賈林昕/JIA Lin-xin

（四川建設機械（集團）股份有限公司，四川 成都 610081）

SC型施工升降機振動原因分析及設計優(yōu)化

Analysis and optimization design of the vibration of SC-series construction hoist

賈林昕/JIA Lin-xin

（四川建設機械（集團）股份有限公司，四川 成都 610081）

以傳統(tǒng)SC型施工升降機為研究對象，簡要分析其在運行過程中產(chǎn)生振動及噪音的原因，提出設計優(yōu)化方案，用以改善整體運行效果，簡化安裝調(diào)試步驟，有效降低振動與噪音發(fā)生的幾率及強度；同時，提升其穩(wěn)定性、可靠性及舒適性，延長使用壽命。

SC型施工升降機；振動；嚙合；干涉；優(yōu)化

SC型齒輪齒條式人貨兩用施工升降機在建筑施工中擁有方便、高效、安全等多方面的優(yōu)點，尤其在高層建筑施工中優(yōu)勢尤為顯著，因此，被廣泛應用。但它在使用過程中經(jīng)常會產(chǎn)生振動及噪音，使乘員感覺不舒適，缺乏安全感；同時還會導致零部件快速損壞，整體穩(wěn)定性及可靠性大幅降低，縮短其使用壽命。當振動量過大時，更可能釀成安全事故。這是眾多制造廠家普遍存在并且難以解決的問題。

1 產(chǎn)生振動的原因

1.1 動力驅(qū)動不平衡

SC型施工升降機一般都是兩傳動或三傳動的外掛式驅(qū)動機構(gòu)。如果幾個齒輪安裝后彼此之間位置度超差或是幾組電機之間轉(zhuǎn)速存在差異，都會導致齒輪與齒條之間的嚙合力大小不一致，反作用給各自減速器及電機的阻力大小也不一致。造成驅(qū)動機構(gòu)動力及功率輸出不平衡，引起驅(qū)動機構(gòu)振動，負載大的電機還會產(chǎn)生更大的噪音。

1.2 齒輪與齒條嚙合存在問題

升降機是依靠齒輪與齒條嚙合來傳遞動力，因此，這個嚙合副也是振動產(chǎn)生的最大源頭。在理論上，齒輪與齒條正確嚙合時，齒面之間是一種線接觸形式。當它們嚙合方式存在問題時，必然會產(chǎn)生強烈的振動；同時，還會因為齒面的撞擊而產(chǎn)生高分貝的噪音。運行中表現(xiàn)出來的問題主要是嚙合位置錯誤，經(jīng)常會出現(xiàn)3種方式，如圖1所示。

圖1 齒輪與齒條嚙合位置錯誤的3種方式

1）施工升降機使用的齒輪、齒條都是漸開線式標準齒形。因此，當它們嚙合時，除了會產(chǎn)生豎直方向上的起升分力FV，還會產(chǎn)生水平方向的支反分力FH。這個水平支反分力FH就有可能會帶動齒輪遠離齒條，造成如圖1a嚙合間隙過大的問題。在設計上，我們采用壓輪頂住齒條背面，通過壓輪承受齒條作用的力FC來達到傳動板在水平方向上的受力平衡，力學分析如圖2所示。

圖2 嚙合時力學分析

在設計上，側(cè)向滾輪和壓輪都是軸心偏心的可調(diào)式結(jié)構(gòu)。假如在安裝時，采用了先調(diào)定側(cè)向滾輪后調(diào)定壓輪這一種調(diào)試順序，就很可能會導致壓輪不能調(diào)整到正確的位置，從而產(chǎn)生嚙合間隙過大的問題。嚴重時，壓輪輪面不能與齒條背面接觸，失去設計的作用；力FH只能依靠立柱作用給側(cè)向滾輪的力來平衡。

無論壓輪還是側(cè)向滾輪，它們在水平支反力FH及一些沖擊載荷的反復作用下，都有可能產(chǎn)生軸心受迫偏轉(zhuǎn)，導致齒輪與齒條嚙合間隙加大。

2）升降機在運行的時候，齒輪及軸相對于齒條實際上可以簡化成一種懸臂梁的結(jié)構(gòu)。它們之間往往都如圖1b所示，呈現(xiàn)嚙合齒面交錯的形態(tài)；嚙合時齒面達不到均勻的線接觸，造成齒輪在齒寬方向上單側(cè)受力。長期運行后，導致齒面一邊磨損嚴重，一邊卻完好無損。

