基于TRIZ的塔式起重機(jī)制動(dòng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

龍進(jìn)輝 汪許林

摘要：運(yùn)用TRIZ理論對塔式起重機(jī)制動(dòng)器在制動(dòng)過程中的問題進(jìn)行分析，將工程問題轉(zhuǎn)化為TRIZ的標(biāo)準(zhǔn)問題，進(jìn)而利用發(fā)明原理對該標(biāo)準(zhǔn)問題進(jìn)行優(yōu)化求解，得出制動(dòng)器夾鉗的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，通過實(shí)驗(yàn)測試，優(yōu)化后的制動(dòng)器夾鉗結(jié)構(gòu)能夠大幅度減少夾鉗的位移，從而保證其運(yùn)動(dòng)過程中的平行性，進(jìn)而提升制動(dòng)效果。

關(guān)鍵詞：塔式起重機(jī);制動(dòng)器;夾鉗;TRIZ理論

0 ? ?引言

塔式起重機(jī)具有起重性能優(yōu)越、工作幅度大、操作簡單等特點(diǎn)，在建筑施工中，特別是高層建筑施工中扮演著重要的角色。隨著工業(yè)4.0的提出，塔式起重機(jī)的使用日益增多，其安全問題時(shí)有發(fā)生，特別是塔式起重機(jī)，其工況惡劣，在工作過程中一直處于高空作業(yè)，極易發(fā)生安全事故。制動(dòng)器故障是其最頻發(fā)的一種[1-2]，制動(dòng)器是影響塔式起重機(jī)安全性的一個(gè)重要機(jī)構(gòu)，平穩(wěn)制動(dòng)對保障塔式起重機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和工程人員的人身安全起到重要作用，其性能好壞直接影響著起重機(jī)的安全性能。因此，設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的配重調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)尤為重要。

鉗盤式制動(dòng)器由于其平穩(wěn)的制動(dòng)性能，同塊式制動(dòng)器相比具有廣泛的用途。本文針對SBD240制動(dòng)器制動(dòng)沖擊大、制動(dòng)過程中兩夾鉗平行度不足等問題進(jìn)行分析，運(yùn)用TRIZ理論進(jìn)行優(yōu)化，通過仿真及實(shí)驗(yàn)對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試分析。

1 ? ?TRIZ理論介紹

TRIZ理論（發(fā)明問題解決理論）起源于20世紀(jì)60年代前蘇聯(lián)海軍部發(fā)明專家阿奇舒勒（G.S.Altshuller）[3]。它的核心理論認(rèn)為：發(fā)明問題的核心是解決沖突，把實(shí)際的矛盾沖突轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，再利用TRIZ解決問題的方法就能找到發(fā)明原理中的標(biāo)準(zhǔn)解，然后將其轉(zhuǎn)化成特定解（實(shí)際解），從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的改進(jìn)或創(chuàng)新[4]。TRIZ理論解決問題流程如圖1所示。

2 ? ?方案設(shè)計(jì)

2.1 ? ?運(yùn)用TRIZ理論分析問題

TRIZ理論認(rèn)為：產(chǎn)品作為一個(gè)有機(jī)的系統(tǒng)，各個(gè)部件及性能之間是相互聯(lián)系的，當(dāng)產(chǎn)品某一性能發(fā)生變化時(shí)，一定會(huì)帶來產(chǎn)品其他性能的變化，如果二者的變化趨勢相同，則這兩種性能是正相關(guān)的;但是這兩種性能變化在產(chǎn)品優(yōu)化時(shí)通常呈不同趨勢，因此就產(chǎn)生了矛盾，解決該矛盾就意味著達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。TRIZ理論將機(jī)械設(shè)計(jì)中涉及的矛盾歸納總結(jié)為三大類，分別為物理沖突、技術(shù)沖突、管理沖突。本文結(jié)合物理沖突對制動(dòng)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

塔式起重機(jī)的制動(dòng)器是獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的制動(dòng)裝置，其可在塔式起重機(jī)高速軸制動(dòng)器出現(xiàn)故障或高低速軸之間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)失效時(shí)，實(shí)現(xiàn)安全可靠制動(dòng)，避免無制動(dòng)工況下快速下落，造成意外與損失。

制動(dòng)器的工作過程分為兩種情況：

（1）在塔式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)開始起吊時(shí)，制動(dòng)器松開閘;在高速軸制動(dòng)器能夠控制穩(wěn)定制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)器維持松閘狀態(tài)。

（2）在塔式起重機(jī)因故障斷電關(guān)閉時(shí)，安全制動(dòng)器上閘。此時(shí)高速軸制動(dòng)器制動(dòng)失效，重物加速下落并超過規(guī)定速度設(shè)定的倍數(shù)（通常為1.5倍）時(shí)，可根據(jù)安全性能的要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，制動(dòng)器接收到限制速度的信號后自動(dòng)上閘。

鉗盤式制動(dòng)器由于其具有制動(dòng)性能平穩(wěn)、散熱性能良好、制動(dòng)響應(yīng)快、集成化程度高等一系列優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用十分廣泛，其也是塔式起重機(jī)最為常用的一種制動(dòng)器[5]，但是其制動(dòng)過程中夾緊力沖擊大。

鉗盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)制動(dòng)裝置的工作過程和原理分析，在工作過程中為了保證安全制動(dòng)，需要保證夾鉗隨位裝置使制動(dòng)器兩側(cè)夾鉗工作過程中始終與卷筒轉(zhuǎn)盤平行，同時(shí)又需要抑制拉桿的彈性形變帶來的制動(dòng)沖擊，因此，為了減少輪緣接觸面與夾鉗制動(dòng)時(shí)的沖擊，必須改變采用彈性連接方式的夾鉗隨位裝置。

