基于TRIZ的塔式起重機制動器的優化設計

龍進輝 汪許林

摘要：運用TRIZ理論對塔式起重機制動器在制動過程中的問題進行分析，將工程問題轉化為TRIZ的標準問題，進而利用發明原理對該標準問題進行優化求解，得出制動器夾鉗的優化結構，通過實驗測試，優化后的制動器夾鉗結構能夠大幅度減少夾鉗的位移，從而保證其運動過程中的平行性，進而提升制動效果。

關鍵詞：塔式起重機;制動器;夾鉗;TRIZ理論

0 ? ?引言

塔式起重機具有起重性能優越、工作幅度大、操作簡單等特點，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4.0的提出，塔式起重機的使用日益增多，其安全問題時有發生，特別是塔式起重機，其工況惡劣，在工作過程中一直處于高空作業，極易發生安全事故。制動器故障是其最頻發的一種[1-2]，制動器是影響塔式起重機安全性的一個重要機構，平穩制動對保障塔式起重機的穩定運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的安全性能。因此，設計一款結構創新的配重調節機構尤為重要。

鉗盤式制動器由于其平穩的制動性能，同塊式制動器相比具有廣泛的用途。本文針對SBD240制動器制動沖擊大、制動過程中兩夾鉗平行度不足等問題進行分析，運用TRIZ理論進行優化，通過仿真及實驗對優化后的結構進行測試分析。

1 ? ?TRIZ理論介紹

TRIZ理論（發明問題解決理論）起源于20世紀60年代前蘇聯海軍部發明專家阿奇舒勒（G.S.Altshuller）[3]。它的核心理論認為：發明問題的核心是解決沖突，把實際的矛盾沖突轉化為標準參數，再利用TRIZ解決問題的方法就能找到發明原理中的標準解，然后將其轉化成特定解（實際解），從而實現產品的改進或創新[4]。TRIZ理論解決問題流程如圖1所示。

2 ? ?方案設計

2.1 ? ?運用TRIZ理論分析問題

TRIZ理論認為：產品作為一個有機的系統，各個部件及性能之間是相互聯系的，當產品某一性能發生變化時，一定會帶來產品其他性能的變化，如果二者的變化趨勢相同，則這兩種性能是正相關的;但是這兩種性能變化在產品優化時通常呈不同趨勢，因此就產生了矛盾，解決該矛盾就意味著達到了優化設計的目的。TRIZ理論將機械設計中涉及的矛盾歸納總結為三大類，分別為物理沖突、技術沖突、管理沖突。本文結合物理沖突對制動器進行優化設計。

塔式起重機的制動器是獨立驅動的制動裝置，其可在塔式起重機高速軸制動器出現故障或高低速軸之間的傳動機構失效時，實現安全可靠制動，避免無制動工況下快速下落，造成意外與損失。

制動器的工作過程分為兩種情況：

（1）在塔式起重機起升機構開始起吊時，制動器松開閘;在高速軸制動器能夠控制穩定制動時，制動器維持松閘狀態。

（2）在塔式起重機因故障斷電關閉時，安全制動器上閘。此時高速軸制動器制動失效，重物加速下落并超過規定速度設定的倍數（通常為1.5倍）時，可根據安全性能的要求進行調節，制動器接收到限制速度的信號后自動上閘。

鉗盤式制動器由于其具有制動性能平穩、散熱性能良好、制動響應快、集成化程度高等一系列優點應用十分廣泛，其也是塔式起重機最為常用的一種制動器[5]，但是其制動過程中夾緊力沖擊大。

鉗盤式制動器結構如圖2所示。

根據制動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，需要保證夾鉗隨位裝置使制動器兩側夾鉗工作過程中始終與卷筒轉盤平行，同時又需要抑制拉桿的彈性形變帶來的制動沖擊，因此，為了減少輪緣接觸面與夾鉗制動時的沖擊，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。

經過分析和篩選可知，應用1-分割原理、5-組合（合并）原理、7-嵌套原理得到相應的解決方案：

1-分割原理是指以虛擬或實物方式將一個系統分成若干部分，以便抽取或合并一種有益或有害的系統屬性，由創新原理1-分割原理將原機的隨位裝置分解，識別到拉桿、連接塊為有用部分。

7-嵌套原理是指將一個物體臨時或永久地嵌入另一個物體的方法，目的是節省空間，在機械結構的設計上尤為常用。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構，通過調節螺釘的松緊程度，實現隨位拉桿的轉動（自身平面內）及移動（沿長方形滑道），從而實現了拉桿的調節定位。

5-組合（合并）是指在空間上將相同的物體或相關操作加以組合，或者在時間上將相同或相關的操作進行合并。本方案通過空間上的組合將隨位拉桿的一個端部同具有圓柱形滑軌的連接塊進行合并，使得原來的圓柱形滑道變為長方形滑道，使其在結構與功能上都能以一個平面機構實現原來兩個結構件的功能;同時，在制動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、制動臂、隨位拉桿三者連接，從而實現共同動作。

上述設計改進實施后的方案圖如圖3所示。

2.3 ? ?性能驗證

對改進后的制動機構采用ADAMS動力學仿真模型進行計算（其初始為松閘狀態，輪緣與摩擦片間距為15 mm，制動液壓泵、液壓缸、剎車片等其他條件都一致）。仿真得到改進方案的夾緊力沖擊最大值為320 kN，相對原方案下降40%;制動器的制動響應時間由原方案的0.08 s縮短至0.045 s。

通過運動學仿真得出，改進前后左右夾鉗的位移如圖4、圖5所示。

通過上述實驗數據可以看出，右夾鉗優化前1 min的最大位移為2.7 cm，優化后為0.75 cm;左夾鉗優化前1 min的最大位移為1.02 cm，優化后為0.54 cm。左右夾鉗優化后的位移均要比優化前有所下降，右夾鉗降低72.2%，左夾鉗降低47.1%。

由此可以看出，制動器上閘過程中左右夾鉗同步水平較好，夾鉗運動過程中可以保持與輪緣平行，優化后的夾鉗結構能夠滿足夾鉗隨位功能要求。

3 ? ?結論

（1）基于工程中關于制動裝置出現的問題，應用TRIZ發明創新理論，可以減少左右夾鉗的位移，從而保證制動的安全性能。

（2）基于TRIZ發明創新理論可以根據標準的流程方法找到解決問題的最優解，該方法不但可以減少傳統實驗設計方法低效、耗時、耗資的問題，而且可以全面評估改進方法背后的邏輯，從而在方案階段就可以抓住主要矛盾，使得改進設計切實可行。

（3）TRIZ的問題解決模型需要基于工程經驗才能快速定位矛盾主題，因此在利用TRIZ解決問題時需要工程經驗和TRIZ理論相結合，二者缺一不可。

[參考文獻]

[1] 李會勤.緊急制動器在鑄造起重機主起升機構上的應用[J].起重運輸機械，2009（12）：87-91.

[2] 宋吉珍.獨臂架門座式起重機變幅滾筒增加低速軸安全制動器的應用[J].現代制造技術與裝備，2017（9）：135-136.

[3] 檀潤華.發明問題解決理論[M].北京：科學出版社，2004.

[4] 檀潤華.創新設計——TRIZ：發明問題解決理論[M].北京：機械工業出版社，2002.

[5] 李靜，李益琴.港口起重機起升機構安全制動器應用的相關建議[J].集裝箱化，2016，27（6）：27-28.

[6] 鉗盤式制動器：JB/T 10917—2008[S].

收稿日期：2021-04-14

作者簡介：龍進輝（1989—），男，廣東湛江人，機械工程師，研究方向：機械設計。