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分析:

塔式起重機(jī)的制動(dòng)器是一種獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的制動(dòng)裝置，當(dāng)塔式起重機(jī)的高速軸制動(dòng)器失效或高速軸與低速軸之間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)失效時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)安全可靠的制動(dòng)，避免不制動(dòng)而快速墜落造成的事故和損失。

制動(dòng)器的工作過(guò)程可分為兩種情況:

(1)當(dāng)塔式起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)開(kāi)始起升時(shí)，制動(dòng)器釋放制動(dòng)器；當(dāng)高速軸制動(dòng)器可以控制穩(wěn)定制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)器保持松閘狀態(tài)。

(2)當(dāng)塔式起重機(jī)因斷電而停機(jī)時(shí)，安全制動(dòng)器被接通。此時(shí)高速軸剎車(chē)失靈，重物加速下落超過(guò)規(guī)定速度設(shè)定倍數(shù)(通常為1.5倍)時(shí)，可根據(jù)安全性能要求進(jìn)行調(diào)整，制動(dòng)器收到限速信號(hào)后會(huì)自動(dòng)剎車(chē)。

鉗盤(pán)式制動(dòng)器由于其具有制動(dòng)性能穩(wěn)定、散熱性能好、制動(dòng)響應(yīng)快、集成度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用廣泛，也是塔式起重機(jī)最常用的制動(dòng)器，但制動(dòng)時(shí)的夾緊力影響較大。

鉗盤(pán)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

基于TRIZ優(yōu)化設(shè)計(jì)塔式起重機(jī)制動(dòng)器

根據(jù)制動(dòng)裝置的工作過(guò)程和原理分析，為了保證安全制動(dòng)，需要保證制動(dòng)器兩側(cè)的夾鉗隨動(dòng)裝置在工作過(guò)程中始終與滾筒轉(zhuǎn)盤(pán)平行，同時(shí)需要抑制拉桿彈性變形帶來(lái)的制動(dòng)沖擊。因此，為了減少制動(dòng)時(shí)法蘭接觸面與夾具之間的沖擊，需要更換彈性連接的夾具隨動(dòng)裝置。

利用TRIZ原理提供解決方案:

根據(jù)以上矛盾分析，工程問(wèn)題主要是物理矛盾，TRIZ推薦的物理矛盾解決原則見(jiàn)表1。

基于TRIZ優(yōu)化設(shè)計(jì)塔式起重機(jī)制動(dòng)器

通過(guò)分析篩選可以看出，應(yīng)用1-除法原理、5-組合(組合)原理、7-嵌套原理得到了相應(yīng)的解:

1-劃分原則是指以虛擬或物理的方式將一個(gè)系統(tǒng)劃分為若干部分，從而提取或組合一種有益或有害的系統(tǒng)屬性。通過(guò)創(chuàng)新原理1-分割原理，對(duì)原機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)裝置進(jìn)行分解，將拉桿和連接塊確定為有用部件。

7-嵌套原理是指將一個(gè)物體暫時(shí)或永久嵌入另一個(gè)物體的方法，目的是節(jié)省空間，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中特別常用。如圖3所示，該方案采用這種原理，在中間銷(xiāo)軸的上端面開(kāi)一個(gè)圓孔，帶有滑道的隨動(dòng)桿一端通過(guò)螺釘嵌套在銷(xiāo)軸的上端面。該銷(xiāo)軸取代了原夾具隨動(dòng)裝置的支撐機(jī)構(gòu)。通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘?shù)乃删o，隨動(dòng)桿可以旋轉(zhuǎn)(在自己的平面內(nèi))和移動(dòng)(沿矩形滑道)，從而實(shí)現(xiàn)桿的調(diào)節(jié)和定位。

基于TRIZ優(yōu)化設(shè)計(jì)塔式起重機(jī)制動(dòng)器

5-組合(Combination)是指在空間上組合相同的物體或相關(guān)的操作，或者在時(shí)間上組合相同或相關(guān)的操作。該方案中，隨動(dòng)拉桿的一端通過(guò)空間組合與帶有圓柱形滑軌的連接塊相結(jié)合，使原來(lái)的圓柱形滑軌變成矩形滑軌，在結(jié)構(gòu)和功能上可以實(shí)現(xiàn)原來(lái)兩個(gè)平面機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)件的功能；同時(shí)，制動(dòng)臂中間銷(xiāo)軸的上端面設(shè)有階梯孔，嵌套銷(xiāo)軸、制動(dòng)臂和隨動(dòng)拉桿通過(guò)螺釘和擋板的限位作用連接，實(shí)現(xiàn)共同作用。

性能驗(yàn)證:

改進(jìn)后的制動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真模型進(jìn)行計(jì)算(其初始制動(dòng)狀態(tài)為松動(dòng)，輪輞與摩擦片距離為15 mm，制動(dòng)液壓泵、液壓缸、制動(dòng)片等其他條件一致)。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)方案的最大夾緊力沖擊為320千牛，比原方案降低了40%。制動(dòng)器的制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間由原方案的0.08 s縮短至0.045 s。

通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，改進(jìn)前后左右?jiàn)A鉗的位移如圖4和圖5所示。

基于TRIZ優(yōu)化設(shè)計(jì)塔式起重機(jī)制動(dòng)器

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，優(yōu)化前1 min右?jiàn)A鉗的最大位移分別為2.7 cm和0.75cm；優(yōu)化后。左夾鉗最大位移優(yōu)化前為1.02 cm，優(yōu)化后為0.54 cm。優(yōu)化后左右?jiàn)A鉗的位移低于優(yōu)化前，右?jiàn)A鉗為72.2%，左夾鉗為47.1%。可以看出，左右?jiàn)A鉗在剎車(chē)過(guò)程中同步水平良好，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中夾鉗可以保持與輪輞平行，優(yōu)化后的夾鉗結(jié)構(gòu)可以滿足夾鉗功能隨位置變化的要求。

結(jié)論:

(1)基于工程上制動(dòng)裝置存在的問(wèn)題，應(yīng)用TRIZ創(chuàng)新理論可以減小左右?jiàn)A鉗的位移，從而保證制動(dòng)的安全性能。

(2)基于TRIZ的發(fā)明創(chuàng)新理論，按照標(biāo)準(zhǔn)的工藝方法可以找到最優(yōu)解。這種方法不僅可以減少傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的低效、費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢(qián)的問(wèn)題，還可以綜合評(píng)估改進(jìn)方法背后的邏輯，從而在方案階段就能抓住主要矛盾，使改進(jìn)設(shè)計(jì)切實(shí)可行。

(3)TRIZ的問(wèn)題解決模型需要基于工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)快速定位矛盾的話題，所以在使用TRIZ解決問(wèn)題時(shí)，就需要結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和TRIZ理論，兩者缺一不可。