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施工升降機(jī)的研究課題與設(shè)計理念 作者：北京金鼎盛起重建筑機(jī)械設(shè)備有限公司 施工升降機(jī)是建筑施工中不可缺少的垂直運(yùn)輸機(jī)械，自1973年第一臺國產(chǎn)齒輪齒條式施工升降機(jī)誕生以來，歷經(jīng)30多年的不斷發(fā)展，升降機(jī)在結(jié)構(gòu)形式、功能、用途、安全裝置等多個方面都有了很大的變化和發(fā)展。施工升降機(jī)主要用于城市高層和超高層的各類建筑中，這主要因為這樣的建筑高度對于使用井字架、龍門架來完成作業(yè)是十分困難的。建筑施工升降機(jī)除了應(yīng)用在高層建筑中還可以應(yīng)用在大橋的建設(shè)中，此外，它還可以應(yīng)用在大型化工廠冷卻塔、發(fā)電廠的煙囪、廣播電視塔以及煤礦等多種施工場合下，施工升降機(jī)已成為建筑行業(yè)中一種必不可少的機(jī)械設(shè)備。但是，毋庸諱言，施工升降機(jī)的性能和可靠性還不夠完善，安全事故時有發(fā)生，造成了人員的傷亡和不可挽回的經(jīng)濟(jì)損失，事故的原因主要是施工升降機(jī)安全保護(hù)裝置存在問題，導(dǎo)致了升降機(jī)的安全性能下降，從而為施工升降機(jī)的正常工作帶來了重大的安全隱患，這可能會導(dǎo)致事故的發(fā)生。因此，安全保護(hù)裝置的可靠性、完善性直接影響著人身及貨物安全。安全防墜器作為施工升降機(jī)最為重要的安全保護(hù)裝置，它的性能的好壞直接影響到施工人員及貨物的安全。因此為施工升降機(jī)配備一種安全可靠的安全防墜裝置，可以保證施工升降機(jī)在工作過程中不會發(fā)生事故，從而保證施工人員及貨物的安全。 本課題的最終目的是研制出一臺高性能、高效率、低成本的鋼絲繩提井式施工升降機(jī)。同時，為該施工升降機(jī)設(shè)計并制造出一臺符合規(guī)范要求、安全可靠、使用方便、反應(yīng)靈敏、制作簡單的安全防墜器，以及超載保護(hù)裝置、高度限位裝置，為施工升降機(jī)提供可靠的安全保障。 在建筑機(jī)械的大家族里，施工升降機(jī)沒有像其它建筑機(jī)械那樣高的年增長率，但是該行業(yè)在今后還是有著巨大的發(fā)展空間。我們應(yīng)該正確認(rèn)識目前施工降機(jī)存在的不足，通過先進(jìn)的理論和科技手段全面地掌握旋工升降杌的各種特性并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)我們現(xiàn)有的產(chǎn)品，使其具有更高的科技含量、更強(qiáng)的市場競爭力。 本課題所研制的新型施工升降機(jī)可以在一定程度上提高施工效率，為建筑施工帶來很大的方便，將會有廣闊的市場前景。而安全防墜器的性能好壞又是施工升降機(jī)能否得以更廣泛應(yīng)用的一個關(guān)鍵問題，因此，本課題中新型安全防墜器的研制將在一定程度上提高施工升降機(jī)的安全性能。 1．2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 近年來，國產(chǎn)施工升降機(jī)得到了迅速發(fā)展，國際著名的ALIMAK公司的產(chǎn)品也遠(yuǎn)不比20多年前那樣風(fēng)光無限了，我國施工升降機(jī)的迅速發(fā)展極大程度地沖擊了它的市場，這與國產(chǎn)升降機(jī)所具有先進(jìn)的技術(shù)性能、過硬的產(chǎn)品質(zhì)量、明顯的價格優(yōu)勢等諸多因素分不開的。 施工升降機(jī)作為垂直運(yùn)送人員及物料的提升機(jī)械，它主要是由塔身、吊籠、起升機(jī)構(gòu)和附墻結(jié)構(gòu)組成，當(dāng)然施工升降機(jī)還包括控制系統(tǒng)和安全裝置。這些年來，施工升降機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)一直沒有大的變化，并且不論多大的架設(shè)高度，采用的基本都是從上到下規(guī)格相同的鋼材。