SC型施工升降機振動原因分析及設計優化

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SC型施工升降機為研究對象，簡要分析其在運行過程中產生振動及噪音的原因，提出設計優化方案，用以改善整體運行效果，簡化安裝調試步驟，有效降低振動與噪音發生的幾率及強度；同時，提升其穩定性、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、安全等多方面的優點，尤其在高層建筑施工中優勢尤為顯著，因此，被廣泛應用。但它在使用過程中經常會產生振動及噪音，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 產生振動的原因

1.1 動力驅動不平衡

SC型施工升降機一般都是兩傳動或三傳動的外掛式驅動機構。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。造成驅動機構動力及功率輸出不平衡，引起驅動機構振動，負載大的電機還會產生更大的噪音。

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，必然會產生強烈的振動；同時，還會因為齒面的撞擊而產生高分貝的噪音。運行中表現出來的問題主要是嚙合位置錯誤，經常會出現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，除了會產生豎直方向上的起升分力FV，還會產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，側向滾輪和壓輪都是軸心偏心的可調式結構。假如在安裝時，采用了先調定側向滾輪后調定壓輪這一種調試順序，就很可能會導致壓輪不能調整到正確的位置，從而產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向滾輪的力來平衡。

無論壓輪還是側向滾輪，它們在水平支反力FH及一些沖擊載荷的反復作用下，都有可能產生軸心受迫偏轉，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構。它們之間往往都如圖1b所示，呈現嚙合齒面交錯的形態；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，正向滾輪與側向滾輪一樣都是軸心偏心的可調式結構。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，同樣可能產生軸心受迫偏轉，導致驅動機構相對于導軌架整體傾斜，必然會產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，但在受迫的情況下，它們之間會存在干涉的問題，同樣會引起驅動機構及吊籠的振動。由于兩者之間基本上是一種撞摩擦的干涉方式，必然會產生尖銳的噪音。經常可能會出現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，正向滾輪在產生軸心受迫偏轉時，會導致驅動機構相對于導軌架整體傾斜，不但會產生嚙合齒面交錯的問題，同時，還會導致如圖3b側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動機構與吊籠的連接件，在振動的傳遞、擴散及反饋路線上占據了重要的位置，驅動機構與吊籠傳統的連接方式如圖5所示。

圖5 驅動機構與吊籠傳統連接方式

由圖5可以看出，驅動機構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空薄壁結構，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。由于吊籠及載荷的質量遠遠大于驅動機構，當吊籠振動產生時，通過連接銷軸，也會將振動反饋傳遞給驅動機構，形成惡性循環，加劇整體振動強度。而且，當吊籠相對于導軌架位置發生傾斜時，也會強迫驅動機構相對于導軌架位置發生傾斜，使振動更容易發生。

3 設計優化

在前面的分析中，闡述了振動及噪音產生的原因，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容。

從振動產生的原理來看，振動不可能完全被消除。只能從振動的產生、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）驅動機構滾輪采用一組上側向滾輪，上下各一組正向滾輪的組合方式。上側向滾輪保持軸心偏心、軸向竄動的可調式結構，而正向滾輪則設計成軸心同心、軸向竄動的不可調式結構；并且，壓輪也設計成軸心同心的不可調式結構。這樣就能保證驅動機構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）吊籠與驅動機構滾輪組合方式相似，上下雙導向輪及壓輪都采用不可調式結構，由于吊籠在左右方向上經常存在彎矩不平衡的情況，仍然需保持兩組可調式的側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節螺栓，不但可以精確調節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，又要壓緊狀態均勻，才能確保傳動平穩，減震有效。

3）驅動機構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，當驅動機構與吊籠之間采用硬性連接時，吊籠會將振動反饋作用給驅動機構，形成惡性循環，加劇驅動機構的振動量。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，只保留驅動機構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一的系統。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動機構帶來的反向作用，也就能夠有效地遏制振動的反饋作用。

圖6 驅動機構與吊籠柔性連接方式

4 結 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。按照本文提到優化方案改進施工升降機，應該可以有效降低振動及噪音產生的幾率和強度；大幅度提升升降機的穩定性、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品，從而打造出建筑機械的明星品牌。

（編輯 賈澤輝）

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2015-05-18