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施工升降機的研究課題與設計理念 作者：北京金鼎盛起重建筑機械設備有限公司 施工升降機是建筑施工中不可缺少的垂直運輸機械，自1973年第一臺國產齒輪齒條式施工升降機誕生以來，歷經(jīng)30多年的不斷發(fā)展，升降機在結構形式、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。建筑施工升降機除了應用在高層建筑中還可以應用在大橋的建設中，此外，它還可以應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，施工升降機已成為建筑行業(yè)中一種必不可少的機械設備。但是，毋庸諱言，施工升降機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)濟損失，事故的原因主要是施工升降機安全保護裝置存在問題，導致了升降機的安全性能下降，從而為施工升降機的正常工作帶來了重大的安全隱患，這可能會導致事故的發(fā)生。因此，安全保護裝置的可靠性、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最為重要的安全保護裝置，它的性能的好壞直接影響到施工人員及貨物的安全。因此為施工升降機配備一種安全可靠的安全防墜裝置，可以保證施工升降機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。同時，為該施工升降機設計并制造出一臺符合規(guī)范要求、安全可靠、使用方便、反應靈敏、制作簡單的安全防墜器，以及超載保護裝置、高度限位裝置，為施工升降機提供可靠的安全保障。 在建筑機械的大家族里，施工升降機沒有像其它建筑機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。我們應該正確認識目前施工降機存在的不足，通過先進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上改進我們現(xiàn)有的產品，使其具有更高的科技含量、更強的市場競爭力。 本課題所研制的新型施工升降機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能否得以更廣泛應用的一個關鍵問題，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的安全性能。 1．2國內外研究現(xiàn)狀 近年來，國產施工升降機得到了迅速發(fā)展，國際著名的ALIMAK公司的產品也遠不比20多年前那樣風光無限了，我國施工升降機的迅速發(fā)展極大程度地沖擊了它的市場，這與國產升降機所具有先進的技術性能、過硬的產品質量、明顯的價格優(yōu)勢等諸多因素分不開的。 施工升降機作為垂直運送人員及物料的提升機械，它主要是由塔身、吊籠、起升機構和附墻結構組成，當然施工升降機還包括控制系統(tǒng)和安全裝置。這些年來，施工升降機的標準節(jié)一直沒有大的變化，并且不論多大的架設高度，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，國外施工升降機的提升速度已由40m／rain提高到了60m／rain、80re／rain甚至高達96m／rain，單籠額定載重量在3噸以上，而國產施工升降機的提升速度在24～36m／min之間，單籠額定載重量基本上不超過2噸。 目前，雖然國產施工升降機已經(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，沒有應用不同公稱尺寸的材料作為標準節(jié)來分段架設。根據(jù)現(xiàn)代設計理論可以全面地掌握施工升降機在每個架設高度任何截面上的應力狀態(tài)。從結構受力狀態(tài)分析，無論架設高度是多高的施工升降機其底部的標準節(jié)都是承受應力最大的部分，而隨著施工升降機架設高度的增加其應力狀態(tài)更加惡劣。而當架設高度一定時，施工升降機上部標準節(jié)的應力狀態(tài)要比下部的標準節(jié)理想的多，通過對施工升降機結構的有限元模型計算和模態(tài)分析也同樣可以驗證這一結論。因此，將施工升降機按架設高度分段，選取不同截面形式的材料作為標準節(jié)，可以大大減少施工升降機的鋼材消耗量、減輕自重、降低生產成本。 其次，產品形式較為單一，沒有根據(jù)建筑工程與架設高度的需要而采用不同結構的施工升降機。三角型截面的標準節(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，對于架設高度為100米以下的建筑，使用該種施工升降機有著巨大的價格優(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準節(jié)，能夠真正提高性價比。根據(jù)建筑工程與架設高度的需求，可采用大額定提升起重量的施工升降機，目前國內絕大多數(shù)的廠家生產的施工升降機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噸或以上的機型。大額定起重量產品的需求已經(jīng)受到了旌工升降機廠家的重視，瑞典ALIMAK公司生產的SCAND0650施工升降機的額定起重量已經(jīng)達到了3．2噸。再次，升降機沒有廣泛地采用變頻器來改善施工升降機的速度特性。變頻器在改善速度特性方面是起著極其重要的作用。過去，交頻器由于技術還不成熟，而且價格較高，大多數(shù)施工升降機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，對施工升降機可以實現(xiàn)理想的自動平層功能，而且大大提高了施工升降機的檔次以及整機的安全性和舒適性，產品性能、可靠性和壽命也進一步提高。最后，吊籠自重過大，影響了額定起升載重量。施工升降機作為垂直運送人員和物料的提升機械，其吊籠是完成提升任務的具體執(zhí)行裝置。