吊籠雖然有多種型式，但都是型鋼焊接而成。近年來，國外施工升降機(jī)的提升速度已由40m／rain提高到了60m／rain、80re／rain甚至高達(dá)96m／rain，單籠額定載重量在3噸以上，而國產(chǎn)施工升降機(jī)的提升速度在24～36m／min之間，單籠額定載重量基本上不超過2噸。 目前，雖然國產(chǎn)施工升降機(jī)已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，但是仍然存在著許多不足之處。首先，沒有應(yīng)用不同公稱尺寸的材料作為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)來分段架設(shè)。根據(jù)現(xiàn)代設(shè)計理論可以全面地掌握施工升降機(jī)在每個架設(shè)高度任何截面上的應(yīng)力狀態(tài)。從結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)分析，無論架設(shè)高度是多高的施工升降機(jī)其底部的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)都是承受應(yīng)力最大的部分，而隨著施工升降機(jī)架設(shè)高度的增加其應(yīng)力狀態(tài)更加惡劣。而當(dāng)架設(shè)高度一定時，施工升降機(jī)上部標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的應(yīng)力狀態(tài)要比下部的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)理想的多，通過對施工升降機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元模型計算和模態(tài)分析也同樣可以驗證這一結(jié)論。因此，將施工升降機(jī)按架設(shè)高度分段，選取不同截面形式的材料作為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，可以大大減少施工升降機(jī)的鋼材消耗量、減輕自重、降低生產(chǎn)成本。 其次，產(chǎn)品形式較為單一，沒有根據(jù)建筑工程與架設(shè)高度的需要而采用不同結(jié)構(gòu)的施工升降機(jī)。三角型截面的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，由于少了一根主弦桿，在成本、鋼材消耗量、安裝的便利等方面有著很大優(yōu)勢，對于架設(shè)高度為100米以下的建筑，使用該種施工升降機(jī)有著巨大的價格優(yōu)勢?？梢?，根據(jù)各種不同的建筑需要，采用不同截面形狀的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，能夠真正提高性價比。根據(jù)建筑工程與架設(shè)高度的需求，可采用大額定提升起重量的施工升降機(jī)，目前國內(nèi)絕大多數(shù)的廠家生產(chǎn)的施工升降機(jī)的最大額定起重量是2噸每籠，從提高工作效率的角度考慮，可以選擇單籠的最大額定起重量為3噸或以上的機(jī)型。大額定起重量產(chǎn)品的需求已經(jīng)受到了旌工升降機(jī)廠家的重視，瑞典ALIMAK公司生產(chǎn)的SCAND0650施工升降機(jī)的額定起重量已經(jīng)達(dá)到了3．2噸。再次，升降機(jī)沒有廣泛地采用變頻器來改善施工升降機(jī)的速度特性。變頻器在改善速度特性方面是起著極其重要的作用。過去，交頻器由于技術(shù)還不成熟，而且價格較高，大多數(shù)施工升降機(jī)廠家是不會考慮安裝變頻器作為主要改變速度特性的裝置。正因為使用變頻器，對施工升降機(jī)可以實(shí)現(xiàn)理想的自動平層功能，而且大大提高了施工升降機(jī)的檔次以及整機(jī)的安全性和舒適性，產(chǎn)品性能、可靠性和壽命也進(jìn)一步提高。最后，吊籠自重過大，影響了額定起升載重量。