基于TRIZ优化设计塔式起重机制动器

TRIZ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。

问题分析：

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，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。

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。

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。

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。