施工升降機(jī)制動(dòng)性能分析與研究

摘""要：施工升降機(jī)是現(xiàn)代建筑施工中廣泛應(yīng)用的垂直運(yùn)輸工具，兩傳動(dòng)齒輪齒條式施工升降機(jī)優(yōu)勢(shì)更為突出，但是其制動(dòng)性能要求更高。從施工升降機(jī)制動(dòng)性能出發(fā)進(jìn)行分析研究，通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置模型分析、數(shù)值計(jì)算，得出單個(gè)制動(dòng)部件的最小制動(dòng)力矩，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算制動(dòng)力矩，設(shè)計(jì)了樣機(jī)，并選取合適的閘皮，進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)論證，所選閘皮滿足制動(dòng)性能要求，能夠?qū)崿F(xiàn)施工升降機(jī)的可靠穩(wěn)定制動(dòng)。

關(guān)鍵詞：施工升降機(jī)"驅(qū)動(dòng)裝置"制動(dòng)性能"閘皮"摩擦系數(shù)

Analysis"and"Research"on"the"Braking"Performance"of"Construction"Hoist

CHEN"Lina

Jiading"Special"Equipment"Supervision"and"Inspection"Technology"Research"Institute，"Shanghai，"201800"China

Abstract："Construction"hoists"are"widely"used"in"modern"construction"as"vertical"transportation"tools，"the"advantages"of"the"two"transmission"gear"tooth"strip"construction"hoists"are"more"prominent，"but"its"braking"performance"requirements"are"higher."It"analyzes"and"conducts"research"starting"from"the"braking"performance"of"construction"hoists."By"analyzing"the"driving"device"model"and"numerical"calculation，"the"minimum"braking"torque"of"a"single"braking"component"is"obtained."Then，"by"calculating"the"braking"torque，"a"prototype"is"designed"and"suitable"brake"pads"are"selected"for"prototype"testing"and"verification."It"is"demonstrated"that"the"selected"brake"pads"meet"the"braking"performance"requirements"and"can"achieve"reliable"and"stable"braking"of"the"construction"hoists.

Key"Words："Construction"hoist;"Drive"device;"Braking"performance;"Brake"pads;"Friction"coefficient

施工升降機(jī)是現(xiàn)代建筑施工中必不可少的垂直運(yùn)輸工具，承擔(dān)著垂直運(yùn)輸人員及貨物的雙重任務(wù)。經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展與完善，施工升降機(jī)的結(jié)構(gòu)形式、功能用途等方面都有了很大的改進(jìn)，但不可否認(rèn)的是，施工升降機(jī)在安全性方面尚不完善，導(dǎo)致安全事故時(shí)有發(fā)生。這其中很大一部分事故是安裝使用過(guò)程中的疏忽所致，但不可否認(rèn)的是，部分缺陷存在于設(shè)備在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中[1-3]。本文通過(guò)對(duì)兩傳動(dòng)齒輪齒條式施工升降機(jī)的制動(dòng)性能進(jìn)行理論計(jì)算分析，得出了一個(gè)制動(dòng)器失效時(shí)另一制動(dòng)部件的最小允許值，然后進(jìn)行樣機(jī)設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其可行性。

1""施工升降機(jī)系統(tǒng)的力距分析

1.1模型分析

目前較多的施工升降機(jī)采用3個(gè)傳動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)總成，隨著技術(shù)的發(fā)展，兩驅(qū)動(dòng)的施工升降驅(qū)動(dòng)總成憑借其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)被逐漸使用[4]。相較于三傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，兩傳動(dòng)主要優(yōu)勢(shì)有：結(jié)構(gòu)緊湊，降低整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)重量；生產(chǎn)制造成本，后期維護(hù)成本都相對(duì)較低；不論是驅(qū)動(dòng)抑或制動(dòng)過(guò)程，其同步性能更優(yōu)，使整機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，乘坐更加舒適。但是，由于僅有兩個(gè)制動(dòng)裝置，那么就對(duì)單個(gè)制動(dòng)裝置的性能提出了更高的要求[5]。

典型的兩傳動(dòng)齒輪齒條式施工升降機(jī)，其傳動(dòng)系統(tǒng)布置如圖1所示，帶有制動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為動(dòng)力輸出端，通過(guò)減速機(jī)主軸輸出轉(zhuǎn)矩，減速機(jī)安裝在驅(qū)動(dòng)板上，驅(qū)動(dòng)板與吊籠連接，小齒輪安裝在主軸上，通過(guò)與安裝在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上的齒條嚙合，從而實(shí)現(xiàn)吊籠的垂直運(yùn)動(dòng)。根據(jù)《吊籠有垂直導(dǎo)向的人貨兩用施工升降機(jī)》（GB/T"26557—2021）中第5.7.4.6條規(guī)定：制動(dòng)器中產(chǎn)生制動(dòng)作用力的任何彈簧，其制造和安裝應(yīng)滿足：如果某一彈簧失效（制動(dòng)部件#I）載荷仍為額定載荷時(shí)，制動(dòng)器（如制動(dòng)部件#II）仍可有效地使吊籠減速[6]。

