基本信息
- 项目名称：
- 智能防坠安全装置
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 作品设计的目的是针对施工升降机意外坠落的而设计的安全防护装置，可应用于目前使用最广泛的各种型号的齿轮齿条式施工升降机防坠保护。作品不同于现在市场上的各种防坠安全器。它以测速电机输出电压精确测速，以渐进式制动代替瞬时制动，以本身重力纯机械制动代替由力激发的安全装置，维护成本不高等优点。作品符合制动冲击系数小，制动距离和制动时间适宜、易检修维护、实用经济等要求。有着广阔的开发前景和市场应用前景。
- 详细介绍：
- 智能防坠安全装置 设计者：童柏云 伍奇 宋奎 甘航宇 曾彦 汪衡 梁昶 指导老师：郭克希 李荣军 作品内容简介 “智能防坠安全装置”作品设计的目的是针对施工升降机意外坠落的而设计的安全防护装置，可应用于目前使用最广泛的各种型号的齿轮齿条式施工升降机防坠保护。 “智能防坠安全装置”不同于现在市场上的各种防坠安全器，它是以防坠可靠性好；灵敏度高；制动过程平稳；检修方便的要求来设计。它以测速电机输出电压精确测速，以渐进式制动代替瞬时制动，以本身重力纯机械制动代替由力激发的安全装置，克服了限速器、安全钳、缓冲器等安全保护装置一般都只适用于钢丝绳断裂的时候才能产生作用，而且存在制动冲击系数偏大，强度及耐久性方面不理想，制动有误差，检修不便，维护成本高等缺点，是一种比较经济理想的施工升降机安全防护装置。 “智能防坠安全装置”符合制动冲击系数小，制动距离和制动时间适宜，制动平稳，易检修维护、实用经济等要求。它可以根据不同需求制造出不同规格大小的产品，以满足不同型号的需要，适当改进后可以推广应用到其它类型的升降设备，有着广阔的开发前景和市场应用前景。 1．研制的背景及意义 1.1研究背景 随着目前施工技术的不断提高，施工机械同样也变得越来越重要，其中施工升降机就是一种很典型的施工机械。施工升降机也称施工电梯，具有可以载人、提升升降高度。载重量大、操作方便。使用效率高等特点，而在建筑施工和井下采矿施工得到广泛应用，并成为一种建筑施工和深井采矿非常重要的施工机械。 然而正是因为施工升降机一般应用在高空和深井等施工领域，其施工安全问题也成为了衡量一部施工升降机性能好坏的重要方面，高空和深井等施工环境一般都比较恶劣，所以国家规定施工升降机都要定期做安全检查和维护，这就加大了升降机的维修维护费用，影响工程的正常进行，而且经过定期检修的施工升降机也还是会发生安全事故，给国家和社会造成了巨大的损失。 本项目研究一种防止施工升降机意外坠落的安全防护装置，当提升钢丝绳或连接装置意外断裂或失控时，能够使轿厢平稳地支承在导向轨道上，使轿厢平稳地停止下落，而不致坠落造成严重事故。 1.2研究意义 目前施工升降机上安装有机械或电气的各类安全保护装置，其中主要有：限速器、安全钳、缓冲器等，这些安全保护装置一般都只适用于钢丝绳断裂的时候才能产生作用，而且存在制动冲击系数偏大，强度及耐久性方面不太理想，制动有误差，检修不便，维护成本高等缺点，本项目研究的智能防坠安全装置，防坠可靠性好；灵敏度高；制动过程平稳；检修方便等特点，具有很大的实用价值，能够适用于目前应用最广泛的各种型号的齿轮齿条式的施工升降机。 2.作品设计工作原理 2.1智能防坠安全装置的安装 施工升降机整体机构示意图如图2-1所示，本项目智能防坠安全装置通过螺栓固定在轿厢2底部，智能防坠安全装置上的高速齿轮与齿条4啮合。 图2-1 1.天轮架 2.轿厢 3.防坠安全器 4. 齿条 5.导轨架 6.附墙架 7.圆柱导轨 8.支架 9.护栏 10.