CN217756653U - 绞磨的机械制动装置防失效结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种绞磨的机械制动装置防失效结构，涉及机械传动的绞磨和卷扬机，具体适用于绞磨和卷扬机的机械制动装置，用于解决传统设计因传动方式缺点造成的制动功能容易失效问题。绞磨的机械制动装置防失效结构采用直接顶推传递驱动力的方式代替以紧固螺纹传递驱动力的方式，实现绞磨松线工况驱动力的传动。在实施例中传递驱动力部件主要包括带有花键和弧形槽的轴套(20)和设置在动力输入齿轮(1)上的销钉(30)及辅助部件。销钉用于顶推轴套，在空载松线时，以上述方式传递旋转驱动力到动力输出齿轮(6)，推动绞磨滚筒作松线转动，规避了以紧固螺纹传递驱动力后松螺纹的阻力过大造成的制动失效风险，提高了绞磨机械制动装置的可靠性。

Description

绞磨的机械制动装置防失效结构

技术领域

本发明涉及机械传动的绞磨和卷扬机，具体适用于绞磨和卷扬机的机械制动装置。

背景技术

绞磨作为起重、牵引和紧线等作业用途广泛应用于野外施工和航运等领域。起重、牵引和紧线等作业，一般都是通过绞磨滚筒卷扬钢丝绳实现，卷扬停止后，为防止卷扬滚筒由于被卷扬物的重力或漂移倒拖产生反转，一般都设计有卷扬滚筒制动装置。传统绞磨由于原制动组件的空载松线工况设计为通过紧固螺纹传递旋转驱动力的方式，存在一定的瑕疵，偶尔会发生传动结束后，用以传动而锁紧的螺纹无法松脱，造成制动组件不能复位，无法夹紧制动摩擦片，引发制动失效。以下通过绞磨制动组件的简要工作原理来说明这一问题的存在。

传统绞磨卷扬滚筒制动装置由与动力离合器联动的辅助制动装置、带有摩擦片的制动组件和单向齿爪组件等组成，而这种瑕疵主要存在于制动组件中，以下重点分析与起重和制动工况直接关联的布置在绞磨变速器末端的一套制动组件和单向齿爪组件的工作原理。图9为结构分解图。左侧动力输入齿轮(1)联接绞磨动力来源端，右边动力输出齿轮(6)通过啮合一减速齿轮后联接绞磨卷扬滚筒，与卷扬滚筒同时转动。为简化结构和减少自重，早期绞磨通常为单卷扬滚筒。现在，为提高卷扬作业安全性，强制采用双卷扬滚筒。双卷扬滚筒时，动力由主卷扬滚筒上的齿轮，经过一中间齿轮，再传递到副滚筒上的齿轮，带动副滚筒同步同向旋转。一般这些传动齿轮组布置在滚筒内侧，为裸露设计。动力输入齿轮(1)的内圈与动力输出齿轮(6)一体的转轴(14) 上的螺纹是一对左旋螺纹副，两者相对旋转即可锁紧或分离制动摩擦片。当第一制动摩擦片(2)和第二制动摩擦片(4)夹紧单向齿轮(3)时，制动组件可视为一个整体，由于单向齿轮(3)被单向齿爪(8)等套件限制，只能向逆时针方向(卷扬起重方向) 即阅读侧轮齿向上旋转，而不能向顺时针方向(即松线方向)旋转，因此制动组件被单向锁止，即卷扬滚筒无法反转，并且被起重物的重力导致动力输出齿轮(6)反转(即顺时针方向)的趋势为螺纹副对摩擦片的锁紧趋势，即越夹越紧。

由于起重作业工况对绞磨滚筒制动要求最高，所以我们以起重作业为分析对象，主要分为以下三个典型工况。为了确保安全，除主动松线外，对绞磨滚筒来说反向制动状态为常态，所以把制动组件中摩擦片与相关齿轮侧面由分离到锁紧称为复位。锁紧状态即为反向制动状态，也就是制动组件的复位状态。以下是传统绞磨卷扬滚筒制动组件的工作过程。

