毕业设计(论文)
学生姓名： 刘兴子 学 号： [1**********]0
所在学院： 机械与动力工程学院
专 业： 机械工程及自动化
设计(论文) 题目： 插杆式擦窗机设计
指导教师： 徐海涵
2013年6月
插杆式擦窗机设计计算
摘要
如今社会经济迅猛发展，城市也越来越多，伴随着城市的产生，高楼大厦也
如雨后春笋般矗立起来，擦窗机便在这个背景下诞生了。擦窗机可以分为轨道式、 轮载式、插杆式、悬挂式、滑梯式。由于擦窗机需要人来操作，因此安全将置于
首位，设计时各个部件都必须具有绝对的安全可靠性能。
本课题是关于擦窗机装置的设计计算，主要研究计算了以下几个方面
的内容：
1. 介绍了擦窗机产生的背景及其在高楼大厦上的广泛应用。
2. 用电磁继电器组成控制电路，实现了擦窗机吊篮的上升、下降、制
动以及多档位速度控制，并选择了电缆内置的钢丝绳的型号。
3. 对擦窗机的结构件，地脚螺栓，工字钢吊臂进行了校核。
4. 分析了擦窗机安全装置中的安全锁、卷筒后备制动等。
5. 选择了擦窗机提升机的型号以及卷筒的布置形式。
关键词：建筑机械 吊篮 擦窗机 外墙清洗
The design of rod-type window wiping machine
Abstract
Today, social economy has been rapidly developing , the number of cities is also increasing, in the same time, many-storied building are also built. Window cleaning machine was born in this background. Window cleaning machine can be divided for track-type, load-type, plunger-type, suspension-type, slide-type. As a result of window cleaning machine need to human operate, so the safety will be put in the first place, when all parts must be absolutely safe and reliable performance.
This topic is about wipe window machine device design calculation, the main
research content are as follows:
1.The background of window cleaning machine and the application of tall
building are introduced.
2.Control circuit is consist of electromagnetic which make the window cleaning
machine rise, decline, basket braking and different speed control, and we select cable built-in wire rope model.
3.The window cleaning machine structure, anchor bolts, steel boom is checked.
4.Window cleaning machine safety device, safety lock and back-up brake drum,
is analysed.
5.The type of window cleaning machine hoist is selected and drum is arranged.
Key words : building machinery ；hanging basket ；window cleaning equipment ； external cleaning；
目录
摘要 ............................................................................................................................................ I Abstract ..................................................................................................................................... II
第一章 绪论 ............................................................................................................................. 1
1.1擦窗机发展概况 ................................................................................................................ 1
1.2本文研究内容 . ............................................................................................................... 1
第二章 擦窗机 ......................................................................................................................... 2
