淺談擦窗機后備制動器的創新設計

蘭陽春，戴奇明

（上海普英特高層設備有限公司，上海 201402）

淺談擦窗機后備制動器的創新設計

蘭陽春，戴奇明

（上海普英特高層設備有限公司，上海 201402）

通過分析擦窗機后備制動器的設計原理，比較目前實際工程中擦窗機各種后備制動器的優缺點，提出了一種全新的后備制動設計原理，為擦窗機后備制動器的設計提供一種全新的設計思路，也為起重行業制動器的制動原理提供一種新方法。

擦窗機；后備制動器；單向常閉式；機械制動；摩擦傳動

制動器常見于起重機的起升機構中，其主要功能是將提升或下降的貨物能平穩的停止在需要的高度。而擦窗機后備制動器同樣是在起升機構中，其作用與起重機的功能是完全相同的，其最主要的不同的地方是，擦窗機后備制動器作為第二道保護裝置，其觸發及制動要求更加苛刻，擦窗機后備制動器的觸發及制動必須是純機械式的，不允許采用液壓及電磁等其它方式，因此其在設計時結構更加復雜，成本更高。雖然觸發及制動要求不同，但其原理都是相同的，是通過外力將卷筒制動，從而將起升機構提升的重物平穩地停止。另一個不同的地方是，擦窗機后備制動器必須直接作用在卷筒的輸出軸上，而起重機上并沒有這個要求，所以起重機制動器往往都是安裝在高速軸上，制動力矩相對較小，而擦窗機起升機構的制動器都是在低速軸上，制動力矩較大。

1 傳統形式

普通制動器根據結構形式可分為抱閘式制動器（圖1）、內張式制動器（圖2）、盤式制動器（圖3）、電磁制動器（圖4）等。抱闡式制動器與內張式制動器其優點是結構簡單、可采用多種動力輔助、成本較低，但其亦存在結構外形尺寸較大、進入雨水后容易打滑等缺陷。盤式制動器結構獨立、便于維護、系統穩定，但其成本較高，適用范圍有限。電磁式制動器具有結構緊湊、操作簡單、響應靈敏、壽命長久、使用可靠特點，已廣泛運用于各行各業中。

圖1 抱閘式制動器

圖2 內張式制動器

圖3 盤式制動器

上述各類的制動器，其作用都是將旋轉元件完全鎖緊固定，避免發生轉動。但是在起升機構中，當制動器松開瞬間時，可能發生溜鉤現象，這在工程實踐中是非常危險的。而在擦窗機后備制動器中，也會出現制動不及時，或觸發不可靠等情況，使后備制動器失去效果。擦窗機的后備制動器主要功能是：當帶制動器的減速電機發生故障時，平臺產生超速下降，后備制動器自動觸發，將卷筒鎖死，從而達到使平臺停在某一高度，不發生自由落體。

圖4 電磁式制動器

圖5 擦窗機后備盤式制動器

圖5為典型的擦窗機后備制動器簡圖，其制動原理與起重機的制動器相同，通過剎車鼓制動卷筒。當擦窗機正常工作時，其制動器通過人力將張力彈簧拉開，通過一個凸輪機構，使彈簧處于一個平衡狀態，此時，剎車鼓完全打開，卷筒可以自由轉動。梅花輪與卷筒同步旋轉，由于其轉速較慢，不能觸發重錘動作，但卷筒發生超速下降時，卷筒轉速加快，導致梅花旋轉加速，由于加速度過大，觸發重錘動作，從而使張力彈簧端部的凸輪轉動，達到鎖緊卷筒的目的。雖然此種制動器完全是機械式的，但其制動瞬間的沖擊系數仍然較大，給操作人員帶來很大的不舒適性。