施工升降機(jī)作為垂直運(yùn)送人員和物料的提升機(jī)械，其吊籠是完成提升任務(wù)的具體執(zhí)行裝置。目前吊籠多是兩根主立柱焊接的鋼結(jié)構(gòu)，周圍有鋼絲保護(hù)網(wǎng)，吊籠前后分別安裝著單、雙開吊籠門，頂部有活動板門，配備的專用梯可作為緊急出口，也可以在頂部進(jìn)行架設(shè)、維修和保養(yǎng)等工作。目前吊籠的最主要缺陷是自重過大帶來的不良影響，特別是應(yīng)用在高層或超高層建筑物上時影響尤其顯著。 施工升降機(jī)是以各類鋼材為主結(jié)構(gòu)的組件，因此它的利潤空間是很小的。對于施工升降機(jī)，其利潤是隨其架設(shè)高度的增加而增加的。如果在整個架設(shè)高度上都使用同樣規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和主弦桿，經(jīng)濟(jì)投入勢必較大，同時從整個結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)來說，它也是不理想的。而如果能夠根據(jù)載荷、危險截面位置、架設(shè)高度將結(jié)構(gòu)分成幾段為其分別選取不同公稱尺寸的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和主弦桿，則可大大地降低施工升降機(jī)的生產(chǎn)成本。將整個架設(shè)高度簡單的分成二段或三段，按受力狀態(tài)為各段的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和主弦桿選擇合理的公稱尺寸，則可達(dá)到這個目標(biāo)。改進(jìn)施工升降機(jī)的速度特性是改善其產(chǎn)品綜合性能的一個主要方面，它可以提高施工效率。隨著高層和超高層的建筑量的不斷增加，改進(jìn)施工升降機(jī)的速度特性顯得尤為重要。而速度特性的改進(jìn)，絕不能以影響其產(chǎn)品性能為代價，提升速度增加的同時，還要具備良好的運(yùn)行性能、安全性和可靠性。 施工升降機(jī)經(jīng)過了多年的發(fā)展，仍然基本上沿用原來的機(jī)型模式，真正意義上的突破還不多見，目前對大額定起重量施工升降機(jī)的需求己初現(xiàn)端倪，提高額定載重量將是今后施工升降機(jī)的發(fā)展方向。根據(jù)GB／T10054--1996《施工升降機(jī)技術(shù)條件》要求施工升降機(jī)必須具備安全防墜器，同時對安全防墜器的各種性能指標(biāo)也做出了規(guī)定。升降機(jī)古代就有，一個絞盤、一根繩子加上滑輪，就能夠組成升降機(jī)了。但是，如果要用升降機(jī)載人就必須解決安全防墜落問題，這是相當(dāng)復(fù)雜的事情，業(yè)內(nèi)人士稱安全防墜落問題是升降機(jī)發(fā)展道路上的世界難題。150年前，美國人奧的斯發(fā)明了安全鉗，從此開刨了升降機(jī)載客時代，他的名字也就是當(dāng)今全球最大的電梯廠商的廠名。但是100多年來，用鋼絲繩傳動的升降機(jī)在室外露天作業(yè)的安全防墜落問題未能解決。室內(nèi)電梯上的安全鉗不能在環(huán)境惡劣的室外露天可靠工作，原因是這種安全鉗在露天作業(yè)時容易失靈，不能可靠地防止吊籠墜落。 隨著施工升降機(jī)行業(yè)的迅速發(fā)展，安全防墜落問題已經(jīng)變得非常嚴(yán)峻，引起了廣泛的重視，所以業(yè)內(nèi)人士加大了對該問題的研究力度。經(jīng)過不斷努力，終于研制出幾種性能相對較好的安全防墜器，如偏心輪式、銷式、楔塊式等。但是由于技術(shù)條件的原因普遍也都存在著一定的弊端，所以就要求對安全防墜器進(jìn)行不斷的改進(jìn)。 傳統(tǒng)的安全防墜器由于可靠性差、靈敏度低等諸多缺點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸被淘汰。而隨著科技的不斷進(jìn)步，各式各樣新型式的安全防墜器的出現(xiàn)，必將為施工升降機(jī)提供更可靠的安全保障。 