2.1擦窗机的定义及作用 . ................................................................................................... 2
2.2擦窗机的分类与选型考虑因数 . ................................................................................... 2
2.2.1插杆式擦窗机 ........................................................................................................ 4
2.3擦窗机的安装与维护 . ................................................................................................... 4
2.3.1擦窗机的安装 ........................................................................................................ 5
2.3.2插杆式擦窗机的使用 ............................................................................................ 6
第三章 插杆式擦窗机设计计算 ............................................................................................. 8
3.1 插杆式擦窗机的控制系统设计 . .................................................................................. 8
3.1.1 控制系统 ............................................................................................................... 8
3.1.2 信号传输和钢丝绳选择 ..................................................................................... 11
3.2 插杆式擦窗机结构件设计 . ........................................................................................ 13
3.2.1 地脚螺栓的选择及校核 ..................................................................................... 13
3.2.2 吊臂 ..................................................................................................................... 17
3.3 安全系统设计 . ............................................................................................................ 23
3.3.1 高处吊篮安全锁制动性能 ................................................................................. 23
3.3.2 卷筒制动器（后备制动器） ............................................................................. 29
3.4 插杆式擦窗机动力系统设计 . .................................................................................... 33
3.4.1 电动机的选择 ..................................................................................................... 33
3.4.2 卷筒的选择 ........................................................................................................... 36
第四章 结语 ........................................................................................................................... 41
参考文献 ................................................................................................................................. 42
致谢 ......................................................................................................................................... 44