驅(qū)動(dòng)部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了計(jì)算準(zhǔn)確，將各部分的力矩轉(zhuǎn)換到電機(jī)輸出端，主要有：聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量產(chǎn)生的力矩（Nm）、電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量產(chǎn)生的力矩（Nm）、減速機(jī)傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量產(chǎn)生的力矩（Nm）、升降機(jī)自重（包括吊籠重量及負(fù)載）"轉(zhuǎn)動(dòng)慣量產(chǎn)生的力矩（Nm）。

設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速為，制停時(shí)間為，升降機(jī)自重（包括吊籠重量及負(fù)載）為m，小齒輪節(jié)圓直徑為D，那么，可得出這四部分轉(zhuǎn)換到電機(jī)端的力矩分別為[7]：式（1）、式（2）、式（3）、式（4）中：表示聯(lián)軸器轉(zhuǎn)換到電機(jī)端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；表示電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；表示減速機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)換到電機(jī)端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；表示減速機(jī)傳動(dòng)效率。

對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)而言，升降機(jī)滿載狀態(tài)下行工況是最惡劣的，因此，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，需保證該工況下吊籠能有效減速。圖1中，若制動(dòng)部件#1的彈簧失效時(shí)，制動(dòng)部件#2制動(dòng)的同時(shí)，不僅要克服自身驅(qū)動(dòng)部件及升降機(jī)自重（包括吊籠重量及負(fù)載），還需同是克服制動(dòng)部件#1產(chǎn)生的力矩、、，將這部分力矩折算至#1的電機(jī)端，可得：

式（5）中：表示升降機(jī)系統(tǒng)傳動(dòng)效率。

由此可以得到，在制動(dòng)部件#2電機(jī)端的總轉(zhuǎn)矩為

因此，要使升降機(jī)滿載狀態(tài)下行工況時(shí)制動(dòng)部件#2的最小制動(dòng)力矩應(yīng)滿足：

1.2"數(shù)值計(jì)算

為驗(yàn)證上述理論，以某兩傳動(dòng)SC200/200型施工升降機(jī)為例進(jìn)行驗(yàn)證[8]，表1給出了該機(jī)型驅(qū)動(dòng)裝置的主要系統(tǒng)參數(shù)。

2""制動(dòng)系統(tǒng)力距

2.1"制動(dòng)力矩設(shè)計(jì)計(jì)算

圖3所示為目前施工升降機(jī)最常用的制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要由固定制動(dòng)盤、摩擦組件、動(dòng)盤、靜鐵芯、止退器、制動(dòng)彈簧、后蓋等部件組成。固定制動(dòng)盤通過(guò)螺栓與電機(jī)連接，摩擦組件通過(guò)花鍵與電機(jī)軸連接，鐵芯磁鐵通過(guò)安裝在4個(gè)角上的止退器與電機(jī)連接。

初始斷電狀態(tài)時(shí)，制動(dòng)彈簧一端與動(dòng)盤接觸，一端與調(diào)節(jié)螺母接觸，彈簧壓縮提供正向壓力，摩擦組件與固定制動(dòng)盤及動(dòng)盤表面貼合，產(chǎn)生摩擦力矩，阻止電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)；通電狀態(tài)時(shí)，靜鐵芯吸合動(dòng)盤，使摩擦組件與二者分體，此時(shí)電機(jī)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，升降機(jī)正常運(yùn)行。調(diào)節(jié)螺母的進(jìn)退可改變制動(dòng)彈簧的壓縮量，從而改變摩擦力矩。由于施工升降機(jī)的制動(dòng)器為動(dòng)態(tài)制動(dòng)方式，摩擦組件上閘皮的磨損量較大，止退器的作用尤為關(guān)鍵，它可以實(shí)現(xiàn)閘皮磨損后，摩擦組件與固定制動(dòng)盤及動(dòng)盤之間間隙的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

根據(jù)《吊籠有垂直導(dǎo)向的人貨兩用施工升降機(jī)》（GB/T"26557—2021）規(guī)定：制動(dòng)作用力應(yīng)由壓縮彈簧產(chǎn)生。壓縮彈簧應(yīng)被充分支撐，且其所受應(yīng)力不應(yīng)大于材料扭轉(zhuǎn)彈性極限的80%[6]，該制動(dòng)彈簧壓縮提供正向壓力，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

該制動(dòng)器采用的彈簧剛度k=148.4"N/mm，其壓縮量h=24"mm，選用的摩擦組件其摩擦系數(shù)為μ=0.26，閘皮的作用半徑R=99.5"mm，那么，可得制動(dòng)力矩為：

