施工升降機制動性能分析與研究

摘""要：施工升降機是現代建筑施工中廣泛應用的垂直運輸工具，兩傳動齒輪齒條式施工升降機優勢更為突出，但是其制動性能要求更高。從施工升降機制動性能出發進行分析研究，通過驅動裝置模型分析、數值計算，得出單個制動部件的最小制動力矩，進而通過計算制動力矩，設計了樣機，并選取合適的閘皮，進行樣機試驗驗證。經過論證，所選閘皮滿足制動性能要求，能夠實現施工升降機的可靠穩定制動。

關鍵詞：施工升降機"驅動裝置"制動性能"閘皮"摩擦系數

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

施工升降機是現代建筑施工中必不可少的垂直運輸工具，承擔著垂直運輸人員及貨物的雙重任務。經過不斷的發展與完善，施工升降機的結構形式、功能用途等方面都有了很大的改進，但不可否認的是，施工升降機在安全性方面尚不完善，導致安全事故時有發生。這其中很大一部分事故是安裝使用過程中的疏忽所致，但不可否認的是，部分缺陷存在于設備在設計制造過程中[1-3]。本文通過對兩傳動齒輪齒條式施工升降機的制動性能進行理論計算分析，得出了一個制動器失效時另一制動部件的最小允許值，然后進行樣機設計，并通過試驗驗證其可行性。

1""施工升降機系統的力距分析

1.1模型分析

目前較多的施工升降機采用3個傳動裝置的驅動總成，隨著技術的發展，兩驅動的施工升降驅動總成憑借其得天獨厚的優勢被逐漸使用[4]。相較于三傳動的驅動方式，兩傳動主要優勢有：結構緊湊，降低整個驅動系統重量；生產制造成本，后期維護成本都相對較低；不論是驅動抑或制動過程，其同步性能更優，使整機運行更加平穩，乘坐更加舒適。但是，由于僅有兩個制動裝置，那么就對單個制動裝置的性能提出了更高的要求[5]。

典型的兩傳動齒輪齒條式施工升降機，其傳動系統布置如圖1所示，帶有制動器的驅動電機為動力輸出端，通過減速機主軸輸出轉矩，減速機安裝在驅動板上，驅動板與吊籠連接，小齒輪安裝在主軸上，通過與安裝在標準節上的齒條嚙合，從而實現吊籠的垂直運動。根據《吊籠有垂直導向的人貨兩用施工升降機》（GB/T"26557—2021）中第5.7.4.6條規定：制動器中產生制動作用力的任何彈簧，其制造和安裝應滿足：如果某一彈簧失效（制動部件#I）載荷仍為額定載荷時，制動器（如制動部件#II）仍可有效地使吊籠減速[6]。

驅動部件的內部結構如圖2所示。為了計算準確，將各部分的力矩轉換到電機輸出端，主要有：聯軸器轉動慣量產生的力矩（Nm）、電機轉子轉動慣量產生的力矩（Nm）、減速機傳動部件轉動慣量產生的力矩（Nm）、升降機自重（包括吊籠重量及負載）"轉動慣量產生的力矩（Nm）。

設電機轉速為，制停時間為，升降機自重（包括吊籠重量及負載）為m，小齒輪節圓直徑為D，那么，可得出這四部分轉換到電機端的力矩分別為[7]：式（1）、式（2）、式（3）、式（4）中：表示聯軸器轉換到電機端的轉動慣量；表示電機轉子的轉動慣量；表示減速機傳動機構換到電機端的轉動慣量；表示減速機傳動效率。

對于制動系統而言，升降機滿載狀態下行工況是最惡劣的，因此，在設計計算時，需保證該工況下吊籠能有效減速。圖1中，若制動部件#1的彈簧失效時，制動部件#2制動的同時，不僅要克服自身驅動部件及升降機自重（包括吊籠重量及負載），還需同是克服制動部件#1產生的力矩、、，將這部分力矩折算至#1的電機端，可得：

式（5）中：表示升降機系統傳動效率。

由此可以得到，在制動部件#2電機端的總轉矩為

因此，要使升降機滿載狀態下行工況時制動部件#2的最小制動力矩應滿足：

1.2"數值計算

為驗證上述理論，以某兩傳動SC200/200型施工升降機為例進行驗證[8]，表1給出了該機型驅動裝置的主要系統參數。

2""制動系統力距

2.1"制動力矩設計計算

圖3所示為目前施工升降機最常用的制動系統結構，主要由固定制動盤、摩擦組件、動盤、靜鐵芯、止退器、制動彈簧、后蓋等部件組成。固定制動盤通過螺栓與電機連接，摩擦組件通過花鍵與電機軸連接，鐵芯磁鐵通過安裝在4個角上的止退器與電機連接。

