建筑簡易升降機隨著建筑業(yè)的興起，使用數(shù)量與日俱增，但目前絕大多數(shù)都未配置防墜落保護裝置，一旦斷繩，將會發(fā)生機毀人亡的重大事故，因此研制出一種安全可靠的防墜落保護裝置及具迫切性和必要性。1996年福建省科委下達(dá)了研制建筑簡易升降機防墜保護裝置的重點科研項目，作者承擔(dān)并完成了這一項目，該科研成果已通過福建省科委主持的技術(shù)鑒定，現(xiàn)將設(shè)計要點概述如下。
1 設(shè)計思路和要求
1．1保護裝置在升降機正常作業(yè)時，一旦發(fā)生斷繩，保護裝置應(yīng)立即動作，將吊籠制停，即可靠性要好。
1．2當(dāng)保護裝置動作時，其制動距離應(yīng)小于0．5m，即靈敏度要高。
1．3保護裝置不論在任何載荷（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，均應(yīng)可靠動作，沖擊力要小，不對導(dǎo)軌、井架和裝置結(jié)構(gòu)造成損壞，即隨機性要強。
1．4吊籠上兩個保護裝置應(yīng)當(dāng)設(shè)計相同并同時作用，且吊籠墜落試驗前后底板在各方向的水平偏差改變值不超過5%，即均衡性要高。
1．5保護裝置應(yīng)能適應(yīng)不同規(guī)格的吊籠，且安裝該保護裝置時，不對簡易升降機操作和機構(gòu)作較大改動，即結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單，適用性要廣。
1．6該裝置起作用時，排除故障應(yīng)安全簡便。連續(xù)重復(fù)30次斷繩模擬試驗（其中重載試驗不少于10次），對結(jié)構(gòu)無損壞，能重復(fù)使用，即重復(fù)性要好。
2 設(shè)計原理
所研制的保護裝置由懸掛機構(gòu)和制停機構(gòu)兩大部分組成。懸掛機構(gòu)主要由牽引架體、牽引桿、壓縮彈簧和牽引鋼絲繩等組成。制停機構(gòu)主要由偏心制動輪、拉力彈簧、制動座板、導(dǎo)向塊等組成。
該保護裝置采用彈簧偏心輪式，其工作原理為，當(dāng)正常提升時，牽引鋼絲繩拉動偏心輪，使其旋轉(zhuǎn)；當(dāng)牽引桿上升到上極限位置時，偏心輪切口面與導(dǎo)軌平行，因偏心輪平面與導(dǎo)軌之間留有間隙，吊籠可上、下運行。一旦發(fā)生斷繩，懸掛機構(gòu)內(nèi)的壓縮彈簧迅速將牽引桿彈回原處，牽引鋼絲繩松馳，偏心輪在拉力彈簧作用下轉(zhuǎn)動，瞬即與導(dǎo)軌接觸，在磨擦力的作用下，偏心輪轉(zhuǎn)過一定角度，可靠地將吊籠制停在導(dǎo)軌上。
根據(jù)機構(gòu)的自鎖原理，當(dāng)驅(qū)動力的有效分力小于驅(qū)動力本身所引起的最大磨擦力，即驅(qū)動力的作用線進入到磨擦角以內(nèi)時，即使驅(qū)動力任意增大也無法使滑塊運動起來。從理論上推導(dǎo)，若偏心輪按圓弧展開，其形狀為一斜楔，并且斜楔的升角是變化的，所以偏心輪夾具具有隨機性和自鎖性。下面將論證偏心夾具的自鎖條件。
偏心夾具如圖la，設(shè)偏心輪半徑為R，旋轉(zhuǎn)軸半徑為r，轉(zhuǎn)角為α，作用力為P，力臂長為l，求其自鎖條件。
@Y4101
解：作出工件2對偏心輪3的總反力R23及偏心輪3與旋轉(zhuǎn)軸間的摩擦圓（摩擦圓的半徑ρ=f·r），欲使此夾具自鎖，R23應(yīng)通過該摩擦圓。為此，如圖lb所示，須使
S1≥S-ρ（1）
利用幾何推導(dǎo)，得
e≤cosφ(RSinφ+rf)/[sinα+fcosφ(α-φ)]（2）
@Y4102
從公式(2)看出：自鎖條件與力臂長度l和作用力P的大小無關(guān)，只要滿足這一幾何特性和零部件的機械強度要求，就能可靠自鎖。
3 偏心輪保護裝置的設(shè)計計算
當(dāng)提升鋼絲繩突然斷裂后，偏心輪在拉力彈簧力的作用下旋轉(zhuǎn)，使偏心輪與導(dǎo)軌之間產(chǎn)生一定的初始正壓力N0，同時偏心輪與導(dǎo)軌之間產(chǎn)生初始摩擦力F0，在F0的作用下，偏心輪進一步旋轉(zhuǎn)，使偏心輪與導(dǎo)軌之間的正壓力進一步增大，同時摩擦力也隨之增加，直到摩擦力F≥Ge/2（Ge為吊籠額定載重量，包括吊籠自重，每臺吊籠一般裝2套保護裝置），吊籠便附著在導(dǎo)軌上。