第一章 绪论
1.1擦窗机发展概况
擦窗机是在高处作业吊篮基础上发展起来的产品。国外发达国家的擦窗机产
品发展较早, 如德国、日本、比利时、挪威等国家, 相继从60 年代初就逐步形成
了自己的产品系列。我国在80～90 年代新建的一批高层高档建筑, 大部分是由国
外建筑师设计, 并在建筑设计时已考虑了擦窗机的安装, 均选用了国外的擦窗机
产品, 为大厦以后外墙的清洗和维护等作业打下了良好的基础。
1995 年前后, 国内开始进入兴建高层建筑热潮, 国内专业擦窗机公司也相继
发展起来。目前, 擦窗机产品在我国已得到迅速发展, 已成为一种高新技术含量的
机电一体化设备。2003 年, 我国颁布了GB19154- 2003《擦窗机》国家标准。北
京、上海、广州等大城市中的高档建筑, 大部分都安装了擦窗机设备。但在国内
也还有相当一部分高层高档建筑, 由于建筑设计时未考虑擦窗机的配套设计, 无
法安装擦窗机设备, 给以后的清洗和维护带来了很大的不便。有些造型简单的大
楼, 采用大绳吊板进行人工清洗, 即不安全又不文明, 也无法进行更换幕墙玻璃、
补胶等作业; 对于造型复杂的大楼, 人工就无法清洗, 更谈不上进行其它作业。随
着我国法律、法规的不断健全, 文明程度的提高, 大厦物业管理的建立, 对其外墙
的定期安全清洗及检修维护, 已越来越引起人们的高度重视。大绳吊板人工清洗
终将被取缔, 擦窗机则是完成高空作业最安全、实用、高效的专用设备。安装擦
窗机的必要性已得到了普遍认可。
1.2本文研究内容
1. 擦窗机的结构和类型。
2. 擦窗机的工作原理。
3. 根据擦窗机GB19154-2003和机械设计手册对擦窗机各部件进行设计选型。
4. 对设计出的擦窗机进行安全分析并对一些关键安全部件进行强度校核。
5. 擦窗机的安装、维护、保养。
第二章 擦窗机
2.1擦窗机的定义及作用
擦窗机（permanently installed suspended access equipment): 用于
建筑物或构筑物窗户和外墙清洗、维修等作业的常设悬吊接近设备。
擦窗机的作用：
(1) 维护——可以承载两名工作人员对建筑物外饰面进行检查和维护；
(2) 清洁---可以承载两名工作人员定期对建筑物外饰面进行保洁、维
修，可以使建筑物的外观保持整洁并风貌常新；
(3) 应急---在火灾等特殊情况下，可以垂直运送被困人员；
(4) 运输---可以垂直吊运一些电梯无法运送的物品和设备。
[1]
2.2擦窗机的分类与选型考虑因数
按照擦窗机标准，擦窗机可分为：屋面轨道式（简称轨道式）、轮载式、悬挂轨道式（简称悬挂式）、滑车式和插杆式、滑梯式。
擦窗机最大的特点是非标准性机电设备。建筑物的高度、外观、立面结构形式、楼顶空间尺寸都不相同，因此也很难找到二台一样的擦窗机。针对每一栋大楼的
独特建筑形式和功能，在选用擦窗机时，应从安全性、经济性、实用性这三大原
则的基础上，按以下几点进行考虑：
（1）优先选用轨道式，自动化程度高，安全可靠；
（2）楼顶空间通道、立面结构等是否适合所选择的擦窗机型式；
（3）选用的擦窗机是否满足结构承载要求；
（4）选用的擦窗机尽量不影响建筑物的美观；
（5）擦窗机的造价业主能否承受；
（6）能否选用最少台数，完成整个大厦的作业。
擦窗机型号由组、型、特性代号、主参数代号和变型更新代号组成。
[2]
GB19154-2003标准对擦窗机编号方法如图2-1。
图2-1擦窗机编号方法
标记示例
a ） 额定载重量200kg ，屋面轨道式伸缩臂变幅擦窗机；
擦窗机 CWGS200 GB³³³³
b ） 额定载重量300kg ，屋面轨道式小车变幅擦窗机；
擦窗机 CWGC300 GB³³³³
c ） 额定载重量250kg ，轮载式动臂变幅擦窗机第一次变型产品；
擦窗机 CLZD250A GB³³³³
d ） 额定载重量150kg ，悬挂轨道式擦窗机；
擦窗机 CUG150 GB³³³³
e ） 额定载重量200kg ，插杆式擦窗机；
擦窗机 CCG200 GB³³³³
2.2.1插杆式擦窗机
该机型为小型擦窗机设备, 由插杆、电动吊船组成。该电动吊船与轨道式吊
船不同, 它自身配置有升降的提升机、安全锁、收绳器等。该擦窗机就位操作麻
烦、常布置于裙房和楼顶的局部位置。但其价格便宜, 业主以造价为首选条件时,
常采用此方案。主要技术参数:额定载荷200～300kg , 升降速度10m/ min 。吊船
自重约200 kg。
（1）滑车式擦窗机 滑车式擦窗机自重较轻, 自重加额载≤1000kg ,其受力
主要为女儿墙承受弯矩, M = 650 ³H ³1. 25 ( kg²m) (1. 25 为动载系数) 。 2) 插杆式擦窗机 插杆式擦窗机的结构受力可参照滑车式擦窗机计算。其座
地插杆、附墙插杆和插座布置图见图2-2 ,产品主要尺寸变化范围见表2-1。
[7][6]
图2-2 插杆式擦窗机
表2-1插杆式擦窗机产品主要尺寸变化范围
2.3擦窗机的安装与维护
擦窗机在使用过程中的一些损坏原因是没有注意擦窗机的运输、存放、安装
和维护等细节造成的。例如一些擦窗机在使用时发现套筒不圆整，导致在组装时
难以将插杆装入其中，这是由于在运输途中不注意套筒的碰撞变形。又如一台擦
窗机使用很久后，出现锈蚀，这与后期的维护有关，需要多注意定期检查和涂漆保养。
2.3.1擦窗机的安装
（1）、插杆式吊臂
由吊臂、吊臂杆、回转机构、可变悬挂点和钢丝绳回收机构组成。调节插杆式吊臂的回转机构，将吊篮回收到屋顶（CWY —2221型和CQY —2221型插杆式吊臂）。吊臂悬挂吊篮的水平距离可以按固定预留位置调节，以便调节吊篮与幕墙之间的距离有一最佳位置。插杆式吊臂的外表面全部热喷铝，保25年不生锈。
（2）、插座
A ．屋面固定
采用特殊型钢制造成插杆底座，将用高强无缝钢管与钢板组焊成套筒插入底座，将吊臂主架插入套筒内组成插杆式吊臂。
B ．女儿墙固定