傳動板為焊接件，焊接后易存在板面彎曲變形的問題。安裝在傳動架上后就會導致齒輪齒面與齒條齒面不平行，即嚙合齒面交錯的問題。

在設計上，正向滾輪與側(cè)向滾輪一樣都是軸心偏心的可調(diào)式結(jié)構(gòu)。在升降機工作過程中，它們承受交變載荷和一些沖擊載荷的反復作用，同樣可能產(chǎn)生軸心受迫偏轉(zhuǎn)，導致驅(qū)動機構(gòu)相對于導軌架整體傾斜，必然會產(chǎn)生嚙合齒面交錯的問題。

3）齒條連接位置由于加工或是裝配原因存在階差，就會產(chǎn)生如圖1c嚙合不連貫的問題。齒輪與齒條瞬間撞擊，可能會造成齒面嚴重損壞。

4）當齒輪公法線長度，齒面徑向跳動，齒面粗糙度，齒面硬度等參數(shù)加工超差時，即使嚙合位置完全正確，在運行過程中，同樣也會產(chǎn)生一定的振動。起升速度越快，振動量也就會越大。

1.3 滾輪與導軌架立柱干涉

在設計上滾輪與導軌架立柱之間是點接觸形態(tài)，但在受迫的情況下，它們之間會存在干涉的問題，同樣會引起驅(qū)動機構(gòu)及吊籠的振動。由于兩者之間基本上是一種撞摩擦的干涉方式，必然會產(chǎn)生尖銳的噪音。經(jīng)?？赡軙霈F(xiàn)的兩種干涉方式如圖3所示。

1）導軌架立柱連接位置由于加工或安裝的原因存在階差，就會產(chǎn)生如圖3a滾動不連貫的問題。滾輪與導軌架立柱瞬間撞擊，可能會造成輪面嚴重損壞。

圖3 滾輪與導軌架立柱干涉的兩種方式

2）前面提到，正向滾輪在產(chǎn)生軸心受迫偏轉(zhuǎn)時，會導致驅(qū)動機構(gòu)相對于導軌架整體傾斜，不但會產(chǎn)生嚙合齒面交錯的問題，同時，還會導致如圖3b側(cè)向滾輪與導軌架立柱之間軸心不垂直的干涉問題。

2 振動的傳遞與反饋

從機械振動理論來看，振動傳遞及反饋的路線必然與動力的傳遞路線一致。通過前面的分析，我們知道，齒輪齒條嚙合副是振動產(chǎn)生的主要源頭，總體的振動傳遞及反饋的路線圖如圖4所示。

圖4 振動的傳遞及反饋路線圖

由圖4可以看出連接銷軸作為驅(qū)動機構(gòu)與吊籠的連接件，在振動的傳遞、擴散及反饋路線上占據(jù)了重要的位置，驅(qū)動機構(gòu)與吊籠傳統(tǒng)的連接方式如圖5所示。

圖5 驅(qū)動機構(gòu)與吊籠傳統(tǒng)連接方式

由圖5可以看出，驅(qū)動機構(gòu)與吊籠之間采用銷軸穿過耳板孔的硬性連接方式。外掛架通過連接銷軸將動力和振動傳遞給吊籠，由于吊籠是一個剛度較低的長方體內(nèi)空薄壁結(jié)構(gòu)，振動在吊籠上必然會擴散放大。而且，這種連接方式實際上是一種過定位形態(tài)。由于吊籠及載荷的質(zhì)量遠遠大于驅(qū)動機構(gòu)，當?shù)趸\振動產(chǎn)生時，通過連接銷軸，也會將振動反饋傳遞給驅(qū)動機構(gòu)，形成惡性循環(huán)，加劇整體振動強度。而且，當?shù)趸\相對于導軌架位置發(fā)生傾斜時，也會強迫驅(qū)動機構(gòu)相對于導軌架位置發(fā)生傾斜，使振動更容易發(fā)生。

3 設計優(yōu)化

在前面的分析中，闡述了振動及噪音產(chǎn)生的原因，分析了振動傳遞及反饋的路線，預測了振動可能會造成的影響等方面的內(nèi)容。

從振動產(chǎn)生的原理來看，振動不可能完全被消除。只能從振動的產(chǎn)生、傳遞、反饋3個方面來著手，來解決升降機振動問題。

3.1 減弱源頭振動量

1）驅(qū)動機構(gòu)滾輪采用一組上側(cè)向滾輪，上下各一組正向滾輪的組合方式。上側(cè)向滾輪保持軸心偏心、軸向竄動的可調(diào)式結(jié)構(gòu)，而正向滾輪則設計成軸心同心、軸向竄動的不可調(diào)式結(jié)構(gòu)；并且，壓輪也設計成軸心同心的不可調(diào)式結(jié)構(gòu)。這樣就能保證驅(qū)動機構(gòu)相對于導軌架之間正確位置，從而間接保證齒輪與齒條之間的正確嚙合位置。側(cè)向滾輪只需要起到輔助導向的作用，一組就足夠，還可避免與導軌架立柱干涉的問題，安裝更加方面，維護更加容易。