1、起重工况

图11，来自前端的驱动力带动动力输入齿轮(1)逆时针旋转即阅读侧轮齿向上，动力输入齿轮(1)的内圈与动力输出齿轮(6)轴上的左旋螺纹副趋向紧固，夹紧摩擦片，至紧固力足够时，由于螺纹副的锁紧作用，动力输入齿轮(1)、单向齿轮(3) 和动力输出齿轮(6)等同于一体，由于单向齿轮(3)可以逆时针旋转，动力输出齿轮(6)带动卷扬滚筒，实现卷扬起重。

起重停止时，被起重物的重力由动力输出齿轮(6)通过夹紧的摩擦片传递到单向齿轮(3)，产生顺时针旋转趋势，而单向齿轮(3)不能顺时针旋转，故此卷扬滚筒处于反向制动状态。

2、带载松线工况

图11，前端的驱动力带动动力输入齿轮(1)顺时针旋转即阅读侧轮齿向下，动力输入齿轮(1)的内圈与动力输出齿轮(6)轴上的左旋螺纹副趋向松开，摩擦片与单向齿轮(3)分离，此时单向齿轮(3)无法阻止动力输出齿轮(6)转动，由于被起重物重力形成的顺时针旋转趋势，动力输出齿轮(6)做顺时针旋转，滚筒做松线方向转动，被起重物下降。

松线停止时，由前端加载在动力输入齿轮(1)的驱动力撤除，此时，动力输出齿轮(6)继续在重力的作用下保持松线旋转，为阻止被起重物继续下降，必须迅速锁紧摩擦片，使制动组件复位。目前一般采用设置另外一套与动力离合器联动的辅助制动装置，在离合器分离，即驱动力撤除的同时，辅助制动装置联结至动力输入齿轮(1)，通过齿轮间的力传递，去锁止动力输入齿轮(1)的自由转动，使之与顺时针旋转的动力输出齿轮(6)间产生一个紧螺纹旋转，即锁紧摩擦片方向的旋转，在经过一定角度的旋转角后，摩擦片被锁紧，实现复位，此时，制动组件等同于一体，由于单向齿轮 (3)的阻止，卷扬滚筒被反向制动，被起重物体停止下降。

3、空载松线工况

如图11，前端的驱动力带动动力输入齿轮(1)顺时针旋转即阅读侧轮齿向下，动力输入齿轮(1)的内圈与动力输出齿轮(6)轴上的左旋螺纹副趋向松开，单向齿轮(3)与摩擦片分离，此时，因为没有负载，动力输出齿轮(6)保持静止状态，动力输入齿轮(1)继续顺时针旋转，直至在左旋螺纹的作用下向左移动至锁紧平面轴承 (12)。此时，动力输入齿轮(1)经过平面轴承(12)、锁止螺母(11)及转轴(14) 与动力输出齿轮(6)等同于一体，动力输入齿轮(1)带动输出齿轮(6)一起做松线方向旋转。空载松线停止时，加载在动力输入齿轮(1)的驱动力撤除，此时，动力输出齿轮(6)不受外力，制动组件中的摩擦片保持在松开状态，在无外力干预的情况下，不会复位，其复位需在下一次起重时实现。

在下一次起重时，动力输入齿轮(1)逆时针旋转即阅读侧轮齿向上，由于被起重物体的重力阻止动力输出齿轮(6)转动，此时动力输入齿轮(1)对平面轴承(12) 作松螺纹方向旋转，如被起重物的重力施加在输出齿轮(6)上的松螺纹方向的扭矩大于松开螺纹所需的扭矩，则动力输入齿轮(1)松开对平面轴承(12)的锁紧后，动力输入齿轮(1)向右移动，使制动组件复位。动力输入齿轮(1)锁紧输出齿轮(6)后，产生起重卷扬力，进入起重工况。