采用20＃槽钢驻焊成方面柱（高800mm ），它的两个立面上各有一对孔与吊臂立柱的U 型立杆的两孔对应，当吊臂贴紧吊臂座后插入两个销栓，将吊臂与吊座牢固结合成一个整体。
C. 卷扬型吊篮擦窗机及相关部件
（1）、卷扬型吊篮：合金铝制作，四周围有防护金属板网。吊篮配卷筒式提升器1套、排绳机构、制动系统、动力系统及各种安全装置、电控系统、防撞系统。吊篮下端装有4个行走轮。
该动力系统的制动系统采用主副刹车装置。主刹车是盘式电磁制动器直接作用于电机上；副刹车是采用无动力机械式后备限速制动器直接装置在卷筒上。在吊篮正常工作时，限速制动器不工作；当传动系统在运转过程中发生故障而引起吊篮超速坠落时（额定速度的140%），由于齿轮速度的变化而产生的离心力，迫使限速器动作，即时停止卷筒运转。该制动器灵敏度高、动作平稳、安全可靠。
该吊篮是用同一个电机带动两个卷筒同时工作的，使两个卷筒同步，
因此吊篮始终保持平衡的；又因为吊篮的钢丝绳的升降机构和钢丝绳收放机构是同一套机构执行的，因此该吊篮的提升系统结构简单、安全可靠。
（2）、安全机构：紧急停车装置、超载安全装置、吊篮高、低位限位装置、行程终止限位装置、卷筒上钢丝绳长度限位装置、钢丝绳松绳装置等。每个安全装置在控制箱里都连接有报警指示灯与蜂鸣器，当安全装置启动时，报警指示灯启明并发出蜂鸣声。
（3）、救生安全机构：配备特制尼龙绳及安全卡，此安全系统完全独立于擦窗机，单独发挥其安全作用。
（4）、电力故障与事故的人工降落装置：该装置在停电或发生意外故障时，可手放机构将吊篮缓慢降到安全位置。
（5）、双吸盘临时定位装置：配备两套双吸盘，在刮风期间起临时定位作用。
（6）、吊篮外表面全部热喷锌，保25年不生锈。
安装后需要注意：
1.所有零部件的安装应正确、完整，有连接牢固可靠，装配质量应符合JG/T5011.11的规定。
2. 安装擦窗机用的预埋螺栓直径不应小于16mm 。
3. 为保证吊船在建筑物表面正常运行，当作业高度超过30m 时宜配置固定的导向装置。
4.在建筑物的适当位置，应设置供擦窗机使用的电源插座。该插座应防雨、安全、可靠。紧急情况能方便切断电源。
2.3.2插杆式擦窗机的使用
插杆式擦窗机的使用中注意的问题：
1.擦窗机应能在下列环境下正常工作：
a ）环境温度：-20℃～+40℃；
b ）环境相对湿度不大于90％（25℃）；
c ）电源电压偏离额定值±5％；
d ）工作处阵风风速不大于8.3m/s（相当于5级风力）。
[1]
2.擦窗机的各机构作业时应保证：
a ）电气系统、操纵系统功能正常、动作灵敏、可靠；
b ）安全保护装置、限位装置、各控制元件动作准确安全可靠；
c ）升降、变幅、回转、行走等各传动机构运转平稳，不得有过热、异常声响或振动，运动部位不应有渗漏油现象。
3. 吊船上应设有系安全带的挂钩或其它可靠连接点。
4. 对于可使吊船收回楼顶的插杆装置需符合以下条件：
a ）工作人员可以方便地进出吊船，不允许工作人员爬墙或从楼面护栏进出吊船；
b ）插杆宜设置轮子或搬运小车，以便插杆作业位置的移动；
c ）插杆应有足够高度，以防止吊船收回楼面时与建筑物相碰；
d ）插杆与插座间应安装定位装置，使插杆在悬挂工作位置不能转动；
e ）应保证拆卸时，插杆不能倒向女儿墙外侧。
第三章 插杆式擦窗机设计计算
擦窗机必须满足下列规范要求：《擦窗机》GB19154-2003；《高处作业吊篮》GB19155-2 0 0 3 ； 《擦窗机安装工程质量验收规程》JGJ150－2008；进口或出口设备时，还应符合欧洲标准EN1808的要求。
本次擦窗机的技术参数：
吊篮：尺寸：2000³600³1200mm(高) 自重: 4kN
安全载荷: 2kN 限乘人数: 2人
升降速度: 10m/min 抗倾覆安全系数: 〉2
工作高度: 40m
3.1 插杆式擦窗机的控制系统设计
随着我国城市市容环卫意识的提高，高层建筑物外墙的定期清洗及检修维护已逐渐引起人们的重视，高层建筑擦窗机正是完成这一高空作业最安全、实用、高效的专用设备。擦窗机作为高空载人的机电一体化设备，安全性和可靠性要求很高，其电气控制系统性能的优劣直接反映了整机的性能水平。擦窗机可分为主机和操作平台两部分 主机部分设于大厦屋顶，通过钢丝绳将操作平台送至大厦
需清洗的各个外墙立面位置 擦窗机的动作包括主机行走、回转，仰臂变幅和平台升降等，所有动作全部采用点动操作。擦窗机的电气控制系统由主机控制和平台控制两部分组成，两套控制互锁，以免发生危险，一般选择平台控制系统为优先控制 现就目前国内外擦窗机所采用的控制方式、信号传送方式等作一简要介绍及分析。
3.1.1 控制系统
一般控制系统可以分为继电器控制系统和可编程序控制器控制系统。
（1） 继电器控制系统
目前国内外擦窗机生产厂大都采用继电器接触器控制系统，其原理相对简单，技术比较成熟。但由于擦窗机的每一个动作都需要一套控制电路与之配合，中间继电器和时间继电器较多，触点也较多，且动作之间的互锁关系又增加了硬件电路的投入，使整个控制系统的体积相对较大。同时较多的电气元件及引线又降低了系统的可靠性，增加了维修难度，因此该系统有较大的局限性。
（2）可编程序控制器控制系统
[8]
图3-1 可编程序控制器控制系统原理图
可编程序控制器是由编程来实现逻辑控制，可最大限度地满足工程需要。采用可编程序控制器可以节省所有中问继电器、时间继电器等硬件的投入，还可以利用可编程序控制器本身的功能来满足用户对擦窗机提出的特殊要求，例如利用其高速计数器来检测擦窗机卷筒的速度等。这种控制系统体积较小、线路相对简单、可靠性较高、维修方便，近年来逐渐被生产厂采用。其原理见图3-1。
综上，由于插杆式擦窗机结构较为简单以及考虑成本等，我们选择继电器控制系统。电路控制原理图如下：
图 3-2 继电器控制原理图
