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摘要：随着高层建筑的发展,施工升降机的应用越来越普遍,由于需求量急剧上升国内涌现了一大批制造厂家。但是,除个别厂家的老产品性能较好外,绝大部分厂家生产的施工升降机均存在技术质量问题,故障频频发生,有的甚至发生重大伤亡事故,因此,如何提高施工升降机工作可靠性,减少故障的发生,已成为制造厂家需要迫切解决的问题。本文提出和设计了一种通用性好的偏心轮式防坠安全装置，针对其可靠性进行了分析计算，对影响工作性能的关键因素进行了研究，并将研究结果进行了实验验证，解决了此类升降机的防坠安全问题。
关键词：施工升降机；防坠安全装置；偏心轮；ADAMS；制停距离；弹簧刚度
1 防坠安全装置的研究
在施工升降机工作的过程中，当钢丝绳断裂时，限制升降平台的运行速度并使其停止坠落的一种机械装置称为防坠安全装置。其性能的好坏直接影响着施工人员及货物的安全。防坠安全装置一般安装在升降平台上，通过与导轨作用，制停升降平台。
1.1 制动形式的分析
低楼层施工升降机的物料运输，要求防坠安全装置制动迅速，安全可靠，制动距离不能过长。因渐进式防坠安全装置制动距离相对于瞬时式防坠安全装置较长，且结构更为复杂，安装调试不便，所以此类升降机宜采用瞬时式防坠安全装置。
销式。偏心轮式防坠装置比较少见，制动时，偏心轮与导轨接触，产生摩擦，随着升降平台持续下滑，偏心轮继续旋转，由于偏心的原因，偏心轮对导轨的正压力增大，摩擦力也继续增大，直至制动为止，这类防坠装置制动迅速平稳，结构简单，但对偏心轮机构的可靠性和性能要求较高[2]。
1.2 防坠安全装置的工作原理
防坠安全装置的驱动力由扭转弹簧提供，制动机构采用偏心轮，传动机构由可调节长度的连杆组成，整个装置采用平行四连杆机构，如图1 所示。
当钢丝绳断裂时，钢丝绳牵引杆在扭转弹簧的作用下旋转，通过传动机构，偏心轮也迅速旋转，直至轮缘与导轨接触，防坠安全装置开始制动。当钢丝绳修复时，钢丝绳牵引杆在拉力的作用下压缩扭转弹簧，偏心轮在传动机构作用下回旋，轮缘与导轨脱离接触，升降机恢复正常工作。连杆的长度可以进行微调，钢丝绳牵引杆与偏心轮的角速度和角加速度近似相等[3-6]。从钢丝绳断裂到偏心轮与导轨接触这一段时间很短，在0.1s 左右，是防坠安全装置的启动时间。影响这一时间长短的因素是扭转弹簧的参数和可调节连杆的长度，且前者是主要因素。
1.3 制动机构的力学分析
偏心轮轮缘与导轨接触的瞬间到偏心轮停止转动这一过程，正压力和摩擦力变化迅速且时间很短，无法建立准确的力学模型，但可以通过动力学分析软件ADAMS 仿真分析得到。在偏心轮停止转动之后，建立防坠安全装置关键部件偏心轮的力学分析模型，如图2 所示。
2防坠安全装置ADAMS 仿真计算
2.1 仿真建模
在应用ADAMS 仿真之前，需对实际的施工升降机和防坠安全装置进行建模。由于在制动过程中与防坠装置发生直接关系的只有导轨和小车架，所以只建立这三部分的模型。在Pro/Engineer中进行参数化建模，并将模型简化，然后逐个零件修改参数，建好的ADAMS 仿真模型，如图5 所示[8]。
2.2 施加约束及载荷
约束及载荷需根据实际情况进行设置。这类施工升降机按额定载重量一般分为150kg，250kg，500kg 三个系列，选取最大额定载重量的施工升降机进行仿真。升降平台的起升速度一般为24m/min。可进行倾斜升降的施工升降机，最大倾角为50°，则仿真时要考虑两种工况，取两种工况的极限条件：垂直升降和倾角为50°时的倾斜升降进行仿真。防坠安全装置工作时有三种情况：分别是升降平台在上升、停止和下降过程中钢丝绳断裂；其中，升降平台在下降过程中钢丝绳断裂，需要的制动加速度最大，也最危险，故只对此种情况下防坠安全装置的工作情况进行模拟分析。
根据实际情况，对仿真的工况进行设定：对各机构间的运动关系和材料进行设置；根据GB/T 10054-2005《施工升降机》，升降平台的额定载重量500kg 乘以安全系数1.2；初速度为400mm/s，方向沿导轨向下；摩擦系数取0.35；驱动机构的扭转弹簧刚度取50N/mm。垂直升降时，设定重力加速度为9806.65mm/s2，方向为-Y方向；倾斜升降时，将重力加速度在各坐标轴分解，计算出各轴上分量为X：0；Y：-7512.29mm/s2；Z：-6303.59mm/s2。
2.3 仿真结果与分析