從斷繩至吊籠被制停住，偏心輪保護裝置動作過程可分為從鋼絲繩斷裂到偏心輪在彈簧拉力作用下與導(dǎo)軌面接觸產(chǎn)生一定的初始正壓力過程和在摩擦力作用下，偏心輪進一步鎖緊至吊籠被安全制停住過程。
第一階段：受力分析見圖2a，所有力對轉(zhuǎn)動中心O1，取矩：
@Y4103
P·l1Sinθ-F0(R-ecosα)-R23ρ-N0esinα=0
其中：F0=N0f1，R23≈N0，ρ=r·f2，f1=f2
經(jīng)推導(dǎo)，得
式中：P-拉力彈簧拉力，N；
F0-初始摩擦，N；
R-偏心輪半徑，mm；
r-旋轉(zhuǎn)軸半徑，mm；
l1-旋轉(zhuǎn)中心至彈簧拉力作用A點距離，mm；
l2-旋轉(zhuǎn)中心至C點的距離，mm；
l3-彈簧拉力作用點A與C之間距離，mm；
f1-導(dǎo)軌與偏心輪間的摩擦系數(shù)；
f2-旋轉(zhuǎn)軸與偏心輪間的摩擦系數(shù)；
α-O1O2延長線與BO2延長線之間夾角；
β-BA與No之間的夾角；
φ-總反力R23與正壓力N之間的夾角；
Φ-ρ與O1O2之間的夾角
第二階段受力分析如圖2b，所有力對轉(zhuǎn)動中心O1取矩（彈簧力不計）。摩擦力F阻止吊籠和制停裝置沿導(dǎo)轉(zhuǎn)面下滑，所以方向向上。
@Y4201
F(R-ecosα)-N·eSinα-R＇23ρ＞0
其中：N=F/f1,R＇23≈N,ρ=r·f2,f1=f2
代入（2）式并化簡
esinα－rf1/[(R－ecosα)f1]＜1 （5）
可見，只要偏心輪的設(shè)計能滿足（5）式的幾何條件，則彈簧力只要能使偏心輪與軌道間產(chǎn)生一點摩擦圖例是可使偏心輪越鎖越緊。
3．2結(jié)構(gòu)設(shè)計要點
3．2．1旋轉(zhuǎn)軸徑d計算
從受力分析知道，當(dāng)摩擦力F≥Kge/2時，吊籠將牢靠地制停在導(dǎo)軌上，其作用反力通過該轉(zhuǎn)軸的摩擦圓，近似地等于導(dǎo)軌對偏心輪的反作用力N，因此，旋轉(zhuǎn)軸主要受剪切力作用，其直徑選擇可按圓柱銷剪切的公式來求得。
d≥2000N/(π[τ]) (6)
式中：N-導(dǎo)致對偏心輪的反作用力，N；
k-動載系數(shù)取為1．3；
Ge-吊籠額定載重量，包括自重，N；
[τ]-45#鋼抗剪強度，Pa。
設(shè)計時還應(yīng)考慮可能單邊卡住導(dǎo)軌的不利情況，全部重載由單邊保護裝置承受以及考慮保護裝置的重復(fù)使用性，安全系數(shù)應(yīng)取大些，裝置中d選取為25mm。
3．2．2 偏心輪半徑R的初選
為使結(jié)構(gòu)緊湊，并考慮材料擠壓強度，一般按經(jīng)驗R可在（2～4）r≥R≥e+r+10之間選取，本裝置R取為50mm。
3．2．3 偏心輪偏心距的選擇計算
將R，r和φ=t-1sf的數(shù)值代入公式（2）并化簡，
e≤7/[Sinα+0．15cos(α－φ)] (7)
因為采用拉簧，α應(yīng)控制在π/2之內(nèi)，即α在0～π/2中變化，所以Sinα+0．15cos(α－φ)的值在0．15～1之間變化，將此值代入公式(7)，e≤(46．6～7)，取小值，所以e≤7，為了使自鎖更可靠，本裝置中e為6mm。
3．2．4 拉力彈簧的選擇
從公式（4）看出，當(dāng)R，r，e，f1、f2，l1、l2及φ為定值時，P取決于F0和α，彈簧力只要能使偏心輪與軌道間產(chǎn)生一點摩擦力，便可使偏心輪越鎖越緊。但是，初始摩擦力過小，會延長制動時間，甚至使吊籠下落速度過大而不能鎖住，因此應(yīng)盡可能使彈簧的拉力大一些，保證在足夠短的時間內(nèi)將吊籠鎖住。但是，彈簧的拉力也不應(yīng)過大，以免復(fù)位困難，經(jīng)過反復(fù)試驗，我們選用了初拉力為250～300N的彈簧，并作為可調(diào)的，能使1500kg的吊籠在鋼絲繩突然斷裂的情況下可靠地附著在導(dǎo)軌的任何位置上。
4 結(jié)束語
從自鎖條件和受力分析中看出，當(dāng)偏心輪保護裝置滿足其幾何特性自鎖條件和零部件的機械強度時，不論作用力多大都能可靠自鎖，其制動力矩是隨機的，不是恒定不變的最大力矩，這樣沖擊力極力小，制動平穩(wěn)可靠，由于懸掛機構(gòu)和制停機構(gòu)之間采用牽引鋼絲繩作柔性連接，所以結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，復(fù)位容易、適用范圍廣。本裝置經(jīng)福建省中心檢驗所檢驗，福建省科委鑒定，滿足上述設(shè)計和要求。