基础 2.2智能防坠安全器工作原理 防坠安全装置结构组成如图2-2所示，当升降机正常运行时，高速齿轮1通过与齿条的啮合转动，高速齿轮再带动中间2轴转动，此时离合器8不随中间轴而转动，中间轴通过同步皮带11与测速电机13相连，测速电机通过检测升降机的转速而反馈电信号，当升降机突然发生意外情况往下坠落时，升降机的速度就会不断增大，测速电机的转速也会不断增大，当升降机的下坠速度超过设定的最大速度时，测速电机反馈信号也达到允许的最大值，从而使牵引电磁铁10动作，带动销钉板9往后运动，将插在离合器8中的销钉拔出，从而使离合器8随中心轴2一起转动，离合器再带动与之啮合的齿轮将动力传到齿轮7，齿轮7带动两根正反螺纹轴转动，正反螺纹轴上车有两段旋向相反的螺纹，当其转动时，刹车装置12就会向中间运动，挤压与中间轴相连的摩擦盘5，使中间轴慢慢停止转动，从而使轿厢缓慢停止下落，从整个制动过程知道，一旦防坠安全装置产生了作用后，只要轿厢往下运动，刹车装置就会继续挤压摩擦盘，直到轿厢停止下落为止。 图2-2 智能防坠安全装置的结构 1.高速齿轮 2.中间轴 3.轴承端盖 4.箱体 5.摩擦盘 6.正反螺纹轴7.从动齿轮 8.离合器 9.销钉拉板 10.牵引电磁铁 11.同步皮带12.刹车装置 13.测速电机 2.3离合器工作原理 升降机正常工作时,弹簧4处于压缩状态, 圆柱钢珠5被销钉6挡住,离合器内圈2转动,离合器齿轮外圈1静止,当发生危险情况时,电路控制部分将销钉6抽出圆柱钢珠在弹簧力的作用下向右运动（如图2-3所示）。 离合器齿轮外圈安装圆柱钢珠5的圆孔中心线沿离合器内圈圆的切线方向,当圆柱钢珠接触到离合器内圈时,离合器内圈的旋转会给钢珠一个向右的摩擦力,在加上弹簧向右的弹力,必然会使钢珠有继续向右运动的趋势,假如没有离合器内圈阻碍,钢珠将会运动到位置Ⅱ.而实际情况离合器内圈会对钢珠的运动起阻碍作用,这样离合器内圈就会挤压钢珠,钢珠又会带动离合器齿轮外圈,使离合器齿轮外圈和内圈一起旋转,只要内圈与外圈之间还有相对运动,内圈就会继续挤压钢珠，直到离合器内、外圈之间没有相对转动。 图2-3 离合器 1.离合器齿轮外圈 2.离合器内圈 3.轴承滚针4.弹簧5.圆柱钢珠6.销钉 2.4刹车装置工作原理 刹车片2通过螺钉固定在刹车片支架1上，螺帽3采用过硬配合和焊接的方法与刹车片支架相连，俩个刹车装置通过螺帽分别安装在旁边轴的正反螺纹段上，当旁边轴旋转时，就会带动刹车装置往中间运动，从而挤压摩擦盘，依靠摩擦片与摩擦盘之间的摩擦力达到柔性制动的目的（如图2-4所示）。 图2-4 刹车装置 1.刹车片支架 2.刹车片 3.螺帽 2.5电路控制工作原理 电路控制工作原理如图2-5所示，TM是用同步带与升降机移动的轴相连的一个直流测速电机，其检测升降机下降速度，由电机理论 。 ， 即电动势常数。式中： 为磁通量，n为电机转速，对于永磁体直流测速电机来说，在一定范围内，也为常量。于是，直流电机的输出电压与其转子转速成线性关系。所以 图2-5电路控制原理图 正比于电机转子转速的测速电机输出的电压值，经达林顿复合结构放大后，加至二极管显示电路，升降机下降越快，发电机端电压越高，使VT1基极电势越高，而VT1，VT2共的集电极电势越低，由Vcc导通的LED数量越多。当发电机的转速n=543r/min时，机端电压E=10.23V，第五个LED将发出微弱的光， 当升降机下降速度超过正常速度（即升降机下落时），当转速n=596r/min时，机端电压E=12.03V，LED全亮，右边的VT3被导通，一方面启动报警电路，一方面启动继电器，使牵引电磁铁动作带动机械装制对升降机制动。 图2-6 V1在高电平时，555芯片得电，在Vcc的驱动下，与R1，C1，Rp共同组成的无稳态多谐振荡器振荡，计算公式如下： 其频率可在15Hz～2000Hz以内，调节Rp来调整发声频率，使警报声最响，LED间隔闪亮。 3．作品的性能分析 3.1功能特点 “智能防坠安全装置”不同于现在市场上的各种施工升降机防坠安全装置，它是以防坠可靠性好；灵敏度高；制动过程平稳；检修方便的要求来设计。它以测速电机输出电压精确测速，以渐进式制动代替瞬时制动，以本身重力机械制动代替由力激发的安全器，克服了限速器、安全钳、缓冲器，齿轮锥鼓形渐进式防坠器等安全保护装置一般都只适用于钢丝绳断裂的时候才能产生作用，而且存在制动冲击系数偏大，强度及耐久性方面不理想，制动有误差，检修不便，维护成本高等缺点。 3.2工作效率 “智能防坠安全装置”制动距离：按照主流齿轮齿条式施工升降机一般情况下最大提升速度1.6m/s设计，安全器的制动距离1.25m-1.55m,满足GB-10555规定最大安全制动距离2m。 “智能防坠安全装置”制动时间：经测试，模拟计算出防坠安全装置的制动时间为0.3s，满足GB/T-10554规定的安全制动时间限定。 “智能防坠安全装置”制动冲击系数：根据防坠安全装置制动距离，求出防坠安全装置最大制动力矩 ， 取W+Q=3200kg,弹簧压缩 ，制动速度计算为1.40m/s, 冲击系数 , 结果与试验值相符。 试验过程防坠安全装置制动平稳，离合器磨损较小，综上，本装置工作效率较高，能够满足升降机的防坠制动。 3.3 soildworks仿真分析 离合器内圈设计洞察分析 离合器内圈位移偏移 离合器内圈应变分析 离合器内圈应力分析 中心轴位移偏移分析 中心轴应力分析 通过soldworks仿真分析对整个机械的重要部件离合器内圈的设计洞察分析、离合器内圈位移偏移、离合器内圈应变分析、离合器内圈应力分析和中心轴位移偏移分析、中心轴应力分析，可知当材料选择适当整个机械可以承受机箱和货物及冲击共2.85吨，符合实际的需要。 3.4技术经济分析 “智能防坠安全装置”单个造价约1500元，容易产品化标准化生产，在同类产品中将有很大的价格优势；它可以根据不同需求制造出不同规格大小的产品，以满足不同型号的需要，适当改进后可以推广应用到其它类型的升降设备，有着广阔的开发前景和市场应用前景；“智能防坠安全装置”易于检修维护，可以节约很多人力成本；建筑施工设备生命周期较短，在我国为五年，我国建筑市场庞大，“智能防坠安全装置”将有很大的市场空间；由于“智能防坠安全装置”结构简单易于测试，且能减小施工升降机的重力偏心矩，有利于升降设备的优化及试验装置的革新，“智能防坠安全装置”的上下游产品市场空间也很大。 4．主要创新点 1.本装置采用渐进式制动，机械制动部分启动以后，其制动力矩会不断增大，直到升降机完全停止下降，能有效防止刚性冲击，具有安全可靠的特点。 2.本装置采用正反双螺纹轴移动刹车块，可以在轴转动下朝相对的两个方向同时运动，从而避免单向摩擦产生偏心力矩，保证了制动过程装置的稳定，减小制动过程中对装置的冲击。结构稳定，精确显著提高，保证了刹车强度和工作性能。 3.本装置的制动过程不需另外提供动力，依靠升降机自身重力来提供，使结构更简单，减低了制作成本。 4.本装置测速部分采用电机电流反馈升降机速度变化，比一般的速度传感器更加精确安全可靠。 5．应用前景 “智能防坠安全装置”具有结构简单、制动稳定、便于检测维护，安全可靠、适用性强等特点，可以根据不同需求制造出不同规格大小的产品，以满足不同型号的需要，可广泛应用于各种有轨施工升降机，并且经适当改进后可应用于商业电梯,实际应用推广价值高。 “智能防坠安全装置”的设计有利于施工升降机及施工升降机防坠安全装置检测装置的优化。若技术成熟以后，可望将本智能防坠安全装置列入安全检查装置范围，使电梯类产品都安装本装置才能投入使用，有着广阔的开发前景和市场应用前景。 参考文献 [1]徐格宁．起重运输机械结构设计EM]．北京：机械工业出版社.1997． [2]徐克晋．金属结构[M]．北京：机械工业出版社.1982． [3]博弈创作室．APDL参数化有限元分析技术及其应用实例[M]．北京：中国水利水电出版社.2004． [4]全永昕等编1摩擦磨损原理1浙大出版. 1988 [5]沈阳建院机械系1维修工程学11985 [6]吴宗泽，罗圣国。机械设计课程设计手册[M]．第三版，北京：高等教育出版社．2005 [7]刘小年，郭克希．机械制图[M]．第三版，北京：机械工艺出版社．2004 [8]王先逵，机械制造工艺学[M]．第二版，北京：机械工艺出版社．2004 [9]陈日耀，金属切削原理[M]．第二版，北京：机械工艺出版社．2002 实物照片