安全防墜器作為施工升降機(jī)的安全保護(hù)裝置，雖然在性能上已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但是隨著施工升降機(jī)行業(yè)的迅速發(fā)展，對安全防墜器的性能提出了越來越高的要求。在不斷的試驗中安全防墜器的一些缺陷逐漸顯現(xiàn)出來，如低溫條件下響應(yīng)慢、制動裝置磨損以后可靠性差、構(gòu)造復(fù)雜、制作成本較高、保養(yǎng)維護(hù)費(fèi)用高等一系列問題有待解決。 施工升降機(jī)的安全防墜問題，一直受到國內(nèi)外業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注，為保證施工升降機(jī)工作時人員及貨物的安全，防止吊籠墜落事件發(fā)生，許多設(shè)計人員都在致力研制出高性能的安全防墜器。 根據(jù)國內(nèi)外施工升降機(jī)行業(yè)對安全防墜器提出的性能要求，新型安全防墜器的設(shè)計主要向以下幾個方面發(fā)展： 1．在施工升降機(jī)工作過程中，一旦發(fā)生斷繩，安全防墜器應(yīng)立即動作，將吊籠制停，即可靠性要好； 2．當(dāng)安全防墜器動作時，其制動距離要小，即靈敏度要高： 3.安全防墜器不論在任何載荷(不超過升降機(jī)的額定載荷，包括吊籠自重)下一旦發(fā)生斷繩，應(yīng)可靠動作，沖擊力要小，并且不對導(dǎo)軌、井架和裝置結(jié)構(gòu)造成損壞，即隨機(jī)性要強(qiáng)； 4．吊籠上兩個安全防墜器應(yīng)當(dāng)設(shè)計相同并同時作用，即均衡性要高： 5．安全防墜器應(yīng)能適應(yīng)不同規(guī)格的吊籠，且安裝該裝置時，不對簡易升降機(jī)操作和機(jī)構(gòu)作較大改動，即結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單，適用性要廣： 6.安全防墜器起作用時，排除故障應(yīng)安全簡便。連續(xù)重復(fù)30次斷繩模擬試驗，對結(jié)構(gòu)無損壞，能重復(fù)使用，即重復(fù)性要好。 1．3本課題的主要研究內(nèi)容 本課題的主要研究內(nèi)容包括以下4個方面： 1．施工升降機(jī)研制綜合各方面因素及用戶需求，完成施工升降機(jī)的總體方案的設(shè)計以及起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計與選擇。在總體設(shè)計方案的基礎(chǔ)，完成吊籠和塔身結(jié)構(gòu)的設(shè)計。 2．安全防墜器的研究開發(fā)在完成施工升降機(jī)的設(shè)計后，首先通過對現(xiàn)有的各種安全防墜器的使用壽命、制動形式及制動性能的分析與研究，確定為該施工升降機(jī)設(shè)計的安全防墜器的形式；然后確定安全防墜器的技術(shù)指標(biāo)，制定總體設(shè)計方案，并對安全防墜器的工作過程、制動力、制動距離、可性進(jìn)行分析；最后設(shè)計出符合要求的安全防墜器；并在設(shè)計完成后提出了安全防墜器的檢驗標(biāo)準(zhǔn)。 3．施工升降機(jī)的動力學(xué)分析制動時間及制動距離是衡量安全防墜器性能的好壞的重要指標(biāo)，要準(zhǔn)確的獲取這兩個指標(biāo)。由于安全防墜器的制動過程中屬于多體系統(tǒng)動力學(xué)問題，所以在安全防墜器設(shè)計完成之后，建立其虛擬樣機(jī)模型并對其進(jìn)行動力學(xué)仿真分析。本課題應(yīng)用機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件ADAMS對安全防墜器的制動過程進(jìn)行仿真，求得制動時間和制動距離，作為評價安全防墜器性能的理論依據(jù)。 4．超載保護(hù)裝置及高度限位裝置的研究開發(fā)在人貨兩用的旖工升降機(jī)中，超載保護(hù)裝置和高度限位裝置必不可少，在完成施工升降機(jī)的設(shè)計后為其設(shè)計了超載保護(hù)裝置和高度限位裝置，進(jìn)一步保障了升降機(jī)的安全性。