小型起重機無動力緩降機構的創(chuàng)新設計

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，預制件的使用量日益增加，2015年長沙某大廈僅用12天就建設完成，其中預制件所占比例為92%。使用預制件搭建建筑將是未來的發(fā)展趨勢，但是，目前尚沒有針對預制件裝卸的專用起重設備，因此，針對建筑工地預制件裝卸研發(fā)了一種小型起重機。

1 問題的提出

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

2 緩降機構方案設計

2.1運用TRIZ理論分析問題

TRIZ理論把實際問題轉化為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準解，然后結合本人相關知識得到特定的解，從而得到具有創(chuàng)新性的設計方案或改進方案。

通過分析要實現(xiàn)預制件緩降，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生一些負面因素，如表1所示。通過分析需要參考發(fā)明原理主要內容見表2。

表1 TRIZ技術矛盾沖突矩陣

表2 對應發(fā)明原理

2.2緩降機構方案設計

對于小型起重機來說，要實現(xiàn)預制件的緩降控制，就是要通過機械結構克服一定量預制件重力，從而減少勢能向動能的轉化量。根據表2所列發(fā)明原理的提示，結合現(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備。

2.2.1渦輪蝸桿機構

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

這樣就將問題轉化為如何通過兩個面的接觸實現(xiàn)對預制件卸載時限速的問題，該機構的選擇或者設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

針對這樣的問題，使用渦輪蝸桿機構即可實現(xiàn)，如圖1所示，當蝸桿螺旋升角小于嚙合面的摩擦角時，該機構具有自鎖的特性。利用該特性，當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生緩慢的轉動。將吊索卷筒與渦輪鏈接即可實現(xiàn)預制件的緩降。

但由于預制件往往重量較大，渦輪蝸桿的角度設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，雖然結構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

結合表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構強度要求較高，因此，可以考慮增加摩擦力的作用距離S。

在有限的空間內對直線運動行程進行放大，最有效的方式是將直線運動轉化為圓周運動，通過對轉速的快慢與轉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構可靠，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構緊湊，傳動比穩(wěn)定，工作可靠，但制造成本較高。

結合鏈傳動與齒輪傳動各自的特點，在初始轉速較低，沖擊載荷較大的傳動鏈起始端使用鏈傳動，經鏈傳動后將圓周運動傳遞給齒輪，通過二級行星齒輪變速，使最終轉速達到設計的預期值。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，當轉速未達到限定值時，摩擦塊與減速罩不接觸，預制件正常下落；當轉速達到限定值時，由于離心力的作用，伸縮桿伸長，摩擦塊會與外側減速罩接觸，從而限制了轉速即限制了預制件的下降速度。其變速機構簡圖如圖2所示。

圖2 變速機構簡圖

3 多級變速離心剎車機構設計

首先，將直線運動速度轉化為圓周運動轉速。

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

再將鏈輪傳動計算進去，即為整個變速機構的傳動比：

因此，輸出轉速與重物下落的速度v的關系為：

（2）

最后在摩擦塊質量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。

根據上述設計過程，對自制小型起重機無動力緩降機構進行了設計及制造，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 論

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