2.2 ? ?運(yùn)用TRIZ原理提供解決方案

通過上述矛盾分析可知，該工程問題主要為物理矛盾，TRIZ推薦的物理矛盾的解決原理如表1所示。

經(jīng)過分析和篩選可知，應(yīng)用1-分割原理、5-組合（合并）原理、7-嵌套原理得到相應(yīng)的解決方案：

1-分割原理是指以虛擬或?qū)嵨锓绞綄⒁粋€(gè)系統(tǒng)分成若干部分，以便抽取或合并一種有益或有害的系統(tǒng)屬性，由創(chuàng)新原理1-分割原理將原機(jī)的隨位裝置分解，識別到拉桿、連接塊為有用部分。

7-嵌套原理是指將一個(gè)物體臨時(shí)或永久地嵌入另一個(gè)物體的方法，目的是節(jié)省空間，在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上尤為常用。如圖3所示，本方案中采用該原理在中間銷軸的上端面開個(gè)圓形孔，通過螺釘將隨位拉桿有滑道一端嵌套在銷軸上端面，該銷軸代替原夾鉗隨位裝置的支撐機(jī)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)螺釘?shù)乃删o程度，實(shí)現(xiàn)隨位拉桿的轉(zhuǎn)動(dòng)（自身平面內(nèi)）及移動(dòng)（沿長方形滑道），從而實(shí)現(xiàn)了拉桿的調(diào)節(jié)定位。

5-組合（合并）是指在空間上將相同的物體或相關(guān)操作加以組合，或者在時(shí)間上將相同或相關(guān)的操作進(jìn)行合并。本方案通過空間上的組合將隨位拉桿的一個(gè)端部同具有圓柱形滑軌的連接塊進(jìn)行合并，使得原來的圓柱形滑道變?yōu)殚L方形滑道，使其在結(jié)構(gòu)與功能上都能以一個(gè)平面機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)原來兩個(gè)結(jié)構(gòu)件的功能;同時(shí)，在制動(dòng)臂中間銷軸上端面開階梯孔，通過螺釘及擋板的限位作用將嵌套后的銷軸、制動(dòng)臂、隨位拉桿三者連接，從而實(shí)現(xiàn)共同動(dòng)作。

上述設(shè)計(jì)改進(jìn)實(shí)施后的方案圖如圖3所示。

2.3 ? ?性能驗(yàn)證

對改進(jìn)后的制動(dòng)機(jī)構(gòu)采用ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真模型進(jìn)行計(jì)算（其初始為松閘狀態(tài)，輪緣與摩擦片間距為15 mm，制動(dòng)液壓泵、液壓缸、剎車片等其他條件都一致）。仿真得到改進(jìn)方案的夾緊力沖擊最大值為320 kN，相對原方案下降40%;制動(dòng)器的制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間由原方案的0.08 s縮短至0.045 s。

通過運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真得出，改進(jìn)前后左右夾鉗的位移如圖4、圖5所示。

通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，右夾鉗優(yōu)化前1 min的最大位移為2.7 cm，優(yōu)化后為0.75 cm;左夾鉗優(yōu)化前1 min的最大位移為1.02 cm，優(yōu)化后為0.54 cm。左右夾鉗優(yōu)化后的位移均要比優(yōu)化前有所下降，右夾鉗降低72.2%，左夾鉗降低47.1%。

由此可以看出，制動(dòng)器上閘過程中左右夾鉗同步水平較好，夾鉗運(yùn)動(dòng)過程中可以保持與輪緣平行，優(yōu)化后的夾鉗結(jié)構(gòu)能夠滿足夾鉗隨位功能要求。

3 ? ?結(jié)論

（1）基于工程中關(guān)于制動(dòng)裝置出現(xiàn)的問題，應(yīng)用TRIZ發(fā)明創(chuàng)新理論，可以減少左右夾鉗的位移，從而保證制動(dòng)的安全性能。

（2）基于TRIZ發(fā)明創(chuàng)新理論可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的流程方法找到解決問題的最優(yōu)解，該方法不但可以減少傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法低效、耗時(shí)、耗資的問題，而且可以全面評估改進(jìn)方法背后的邏輯，從而在方案階段就可以抓住主要矛盾，使得改進(jìn)設(shè)計(jì)切實(shí)可行。

（3）TRIZ的問題解決模型需要基于工程經(jīng)驗(yàn)才能快速定位矛盾主題，因此在利用TRIZ解決問題時(shí)需要工程經(jīng)驗(yàn)和TRIZ理論相結(jié)合，二者缺一不可。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李會(huì)勤.緊急制動(dòng)器在鑄造起重機(jī)主起升機(jī)構(gòu)上的應(yīng)用[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2009（12）：87-91.

[2] 宋吉珍.獨(dú)臂架門座式起重機(jī)變幅滾筒增加低速軸安全制動(dòng)器的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017（9）：135-136.

[3] 檀潤華.發(fā)明問題解決理論[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[4] 檀潤華.創(chuàng)新設(shè)計(jì)——TRIZ：發(fā)明問題解決理論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[5] 李靜，李益琴.港口起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)安全制動(dòng)器應(yīng)用的相關(guān)建議[J].集裝箱化，2016，27（6）：27-28.

[6] 鉗盤式制動(dòng)器：JB/T 10917—2008[S].

收稿日期：2021-04-14

作者簡介：龍進(jìn)輝（1989—），男，廣東湛江人，機(jī)械工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。