初始斷電狀態時，制動彈簧一端與動盤接觸，一端與調節螺母接觸，彈簧壓縮提供正向壓力，摩擦組件與固定制動盤及動盤表面貼合，產生摩擦力矩，阻止電機軸的轉動實現制動；通電狀態時，靜鐵芯吸合動盤，使摩擦組件與二者分體，此時電機可以自由轉動，升降機正常運行。調節螺母的進退可改變制動彈簧的壓縮量，從而改變摩擦力矩。由于施工升降機的制動器為動態制動方式，摩擦組件上閘皮的磨損量較大，止退器的作用尤為關鍵，它可以實現閘皮磨損后，摩擦組件與固定制動盤及動盤之間間隙的自動調節。

根據《吊籠有垂直導向的人貨兩用施工升降機》（GB/T"26557—2021）規定：制動作用力應由壓縮彈簧產生。壓縮彈簧應被充分支撐，且其所受應力不應大于材料扭轉彈性極限的80%[6]，該制動彈簧壓縮提供正向壓力，滿足標準要求。

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

帶入數值可得，MT"="184.2"Nm；

可見，MT"≥165.27nbsp;Nm，滿足設計要求。

現有大多數兩升降機要求的單個制動器力矩為180"Nm，與該計算數值基本吻合，也滿足MT"≥165.27"Nm的要求。

2.2"閘皮摩擦系數

由于閘皮在工作過程中需要承受高頻次的摩擦和沖擊，因此，其性能要求十分嚴格。優秀的閘皮應具備耐磨、耐高溫、制動穩定等特點，以確保施工升降機在各種工況下都能可靠制動。閘皮的性能不僅與材料的選擇和制造工藝有關，還與升降機的使用環境和操作習慣密切相關。例如：在惡劣的施工現場環境中，閘皮可能會受到粉塵、水霧等污染，導致其摩擦性能下降；而頻繁的急停和重載運行也會加速閘皮的磨損。因此，對閘皮的維護和更換周期進行科學管理，是確保升降機安全運行的重要環節[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。合適的材料應具備良好的耐磨性、耐高溫性和良好的熱穩定性。良好的耐磨性可確保在長期使用過程中不會過度磨損。較高的耐高溫性能可防止在制動過程中因高溫導致性能下降。穩定的制動性能夠使閘皮在不同工況下提供可靠的制動力。

通過分析式（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μ是定值，則制動系統可保持恒定的制動力矩，若升降機下行時速度為33"m/min，已知吊籠從該速度減小到0所需時間t"=1.5"s，很容易可得出升降機制停減速度為a"=0.36"m/s2，制動距離為s=0.4"m。

常見的閘皮材料包括灰鑄鐵、球墨鑄鐵、合金鋼、陶瓷和復合材料等，其摩擦系數會隨溫度、速度、面壓等因素而產生不同程度的變化[10]。為此，選擇了一款進口摩擦材料，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]。通過觀察其不同情況下特性曲線，可見這款材料的摩擦系數值是比較穩定的。

2.3"試驗驗證

為驗證閘皮實際性能，搭建了一套試驗平臺（如圖5所示）。將制動系統及電機安裝在試驗平臺上進行測試，模擬負載可根據需求輸出負載轉矩，聯軸器處的傳感裝置可實時監測扭矩及速度值。

對選用的進口材料閘皮和國產普通材料閘皮進行對比試驗，得出如圖6所示的扭矩M隨時間t的變化曲線。調節2個制動器的制動彈簧，使其理論靜態初始制動力矩均為180"Nm，用模擬載荷進行加載，對比（a）、（b）曲線圖可以看出：選用的進口閘皮能夠較快達到預定制動轉矩，并且力矩值的穩定性明顯優于國產閘皮，綜合能性能較好。

3"結語

施工升降機是現代建筑施工中廣泛應用的垂直運輸工具，兩傳動齒輪齒條式施工升降機優勢更為突出，但是其制動性能要求更高。本文對施工升降機制動性進行分析研究，通過對驅動裝置模型分析及數值計算，得出單個制動部件的最小制動力矩。進而進行制動力矩設計計算，選取了一款合適的閘皮并進行了樣機試驗驗證，論證了所選閘皮滿足制動性能要求，能夠實現施工升降機的可靠穩定制動。

參考文獻

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