

圖1 渦輪蝸桿減速機構(gòu)

針對這樣的問題，使用渦輪蝸桿機構(gòu)即可實現(xiàn)，如圖1所示，當(dāng)蝸桿螺旋升角小于嚙合面的摩擦角時，該機構(gòu)具有自鎖的特性。利用該特性，當(dāng)螺桿螺旋升角略大于嚙合面摩擦角時，在力的作用下，渦輪在克服摩擦力的同時會產(chǎn)生緩慢的轉(zhuǎn)動。將吊索卷筒與渦輪鏈接即可實現(xiàn)預(yù)制件的緩降。

但由于預(yù)制件往往重量較大，渦輪蝸桿的角度設(shè)計是一個接近引起自鎖特性的臨界角度，因此，對于加工精度和裝配精度的要求較高，雖然結(jié)構(gòu)與方案合理但不適用于工作條件相對惡劣的建筑工地。

2.2.2多級變速機構(gòu)

結(jié)合表2中的發(fā)明原理“12 等勢原理”，通過摩擦力對重物的下落進行限速，其能量的轉(zhuǎn)化形式為：

Gh=fSS+mv2 （1）

通過式（1）可知，在一定重物下降高度一定的情況下，要限制速度v就需要增大摩擦力fS或者摩擦力作用的距離S。上文已說，增大摩擦力對材料摩擦性能和結(jié)構(gòu)強度要求較高，因此，可以考慮增加摩擦力的作用距離S。

在有限的空間內(nèi)對直線運動行程進行放大，最有效的方式是將直線運動轉(zhuǎn)化為圓周運動，通過對轉(zhuǎn)速的快慢與轉(zhuǎn)動半徑的大小的控制，將原有的運動行程進行放大。

可實現(xiàn)上述功能的機械傳動主要有帶傳動、鏈輪傳動以及齒輪傳動。帶傳動由于傳動比不明確，易打滑等缺點，因此不適用于起重機重載傳動。鏈傳動的主要特點是結(jié)構(gòu)可靠，適用于低速重載，工作環(huán)境相對惡劣的地方。齒輪傳動的主要特點是結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比穩(wěn)定，工作可靠，但制造成本較高。

結(jié)合鏈傳動與齒輪傳動各自的特點，在初始轉(zhuǎn)速較低，沖擊載荷較大的傳動鏈起始端使用鏈傳動，經(jīng)鏈傳動后將圓周運動傳遞給齒輪，通過二級行星齒輪變速，使最終轉(zhuǎn)速達到設(shè)計的預(yù)期值。將圓周運動輸出端與摩擦塊通過圓周徑向伸縮桿和彈簧連接，當(dāng)轉(zhuǎn)速未達到限定值時，摩擦塊與減速罩不接觸，預(yù)制件正常下落；當(dāng)轉(zhuǎn)速達到限定值時，由于離心力的作用，伸縮桿伸長，摩擦塊會與外側(cè)減速罩接觸，從而限制了轉(zhuǎn)速即限制了預(yù)制件的下降速度。其變速機構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 變速機構(gòu)簡圖

3 多級變速離心剎車機構(gòu)設(shè)計

首先，將直線運動速度轉(zhuǎn)化為圓周運動轉(zhuǎn)速。

其次，通過齒輪間的傳動關(guān)系及齒數(shù)，計算二級行星輪變速機構(gòu)的傳動比，分別計算兩行星輪機構(gòu)的傳動比。

再將鏈輪傳動計算進去，即為整個變速機構(gòu)的傳動比：

因此，輸出轉(zhuǎn)速與重物下落的速度v的關(guān)系為：

（2）

最后在摩擦塊質(zhì)量m與伸縮桿最短長度R一定的情況下，利用離心力的計算式，求得使彈簧伸長的離心力大小，從而選擇合適彈簧。

根據(jù)上述設(shè)計過程，對自制小型起重機無動力緩降機構(gòu)進行了設(shè)計及制造，如圖3、圖4所示。

圖3 傳動部分制造樣機

圖4 剎車部分制造樣機

4 結(jié) 論

應(yīng)用TRIZ理論提出了小型起重機緩降機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計方案，并與TRIZ理論中提出的自我實現(xiàn)的設(shè)計理念相吻合。該設(shè)計方案較好的解決了重物緩降的設(shè)計要求，不需設(shè)置其他輔助動力驅(qū)動即可實現(xiàn)功能，并且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，可對不同重量的物體下落過程進行定速控制，可通過簡單改造應(yīng)用于其他需要實現(xiàn)緩降動作的設(shè)備。 責(zé)編/萬海濱