由上述工作原理分析所知，松线工况的驱动力是由动力输入齿轮(1)顺时针旋转向左移动至锁紧平面轴承，并利用这种锁紧力传递扭矩，以驱动转轴(14)及动力输出齿轮(6)转动，实现松线操作。松线工况时动力输入齿轮(1)通过螺纹对平面轴承(12)的紧固作用类似于紧瓶盖，锁紧程度越小越有利于下一次起重时的松螺纹，同时也与下一次起重时被起重物体的重量有关，起重物越重，越有利于松开螺纹，也就是有利于制动组件复位。

虽然传统结构在设计时已经考虑到空载松线时，使用这种紧螺纹方式传动后，松螺纹时的阻力，会有一定的负面作用，因而采用在中间加装平面轴承以减小这种副作用，但实际由于零件的加工精度、表面粗糙度和薄型平面轴承承压时的刚度等不够理想，会加剧松螺纹困难；而使用中产生的滚筒轴承以及双卷扬滚筒之间裸露的传动齿轮间的润滑状态变差，也会加大松线时所需的驱动力；加上空载松线时可能的粗暴操作，以及快速和长距离松线，也加剧了松线操作时的对滚筒的驱动力，这些因素的叠加使空载松线时通过螺纹传递的驱动力显著增加，因而传统空载松线驱动方式的实际副作用比预期更明显。

上述原因可能造成一些绞磨在空载松线时螺纹的锁紧力过大，会引发在下一次起重时，不易松开，制动组件不能复位。此时，动力输入齿轮(1)经过平面轴承(12)、锁止螺母(11)和动力输出齿轮(6)仍然等同于一体，在动力输入齿轮(1)提升方向的旋转驱动力下，动力输出齿轮(6)带动滚筒作起重卷扬，虽然被起重物的重力施加在动力输出齿轮(6)上的力为松螺纹方向，但在中小起重载荷时，重力作用可能仍然无法松脱锁紧的螺纹，在将被起重物体提升到高空停止起重，即撤除动力输入齿轮 (1)的提升扭力时，辅助制动装置介入，对动力输入齿轮(1)施加一个制动力，阻止其被动反转，一般情况下辅助制动装置由于制动能力有限，所以不能提供足够的制动力给动力输入齿轮(1)，去完全阻止动力输入齿轮(1)在动力输出齿轮(6)拖动下做松线方向转动，此时被起重物体会在辅助制动装置较弱的制动阻力状态下，掉落地面(俗称“逃磨”)，存在一定的安全风险。

绞磨作为小众施工机具，应用范围比较有限，相对生产量较小，因此在之前数十年的时间内，主要结构原理基本没有变化。从工作原理分析，尽管制动组件松线工况传动方式存在一定瑕疵，但以往的产品在使用中没有产生明显的缺陷或故障，偶有制动失效，一般采用快速切换离合器即可消除，大都判断为制动摩擦片故障。而在近年同结构原理的双滚筒绞磨上，制动失效频发，造成被起重物跌落，给施工带来不安全因素，目前已禁止用于起重。主要风险体现在：

绞磨在起重时，需要收紧尾绳来确保卷扬钢丝绳在滚筒上的摩擦力以及收纳卷回的钢丝绳，都是采用人工收紧和整理钢丝绳尾绳，随着被起重物上升，大量收卷回来的钢丝绳由人工盘存在绞磨后方，一旦发生“逃磨”，也就是制动组件的制动失效，被起重物开始坠落，钢丝绳余绳开始反抽，此时靠人力拉不住钢丝绳，松手后，钢丝绳与滚筒的摩擦力消失，被起重物体加速坠落，除物损外，盘存在后方的钢丝绳在被快速反抽时会飞起，威胁到作业人员安全。

