基于TRIZ的塔式起重机制动器的优化设计

龙进辉 汪许林

摘要：运用TRIZ理论对塔式起重机制动器在制动过程中的问题进行分析，将工程问题转化为TRIZ的标准问题，进而利用发明原理对该标准问题进行优化求解，得出制动器夹钳的优化结构，通过实验测试，优化后的制动器夹钳结构能够大幅度减少夹钳的位移，从而保证其运动过程中的平行性，进而提升制动效果。

关键词：塔式起重机;制动器;夹钳;TRIZ理论

0    引言

塔式起重机具有起重性能优越、工作幅度大、操作简单等特点，在建筑施工中，特别是高层建筑施工中扮演着重要的角色。随着工业4.0的提出，塔式起重机的使用日益增多，其安全问题时有发生，特别是塔式起重机，其工况恶劣，在工作过程中一直处于高空作业，极易发生安全事故。制动器故障是其最频发的一种[1-2]，制动器是影响塔式起重机安全性的一个重要机构，平稳制动对保障塔式起重机的稳定运行和工程人员的人身安全起到重要作用，其性能好坏直接影响着起重机的安全性能。因此，设计一款结构创新的配重调节机构尤为重要。

钳盘式制动器由于其平稳的制动性能，同块式制动器相比具有广泛的用途。本文针对SBD240制动器制动冲击大、制动过程中两夹钳平行度不足等问题进行分析，运用TRIZ理论进行优化，通过仿真及实验对优化后的结构进行测试分析。

1    TRIZ理论介绍

TRIZ理论（发明问题解决理论）起源于20世纪60年代前苏联海军部发明专家阿奇舒勒（G.S.Altshuller）[3]。它的核心理论认为：发明问题的核心是解决冲突，把实际的矛盾冲突转化为标准参数，再利用TRIZ解决问题的方法就能找到发明原理中的标准解，然后将其转化成特定解（实际解），从而实现产品的改进或创新[4]。TRIZ理论解决问题流程如图1所示。

2    方案设计

2.1    运用TRIZ理论分析问题

TRIZ理論认为：产品作为一个有机的系统，各个部件及性能之间是相互联系的，当产品某一性能发生变化时，一定会带来产品其他性能的变化，如果二者的变化趋势相同，则这两种性能是正相关的;但是这两种性能变化在产品优化时通常呈不同趋势，因此就产生了矛盾，解决该矛盾就意味着达到了优化设计的目的。TRIZ理论将机械设计中涉及的矛盾归纳总结为三大类，分别为物理冲突、技术冲突、管理冲突。本文结合物理冲突对制动器进行优化设计。

塔式起重机的制动器是独立驱动的制动装置，其可在塔式起重机高速轴制动器出现故障或高低速轴之间的传动机构失效时，实现安全可靠制动，避免无制动工况下快速下落，造成意外与损失。

制动器的工作过程分为两种情况：

（1）在塔式起重机起升机构开始起吊时，制动器松开闸;在高速轴制动器能够控制稳定制动时，制动器维持松闸状态。

（2）在塔式起重机因故障断电关闭时，安全制动器上闸。此时高速轴制动器制动失效，重物加速下落并超过规定速度设定的倍数（通常为1.5倍）时，可根据安全性能的要求进行调节，制动器接收到限制速度的信号后自动上闸。

钳盘式制动器由于其具有制动性能平稳、散热性能良好、制动响应快、集成化程度高等一系列优点应用十分广泛，其也是塔式起重机最为常用的一种制动器[5]，但是其制动过程中夹紧力冲击大。

钳盘式制动器结构如图2所示。

根据制动装置的工作过程和原理分析，在工作过程中为了保证安全制动，需要保证夹钳随位装置使制动器两侧夹钳工作过程中始终与卷筒转盘平行，同时又需要抑制拉杆的弹性形变带来的制动冲击，因此，为了减少轮缘接触面与夹钳制动时的冲击，必须改变采用弹性连接方式的夹钳随位装置。