电路原理：该电路由双重互锁电路和串接电阻起动控制电路串接而成。前者控制电机的正反转，后者控制电机的转速。主电路的正反转由接触器KM1、KM4的主触头来实现电动机三相电源任意两相的换相，从而实现电动机正反转。当正转起动时，按下起动按钮SB2，KM1线圈通电吸合并自锁，同时另一条支路SB2断开防止了电机短路，电动机正向起动并运转；当反向起动时，按下反转起动按钮SB3，KM4线圈通电吸合并自锁，电动机比恩反向起动并运转。在调速电路中，起动、停止和调速采用主令控制器SA 控制，KA1、KA2、KA3为过电流继电器，KT1、KT2 为断电延时型时间继电器。起动前，首先将主令控制器SA 手柄置到“0”位，则触点SA0接通。然后合上断路器QF 、QF1，于是时间继电器KT1、KT2线圈通电，它们的动断延时闭合触点瞬时打开；零位继电器KV 线圈通电自锁，为KM1、KM2、KM3线圈的通电做好准备。起动时，见SA 有“0” 位推向“3”位，SA 的触点SA1、SA2、SA3闭合，KM1线圈通电，主触点闭合，电动机在转子每相串两段电阻情况下起动，KM1的动断辅助触点断开，KT1线圈断电开始延时。当KT1延时结束时，其动断延时闭合的触点闭合，KM2线圈通电，一方面KM2的动合触点闭合，切除电阻R 1 ；另一方面KM2动断辅助触点断开，KT2线圈开始延时。当KT2延时结束时，其动断延时闭合的触点闭合，KM3线圈通电，主触点闭合，切除电阻R 2，电动机进入全速运转。本电路在起动过程中，通过时间继电器的控制，将转子电路中的电阻分段切除，达到限
制起动电流的目的。当要求调速时，可将主令控制器手柄推向“1”位或“2” 位。当主令控制器的手柄推向“1”位时，由图可以看出，主令控制器的触点只
有SA1接通，接触器KM2、KM3均不能得电，电阻R 1、R 2 将接入转子电路中，电动机便在低速下运行；当主令控制器的手柄推向“2”位时，电动机将在转子接入一段电阻的情况下运行，这样就实现了调速控制。当要求电动机停车时，将主令控制器手柄拨回到“0”位，接触器KM1、KM2、KM3均断电，电动机断电停车。
由于控制系统对设备的安全运行具有至关重要的作用，因此控制系统的相关零件多选用国外产品。
数字编码控制系统
表 3-1 零件选择
3.1.2 信号传输和钢丝绳选择
擦窗机都采用主机和平台两地操作，主机处控制擦窗机的运行和停止动作；在平台处一般只控制平台的升降，也可有选择地控制其它动作，因此将平台内的操作信号准确有效地传送给主机非常重要。目前有以下3种传送方式。
（1） 独立电缆传送方式
采用电缆作为主机和平台的信号传送是较常见的方式。其方法很简单，利用一根多芯电缆由主机直接垂入操作平台，将平台的控制信号传送回主机，从而实现操作人员在平台内对擦窗机的控制。但这种方式存在很多弊端，一是受到擦窗机工作高度的限制，当平台工作高度超过100m 时电缆的自重可能导致断缆发生，而且由于电缆自垂于主机和平台之间，其自身的摆动将引起操作平台的摇晃，大
日本欧姆龙 日本欧姆龙 日本和泉 日本富士 法国梅兰日兰 接近开关 按钮开关 接触器 相控开关
大降低了擦窗机的安全性；二是这种方式与继电器控制系统配合时每个动作信号都需占用一根导线，平台内操作信号的数量由于受到电缆芯数的限制而降
低了平台内的操作功能，当这种方式与可编程序控制器控制系统配合时因电缆自然悬垂没有屏蔽弱电干扰，易造成误动作。
（2） 钢丝绳内藏电缆传送方式
这种方式既避免了断缆又可以将传送的信号有效地被钢丝绳屏蔽起来，大大增强擦窗机的安全性和可靠性。一般一根钢丝绳内藏两根电缆芯，而擦窗机太都采用四根钢丝绳同步工作，因此主机和平台的信号线最多为8根．最适合配合专用串行通讯模块使用。其中4根电线分别连接于主机和平台的输人／输出模块，另4根实现对主机主接触器的控制，将平台的多种信号传送给主机，实现对擦窗机的多项控制，见图3-3这种是比较理想的擦窗机信号传送方式，但其特别钢丝绳成本高
图3-3 钢丝绳内藏电缆传送信号线路图
1、藏于钢丝绳内的铜线 2、碳刷 3、钢丝绳卷筒
（3） 无线遥控方式
随着无线遥控技术的发展，这种技术也开始应用在擦窗机的控制中。但因其成本较高、实用性低，所以国内擦窗机工程中很少采用。
比较3种方式及国际、行业标准选用钢丝绳内藏电缆较为合适。
1. 钢丝绳为德国WOLF 公司生产的擦窗机专用镀锌钢缆；
2. 钢丝绳的承载安全系数 ≥10倍；
3. 每根钢丝绳直径为7.0毫米；
4. 钢丝绳内需设置传导控制信号用的、带有绝缘层的铜芯；
5. 绳头强度不低于最小断裂荷载的80%；
6. 钢丝绳转弯处装有滑轮。所有滑轮都装有自润滑式轴承；
7. 滑轮直径与所用钢丝相匹配，并可防止绳索滑出滑轮。
3.2 插杆式擦窗机结构件设计
3.2.1 地脚螺栓的选择及校核
分析擦窗机可知道地脚螺栓同时承受预紧力和工作拉力的紧连接，这种受力形式在紧螺栓连接中比较常见，因而也是最重要的一种。这种紧螺栓连接承受轴向拉伸工作载荷后，由于螺栓和被连接件的弹性变形，螺栓所受的总拉力并不等于预紧力和工作拉力之和。根据理论分析，螺栓的总拉力除预紧力F 0、工作拉力F 有关外，还受到螺栓刚度C b 及被连接件刚度C m 等因素的影响。因此，应从螺栓连接的受力和变形的关系入手，找出螺栓总拉力的大小。
计算简略图如下：
[9]
图3-4 螺栓计算简略图
1. 螺栓组结构设计
采用如图所示的结构，螺栓数z=4,对称布置。
2. 螺栓受力分析
从左到右受力依次为：
吊篮自重F1=4000N，额定载荷F2=2000N，吊臂自重F3=2000N，套筒自重F4=2000N
（1）在F1、F2、F3、F4的作用下，螺栓组连接承受以下各力和倾覆力矩的作用： 螺栓轴向力
F 竖直=F1+F2+F3+F4=4000+2000+2000+2000=10000 N
螺栓水平力
F 水平=0 N
倾覆力矩（逆时针方向）
M=（F 1+F2）³145＋F 3³72.5=6000³145+2000³72.5=1015000N.cm
（2）在轴向力F 竖直的作用下，各螺栓所受的工作拉力为
Fa =F 竖直10000==2500N Z 4 （3-1）
（3）在倾覆力矩M 的作用下，右面两螺栓收到加载作用，而左面两螺栓收到减载作用，故右面的螺栓受力较大，所受的载荷确定为
F max =