经过对数十台故障绞磨的拆解分析，全部确认为松线操作后，紧固螺纹无法松开引起。具体为：在松线操作时动力输入齿轮(1)通过螺纹对平面轴承(12)的紧固方式传递旋转动力后，再进行起重操作时，动力输入齿轮(1)逆时针旋转，产生松螺纹方向的力，与被起重物施加在动力输出齿轮(6)及转轴(14)上的松螺纹方向的力相互作用，在中小起重载荷的情况下，不足以松开这种螺纹紧固力，此时，动力输入齿轮(1)通过螺纹对平面轴承(12)的紧固作用使之与锁止螺母(11)、转轴(14)及动力输出齿轮(6)等同于一体，因此，动力输入齿轮(1)驱动动力输出齿轮(6)逆时针旋转，将被起重物卷扬至高空，此时制动摩擦片组没有复位，制动功能无效，一旦停止起重，被起重物快速下降。分析对比同款产品单滚筒型号无频发制动失效的情况，主要是因为双滚筒绞磨松线驱动力相比单滚筒显著增加，使得在松线时动力输入齿轮(1)对平面轴承(12)的紧固力随之增加，松螺纹变得更加困难。为克服这种情况，比较有效的方法是改变松线工况时旋转驱动力的传动方式，避免通过紧固螺纹传递旋转驱动力这种传动方式存在的问题。

发明内容

针对传统绞磨空载松线工况采用紧固螺纹传递旋转驱动力的方法，存在螺纹锁紧后不易松开的问题，设计了一种直接顶推方式传递旋转驱动力的结构，使空载松线驱动力传动方式相对直接可靠，避免了原传动方式螺纹锁紧后不易松脱引发的制动失效风险。

本发明(图1)对原制动组件的空载松线驱动方式进行了改进，采用一个带有内花键的轴套(20)，轴套内侧设有3条弧形槽(图3)，弧形槽(31)与设置在动力输入齿轮(1)上的3个销钉(图4)配合，传递空载松线旋转驱动力。此方案使得在松线操作停止时，动力输入齿轮(1)可不受阻碍地回转，确保制动组件顺利复位，消除了原结构动力输入齿轮(1)回转时松脱困难的瑕疵。

具体设计案例整合在采用“自复位结构”(专利号：202121557620.7)的某型号绞磨制动组件上，如不采用“自复位结构”时，可去除复位弹簧(13)，也可作去除复位弹簧后的简化设计，如将轴套(20)上的内圆弧槽(31)改为在轴套外圆上的半开放圆弧槽，这样结构更直观，销钉(30)位置与圆心的距离也可加大，产生的力矩更大。

工作原理如下：轴套设置有内花键(35)，套在带有花键的转轴(14)头上，花键用于传递旋转力并可调整轴套相对于动力输入齿轮(1)的转角，控制定位销钉(30) 在弧形槽(31)内的位置。轴套(20)不承受轴向力，所以轴套用外侧的一个卡簧(22) 即轴用弹性挡圈固定，轴套(20)轴向游动于卡簧(22)和动力输入齿轮(1)之间，并保持合适的间隙(此间隙为动态，参数见具体实施内容)。轴套内侧(图中右侧)设置的3条弧形槽(31)，每条弧形槽占90°圆心角，弧形槽与设置在动力输入齿轮上的3个销钉(30)配合，销钉可在弧形槽内顺槽的弧形滑动，动力输入齿轮(1)顺时针旋转作空载松线转动时(图6和图8)，销钉(30)同时旋转，由弧形槽(31)内中间某位置(参数见具体实施内容)移动至弧形槽顶端时，推动轴套(20)转动，旋转驱动力由动力输入齿轮(1)上的三个销钉传递给轴套，再通过轴套上的花键，传递给转轴(14)，带动与转轴一体的动力输出齿轮(6)转动，实现滚筒空载松线运动。松线停止后，动力输入齿轮(1)逆时针回转不受阻碍，在下一次起重时，动力输入齿轮 (1)在前端来源动力的驱动下，轻松转动至复位状态(图5和图7)，锁紧摩擦片后，开始起重。采用“自复位结构”时，在松线工况结束后，复位弹簧(13)第一时间回弹，轻松驱动动力输入齿轮(1)回转，使制动组件复位。

