浅谈擦窗机后备制动器的创新设计

兰阳春，戴奇明

（上海普英特高层设备有限公司，上海 201402）

浅谈擦窗机后备制动器的创新设计

兰阳春，戴奇明

（上海普英特高层设备有限公司，上海 201402）

通过分析擦窗机后备制动器的设计原理，比较目前实际工程中擦窗机各种后备制动器的优缺点，提出了一种全新的后备制动设计原理，为擦窗机后备制动器的设计提供一种全新的设计思路，也为起重行业制动器的制动原理提供一种新方法。

擦窗机；后备制动器；单向常闭式；机械制动；摩擦传动

制动器常见于起重机的起升机构中，其主要功能是将提升或下降的货物能平稳的停止在需要的高度。而擦窗机后备制动器同样是在起升机构中，其作用与起重机的功能是完全相同的，其最主要的不同的地方是，擦窗机后备制动器作为第二道保护装置，其触发及制动要求更加苛刻，擦窗机后备制动器的触发及制动必须是纯机械式的，不允许采用液压及电磁等其它方式，因此其在设计时结构更加复杂，成本更高。虽然触发及制动要求不同，但其原理都是相同的，是通过外力将卷筒制动，从而将起升机构提升的重物平稳地停止。另一个不同的地方是，擦窗机后备制动器必须直接作用在卷筒的输出轴上，而起重机上并没有这个要求，所以起重机制动器往往都是安装在高速轴上，制动力矩相对较小，而擦窗机起升机构的制动器都是在低速轴上，制动力矩较大。

1 传统形式

普通制动器根据结构形式可分为抱闸式制动器（图1）、内张式制动器（图2）、盘式制动器（图3）、电磁制动器（图4）等。抱阐式制动器与内张式制动器其优点是结构简单、可采用多种动力辅助、成本较低，但其亦存在结构外形尺寸较大、进入雨水后容易打滑等缺陷。盘式制动器结构独立、便于维护、系统稳定，但其成本较高，适用范围有限。电磁式制动器具有结构紧凑、操作简单、响应灵敏、寿命长久、使用可靠特点，已广泛运用于各行各业中。

图1 抱闸式制动器

图2 内张式制动器

图3 盘式制动器

上述各类的制动器，其作用都是将旋转元件完全锁紧固定，避免发生转动。但是在起升机构中，当制动器松开瞬间时，可能发生溜钩现象，这在工程实践中是非常危险的。而在擦窗机后备制动器中，也会出现制动不及时，或触发不可靠等情况，使后备制动器失去效果。擦窗机的后备制动器主要功能是：当带制动器的减速电机发生故障时，平台产生超速下降，后备制动器自动触发，将卷筒锁死，从而达到使平台停在某一高度，不发生自由落体。

图4 电磁式制动器

图5 擦窗机后备盘式制动器

图5为典型的擦窗机后备制动器简图，其制动原理与起重机的制动器相同，通过刹车鼓制动卷筒。当擦窗机正常工作时，其制动器通过人力将张力弹簧拉开，通过一个凸轮机构，使弹簧处于一个平衡状态，此时，刹车鼓完全打开，卷筒可以自由转动。梅花轮与卷筒同步旋转，由于其转速较慢，不能触发重锤动作，但卷筒发生超速下降时，卷筒转速加快，导致梅花旋转加速，由于加速度过大，触发重锤动作，从而使张力弹簧端部的凸轮转动，达到锁紧卷筒的目的。虽然此种制动器完全是机械式的，但其制动瞬间的冲击系数仍然较大，给操作人员带来很大的不舒适性。

2 创新设计

众所周知，起升机构与一般的回转机构不同，起升机构中附力力矩都是单方向的，即重物本身不可能发生向上运动，也就是说我们需要制动卷筒的其实就是防止重物下坠，即只需要单向制动。假如，我们有一个制动器，其永远是将重物锁死在空中某一高度位置，当重物要下降时，通过电机驱动，克服摩擦力，使重物下降。当需要提升重物时，理论上我们需要克服重物本身以及摩擦力，因此，需要的电机功率将远远大于正常下降的功率，因而，我们通过一组单向转动机构，当电机提升重物时，不需要克服摩擦力，仅仅只需克服重力。即起升机构上升与下降，电机的输出功率相同，这样可以避免其它机构失效时造成重物超速下降。虽然这种原理很简单，但实现此种功能非常复杂，一是如何保证摩擦传动时的磨损问题，二是如何实现单向无力阻力传动的问题。

通过上面的阐述，我们可以将此机构取一个简易的名称，即“单向常闭式制动器”，从字面上可以理解为，该制动器是常闭式的，但是仅仅是单方向上的，而另一方向旋转则无制动功能。我们都知道单向轴承可以实现单向的传动，但是单向轴承的可靠性一般，用在起升设备上其安全性较差，因此不建议作为实现单向传动的部件。另一种常见实现单向功能的就是通过棘轮棘爪机构，而棘轮棘爪机构是完全限制单向转动，并且一旦发生制动后，其内张力较大，如果需要实现逆向传动非常困难。

针对摩擦传动时的磨损问题，我们可以考虑采用蜗轮蜗杆，代替普通通过机械摩擦时的磨损问题，即通过控制蜗杆的阻力矩。而单向传动方面，由于擦窗机或一般起重设计的起升速度都非常慢，其卷筒的转速均为低速，因此，采用滚柱单向逆止是完全可以实现的，因传动过程中，滚柱由于受到重力影响，始终会位于下方，与棘轮保证接触状态，也就说明不会因为滚柱脱离，产生下降过程中无法逆止的现象。通过上述两组机构的有效结合，以实现“单向常闭式制动器”的功能，图6为其结构简图。

图6 单向常闭式制动器

根据图6示意，当内棘轮逆时针转动时，由于滚柱脱离，使得内棘轮能自由转动，此时，输入电机仅需要克服悬挂重物的力矩，完全不受制动外圈的影响，力矩限制器及蜗杆等系统不参与工作。当内棘轮绕箭头方向旋转时，内棘轮带动制动外圈一起转动，而通过力矩限制器来调节阻力矩，使得整个制动外圈的阻力矩大于悬挂重物产生的力矩，因此，输入电机无动力输入起升机构卷筒时，卷筒由于力矩限制器的作用，能始终保持平衡状态，当需要下降重物时，只需要克服力矩限制器的阻力矩减去悬挂重物产生的力矩，因此在设计阻力矩的时候，可以使阻力的大小为额定载荷下的下滑力矩的2倍。这样可以保证无论是悬挂重物上升或下降时，电机的输入功率都基本相同。为了减小由于内棘轮可能锁死情况，可以将与内棘轮的逆转的钢球改成滚柱，以增大接触面积。同时，在设计滚柱的数量上，一定要保证有3～4个滚柱能在重力的影响下，产生逆转的功能，否则可能由于滚柱过少无法产生逆转的功能。

3 小 结

通过此种新型的制动设计，可以避免由于制动延时产生的溜勾现象，以及可能由于超速后无法制动以、冲击系数大等一系列问题，避免了较大的冲击系数，使擦窗机的整个结构更安全、轻便。本文为制动器的设计开辟了一种新的理念，以供起重设备及擦窗机同行们参考。

[1] 张质文．起重机设计手册[M]．北京：中国铁道出版社，1998．

[2] 成大先．机械设计手册（第五版）[M]．北京：化学工业出版社，2008.

[3] 孟宪源．现代机构手册[M]．北京：机械工业出版社，1995．

（编辑 贾泽辉）

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