施工升降机制动性能分析与研究

摘""要：施工升降机是现代建筑施工中广泛应用的垂直运输工具，两传动齿轮齿条式施工升降机优势更为突出，但是其制动性能要求更高。从施工升降机制动性能出发进行分析研究，通过驱动装置模型分析、数值计算，得出单个制动部件的最小制动力矩，进而通过计算制动力矩，设计了样机，并选取合适的闸皮，进行样机试验验证。经过论证，所选闸皮满足制动性能要求，能够实现施工升降机的可靠稳定制动。

关键词：施工升降机"驱动装置"制动性能"闸皮"摩擦系数

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

施工升降机是现代建筑施工中必不可少的垂直运输工具，承担着垂直运输人员及货物的双重任务。经过不断的发展与完善，施工升降机的结构形式、功能用途等方面都有了很大的改进，但不可否认的是，施工升降机在安全性方面尚不完善，导致安全事故时有发生。这其中很大一部分事故是安装使用过程中的疏忽所致，但不可否认的是，部分缺陷存在于设备在设计制造过程中[1-3]。本文通过对两传动齿轮齿条式施工升降机的制动性能进行理论计算分析，得出了一个制动器失效时另一制动部件的最小允许值，然后进行样机设计，并通过试验验证其可行性。

1""施工升降机系统的力距分析

1.1模型分析

目前较多的施工升降机采用3个传动装置的驱动总成，随着技术的发展，两驱动的施工升降驱动总成凭借其得天独厚的优势被逐渐使用[4]。相较于三传动的驱动方式，两传动主要优势有：结构紧凑，降低整个驱动系统重量；生产制造成本，后期维护成本都相对较低；不论是驱动抑或制动过程，其同步性能更优，使整机运行更加平稳，乘坐更加舒适。但是，由于仅有两个制动装置，那么就对单个制动装置的性能提出了更高的要求[5]。

典型的两传动齿轮齿条式施工升降机，其传动系统布置如图1所示，带有制动器的驱动电机为动力输出端，通过减速机主轴输出转矩，减速机安装在驱动板上，驱动板与吊笼连接，小齿轮安装在主轴上，通过与安装在标准节上的齿条啮合，从而实现吊笼的垂直运动。根据《吊笼有垂直导向的人货两用施工升降机》（GB/T"26557—2021）中第5.7.4.6条规定：制动器中产生制动作用力的任何弹簧，其制造和安装应满足：如果某一弹簧失效（制动部件#I）载荷仍为额定载荷时，制动器（如制动部件#II）仍可有效地使吊笼减速[6]。

驱动部件的内部结构如图2所示。为了计算准确，将各部分的力矩转换到电机输出端，主要有：联轴器转动惯量产生的力矩（Nm）、电机转子转动惯量产生的力矩（Nm）、减速机传动部件转动惯量产生的力矩（Nm）、升降机自重（包括吊笼重量及负载）"转动惯量产生的力矩（Nm）。

设电机转速为，制停时间为，升降机自重（包括吊笼重量及负载）为m，小齿轮节圆直径为D，那么，可得出这四部分转换到电机端的力矩分别为[7]：式（1）、式（2）、式（3）、式（4）中：表示联轴器转换到电机端的转动惯量；表示电机转子的转动惯量；表示减速机传动机构换到电机端的转动惯量；表示减速机传动效率。

对于制动系统而言，升降机满载状态下行工况是最恶劣的，因此，在设计计算时，需保证该工况下吊笼能有效减速。图1中，若制动部件#1的弹簧失效时，制动部件#2制动的同时，不仅要克服自身驱动部件及升降机自重（包括吊笼重量及负载），还需同是克服制动部件#1产生的力矩、、，将这部分力矩折算至#1的电机端，可得：

式（5）中：表示升降机系统传动效率。

由此可以得到，在制动部件#2电机端的总转矩为

因此，要使升降机满载状态下行工况时制动部件#2的最小制动力矩应满足：

1.2"数值计算

为验证上述理论，以某两传动SC200/200型施工升降机为例进行验证[8]，表1给出了该机型驱动装置的主要系统参数。

2""制动系统力距

2.1"制动力矩设计计算

图3所示为目前施工升降机最常用的制动系统结构，主要由固定制动盘、摩擦组件、动盘、静铁芯、止退器、制动弹簧、后盖等部件组成。固定制动盘通过螺栓与电机连接，摩擦组件通过花键与电机轴连接，铁芯磁铁通过安装在4个角上的止退器与电机连接。

初始断电状态时，制动弹簧一端与动盘接触，一端与调节螺母接触，弹簧压缩提供正向压力，摩擦组件与固定制动盘及动盘表面贴合，产生摩擦力矩，阻止电机轴的转动实现制动；通电状态时，静铁芯吸合动盘，使摩擦组件与二者分体，此时电机可以自由转动，升降机正常运行。调节螺母的进退可改变制动弹簧的压缩量，从而改变摩擦力矩。由于施工升降机的制动器为动态制动方式，摩擦组件上闸皮的磨损量较大，止退器的作用尤为关键，它可以实现闸皮磨损后，摩擦组件与固定制动盘及动盘之间间隙的自动调节。