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品的设计和发明的目的： 随着目前施工技术的不断提高，正是因为施工升降机一般应用在高空和深井等施工领域，其施工安全问题也成为了衡量一部施工升降机性能好坏的重要方面，高空和深井等施工环境一般都比较恶劣，所以国家规定施工升降机都要定期做安全检查和维护，这就加大了升降机的维修维护费用，影响工程的正常进行，而且经过定期检修的施工升降机也还是会发生安全事故，给国家和社会造成了巨大的损失。 作品的基本思路： 本项目研究一种防止施工升降机意外坠落的智能防坠安全装置，当提升钢丝绳或连接装置意外断裂或失控时，能够使轿厢平稳地支承在导向轨道上，使轿厢平稳地停止下落，而不致坠落造成严重事故。 作品的创新点，技术关键和主要技术指标： 本装置采用渐进式制动，机械制动部分启动以后，其制力矩会不断增大，直到升降机完全停止下降，能有效防止刚性冲击，具有安全可靠的特点。采用正反双螺纹轴移动刹车块，可以在轴转动下朝相对的两个方向同时运动，从而避免单向摩擦产生偏心力矩，保证了制动过程装置的稳定，减小制动过程中对装置的冲击。结构稳定，精确显著提高，保证了刹车强度和工作性能。而装置的制动过程不需另外提供动力，依靠升降机自身重力来提供，使结构更简单，减低了制作成本。再者装置测速部分采用电机电流反馈升降机速度变化，比一般的速度传感器更加精确安全可靠。
科学性、先进性
- 作品的科学性先进性： “智能防坠安全装置”不同于现在市场上的各种施工升降机防坠安全装置，它是以防坠可靠性好；灵敏度高；制动过程平稳；检修方便的要求来设计。它以测速电机输出电压精确测速，以渐进式制动代替瞬时制动，以本身重力机械制动代替由力激发的安全装置，克服了限速器、安全钳、缓冲器，齿轮锥鼓形渐进式防坠装置等安全保护装置一般都只适用于钢丝绳断裂的时候才能产生作用，而且存在制动冲击系数偏大，强度及耐久性方面不理想，制动有误差，检修不便，维护成本高等缺点。
获奖情况及鉴定结果
- 在湖南省第四届“长庆杯”机械创新大赛获二等奖 在湖南省第二届“芙蓉学子”大学生优秀创业计划资助行动获得资助
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品、录像、动画、图纸
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 作品的技术特点和优势： “智能防坠安全装置”具有结构简单、制动稳定、安全可靠、等特点，可以根据不同需求制造出不同规格大小的产品，以满足不同型号的需要，可广泛应用于各种有轨施工升降机。 作品的适应范围： “智能防坠安全装置”的设计有利于施工升降机及施工升降机防坠安全器检测装置的优化。若技术成熟以后，可望将本智能安全防坠装置列入安全检查装置范围，有着广阔的开发前景和市场应用前景。 作品的市场分析和经济效益预测： “智能防坠安全装置”单个造价约1500元，容易产品化标准化生产，在同类产品中将有很大的价格优势；它可以根据不同需求制造出不同规格大小的产品，以满足不同型号的需要，适当改进后可以推广应用到其它类型的升降设备，有着广阔的开发前景和市场应用前景她易于检修维护，可以节约很多人力成本；建筑施工设备生命周期较短，由于其结构简单易于测试，且能减小施工升降机的重力偏心矩，有利于升降设备的优化及试验装置的革新，它的上下游产品市场空间也很大。
同类课题研究水平概述
- 目前国内外的防坠安全装置其主要形式有齿轮锥鼓形渐进防坠安全装置和瞬时式防坠安全装置。 施工升降机上使用的曳引机还无自动防止吊笼下坠和对重物下坠的双向防坠安全器，故在吊笼上安装超载保护装置是当务之急，加强曳引机使用中的管理，保证对重物的额定重量，规范曳引式货用施工升降机的安装或拆卸是我们起重设备管理工作者的工作之重和努力方向。升降机一般都有机械自锁功能的，该功能是靠“刹车”来实现机械制动的；即在电动机不通电源的情况下，刹车会把电动机的转子抱死，使其不能转动。滑车其实就是因为某种原因，刹车抱不死电动机的转子。 此项目传动更加平稳、机构振动更小；结构简单、制动稳定、便于检测维护，安全可靠、适用性强，而且本智能防坠安全装置在升降机的吊笼突然遇到断绳等意外事故,吊笼自由加速坠落,此时,当吊笼坠落速度达到防坠装置安全动作速度时会自动打开制动装置,将吊笼制停在导轨上,可以防止事故的发生，有一定的先进性。
