小型起重機無動力緩降機構的創新設計

劉昆+張明勤+金剛+韓立芳

0 引言

隨著近些年我國建筑行業的快速發展，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場，因此，如何利用機械結構實現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，利用沖突矩陣找到發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，從而得到具有創新性的設計方案或改進方案。

通過分析要實現預制件緩降，即實現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所列發明原理的提示，結合現實使用情況，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，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，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，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新設計方案，并與TRIZ理論中提出的自我實現的設計理念相吻合。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緩降動作的設備。 責編/萬海濱