2）吊籠與驅(qū)動機構(gòu)滾輪組合方式相似，上下雙導向輪及壓輪都采用不可調(diào)式結(jié)構(gòu)，由于吊籠在左右方向上經(jīng)常存在彎矩不平衡的情況，仍然需保持兩組可調(diào)式的側(cè)向滾輪以保證吊籠在運行中不會搖擺。

3）改變傳動板與安全板焊接方式，避震條安裝板與主板之間的雙面角焊縫更換成頂面圓孔塞焊縫，其他的一般角焊縫更換成開坡口角焊縫；從而減小焊接變形量。

4）傳動板與安全板在加工安裝孔時采用一次性裝夾定位完成，以保證安裝孔的位置度及精度。

5）外掛架焊接完成后再加工滾輪安裝孔，盡可能提高滾輪安裝后的軸心同心度。

6）在傳動板與外掛架之間安裝調(diào)節(jié)螺栓，不但可以精確調(diào)節(jié)傳動板在外掛架左右方向上的位置，并且還可以抵抗大量沖擊載荷。

7）使用高精度、高強度的變位齒輪，以增加嚙合平穩(wěn)性，降低振動及噪音，同時，避免根切，提高齒輪的彎曲強度，盡可能降低最大滑動率，提高其抗膠合和耐磨損的能力。

3.2 降低振動傳遞效率

1）由于電機自身存在振動，在電機機身兩側(cè)頂裝尼龍減震塊，利用彈性形變來吸收電機振動的部分能量，達到減震目的，同時，減震塊還有抑制電機振動的作用。

2）齒輪齒條嚙合產(chǎn)生的振動通過傳動板傳遞到外掛架上，因此，在傳動板與外掛架之間以尼龍減震條作為板架連接件，是動力有效傳遞，抵抗沖擊載荷，降低振動傳遞效率的良好選擇。因此，減震條的安裝也是非常重要，安裝后，既要有一定壓緊量，又要壓緊狀態(tài)均勻，才能確保傳動平穩(wěn)，減震有效。

3）驅(qū)動機構(gòu)與吊籠之間設計成柔性的連接方式，如圖6所示。新增一連接桿，下端與吊籠耳板使用銷軸連接，上端與外掛架之間采用碟簧包夾方式連接，并使用開槽螺母以一定扭矩鎖緊，然后，插入開口銷防止螺母松動。由于碟簧具有彈性變形能力，能有效地降低振動傳遞效率，抵抗一定沖擊載荷。

3.3 遏制振動反饋作用

從前面的分析我們知道，當驅(qū)動機構(gòu)與吊籠之間采用硬性連接時，吊籠會將振動反饋作用給驅(qū)動機構(gòu)，形成惡性循環(huán)，加劇驅(qū)動機構(gòu)的振動量。因此，使用圖6所示的柔性連接方式，在設計上保證連接桿與外掛架連接連接孔之間存在一定的間隙，只保留驅(qū)動機構(gòu)架吊籠豎直方向上的約束，其他方向上給予一定的自由度，將兩個部分形成即獨立又統(tǒng)一的系統(tǒng)。這樣既可保證動力良好傳遞，又可以消除因吊籠在制造、安裝、負載不平衡、承受沖擊等因素給驅(qū)動機構(gòu)帶來的反向作用，也就能夠有效地遏制振動的反饋作用。

圖6 驅(qū)動機構(gòu)與吊籠柔性連接方式

4 結(jié) 語

一臺好的施工升降機，不但需要良好的設計，而且還要精密的制造、正確的安裝和良好的維護。按照本文提到優(yōu)化方案改進施工升降機，應該可以有效降低振動及噪音產(chǎn)生的幾率和強度；大幅度提升升降機的穩(wěn)定性、可靠性及舒適性，使其使用壽命延長。

市場的變化對升降機的各個方面要求也是越來越高。作為制造者來說，只有本著不斷探索，精益求精的精神，才能制造出讓客戶滿意產(chǎn)品，從而打造出建筑機械的明星品牌。

（編輯 賈澤輝）

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1001-1366（2015）08-0052-04

2015-05-18