简述爬坡式擦窗机的结构与优化改进

戴奇明/DAI Qi-ming

（上海普英特高层设备股份有限公司，上海 200127）

随着现代经济的高速发展，高层建筑越来越多且越来越复杂，为满足建筑的独特造型，使擦窗机衍生出各式各样的机型，而爬坡式擦窗机作为其中一种机型，由于其结构较为复杂，在工程运用中存在各式各样的问题。本文主要介绍几种常见的爬坡式擦窗机，并对各种类型的爬坡式擦窗机进行简单的设计分析与优化。

1 独立爬坡+水平运行模式的擦窗机

该类爬坡式擦窗结构形式主要分为两部分，一是擦窗机本体，二是爬坡驱动底盘，通过2 个部件的有效组合，从而实现建筑的全覆盖要求，图1 为独立爬坡+水平运行模式的擦窗机简单示意图。

图1 独立爬坡+水平运行模式的擦窗机

此类型爬坡式擦机结构较简单，设计加工及控制均易于实现，成本也相对较低。通常运用于建筑存在两段斜面爬坡，而顶部或底部存在一段水平的情况，但该设计方案的现场轨道存在高低差，整体感差，对于追求美观的建筑是一个比较大的缺陷。

在设计时，爬坡轨道上安装齿条，爬坡底盘载着擦窗机一起运行，当爬坡底盘运行至最顶部时，其爬坡底盘上的轨道与水平轨道完全对接，此时擦窗机可通过自身的运行机构运行至其他位置工作，擦窗机与爬坡底盘脱开。

该设计避免了爬坡轨道的转弯，爬坡轨道仅仅作直线运动，有利于保证齿条的传动精度，爬坡底盘在设计时，注意水平导向轮的间隙控制，通常擦窗机设计水平导向轮的间隙为5mm 左右，而该爬坡底盘由于仅作直线运动，而且爬坡底盘还需要与水平轨道对接，因此在设计时水平导向轮间隙建议1～2mm，这样既能保证齿条传动的精度，也能保证轨道对接的精度。尤其是现场轨道的施工需要考虑先后顺序，水平轨道对接的一小部分最终安装施工，以保证与爬坡底盘上轨道对齐。

2 爬坡+水平运行模式的擦窗机

该类爬坡式擦窗没有独立的爬坡底盘，爬坡底盘即为擦窗机的底盘，其既可以在斜面上爬坡，亦可以在水平轨道上运行，擦窗机底盘上通过一套调平机构，保证擦窗机回转支承始终保证水平状态，图2 为爬坡+水平运行模式的擦窗机简单示意图。

图2 爬坡+水平运行模式的擦窗机

此结构整体一致好，轨道为连续轨道，不存在高低差轨道设计，整体美观。齿条铺设在轨道顶面，全程安装齿条，齿条安装时需要注意，由于齿条是连续的，齿条安装就需要从头到尾从一端施工至另一端结束，同时必须保证对接齿条处的齿距，防止出现不等齿距的情况发生。

在轨道的设计中，为了便于轨道加工及齿轮的传动精度，将轨道爬坡与水平传动的齿条分别考虑，让擦窗机爬坡的时候只作平面运动，不存在三维空间运行，即“爬坡不转弯，转弯不爬坡”的理念，特别是在爬坡向水平或水平向爬坡的转换时，采用较大的圆弧段轨道设计，而且水平段直线段长度应大于擦窗机的轮距才能进行转弯，否则会出现擦窗机四点运行轮不在同一平面的情况，导致卡死现象发生。

由于擦窗机驱动是一套系统，擦窗机爬坡段的齿条是标准的齿条，而圆弧段轨道上的齿条需要弯曲成轨道形状，因此齿条的齿距会发生变化，当齿条外弯时，齿距会略微增大，对齿轮齿条传动影响不大，但内弯时，齿条的齿距会相应变小，如果齿轮不采取变位，将会发生啃齿甚至卡死的情况，因此在设计中应适当考虑变位系数或增大齿轮传动的中心距。

为了保证齿轮与齿条正常啮合，必须在轨道的全程均设置齿条，但水平转弯的轨道面上的齿条需要安装轨道的弯曲方向进行侧向弯曲，理论上该齿条相当于伞齿，而驱动上齿轮是直齿，所以齿轮与齿条之间必然存在啮合不充分、啃齿的情况，为了减少这种情况的发生，在设计转弯轨道上的齿轮时，可将该段齿条适当减小宽度，因为水平运行及水平转弯，理论上需要的齿条传动力相对要小的多，减小齿条宽度也能满足受力要求，在齿条宽度足够小的情况，可以改善齿条的啃齿情况，如图3 所示。

图3 轨道全程设置齿条

3 连续爬坡运行模式的擦窗机

该种爬坡式擦窗适应于建筑外轮廓呈螺旋式上升，擦窗机轨道根据建筑特点按螺旋式上升的设计，该种爬坡机型可一边转弯一边爬坡，能完全与建筑立面要求相匹配，但由于设备需要连续爬坡，无论是轨道还是齿条均需要在三维空间内运行，因此该类擦窗机设计复杂，技术难度高，对现在轨道安装要求也非常高，图4 为连续爬坡运行模式的擦窗机简单示意图。

图4 连续爬坡运行模式的擦窗机

由于轨道沿着建筑呈螺旋上升，因此轨道属于三维空间曲线，采用通常的工字钢或者H 型钢作为轨道已不适合，故可以采用圆形钢管作为擦窗机的轨道。其次圆形轨道上安装齿条可行性较差，我们可以考虑在两圆形轨之间单独设置齿条作为爬坡的传动齿条，这样即能保证受力在底盘的中间，有解决了齿条安困难的问题，但需要注意的是，擦窗机底盘整体已通过两轨进行定位了，因此在设计驱动齿轮机构时候，就必须考虑驱动机构的位置偏差补偿，在实际工程安装上齿条与两轨之间肯定存在偏差，轨道与齿条布置简易示意如图5 所示。

图5 轨道与齿条布置简易示意图

齿条设计在两轨之间，齿条顶面侧向安装，由于齿条无法像轨道一样扭转，因此在传动时齿条肯定存在跟啮合的问题，为了防止齿条在啮合发生啃齿以及局部受力造成齿条强度不够等情况发生，在齿条设计时应增大齿条模数，齿条的安全系数放大几个等级，这样不论在安装精度以及传递力的方面都会得到改善，根据工程经验，齿条的模数在理论计算基础上，需要放大10～20倍。齿轮与齿条啮合在设计时就要充分考虑齿条对接处的偏差，适当增加传动中心距，防止发生齿条与齿轮卡死及啃齿等情况发生。

4 结语

介绍了不同爬坡式擦窗机的特点以及相应的优缺点，建议实际工程根据建筑的实际情况选择相应的爬坡式擦窗机方案，在满足要求的情况下优先采用第一种及第二种方案，相对来说技术难度小，成本相对更低。