簡述爬坡式擦窗機的結構與優(yōu)化改進

戴奇明/DAI Qi-ming

（上海普英特高層設備股份有限公司，上海 200127）

隨著現代經濟的高速發(fā)展，高層建筑越來越多且越來越復雜，為滿足建筑的獨特造型，使擦窗機衍生出各式各樣的機型，而爬坡式擦窗機作為其中一種機型，由于其結構較為復雜，在工程運用中存在各式各樣的問題。本文主要介紹幾種常見的爬坡式擦窗機，并對各種類型的爬坡式擦窗機進行簡單的設計分析與優(yōu)化。

1 獨立爬坡+水平運行模式的擦窗機

該類爬坡式擦窗結構形式主要分為兩部分，一是擦窗機本體，二是爬坡驅動底盤，通過2 個部件的有效組合，從而實現建筑的全覆蓋要求，圖1 為獨立爬坡+水平運行模式的擦窗機簡單示意圖。

圖1 獨立爬坡+水平運行模式的擦窗機

此類型爬坡式擦機結構較簡單，設計加工及控制均易于實現，成本也相對較低。通常運用于建筑存在兩段斜面爬坡，而頂部或底部存在一段水平的情況，但該設計方案的現場軌道存在高低差，整體感差，對于追求美觀的建筑是一個比較大的缺陷。

在設計時，爬坡軌道上安裝齒條，爬坡底盤載著擦窗機一起運行，當爬坡底盤運行至最頂部時，其爬坡底盤上的軌道與水平軌道完全對接，此時擦窗機可通過自身的運行機構運行至其他位置工作，擦窗機與爬坡底盤脫開。

該設計避免了爬坡軌道的轉彎，爬坡軌道僅僅作直線運動，有利于保證齒條的傳動精度，爬坡底盤在設計時，注意水平導向輪的間隙控制，通常擦窗機設計水平導向輪的間隙為5mm 左右，而該爬坡底盤由于僅作直線運動，而且爬坡底盤還需要與水平軌道對接，因此在設計時水平導向輪間隙建議1～2mm，這樣既能保證齒條傳動的精度，也能保證軌道對接的精度。尤其是現場軌道的施工需要考慮先后順序，水平軌道對接的一小部分最終安裝施工，以保證與爬坡底盤上軌道對齊。

2 爬坡+水平運行模式的擦窗機

該類爬坡式擦窗沒有獨立的爬坡底盤，爬坡底盤即為擦窗機的底盤，其既可以在斜面上爬坡，亦可以在水平軌道上運行，擦窗機底盤上通過一套調平機構，保證擦窗機回轉支承始終保證水平狀態(tài)，圖2 為爬坡+水平運行模式的擦窗機簡單示意圖。

圖2 爬坡+水平運行模式的擦窗機

此結構整體一致好，軌道為連續(xù)軌道，不存在高低差軌道設計，整體美觀。齒條鋪設在軌道頂面，全程安裝齒條，齒條安裝時需要注意，由于齒條是連續(xù)的，齒條安裝就需要從頭到尾從一端施工至另一端結束，同時必須保證對接齒條處的齒距，防止出現不等齒距的情況發(fā)生。

在軌道的設計中，為了便于軌道加工及齒輪的傳動精度，將軌道爬坡與水平傳動的齒條分別考慮，讓擦窗機爬坡的時候只作平面運動，不存在三維空間運行，即“爬坡不轉彎，轉彎不爬坡”的理念，特別是在爬坡向水平或水平向爬坡的轉換時，采用較大的圓弧段軌道設計，而且水平段直線段長度應大于擦窗機的輪距才能進行轉彎，否則會出現擦窗機四點運行輪不在同一平面的情況，導致卡死現象發(fā)生。

由于擦窗機驅動是一套系統(tǒng)，擦窗機爬坡段的齒條是標準的齒條，而圓弧段軌道上的齒條需要彎曲成軌道形狀，因此齒條的齒距會發(fā)生變化，當齒條外彎時，齒距會略微增大，對齒輪齒條傳動影響不大，但內彎時，齒條的齒距會相應變小，如果齒輪不采取變位，將會發(fā)生啃齒甚至卡死的情況，因此在設計中應適當考慮變位系數或增大齒輪傳動的中心距。

為了保證齒輪與齒條正常嚙合，必須在軌道的全程均設置齒條，但水平轉彎的軌道面上的齒條需要安裝軌道的彎曲方向進行側向彎曲，理論上該齒條相當于傘齒，而驅動上齒輪是直齒，所以齒輪與齒條之間必然存在嚙合不充分、啃齒的情況，為了減少這種情況的發(fā)生，在設計轉彎軌道上的齒輪時，可將該段齒條適當減小寬度，因為水平運行及水平轉彎，理論上需要的齒條傳動力相對要小的多，減小齒條寬度也能滿足受力要求，在齒條寬度足夠小的情況，可以改善齒條的啃齒情況，如圖3 所示。

圖3 軌道全程設置齒條

3 連續(xù)爬坡運行模式的擦窗機

該種爬坡式擦窗適應于建筑外輪廓呈螺旋式上升，擦窗機軌道根據建筑特點按螺旋式上升的設計，該種爬坡機型可一邊轉彎一邊爬坡，能完全與建筑立面要求相匹配，但由于設備需要連續(xù)爬坡，無論是軌道還是齒條均需要在三維空間內運行，因此該類擦窗機設計復雜，技術難度高，對現在軌道安裝要求也非常高，圖4 為連續(xù)爬坡運行模式的擦窗機簡單示意圖。

圖4 連續(xù)爬坡運行模式的擦窗機

由于軌道沿著建筑呈螺旋上升，因此軌道屬于三維空間曲線，采用通常的工字鋼或者H 型鋼作為軌道已不適合，故可以采用圓形鋼管作為擦窗機的軌道。其次圓形軌道上安裝齒條可行性較差，我們可以考慮在兩圓形軌之間單獨設置齒條作為爬坡的傳動齒條，這樣即能保證受力在底盤的中間，有解決了齒條安困難的問題，但需要注意的是，擦窗機底盤整體已通過兩軌進行定位了，因此在設計驅動齒輪機構時候，就必須考慮驅動機構的位置偏差補償，在實際工程安裝上齒條與兩軌之間肯定存在偏差，軌道與齒條布置簡易示意如圖5 所示。

圖5 軌道與齒條布置簡易示意圖

齒條設計在兩軌之間，齒條頂面?zhèn)认虬惭b，由于齒條無法像軌道一樣扭轉，因此在傳動時齒條肯定存在跟嚙合的問題，為了防止齒條在嚙合發(fā)生啃齒以及局部受力造成齒條強度不夠等情況發(fā)生，在齒條設計時應增大齒條模數，齒條的安全系數放大幾個等級，這樣不論在安裝精度以及傳遞力的方面都會得到改善，根據工程經驗，齒條的模數在理論計算基礎上，需要放大10～20倍。齒輪與齒條嚙合在設計時就要充分考慮齒條對接處的偏差，適當增加傳動中心距，防止發(fā)生齒條與齒輪卡死及啃齒等情況發(fā)生。

4 結語

介紹了不同爬坡式擦窗機的特點以及相應的優(yōu)缺點，建議實際工程根據建筑的實際情況選擇相應的爬坡式擦窗機方案，在滿足要求的情況下優(yōu)先采用第一種及第二種方案，相對來說技術難度小，成本相對更低。