目前吊籠多是兩根主立柱焊接的鋼結構，周圍有鋼絲保護網(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，也可以在頂部進行架設、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，特別是應用在高層或超高層建筑物上時影響尤其顯著。 施工升降機是以各類鋼材為主結構的組件，因此它的利潤空間是很小的。對于施工升降機，其利潤是隨其架設高度的增加而增加的。如果在整個架設高度上都使用同樣規(guī)格的標準節(jié)和主弦桿，經(jīng)濟投入勢必較大，同時從整個結構受力狀態(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、架設高度將結構分成幾段為其分別選取不同公稱尺寸的標準節(jié)和主弦桿，則可大大地降低施工升降機的生產成本。將整個架設高度簡單的分成二段或三段，按受力狀態(tài)為各段的標準節(jié)和主弦桿選擇合理的公稱尺寸，則可達到這個目標。改進施工升降機的速度特性是改善其產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，改進施工升降機的速度特性顯得尤為重要。而速度特性的改進，絕不能以影響其產品性能為代價，提升速度增加的同時，還要具備良好的運行性能、安全性和可靠性。 施工升降機經(jīng)過了多年的發(fā)展，仍然基本上沿用原來的機型模式，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的發(fā)展方向。根據(jù)GB／T10054--1996《施工升降機技術條件》要求施工升降機必須具備安全防墜器，同時對安全防墜器的各種性能指標也做出了規(guī)定。升降機古代就有，一個絞盤、一根繩子加上滑輪，就能夠組成升降機了。但是，如果要用升降機載人就必須解決安全防墜落問題，這是相當復雜的事情，業(yè)內人士稱安全防墜落問題是升降機發(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，從此開刨了升降機載客時代，他的名字也就是當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在室外露天作業(yè)的安全防墜落問題未能解決。室內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。 隨著施工升降機行業(yè)的迅速發(fā)展，安全防墜落問題已經(jīng)變得非常嚴峻，引起了廣泛的重視，所以業(yè)內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行不斷的改進。 傳統(tǒng)的安全防墜器由于可靠性差、靈敏度低等諸多缺點，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸被淘汰。而隨著科技的不斷進步，各式各樣新型式的安全防墜器的出現(xiàn)，必將為施工升降機提供更可靠的安全保障。 安全防墜器作為施工升降機的安全保護裝置，雖然在性能上已經(jīng)取得了很大的進步，但是隨著施工升降機行業(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，如低溫條件下響應慢、制動裝置磨損以后可靠性差、構造復雜、制作成本較高、保養(yǎng)維護費用高等一系列問題有待解決。 施工升降機的安全防墜問題，一直受到國內外業(yè)內人士的廣泛關注，為保證施工升降機工作時人員及貨物的安全，防止吊籠墜落事件發(fā)生，許多設計人員都在致力研制出高性能的安全防墜器。 根據(jù)國內外施工升降機行業(yè)對安全防墜器提出的性能要求，新型安全防墜器的設計主要向以下幾個方面發(fā)展： 1．在施工升降機工作過程中，一旦發(fā)生斷繩，安全防墜器應立即動作，將吊籠制停，即可靠性要好； 2．當安全防墜器動作時，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(不超過升降機的額定載荷，包括吊籠自重)下一旦發(fā)生斷繩，應可靠動作，沖擊力要小，并且不對導軌、井架和裝置結構造成損壞，即隨機性要強； 4．吊籠上兩個安全防墜器應當設計相同并同時作用，即均衡性要高： 5．安全防墜器應能適應不同規(guī)格的吊籠，且安裝該裝置時，不對簡易升降機操作和機構作較大改動，即結構應簡單，適用性要廣： 6.安全防墜器起作用時，排除故障應安全簡便。連續(xù)重復30次斷繩模擬試驗，對結構無損壞，能重復使用，即重復性要好。 1．3本課題的主要研究內容 本課題的主要研究內容包括以下4個方面： 1．施工升降機研制綜合各方面因素及用戶需求，完成施工升降機的總體方案的設計以及起升機構的設計與選擇。在總體設計方案的基礎，完成吊籠和塔身結構的設計。 2．安全防墜器的研究開發(fā)在完成施工升降機的設計后，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設計的安全防墜器的形式；然后確定安全防墜器的技術指標，制定總體設計方案，并對安全防墜器的工作過程、制動力、制動距離、可性進行分析；最后設計出符合要求的安全防墜器；并在設計完成后提出了安全防墜器的檢驗標準。 3．施工升降機的動力學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，要準確的獲取這兩個指標。由于安全防墜器的制動過程中屬于多體系統(tǒng)動力學問題，所以在安全防墜器設計完成之后，建立其虛擬樣機模型并對其進行動力學仿真分析。本課題應用機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件ADAMS對安全防墜器的制動過程進行仿真，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中，超載保護裝置和高度限位裝置必不可少，在完成施工升降機的設計后為其設計了超載保護裝置和高度限位裝置，進一步保障了升降機的安全性。