小型起重机无动力缓降机构的创新设计

刘昆+张明勤+金刚+韩立芳

0 引言

随着近些年我国建筑行业的快速发展，预制件的使用量日益增加，2015年长沙某大厦仅用12天就建设完成，其中预制件所占比例为92%。使用预制件搭建建筑将是未来的发展趋势，但是，目前尚没有针对预制件装卸的专用起重设备，因此，针对建筑工地预制件装卸研发了一种小型起重机。

1 问题的提出

起重机卷扬机构的主要作用是完成重物的起升和缓降，目前，起重机卷扬设备大多采用电动或液压作为卷扬机构的动力源。但由于实际施工现场初期缺少必要的配套设施，另外由于预制件多由工厂加工完成后直接运至施工现场，因此，如何利用机械结构实现预制件在卸车时的缓降是本次卷扬机构设计的重点。

2 缓降机构方案设计

2.1运用TRIZ理论分析问题

TRIZ理论把实际问题转化为39个通用工程参数，利用冲突矩阵找到发明原理中解决问题的标准解，然后结合本人相关知识得到特定的解，从而得到具有创新性的设计方案或改进方案。

通过分析要实现预制件缓降，即实现对其可操作性的提高，但是在提高可操作性的同时会产生一些负面因素，如表1所示。通过分析需要参考发明原理主要内容见表2。

表1 TRIZ技术矛盾冲突矩阵

表2 对应发明原理

2.2缓降机构方案设计

对于小型起重机来说，要实现预制件的缓降控制，就是要通过机械结构克服一定量预制件重力，从而减少势能向动能的转化量。根据表2所列发明原理的提示，结合现实使用情况，直接利用摩擦力是最直接、最显而易见的办法。但是这种方法的可靠性较差，对摩擦材料的要求较高，因此并不适用于起重设备。

2.2.1涡轮蜗杆机构

在此基础之上，通过“1分割原理”的启发，可以将原有预制件的重量通过力的分解，将其分解为不同方向的力，使相互接触物质间的正压力减小，从而减小对材料的损耗，增加结构的可靠性。

这样就将问题转化为如何通过两个面的接触实现对预制件卸载时限速的问题，该机构的选择或者设计需考虑两个主要问题：（1）由于空间的限制，接触过程需要具有一种循环特性；（2）选择合适的压力角方向。

图1 涡轮蜗杆减速机构

针对这样的问题，使用涡轮蜗杆机构即可实现，如图1所示，当蜗杆螺旋升角小于啮合面的摩擦角时，该机构具有自锁的特性。利用该特性，当螺杆螺旋升角略大于啮合面摩擦角时，在力的作用下，涡轮在克服摩擦力的同时会产生缓慢的转动。将吊索卷筒与涡轮链接即可实现预制件的缓降。

但由于预制件往往重量较大，涡轮蜗杆的角度设计是一个接近引起自锁特性的临界角度，因此，对于加工精度和装配精度的要求较高，虽然结构与方案合理但不适用于工作条件相对恶劣的建筑工地。

2.2.2多级变速机构

结合表2中的发明原理“12 等势原理”，通过摩擦力对重物的下落进行限速，其能量的转化形式为：

Gh=fSS+mv2 （1）

通过式（1）可知，在一定重物下降高度一定的情况下，要限制速度v就需要增大摩擦力fS或者摩擦力作用的距离S。上文已说，增大摩擦力对材料摩擦性能和结构强度要求较高，因此，可以考虑增加摩擦力的作用距离S。

在有限的空间内对直线运动行程进行放大，最有效的方式是将直线运动转化为圆周运动，通过对转速的快慢与转动半径的大小的控制，将原有的运动行程进行放大。

可实现上述功能的机械传动主要有带传动、链轮传动以及齿轮传动。带传动由于传动比不明确，易打滑等缺点，因此不适用于起重机重载传动。链传动的主要特点是结构可靠，适用于低速重载，工作环境相对恶劣的地方。齿轮传动的主要特点是结构紧凑，传动比稳定，工作可靠，但制造成本较高。

结合链传动与齿轮传动各自的特点，在初始转速较低，冲击载荷较大的传动链起始端使用链传动，经链传动后将圆周运动传递给齿轮，通过二级行星齿轮变速，使最终转速达到设计的预期值。将圆周运动输出端与摩擦块通过圆周径向伸缩杆和弹簧连接，当转速未达到限定值时，摩擦块与减速罩不接触，预制件正常下落；当转速达到限定值时，由于离心力的作用，伸缩杆伸长，摩擦块会与外侧减速罩接触，从而限制了转速即限制了预制件的下降速度。其变速机构简图如图2所示。

图2 变速机构简图

3 多级变速离心刹车机构设计

首先，将直线运动速度转化为圆周运动转速。

其次，通过齿轮间的传动关系及齿数，计算二级行星轮变速机构的传动比，分别计算两行星轮机构的传动比。

再将链轮传动计算进去，即为整个变速机构的传动比：

因此，输出转速与重物下落的速度v的关系为：

（2）

最后在摩擦块质量m与伸缩杆最短长度R一定的情况下，利用离心力的计算式，求得使弹簧伸长的离心力大小，从而选择合适弹簧。

根据上述设计过程，对自制小型起重机无动力缓降机构进行了设计及制造，如图3、图4所示。

图3 传动部分制造样机

图4 刹车部分制造样机

4 结 论

应用TRIZ理论提出了小型起重机缓降机构的创新设计方案，并与TRIZ理论中提出的自我实现的设计理念相吻合。该设计方案较好的解决了重物缓降的设计要求，不需设置其他辅助动力驱动即可实现功能，并且结构简单、紧凑，可对不同重量的物体下落过程进行定速控制，可通过简单改造应用于其他需要实现缓降动作的设备。 责编/万海滨