基于TRIZ的塔式起重機(jī)制動(dòng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

塔式起重機(jī)具有起重性能優(yōu)越、工作幅度大、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn),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(yè)4.0的提出,塔式起重機(jī)的使用日益增多,其安全問(wèn)題時(shí)有發(fā)生,特別是塔式起重機(jī),其工況惡劣,在工作過(guò)程中一直處于高空作業(yè),極易發(fā)生安全事故。制動(dòng)器故障是其最頻發(fā)的一種,制動(dòng)器是影響塔式起重機(jī)安全性的一個(gè)重要機(jī)構(gòu),平穩(wěn)制動(dòng)對(duì)保障塔式起重機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)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(jī)的安全性能。因此,設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的配重調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)尤為重要。

鉗盤(pán)式制動(dòng)器由于其平穩(wěn)的制動(dòng)性能,同塊式制動(dòng)器相比具有廣泛的用途。本文針對(duì)SBD240制動(dòng)器制動(dòng)沖擊大、制動(dòng)過(guò)程中兩夾鉗平行度不足等問(wèn)題進(jìn)行分析,運(yùn)用TRIZ理論進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試分析。

1 TRIZ理論介紹

TRIZ理論(發(fā)明問(wèn)題解決理論）起源于20世紀(jì)60年代前蘇聯(lián)海軍部發(fā)明專家阿奇舒勒(G.s.Altshuller）。它的核心理論認(rèn)為:發(fā)明問(wèn)題的核心是解決沖突,把實(shí)際的矛盾沖突轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù),再利用TRIZ解決問(wèn)題的方法就能找到發(fā)明原理中的標(biāo)準(zhǔn)解,然后將其轉(zhuǎn)化成特定解(實(shí)際解）,從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的改進(jìn)或創(chuàng)新。TRIZ理論解決問(wèn)題流程如圖1所示。

2方案設(shè)計(jì)

2.1運(yùn)用TRIZ理論分析問(wèn)題

TRIZ理論認(rèn)為:產(chǎn)品作為一個(gè)有機(jī)的系統(tǒng),各個(gè)部件及性能之間是相互聯(lián)系的,當(dāng)產(chǎn)品某一性能發(fā)生變化時(shí),一定會(huì)帶來(lái)產(chǎn)品其他性能的變化,如果二者的變化趨勢(shì)相同,則這兩種性能是正相關(guān)的:但是這兩種性能變化在產(chǎn)品優(yōu)化時(shí)通常呈不同趨勢(shì),因此就產(chǎn)生了矛盾,解決該矛

盾就意味著達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。TRIZ理論將機(jī)械設(shè)計(jì)中涉及的矛盾歸納總結(jié)為三大類,分別為物理沖突、技術(shù)沖突、管理沖突。本文結(jié)合物理沖突對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

塔式起重機(jī)的制動(dòng)器是獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的制動(dòng)裝置,其可在塔式起重機(jī)高速軸制動(dòng)器出現(xiàn)故障或高低速軸之間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)失效時(shí),實(shí)現(xiàn)安全可靠制動(dòng),避免無(wú)制動(dòng)工況下快速下落,造成意外與損失。

制動(dòng)器的工作過(guò)程分為兩種情況:

(1）在塔式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)開(kāi)始起吊時(shí),制動(dòng)器松開(kāi)閘:在高速軸制動(dòng)器能夠控制穩(wěn)定制動(dòng)時(shí),制動(dòng)器維持松閘狀態(tài)。

(2）在塔式起重機(jī)因故障斷電關(guān)閉時(shí),安全制動(dòng)器上

閘。此時(shí)高速軸制動(dòng)器制動(dòng)失效,重物加速下落并超過(guò)規(guī)定速度設(shè)定的倍數(shù)(通常為1.5倍）時(shí),可根據(jù)安全性能的要求進(jìn)行調(diào)節(jié),制動(dòng)器接收到限制速度的信號(hào)后自動(dòng)上閘。

鉗盤(pán)式制動(dòng)器由于其具有制動(dòng)性能平穩(wěn)、散熱性能良好、制動(dòng)響應(yīng)快、集成化程度高等一系列優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用十分廣泛,其也是塔式起重機(jī)最為常用的一種制動(dòng)器,但是其制動(dòng)過(guò)程中夾緊力沖擊大。

鉗盤(pán)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)制動(dòng)裝置的工作過(guò)程和原理分析,在工作過(guò)程中為了保證安全制動(dòng),需要保證夾鉗隨位裝置使制動(dòng)器兩側(cè)夾鉗工作過(guò)程中始終與卷筒轉(zhuǎn)盤(pán)平行,同時(shí)又需要抑制拉桿的彈性形變帶來(lái)的制動(dòng)沖擊,因此,為了減少輪緣接觸面與夾鉗制動(dòng)時(shí)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(yùn)用TRIZ原理提供解決方案