帶入數(shù)值可得，MT"="184.2"Nm；

可見，MT"≥165.27nbsp;Nm，滿足設(shè)計(jì)要求。

現(xiàn)有大多數(shù)兩升降機(jī)要求的單個(gè)制動(dòng)器力矩為180"Nm，與該計(jì)算數(shù)值基本吻合，也滿足MT"≥165.27"Nm的要求。

2.2"閘皮摩擦系數(shù)

由于閘皮在工作過(guò)程中需要承受高頻次的摩擦和沖擊，因此，其性能要求十分嚴(yán)格。優(yōu)秀的閘皮應(yīng)具備耐磨、耐高溫、制動(dòng)穩(wěn)定等特點(diǎn)，以確保施工升降機(jī)在各種工況下都能可靠制動(dòng)。閘皮的性能不僅與材料的選擇和制造工藝有關(guān)，還與升降機(jī)的使用環(huán)境和操作習(xí)慣密切相關(guān)。例如：在惡劣的施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，閘皮可能會(huì)受到粉塵、水霧等污染，導(dǎo)致其摩擦性能下降；而頻繁的急停和重載運(yùn)行也會(huì)加速閘皮的磨損。因此，對(duì)閘皮的維護(hù)和更換周期進(jìn)行科學(xué)管理，是確保升降機(jī)安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)[9]。

閘皮的性能在很大程度上取決于其材料的選擇和制造工藝。合適的材料應(yīng)具備良好的耐磨性、耐高溫性和良好的熱穩(wěn)定性。良好的耐磨性可確保在長(zhǎng)期使用過(guò)程中不會(huì)過(guò)度磨損。較高的耐高溫性能可防止在制動(dòng)過(guò)程中因高溫導(dǎo)致性能下降。穩(wěn)定的制動(dòng)性能夠使閘皮在不同工況下提供可靠的制動(dòng)力。

通過(guò)分析式（8）中的已知條件，彈簧剛度k，其壓縮量h，閘皮的作用半徑R均是固定不變的，若摩擦組件上的閘皮摩擦系數(shù)μ是定值，則制動(dòng)系統(tǒng)可保持恒定的制動(dòng)力矩，若升降機(jī)下行時(shí)速度為33"m/min，已知吊籠從該速度減小到0所需時(shí)間t"=1.5"s，很容易可得出升降機(jī)制停減速度為a"=0.36"m/s2，制動(dòng)距離為s=0.4"m。

常見的閘皮材料包括灰鑄鐵、球墨鑄鐵、合金鋼、陶瓷和復(fù)合材料等，其摩擦系數(shù)會(huì)隨溫度、速度、面壓等因素而產(chǎn)生不同程度的變化[10]。為此，選擇了一款進(jìn)口摩擦材料，它是以橡膠為基體的混合材料，圖4所示為這款摩擦材料隨溫度、速度、面壓的理論變化曲線[11]。通過(guò)觀察其不同情況下特性曲線，可見這款材料的摩擦系數(shù)值是比較穩(wěn)定的。

2.3"試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證閘皮實(shí)際性能，搭建了一套試驗(yàn)平臺(tái)（如圖5所示）。將制動(dòng)系統(tǒng)及電機(jī)安裝在試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，模擬負(fù)載可根據(jù)需求輸出負(fù)載轉(zhuǎn)矩，聯(lián)軸器處的傳感裝置可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)扭矩及速度值。

對(duì)選用的進(jìn)口材料閘皮和國(guó)產(chǎn)普通材料閘皮進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，得出如圖6所示的扭矩M隨時(shí)間t的變化曲線。調(diào)節(jié)2個(gè)制動(dòng)器的制動(dòng)彈簧，使其理論靜態(tài)初始制動(dòng)力矩均為180"Nm，用模擬載荷進(jìn)行加載，對(duì)比（a）、（b）曲線圖可以看出：選用的進(jìn)口閘皮能夠較快達(dá)到預(yù)定制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并且力矩值的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于國(guó)產(chǎn)閘皮，綜合能性能較好。

3"結(jié)語(yǔ)

施工升降機(jī)是現(xiàn)代建筑施工中廣泛應(yīng)用的垂直運(yùn)輸工具，兩傳動(dòng)齒輪齒條式施工升降機(jī)優(yōu)勢(shì)更為突出，但是其制動(dòng)性能要求更高。本文對(duì)施工升降機(jī)制動(dòng)性進(jìn)行分析研究，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置模型分析及數(shù)值計(jì)算，得出單個(gè)制動(dòng)部件的最小制動(dòng)力矩。進(jìn)而進(jìn)行制動(dòng)力矩設(shè)計(jì)計(jì)算，選取了一款合適的閘皮并進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，論證了所選閘皮滿足制動(dòng)性能要求，能夠?qū)崿F(xiàn)施工升降機(jī)的可靠穩(wěn)定制動(dòng)。

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