ML max 1015000⨯15==1691. 667N L i ⨯L i ∑
i =1 （3-2）
故上面的螺栓轴向工作载荷为
F=Fa+Fmax = 2500+16916.67= 19416.67N
（4）在水平力F 水平 作用下，地板连接接合面可能产生滑移，根据地板接合面不滑移的条件 zF 0≥Cm F 竖直Cb +Cm （3-3）
Cb =0. 2由表3-2可查得接合面的摩擦系数f=0.16，并取Cb +Cm ，则
Cm Cb =1-=0. 8Cb +Cm Cb +Cm ，则个螺栓所需要的预紧力为
1Cm 1F 0=⨯F 竖直=⨯0. 8⨯10000=2000N z Cb +Cm 4
表3-2 连接接合面的摩擦系数
（5）上面每个螺栓所受的总拉力F 总
F 总=F 0+
C b
F =2000+0. 2⨯19416.67=5883.33N
C b +C m
3. 确定螺栓直径
选择螺栓材料为Q235、性能等级为4.6的螺栓，由表3-3查得材料屈服极限
σs =240Mpa ，由表3-4查得安全系数S=1.5，故螺栓材料的许用应力
[σ]=σS =240=160Mp a
S
1. 5
（3-4）
求得螺栓危险截面的直径（螺纹小径d1）为
d1≥
4⨯1. 3F 总
πσ=
4⨯1. 3⨯5883. 33
=7. 80mm
π⨯160
（3-5）
按粗牙普通螺纹标准（GB/T 196-2003)及考虑到擦窗机安全性所以取螺纹公称直径d=16mm
表3-3 螺栓、螺钉和螺柱的性能等级
表 3-4 螺纹连接的安全系数S
4. 校核螺栓组连接接合面的工作能力
（1）连接接合面下端的挤压应力不超过许用值，以防接合面压碎，有
σp max =
1C m M (zF 0-F 竖直) +A C b +C m W （3-6）
⎡⎤⎢⎥⎢11015000⎥
⎥N/cm 2=⎢⨯（4⨯2000-0.8⨯10000）+
⎢40⨯40⨯403⎥
⎢⎥12⨯⎢⎥2⎦ ⎣
= 95.2N/cm =0.95Mpa
由表3-5查得[σp ]=0. 5σB =0. 5⨯250Mpa =125Mpa >>0. 95Mpa ，故连接接合面下端不致压碎。
表 3-5连接接合面材料的许用挤压应力[σp ]
2
间隙，即σP min >0，有
σp min =
1C m M
(zF0-F 竖直) -=34. 22N/cm 2=0. 34Mpa >0
A C b +C m W （
3-7）
故接合面上端受压最小处不会产生间隙。 5. 校核螺栓所需的预紧力是否合适 对碳素钢螺栓，要求
F 0≤(0.6~0.7) σS A 1 已知
σS =24MPa ，A1=
π
4
d 12
=
π
⨯13. 8352mm 2=150. 255mm 2
，取预紧力下限即
0. 6σSA1=（0. 6⨯240⨯150. 255）N =21636.72N
要求的预紧力F0=2000N，小于上值，满足要求。
3.2.2 吊臂
吊臂的计算简图如下：
图3-5 吊臂计算简图
1. 分析吊臂横截面上的应力
已知G=6000N，W=2000N 由静力平衡等条件得出：
G ⨯1450+W ⨯
1450
2-F 0y =0 （3-8）
得出F 0y =10150 N
tan 30︒=
1 =
F 0y F 0x
sin 30︒=
1F 02=
y F 0
得出 F0x=17580N，F0=20300N
再由静力平衡条件可得Fx=F0x=17580N ，Fy=—2150N 由此求得吊臂横截面上的应力为σ=
Fx A =1758026. 131=6. 73Mpa 2. 强度验算
查表知道Q235的许用应力[σ]为100Mpa
σ≤[σ]可见吊臂满足了强度条件。
3. 吊臂的剪力和弯矩分析 静力平衡方程
∑M
A
=0
∑
M B =0
得各个力为
G=6000N 方向垂直向下 F0y=10150N 方向垂直向上 W=2000N 方向垂直向下 Fy=2150N 方向垂直向下
由上述已知条件可得到其剪力和弯矩图如下：
3-9） （
图3-6 剪力弯矩图
由图可知，在AB ，BC ，CD 段内的吊臂任意横截面上的剪力皆为常数，且符号在AB 段内为负，在BC 、CD 段内为正，剪力图是平行x 轴的直线。从剪力图看出，当在AB 段时最大剪力为Fsmax=6000N。
由弯矩图可知，在各段上弯矩都是一次函数，所以弯矩图是一条斜直线。只要确定线上的两点，就可以确定这条直线。同时可以从弯矩图上看出，最大弯矩在截面B 上，且Mmax=2700N.m 4. 吊臂弯曲变形分析
将吊臂受力化为参数，如图所示：
图3-7 吊臂弯曲变形
F RA =
Fb Fa , F RB =l l （3-10）
分段列出弯矩方程 AC 段
M 1=
Fb
x 1l (0≤x 1≤a ) （3-11） Fb
x 2-F (x 2-a ) l (a ≤x 2≤l ) （3-12）
CB 段
M 2=
由于AC 和BC 两段内弯矩方程不同，挠曲线的微分方程也就不同，所以应分成两段进行积分。在CB 段内积分时，对含有（x2-a ）的项就以（x2-a ）为自变量，这可使定积分常数的运算得到简化。积分结果如下：
积分出现的四个积分常数，需要四个条件来确定。由于挠曲线应该是一条刮花连续的曲线，因此，在AC 和BC 两段的交接截面C 处，由（1）式确定的转角应
该等于由（3）式确定的转角；而且由（2）式确定的挠度应该等于由（4）式确定的挠度，即
X1=x2=a时， w 1' =w 2' w 1=w 2 在各式中，令x1=x2=a,并应用在连续性条件得
Fb a 2Fb a 2F (a -a ) 2. +C 1=. -+C 2l 2l 22 （3-13） Fb a 3Fb a 3F (a -a ) 3
. +C 1a +D 1=. -+C 2a +D 2l 6l 66
由以上两式即可求得
C 1=C 2, D 1=D 2
此外，在A ，B 两端皆为支座，边界条件为 D1=D2=0
C 1=C 2=-
Fb 2
(l -b 2) 6l
由上面可得转角和挠度方程如下：