根据《吊笼有垂直导向的人货两用施工升降机》（GB/T"26557—2021）规定：制动作用力应由压缩弹簧产生。压缩弹簧应被充分支撑，且其所受应力不应大于材料扭转弹性极限的80%[6]，该制动弹簧压缩提供正向压力，满足标准要求。

该制动器采用的弹簧刚度k=148.4"N/mm，其压缩量h=24"mm，选用的摩擦组件其摩擦系数为μ=0.26，闸皮的作用半径R=99.5"mm，那么，可得制动力矩为：

带入数值可得，MT"="184.2"Nm；

可见，MT"≥165.27nbsp;Nm，满足设计要求。

现有大多数两升降机要求的单个制动器力矩为180"Nm，与该计算数值基本吻合，也满足MT"≥165.27"Nm的要求。

2.2"闸皮摩擦系数

由于闸皮在工作过程中需要承受高频次的摩擦和冲击，因此，其性能要求十分严格。优秀的闸皮应具备耐磨、耐高温、制动稳定等特点，以确保施工升降机在各种工况下都能可靠制动。闸皮的性能不仅与材料的选择和制造工艺有关，还与升降机的使用环境和操作习惯密切相关。例如：在恶劣的施工现场环境中，闸皮可能会受到粉尘、水雾等污染，导致其摩擦性能下降；而频繁的急停和重载运行也会加速闸皮的磨损。因此，对闸皮的维护和更换周期进行科学管理，是确保升降机安全运行的重要环节[9]。

闸皮的性能在很大程度上取决于其材料的选择和制造工艺。合适的材料应具备良好的耐磨性、耐高温性和良好的热稳定性。良好的耐磨性可确保在长期使用过程中不会过度磨损。较高的耐高温性能可防止在制动过程中因高温导致性能下降。稳定的制动性能够使闸皮在不同工况下提供可靠的制动力。

通过分析式（8）中的已知条件，弹簧刚度k，其压缩量h，闸皮的作用半径R均是固定不变的，若摩擦组件上的闸皮摩擦系数μ是定值，则制动系统可保持恒定的制动力矩，若升降机下行时速度为33"m/min，已知吊笼从该速度减小到0所需时间t"=1.5"s，很容易可得出升降机制停减速度为a"=0.36"m/s2，制动距离为s=0.4"m。

常见的闸皮材料包括灰铸铁、球墨铸铁、合金钢、陶瓷和复合材料等，其摩擦系数会随温度、速度、面压等因素而产生不同程度的变化[10]。为此，选择了一款进口摩擦材料，它是以橡胶为基体的混合材料，图4所示为这款摩擦材料随温度、速度、面压的理论变化曲线[11]。通过观察其不同情况下特性曲线，可见这款材料的摩擦系数值是比较稳定的。

2.3"试验验证

为验证闸皮实际性能，搭建了一套试验平台（如图5所示）。将制动系统及电机安装在试验平台上进行测试，模拟负载可根据需求输出负载转矩，联轴器处的传感装置可实时监测扭矩及速度值。

对选用的进口材料闸皮和国产普通材料闸皮进行对比试验，得出如图6所示的扭矩M随时间t的变化曲线。调节2个制动器的制动弹簧，使其理论静态初始制动力矩均为180"Nm，用模拟载荷进行加载，对比（a）、（b）曲线图可以看出：选用的进口闸皮能够较快达到预定制动转矩，并且力矩值的稳定性明显优于国产闸皮，综合能性能较好。

3"结语

施工升降机是现代建筑施工中广泛应用的垂直运输工具，两传动齿轮齿条式施工升降机优势更为突出，但是其制动性能要求更高。本文对施工升降机制动性进行分析研究，通过对驱动装置模型分析及数值计算，得出单个制动部件的最小制动力矩。进而进行制动力矩设计计算，选取了一款合适的闸皮并进行了样机试验验证，论证了所选闸皮满足制动性能要求，能够实现施工升降机的可靠稳定制动。

参考文献

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[3赵强.从一起施工升降机坠落事故谈起[J].建筑安全，2023，38（6）：71-74.

[4]"徐辉.施工升降机的安全使用[J].城市建设理论研究（电子版），2020（18）：79-80.

[5]"袁斌.浅谈预防施工升降机制动失效事故的措施[J]."浙江建筑，2022，39（6）：59-61.

[6]"全国升降工作平台标准化技术委员会.吊笼有垂直导向的人货两用施工升降机：GB/T"26557—2021[S].北京：中国标准出版社，2021.

[7]"闻邦椿.机械设计手册[M].5版.北京：机械工业出版社，2010.

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[9]"周鑫，何晓林，李豪华.建筑工程中施工升降机的管控[J].安装，2023（7）：69-70，76.

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