附图说明

图1：本发明零部件分解主图

图2：本发明零部件右侧视分解图

图3：本发明轴套内侧图

图4：本发明销钉图

图5：本发明制动组件复位状态图

图6：本发明制动组件松线状态图

图7：本发明复位状态销钉位置透视图

图8：本发明松线状态销钉位置透视图

图9：传统制动组件零部件分解图

图10：采用自复位结构制动组件零部件分解图

图11：传统制动组件工作示意图

图中：1、动力输入齿轮；2、第一制动摩擦片；3、单向齿轮；4、第二制动摩擦片；5、衬套；6、动力输出齿轮；7、单向过渡齿轮；8、单向齿爪；9、弹簧；10、固定销；11、锁止螺母；12、平面轴承；13、复位弹簧；14、转轴；20、轴套；21、垫圈；22、卡簧；30、销钉；31、弧形槽；32、齿轮复位弹簧脚插孔；33、轴套复位弹簧脚插孔；34、花键轴头；35、内花键；36、卡簧槽。

具体实施方式

以下结合具体实施例的附图对本发明进行详细说明。实施例以本发明技术方案为依据进行实施，给出了详细的实施方法和具体操作过程，但是本发明不限于下述实施例。

一般绞磨制动组件摩擦片从锁紧状态(图7)到完全松开，动力输入齿轮(1)顺时针方向的转角大约为15°～30°，也就是说调整到使销钉(30)在转动15°～30°后滑移到圆弧槽的顶端(图8)，此时摩擦片已经完全松开，可以开始顶推轴套，将旋转驱动力传递给转轴(14)，开始松线，而松线操作结束后，动力输入齿轮(1)逆时针方向返回旋转15°～30°，即可使摩擦片复位。为确保制动组件性能最佳，上述角度参数依靠调整花键轴头(34)与内花键(35)的相对位置来实现，调整精度要求调整角可小于15°，也就是每齿对应的转角应小于15°。为满足这一精度要求，花键齿数必须大于24齿。本实施例根据轴径，选用34齿的花键轴和轴套。

轴套上的3条弧形槽(31)在轴套圆平面上各占90°圆心角，销钉(30)限制在槽内滑动，扣除销钉自身占据的约15°角，动力输入齿轮(1)相对于轴套(20)的有效转角约75°，而松开摩擦片最大占用30°角，反之从销钉顶推弧形槽的位置反向移动到锁紧摩擦片(即复位状态)位置，销钉最大行程圆心角为30°，随着摩擦片的磨损，这个角度会逐渐增大，所以槽内其余45°圆心角作为摩擦片磨损后的转角冗余。当摩擦片磨损后，实际锁紧摩擦片需要的转角接近75°时，则需重新调整花键配合或更换摩擦片。

可以采取加大弧形槽的圆心角，如采用2个销钉，去适应更大的摩擦片磨损量，减少维护保养时调整冗余转角的频次，但是这样单个销钉承受的力加大，而在摩擦片磨损后锁紧摩擦片所需的转角更大，在空载松线操作时，销钉滑动到弧形槽顶端的距离更长，销钉接触冲击力加大。所以需综合考虑销钉的强度和抗冲击能力。

本设计案例整合在带有“自复位结构”的制动组件上，复位弹簧(13)除了可替代辅助制动装置外，其持续施加在动力输入齿轮(1)和轴套(20)间的复位力，为阻止销钉(30)顶推弧形槽(31)顶端的方向，形成缓冲，降低了销钉在顶推圆弧槽(31) 顶端时的冲击。如不采用“自复位结构”，应在销钉与圆弧槽顶端之间设置缓冲弹簧片或其它弹性部件，以减缓冲击。