通過(guò)上述矛盾分析可知,該工程問(wèn)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(jīng)過(guò)分析和篩選可知,應(yīng)用1-分割原理、5-組合(合并）原理、7-嵌套原理得到相應(yīng)的解決方案:

1-分割原理是指以虛擬或?qū)嵨锓绞綄⒁粋€(gè)系統(tǒng)分成若干部分,以便抽取或合并一種有益或有害的系統(tǒng)屬性,由創(chuàng)新原理1-分割原理將原機(jī)的隨位裝置分解,識(shí)別到拉桿、連接塊為有用部分。

7-嵌套原理是指將一個(gè)物體臨時(shí)或永久地嵌入另一個(gè)物體的方法,目的是節(jié)省空間,在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(kāi)個(gè)圓形孔,通過(guò)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(jī)構(gòu),通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘?shù)乃删o程度,實(shí)現(xiàn)隨位拉桿的轉(zhuǎn)動(dòng)(自身平面內(nèi)）及移動(dòng)(沿長(zhǎng)方形滑道）,從而實(shí)現(xiàn)了拉桿的調(diào)節(jié)定位。

圖3  改進(jìn)后的方案圖

5-組合(合并）是指在空間上將相同的物體或相關(guān)操作加以組合,或者在時(shí)間上將相同或相關(guān)的操作進(jìn)行合并。本方案通過(guò)空間上的組合將隨位拉桿的一個(gè)端部同具有圓柱形滑軌的連接塊進(jìn)行合并,使得原來(lái)的圓柱形滑道變?yōu)殚L(zhǎng)方形滑道,使其在結(jié)構(gòu)與功能上都能以一個(gè)平面機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)原來(lái)兩個(gè)結(jié)構(gòu)件的功能:同時(shí),在制動(dòng)臂中間銷軸上端面開(kāi)階梯孔,通過(guò)螺釘及擋板的限位作用將嵌套后的銷軸、制動(dòng)臂、隨位拉桿三者連接,從而實(shí)現(xiàn)共同動(dòng)作。

上述設(shè)計(jì)改進(jìn)實(shí)施后的方案圖如圖3所示。

2.3性能驗(yàn)證

對(duì)改進(jìn)后的制動(dòng)機(jī)構(gòu)采用ADAMs動(dòng)力學(xué)仿真模型進(jìn)行計(jì)算(其初始為松閘狀態(tài),輪緣與摩擦片間距為15mm,制動(dòng)液壓泵、液壓缸、剎車片等其他條件都一致）。仿真得到改進(jìn)方案的夾緊力沖擊最大值為320kN,相對(duì)原方案下降40%:制動(dòng)器的制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間由原方案的0.08s縮短至0.045s。

通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真得出,改進(jìn)前后左右?jiàn)A鉗的位移如圖4、圖5所示。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,右?jiàn)A鉗優(yōu)化前1min的最大位移為2.7cm,優(yōu)化后為0.75cm:左夾鉗優(yōu)化前1min的最大位移為1.02cm,優(yōu)化后為0.54cm。左右?jiàn)A鉗優(yōu)化后的位移均要比優(yōu)化前有所下降,右?jiàn)A鉗降低72.2%,左夾鉗降低47.1%。

由此可以看出,制動(dòng)器上閘過(guò)程中左右?jiàn)A鉗同步水平較好,夾鉗運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可以保持與輪緣平行,優(yōu)化后的夾鉗結(jié)構(gòu)能夠滿足夾鉗隨位功能要求。

3結(jié)論

(1）基于工程中關(guān)于制動(dòng)裝置出現(xiàn)的問(wèn)題,應(yīng)用TRIZ發(fā)明創(chuàng)新理論,可以減少左右?jiàn)A鉗的位移,從而保證制動(dòng)的安全性能。

（2）基于TRIZ發(fā)明創(chuàng)新理論可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的流程方法找到解決問(wèn)題的最優(yōu)解,該方法不但可以減少傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法低效、耗時(shí)、耗資的問(wèn)題,而且可以全面評(píng)估改進(jìn)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(jìn)設(shè)計(jì)切實(shí)可行。

（3）TRIZ的問(wèn)題解決模型需要基于工程經(jīng)驗(yàn)才能快速定位矛盾主題,因此在利用TRIZ解決問(wèn)題時(shí)需要工程經(jīng)驗(yàn)和TRIZ理論相結(jié)合,二者缺一不可。