在ADAMS 仿真控制中，设定仿真时间为0.5s，步长为100。进行动力学仿真分析，升降平台架的位移、速度、加速度拟合曲线，如图6、图7 所示。
可意看出最初升降平台以400mm/s 的初速度开始自由落体运动；在0.14s 时，因制动力的作用开始做减速运动，由于在制动过程中偏心轮与导轨之间会产生一定的冲击作用，所以速度和加速度曲线在很短的一段时间内发生振荡；在0.15s 的时间内，速度减为0，并保持不变。0.3s 以后，升降平台的位移、速度、加速度不再变化，说明此时升降平台被制停，整个制动过程升降平台下落的距离为230mm（垂直升降），155mm（倾斜升降）。倾斜升降的制动距离明显小于垂直升降的制动距离，而且制动时间更短。偏心轮与导轨之间的制动力曲线，如图8、图9 所示。
由图中曲线可以看出，在偏心轮与导轨接触的瞬间，由于冲击作用，制动力会达到一个很高的峰值，时间在0.01s 左右，因此在设计偏心轮、轮轴时应保证具有足够的强度，以免在制动过程中由于冲击载荷使机构发生变形；在0.14s 之前是防坠安全装置的启动时间； 0.14s 后偏心轮与导轨接触，升降平台开始制动；0.3s
以后制动力保持不变，且等于升降平台的重量，说明此时升降平台被制停。
将弹簧刚度选为设计变量，标准值为80N/mm，值的范围为+/-60%，以制停距离为测量对象，进行参数化分析，得到扭转弹簧刚度与制停距离的关系，如图10 所示。部分弹簧刚度与对应的制停距离，如表1 所示。从结果中可以看出，在刚度小于20N/mm时，制动距离过长，大于1500mm，不符合要求；弹簧刚度对制动距离最敏感的区段在（25~60）N/mm 处，此时改变弹簧刚度，制停距离有较大变化；弹簧刚度大于60N/mm 时，制动距离较短，在200mm 以内，且变化不大。
按设计内容，将各部件进行试制、组装。根据GB/T10054-2005《施工升降机》和GB 10055-2007《施工升降机安全规程》进行升降机坠落实验。由仿真结果可得出，垂直升降时所需的制动距离更长，制动力更大，所以在最不利的工况下（升降机垂直运行），进行坠落试验。选择150kg，250kg，500kg 三种载荷，将升降平台上升3m，模拟升降平台断绳坠落，测量每次实验的制动距离，取平均值，结果，如表2 所示。
实验结果显示，制动距离均在300mm 以内，制动距离比仿真时的制动距离略长（长40mm 左右），经分析，主要原因是防坠装置各机构都存在摩擦，导致启动时间比仿真时略长，从而使制动距离比仿真时长。除此以外，实验结果验证了仿真结果的正确性。标准规定额定提升速度v≤0.65m/s 的升降机，防坠安全装置的制动距离应在（0.15~1.40）m，设计的防坠安全装置能很好的满足设计要求。
4 结束语
针对低楼层钢丝绳式施工升降机，设计了一种通用性好的防坠安全装置，并用ADAMS 对其进行仿真分析，最后根据GB/T10054-2005《施工升降机》进行样机的试制与实验，主要结论如下：
（1）建立了偏心轮防坠机构的数学模型，推导出了偏心轮式防坠机构完全自锁各变量所要满足的关系；
（2）对防坠安全装置工作过程进行了ADAMS 仿真分析，得到了防坠装置在制停过程中的力学特性及弹簧刚度对制停距离的影响规律；
（3）样机的试制和实验验证了设计和仿真结果的正确性；适当调整可调节拉杆的长度能缩短制动距离和制动时间，提升防坠安全装置的性能。
参考文献
［1］杨国栋，何明，范亚辉.一种轻便经济安全型升降机［J］.建筑机械化，2011，32（9）：45-47.
［2］杨韶光，杨帆.偏心轮杆式升降步进梁运动分析及推力计算［J］.固体力学学报，2008：216-220.
［3］阮江涛.数值方法在铰链四连杆机构运动分析的应用［J］.机械设计与制造，2007：60-62.
［4］秦强，冯蕴雯，薛小锋.基于过中心原理的机构锁定可靠性分析［J］.机械强度，2013（1）：28-32.
［5］肖晓萍，李自胜.契贝谢夫四连杆机构的优化设计与应用［J］.机械设计与制造，2011：63-65.
［6］田海兰，王东方，苏小平.基于Pro/E 和ADAMS 的防坠安全器动力学仿真［J］.机械设计与制造，2010：96-98.
论文作者:苏文光
论文发表刊物:《基层建设》2017年2期
论文发表时间:2017/4/18
标签：偏心轮论文; 装置论文; 距离论文; 导轨论文; 刚度论文; 钢丝绳论文; 弹簧论文; 《基层建设》2017年2期论文;