2.2    运用TRIZ原理提供解决方案

通过上述矛盾分析可知，该工程问题主要为物理矛盾，TRIZ推荐的物理矛盾的解决原理如表1所示。

经过分析和筛选可知，应用1-分割原理、5-组合（合并）原理、7-嵌套原理得到相应的解决方案：

1-分割原理是指以虚拟或实物方式将一个系统分成若干部分，以便抽取或合并一种有益或有害的系统属性，由创新原理1-分割原理将原机的随位装置分解，识别到拉杆、连接块为有用部分。

7-嵌套原理是指将一个物体临时或永久地嵌入另一个物体的方法，目的是节省空间，在机械结构的设计上尤为常用。如图3所示，本方案中采用该原理在中间销轴的上端面开个圆形孔，通过螺钉将随位拉杆有滑道一端嵌套在销轴上端面，该销轴代替原夹钳随位装置的支撑机构，通过调节螺钉的松紧程度，实现随位拉杆的转动（自身平面内）及移动（沿长方形滑道），从而实现了拉杆的调节定位。

5-组合（合并）是指在空间上将相同的物体或相关操作加以组合，或者在时间上将相同或相关的操作进行合并。本方案通过空间上的组合将随位拉杆的一个端部同具有圆柱形滑轨的连接块进行合并，使得原来的圆柱形滑道变为长方形滑道，使其在结构与功能上都能以一个平面机构实现原来两个结构件的功能;同时，在制动臂中间销轴上端面开阶梯孔，通过螺钉及挡板的限位作用将嵌套后的销轴、制动臂、随位拉杆三者连接，从而实现共同动作。

上述设计改进实施后的方案图如图3所示。

2.3    性能验证

对改进后的制动机构采用ADAMS动力学仿真模型进行计算（其初始为松闸状态，轮缘与摩擦片间距为15 mm，制动液压泵、液压缸、刹车片等其他条件都一致）。仿真得到改进方案的夹紧力冲击最大值为320 kN，相对原方案下降40%;制动器的制动响应时间由原方案的0.08 s缩短至0.045 s。

通过运动学仿真得出，改进前后左右夹钳的位移如图4、图5所示。

通过上述实验数据可以看出，右夹钳优化前1 min的最大位移为2.7 cm，优化后为0.75 cm;左夹钳优化前1 min的最大位移为1.02 cm，优化后为0.54 cm。左右夹钳优化后的位移均要比优化前有所下降，右夹钳降低72.2%，左夹钳降低47.1%。

由此可以看出，制动器上闸过程中左右夹钳同步水平较好，夹钳运动过程中可以保持与轮缘平行，优化后的夹钳结构能够满足夹钳随位功能要求。

3    结论

（1）基于工程中关于制动装置出现的问题，应用TRIZ发明创新理论，可以减少左右夹钳的位移，从而保证制动的安全性能。

（2）基于TRIZ发明创新理论可以根据标准的流程方法找到解决问题的最优解，该方法不但可以减少传统实验设计方法低效、耗时、耗资的问题，而且可以全面评估改进方法背后的逻辑，从而在方案阶段就可以抓住主要矛盾，使得改进设计切实可行。

（3）TRIZ的问题解决模型需要基于工程经验才能快速定位矛盾主题，因此在利用TRIZ解决问题时需要工程经验和TRIZ理论相结合，二者缺一不可。

[参考文献]

[1] 李会勤.紧急制动器在铸造起重机主起升机构上的应用[J].起重运输机械，2009（12）：87-91.

[2] 宋吉珍.独臂架门座式起重机变幅滚筒增加低速轴安全制动器的应用[J].现代制造技术与装备，2017（9）：135-136.

[3] 檀润华.发明问题解决理论[M].北京：科学出版社，2004.

[4] 檀润华.创新设计——TRIZ：发明问题解决理论[M].北京：机械工业出版社，2002.

[5] 李静，李益琴.港口起重机起升机构安全制动器应用的相关建议[J].集装箱化，2016，27（6）：27-28.

[6] 钳盘式制动器：JB/T 10917—2008[S].

收稿日期：2021-04-14

作者简介：龙进辉（1989—），男，广东湛江人，机械工程师，研究方向：机械设计。