分别为
Fb (l 2-b 2) Fab (l +b )
θA =-=-
6EIl 6EIl （3-14）
θB =
Fab (l +a ) 6EIl （3-15）
当a>b时，可以断定θB 为最大转角。
最大挠度：当
θ=
dw =0dx 时，w 为极值。所以应首先确定转角θ为零的截面的位
置。由式值端截面A 的转角θA 为负。此外，诺在（q ）式中令x2=a，又可求得截面C 的转角为
θC =
Fab
(a-b) 3EIl （3-16）
如a>b,则θC 为正。可见从截面A 到截面C ，转角由负变为正，改变了符号。挠曲线几位光滑连续曲线，θ=0的截面必然在AC 段内。令（o ）式等于零，得
Fb 22
(l-b -3x 02) =06l
l 2-b 2x 0=
3
X0即为挠度为最大值的截面的横坐标。以x0代入（p ）式，求得最大挠度为
w max =w 1x 1=-
(l2-b 2) 393EIl （3-17）
l l
x 0=
2，当集中力F 作用于跨度中点时，a=b=2，得即最大挠度发生于跨度中点。
这也可由挠度曲线的对称性直接看出。另一种极端情况是集中力F 无限接近右端
22
b l 支座，以致与相比可以省略，于是得
x 0=
l
=0. 577l 3 （3-18）
Fbl 2
w max =-93EI （3-19）
可见即使在这种极端情况下，发生最大挠度的截面仍然在跨度中点附近。也就是说挠度为最大值的截面总是靠近跨度中点，所以可以用跨度中点的挠度近似的代替最大挠度。在（p ）式中令
w 1=-x =
l
2，求出跨度中点的挠度为
Fb
(3l2-4b 2) 48EI （3-20）
在上述极端情况下，集中力F 无限靠近支座B ，
Fb Fbl 32
w =-3l =-48EI 16EI
1
这是用
w 1
代替w max 所引起的误差为
w max -w 1
w max
=2. 65%
（3-20）
可见挠曲线上午拐点，总可用跨度中点的挠度代替最大挠度，并且不会引起很大误差。
总结上面的分析可知道，吊臂的挠度满足实际使用的要求！
3.3 安全系统设计
3.3.1 高处吊篮安全锁制动性能
[11]
根据锁绳原理的不同，安全锁分摆臂式和离心甩块式两种．前者是当工
作绳发生断裂或吊篮倾斜到一定角度时锁绳；后者是当提升机运行速度超过某一
极限值时锁绳．基于静力学分析，讨论几何参数和安装尺寸等对摆臂式安全锁锁绳性能的影响，分析出安全锁在工作时 的可靠性。 锁绳机构由锁芯、琵琶板
[12]
和安装销等组成, 如
图所示．图中实线为工作状态，即锁定钢丝绳状态；双点划线为非工作状态，即钢
丝绳可从中自由通过．其工作原理是当工作绳发生断裂或吊篮倾斜到一定角度时，由于琵琶板位置的变化，琵琶板带动锁芯迅速合拢，锁住安全钢丝绳．
1. 几何尺寸和安装尺寸对锁绳性能的影响
锁紧力为锁芯与钢丝绳之间的摩擦力．由于夹槽与钢丝绳接触弧上任一点的垂直方向的损耗是不变的，则比压的垂直分量保持不变，如图所示．故有
p
=k =consi cos φ （3-21）
由图可知，夹槽与钢丝绳间的径向比压沿接触弧是变化的．取一微弧
dL =
d 绳
d φ2，设夹槽与钢丝绳接触长度为L' ，则 dN =
d 绳L '
. p . cos φd φ2 （3-22）
对式积分得
d 绳L' δ
2
N =⎰dN =k -δcos 2φd φ
22 （3-23） 式中δ为夹槽所张圆心角。 联立解得
p =
4N cos φ
d 绳L ' (δ+sin δ)
接触面上某一微面积所产生的摩擦力dF 为
dF =μdN =
d 绳L ' 2N μ
μpd φ=cos φd φ2δ+sin δ （3-24）
对其积分得
2N μ2cos ϕd ϕ=-δδ+sin δ2δ+sin δ
δ
F =⎰dF =
4N μsin
δ
因此当量摩擦系数为
4μsin f =
δ
δ+sin δ
式中： 为钢丝绳与夹槽之间的摩擦系数．图3-7给出了μ= 0.5时夹槽所张圆心角与当量摩擦系数的关系曲线．不难看出，夹槽所张圆心角越大，当量摩擦系
数越大．但为了防止锁绳时两锁芯180 °．
[13]
互相干涉，一般使夹槽所张圆心角小于
图3-6 接触面任意一点比压 图3-7 夹槽比压分布图
图3-8 夹槽所张圆心角与当量摩擦系数的关系曲线
2. 琵琶板的几何尺寸对锁紧力的影响
如上所述，安全锁工作时，依靠锁芯和安全钢丝绳之间的摩擦力实现制动．下面通过分析安全锁琵琶板和锁芯的受力说明钢丝绳和锁芯之间的工作摩擦系数与安全锁结构参数之间的关系。
琵琶板的几何形状如图3-9所示．安全锁锁紧时，琵琶板和锁芯的受力情况分别如图3-9、图3-10 所示，其中N 和F 分别为锁芯对琵琶板的水平和竖直方
向正压力，W 为重力， f 1 和f 2 分别为琵琶板与销轴、琵琶板与锁芯之间的摩擦系数， f 为锁芯与钢丝绳之间的摩擦系数。
根据竖直方向的力平衡方程，得
F =
W 2
W (Lcosθ2-f 1r 1-f 2r) 16(tcosθ2+f 2r)
由双月牙孔几何中心的力矩平衡方程得
N
=
图 3-9 琵琶板的受力分析
图3-10 锁芯的受力图 根据图锁芯的受力分析可得
N =
F W
N =
8f ， 16f
f =
所以
t cos θ2+f 2r
L cos θ2-f 1r 1-f 2r （3-25）
该式确定了锁芯和钢丝绳之间摩擦系数的理论值，它与琵琶板的几何尺寸有关若不计琵琶板与销轴、锁芯之间的摩擦力矩，则有
f =
t
L ．这表明， t越小，
L 越大，所需的锁芯和钢丝绳之间摩擦系数越小．由于锁芯和钢丝绳之间的摩擦系数基本不变，所以对于确定的工作负荷而言，相当于只需较小的夹紧力．t 越小，L 越大，安全锁能够承受的最大负荷越大． 3. 安装尺寸对锁绳角度的影响