安装与调整：将制动组件按图1安装好动力输入齿轮(1)后，将复位弹簧(13) 套在轴套(20)上，将动力输入齿轮(1)逆时针旋转至锁紧摩擦片(即复位状态)，使齿轮复位弹簧脚插孔(32)位置处的销钉(30)，距离与轴套复位弹簧脚插孔(33) 逆时针方向最近的弧形槽顶端(松摩擦片旋转方向)保持15°～30°转角，将轴套(20) 套上花键轴头(34)，在用卡簧固定轴套前，选择合适厚度的垫片(21)，调整轴套(20) 在动力输入齿轮(1)和卡簧(22)之间轴向游动的间隙量，因为这种游动间隙的大小随着动力输入齿轮(1)与轴套(20)的相对转角而变化，调整时，应在动力输入齿轮顺时针旋转至销钉(30)滑动到弧形槽(31)顶端时，保持0.5～1mm间隙。间隙过小容易形成动力输入齿轮(1)内的螺纹副锁紧轴套(20)，间隙过大会使销钉(30)顶推时受力状态变差。安装卡簧锁定轴套，再将复位弹簧(13)脚插入各自插孔，在轴套(20)上设置有3个插孔(其数量和调整角根据实际需要设置)，用以调整复位弹簧回弹力。

Claims (6)

1.绞磨的机械制动装置防失效结构，采用直接顶推传递驱动力的方式代替以紧固螺纹传递驱动力的方式，实现绞磨松线工况旋转驱动力的传动，主要部件包括带有内花键和弧形槽的轴套(20)、设置在动力输入齿轮(1)上的销钉(30)、头部带有花键的转轴(14)、调整轴套轴向位置的垫片(21)和固定轴套的卡簧(22)；

轴套(20)内设有内花键，与转轴(14)上的花键头配合，除传递扭矩作用外，可以精确调整轴套与动力输入齿轮(1)上销钉(30)的相对位置，使得销钉在开始传递扭矩时，制动摩擦片处于完全松开状态；

轴套(20)内设有3条弧形槽(31)，与动力输入齿轮(1)上的3个销钉(30)配合，在销钉转到弧形槽的顶端时，顶推并驱动轴套，经过轴套将来自动力输入齿轮上的驱动力传递给转轴(14)。

2.根据权利要求1所述的绞磨的机械制动装置防失效结构，所述的轴套(20)与转轴(14)间的安装配合，采用花键结构，其特征是，轴套既能传递旋转驱动力又能调整与动力输入齿轮(1)上销钉(30)的相对角度，用于在初次安装或维护保养时调整制动摩擦片松开时的间隙。

3.根据权利要求1所述的绞磨的机械制动装置防失效结构，所述的轴套(20)内设有3条弧形槽(31)，其特征是，轴套(20)内弧形槽的圆心角，在满足动力输入齿轮(1)上与弧形槽配合的销钉，从摩擦片锁紧状态到完全松开摩擦片的转动角度外，还留有摩擦片磨损后转角会增大的冗余角度。

4.根据权利要求1所述的绞磨的机械制动装置防失效结构，所述的带有内花键和弧形槽的轴套(20)，其特征是，轴套外圆设有复位弹簧(13)安装位置和轴套复位弹簧脚插孔(33)，与动力输入齿轮(1)上的齿轮复位弹簧脚插孔(32)配合，用于安装复位弹簧，整合“自复位结构”。

5.根据权利要求1所述的绞磨的机械制动装置防失效结构，所述的销钉(30)通过顶推弧形槽(31)顶端传递扭矩，其特征是，复位弹簧(13)持续施加在动力输入齿轮(1)和轴套(20)之间的复位力，为阻止销钉(30)顶推弧形槽(31)顶端的方向，形成缓冲，降低了销钉(30)在顶推弧形槽(31)顶端时的冲击。

6.根据权利要求1所述的绞磨的机械制动装置防失效结构，所述的轴套(20)由卡簧(22)即轴用弹性挡圈固定，其特征是，轴套轴向游动于卡簧与动力输入齿轮(1)之间，轴套(20)与动力输入齿轮(1)的间隙可以调整，在卡簧与轴套之间，设有用于调整轴套与动力输入齿轮间隙的垫片(21)。

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