2 創新設計

眾所周知，起升機構與一般的回轉機構不同，起升機構中附力力矩都是單方向的，即重物本身不可能發生向上運動，也就是說我們需要制動卷筒的其實就是防止重物下墜，即只需要單向制動。假如，我們有一個制動器，其永遠是將重物鎖死在空中某一高度位置，當重物要下降時，通過電機驅動，克服摩擦力，使重物下降。當需要提升重物時，理論上我們需要克服重物本身以及摩擦力，因此，需要的電機功率將遠遠大于正常下降的功率，因而，我們通過一組單向轉動機構，當電機提升重物時，不需要克服摩擦力，僅僅只需克服重力。即起升機構上升與下降，電機的輸出功率相同，這樣可以避免其它機構失效時造成重物超速下降。雖然這種原理很簡單，但實現此種功能非常復雜，一是如何保證摩擦傳動時的磨損問題，二是如何實現單向無力阻力傳動的問題。

通過上面的闡述，我們可以將此機構取一個簡易的名稱，即“單向常閉式制動器”，從字面上可以理解為，該制動器是常閉式的，但是僅僅是單方向上的，而另一方向旋轉則無制動功能。我們都知道單向軸承可以實現單向的傳動，但是單向軸承的可靠性一般，用在起升設備上其安全性較差，因此不建議作為實現單向傳動的部件。另一種常見實現單向功能的就是通過棘輪棘爪機構，而棘輪棘爪機構是完全限制單向轉動，并且一旦發生制動后，其內張力較大，如果需要實現逆向傳動非常困難。

針對摩擦傳動時的磨損問題，我們可以考慮采用蝸輪蝸桿，代替普通通過機械摩擦時的磨損問題，即通過控制蝸桿的阻力矩。而單向傳動方面，由于擦窗機或一般起重設計的起升速度都非常慢，其卷筒的轉速均為低速，因此，采用滾柱單向逆止是完全可以實現的，因傳動過程中，滾柱由于受到重力影響，始終會位于下方，與棘輪保證接觸狀態，也就說明不會因為滾柱脫離，產生下降過程中無法逆止的現象。通過上述兩組機構的有效結合，以實現“單向常閉式制動器”的功能，圖6為其結構簡圖。

圖6 單向常閉式制動器

根據圖6示意，當內棘輪逆時針轉動時，由于滾柱脫離，使得內棘輪能自由轉動，此時，輸入電機僅需要克服懸掛重物的力矩，完全不受制動外圈的影響，力矩限制器及蝸桿等系統不參與工作。當內棘輪繞箭頭方向旋轉時，內棘輪帶動制動外圈一起轉動，而通過力矩限制器來調節阻力矩，使得整個制動外圈的阻力矩大于懸掛重物產生的力矩，因此，輸入電機無動力輸入起升機構卷筒時，卷筒由于力矩限制器的作用，能始終保持平衡狀態，當需要下降重物時，只需要克服力矩限制器的阻力矩減去懸掛重物產生的力矩，因此在設計阻力矩的時候，可以使阻力的大小為額定載荷下的下滑力矩的2倍。這樣可以保證無論是懸掛重物上升或下降時，電機的輸入功率都基本相同。為了減小由于內棘輪可能鎖死情況，可以將與內棘輪的逆轉的鋼球改成滾柱，以增大接觸面積。同時，在設計滾柱的數量上，一定要保證有3～4個滾柱能在重力的影響下，產生逆轉的功能，否則可能由于滾柱過少無法產生逆轉的功能。

3 小 結

通過此種新型的制動設計，可以避免由于制動延時產生的溜勾現象，以及可能由于超速后無法制動以、沖擊系數大等一系列問題，避免了較大的沖擊系數，使擦窗機的整個結構更安全、輕便。本文為制動器的設計開辟了一種新的理念，以供起重設備及擦窗機同行們參考。

[1] 張質文．起重機設計手冊[M]．北京：中國鐵道出版社，1998．

[2] 成大先．機械設計手冊（第五版）[M]．北京：化學工業出版社，2008.

[3] 孟憲源．現代機構手冊[M]．北京：機械工業出版社，1995．

（編輯 賈澤輝）

Discussion on gondola reserve brake innovative design

LAN Yang-chun, DAI Qi-ming

TU976+.42

B

1001-1366(2015)11-0045-03

2015-09-02