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分析:

塔式起重機的制動器是一種獨立驅動的制動裝置，當塔式起重機的高速軸制動器失效或高速軸與低速軸之間的傳動機構失效時，可以實現安全可靠的制動，避免不制動而快速墜落造成的事故和損失。

制動器的工作過程可分為兩種情況:

(1)當塔式起重機的起升機構開始起升時，制動器釋放制動器；當高速軸制動器可以控制穩定制動時，制動器保持松閘狀態。

(2)當塔式起重機因斷電而停機時，安全制動器被接通。此時高速軸剎車失靈，重物加速下落超過規定速度設定倍數(通常為1.5倍)時，可根據安全性能要求進行調整，制動器收到限速信號后會自動剎車。

鉗盤式制動器由于其具有制動性能穩定、散熱性能好、制動響應快、集成度高等一系列優點，所以應用廣泛，也是塔式起重機最常用的制動器，但制動時的夾緊力影響較大。

鉗盤式制動器結構如圖2所示。

基于TRIZ優化設計塔式起重機制動器

根據制動裝置的工作過程和原理分析，為了保證安全制動，需要保證制動器兩側的夾鉗隨動裝置在工作過程中始終與滾筒轉盤平行，同時需要抑制拉桿彈性變形帶來的制動沖擊。因此，為了減少制動時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裝置。

利用TRIZ原理提供解決方案:

根據以上矛盾分析，工程問題主要是物理矛盾，TRIZ推薦的物理矛盾解決原則見表1。

基于TRIZ優化設計塔式起重機制動器

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

1-劃分原則是指以虛擬或物理的方式將一個系統劃分為若干部分，從而提取或組合一種有益或有害的系統屬性。通過創新原理1-分割原理，對原機的現場裝置進行分解，將拉桿和連接塊確定為有用部件。

7-嵌套原理是指將一個物體暫時或永久嵌入另一個物體的方法，目的是節省空間，在機械結構設計中特別常用。如圖3所示，該方案采用這種原理，在中間銷軸的上端面開一個圓孔，帶有滑道的隨動桿一端通過螺釘嵌套在銷軸的上端面。該銷軸取代了原夾具隨動裝置的支撐機構。通過調節螺釘的松緊，隨動桿可以旋轉(在自己的平面內)和移動(沿矩形滑道)，從而實現桿的調節和定位。

基于TRIZ優化設計塔式起重機制動器

5-組合(Combination)是指在空間上組合相同的物體或相關的操作，或者在時間上組合相同或相關的操作。該方案中，隨動拉桿的一端通過空間組合與帶有圓柱形滑軌的連接塊相結合，使原來的圓柱形滑軌變成矩形滑軌，在結構和功能上可以實現原來兩個平面機構結構件的功能；同時，制動臂中間銷軸的上端面設有階梯孔，嵌套銷軸、制動臂和隨動拉桿通過螺釘和擋板的限位作用連接，實現共同作用。

性能驗證:

改進后的制動機構通過ADAMS動力學仿真模型進行計算(其初始制動狀態為松動，輪輞與摩擦片距離為15 mm，制動液壓泵、液壓缸、制動片等其他條件一致)。仿真結果表明，改進方案的最大夾緊力沖擊為320千牛，比原方案降低了40%。制動器的制動響應時間由原方案的0.08 s縮短至0.045 s。

通過運動學仿真，改進前后左右夾鉗的位移如圖4和圖5所示。

基于TRIZ優化設計塔式起重機制動器

根據上述實驗數據，優化前1 min右夾鉗的最大位移分別為2.7 cm和0.75cm；優化后。左夾鉗最大位移優化前為1.02 cm，優化后為0.54 cm。優化后左右夾鉗的位移低于優化前，右夾鉗為72.2%，左夾鉗為47.1%。可以看出，左右夾鉗在剎車過程中同步水平良好，在運動過程中夾鉗可以保持與輪輞平行，優化后的夾鉗結構可以滿足夾鉗功能隨位置變化的要求。

結論:

(1)基于工程上制動裝置存在的問題，應用TRIZ創新理論可以減小左右夾鉗的位移，從而保證制動的安全性能。

(2)基于TRIZ的發明創新理論，按照標準的工藝方法可以找到最優解。這種方法不僅可以減少傳統實驗設計方法的低效、費時、費錢的問題，還可以綜合評估改進方法背后的邏輯，從而在方案階段就能抓住主要矛盾，使改進設計切實可行。

(3)TRIZ的問題解決模型需要基于工程經驗來快速定位矛盾的話題，所以在使用TRIZ解決問題時，就需要結合工程經驗和TRIZ理論，兩者缺一不可。