就摆臂式安全锁而言，工作钢丝绳断裂和吊篮倾斜角度过大是两个最基本的锁绳情况．国家标准规定，吊篮安全锁的锁绳角度不能超过8 °，一般控制在4 °~ 7 °．因为吊篮倾斜角度太大，对保证高处作业人员的安全不利．但是如果锁绳角度太小，安全锁太敏感，吊篮稍有倾斜就频繁锁绳，随后的开锁程序必然降低工作效率．下面分析安全锁的安装位置对锁绳角度的影响．图3-10 为吊篮水平时安全锁的安装位置示意图，其中O 点为工作钢丝绳在提升机出口的位置，A 、B 为安装位置尺寸，α为安全锁摆臂的工作角度．图3-10 为锁绳角度为β，即吊篮倾斜角β时，安全锁的位置示意图，其中α1为安全锁摆臂的锁紧角度．
根据图中的几何关系有
A 1=
B
tan β
A +B
)sin βtan β
故
B 1=(A+A 1)sin β=(
又
B 1-R =L cos (α1+β) 所以
⎡A +B ⎤()sin β-R ⎢tan β⎥
α1=arccos ⎢⎥-β
L ⎢⎥
⎢⎥⎣⎦
在式中令β=0得
α0=arccos (则
B -R
) L
⎡A +B ⎤()sin β-R ⎢tan β⎥B -R
∆α=α0
-α1=arccos () -arccos ⎢⎥+β
L L ⎢⎥
⎢⎥⎣⎦
图3-10 吊篮水平时安全锁的安装 图3-11 锁绳角度为β时安全锁示意图
位置示意图
图3-12 B=64时锁绳角度β与参数A 的关系曲线 图3-13 A=300 β与参数B 的关系 结论：
（1）安全锁的制动力是由锁芯与钢丝绳之间的摩擦力提供的，而此摩擦力又与琵琶板和锁芯两者之间的冲击力成正比，所以必须保证锁芯和琵琶板的耐冲击性．否则，一旦由于金属组织缺陷或外形结构缺陷等而导致锁芯断裂或琵琶半半圆孔变形过大，安全锁的安全性能就不能保证。
（2）国家标准要求，安全钢丝绳和工作钢丝绳应采用相同的型号和规格，但实践表明，同样直径的钢丝绳，股数越多，所能提供的摩擦力越大，所以为进一步保证安全锁的安全性能，可选择安全钢丝绳的股数比工作钢丝绳的股数多．
（3）琵琶板和锁芯夹槽的几何参数、安全锁的安装尺寸对安全锁的制动性能
有重要影响．夹槽所张圆心角越大，锁绳性能越好；琵琶板月牙孔的几何中心到销轴几何中心的距离以及琵琶板二月牙孔的几何中心之间的距离越大，锁绳性能越好；摆臂的旋转中心到工作钢丝绳出绳口的竖直距离以及到工作钢丝绳的水平距离越大，锁绳性能越好．
3.3.2 卷筒制动器（后备制动器）
卷筒制动器一般分为两种：棘轮、棘爪制动器和块式制动器。
（1）棘爪式制动器
棘轮安装于卷筒侧端随卷筒一起转动, 超速后通过连杆触发机构牵引棘爪作用进行制动。其优点是结构简单、成本低、安装调整方便、制动准确, 缺点是制动时产生的冲击和振动较大。 （2）块式制动器
块式制动器克服了棘爪制动器的固有缺点。该制动器由触发机构和制动机构两部分组成, 触发机构包括摆动杆、偏心座、配重块、梅花轮等, 制动 机构包括制动臂、摇臂、连杆、弹簧座等, 见图3-14。
图3-14 块式制动器结构图
1-制动臂；2-制动块；3-摇臂；4-梅花轮；5-连杆； 6-摆动杆；7-弹簧座；8-偏心座；9-配重块；10-制动毂
该制动器工作过程: 制动毂和梅花轮连接在卷扬机构的一端, 当卷扬机构在电机减速机的带动下匀速转动时制动毂和梅花轮随卷扬机构一起匀速转动, 这时摆动杆上的压轮压在梅花轮上平稳转动；当卷扬机构超速运转时摆动杆摆幅增大, 其底部撞击偏心座, 偏心座逆转, 在弹簧力的作用下制动块抱紧制动毂, 对卷扬机构起到超速保护作用。下面对这种制动器进行机构分析和设计计算, 机构原理图见图3-15。
图3-15 制动器机构原理图 1-制动毂；2-制动臂；3-摇臂；
4-制动弹簧；5-摆架；6-制动块 计算制动力矩 M =DG /2
式中 D ——卷筒直径；
G ——单个卷筒承受的载荷。 制动弹簧力
F =K ∆L , K =Gd 4/(8D3n) 式中 K ——弹簧刚度； G ——弹簧丝的减变模量； d ——弹簧丝直径； D ——弹簧中径； n ——弹簧有效圈数；
∆L ——制动时弹簧预调变形量。 制动器机构受力分析
（1）摇臂受力分析，见图3-16
∑M
A
=0, X 1l 2cos a +Y 1l 2sin a -Fl 1sin β=0
1
∑X =0, X ∑Y =0, Y
1
+X 2=0
+Y 2+F =0
图3-16 摇臂受力示意图
（2）摆架受力分析，见图3-17
∑M
D
=0, X 1l 3cos γ-Y 1l 3sin Y +Fl 4cos γ=0
1
（3-27）
∑X =0, X ∑Y =0, Y ∑M
H
1
-X 4=0
+F -Y 4=0
（3）制动臂受力分析，见图3-18。
=0
（3-28）
Y 5l 5sin θ-X 5l 5cos θ+X 2(l 5cos θ-l 6cos φ) +Y 2(l 5sin θ+l 6sin φ) =0
X 5=μY 5
式中μ为摩擦片的摩擦系数。
通过以上算式可算出制动器各零件的受力，从而可计算出制动片上的压力及制动力矩。
图3-17 摆架受力示意图 图3-18 制动臂受力示意图
这种块式制动器结构简单、调整方便、触发机构灵敏度高、制动力矩大、工作可靠、制动冲击小, 能够容易地实现卷扬式擦窗机工作吊篮超速后的安全保护作用, 确保操作人员的人身安全, 是目前高层建筑擦窗机上较先进的一种超速保护装置。
3.4 插杆式擦窗机动力系统设计
3.4.1 电动机的选择 1. 电动机类型
本减速机将用于擦窗机吊篮的提升和下降，首先减速机具有一定的转矩，能带动一定的载荷做垂直上下运动。根据工作要求选用YZR 系列绕线转子三相异步电动机，电源电压为380V 。三相异步电动机具有较大的过载能力和较高的机械强度，特别适用于短时或断续周期运行、频繁起动和制动、有时过负荷及有显著的振动和冲击的设备。 2. 选择电动机的容量
电动机
[10]
P d =
P w
所需工作功率为：
η
绳速V =10m/min=0.16m/s 工作机所需功率：
Pw =
Fv 6000⨯0. 16
==0. 9610001000
22
η=η1η2η3η4 传动装置的总效率为
联轴器效率η1=0.99，滚动轴承效率（一对）η2=0.99，闭式蜗轮蜗杆传动效率
η3=0.75，传动滚筒效率η4=0.96为代入得：
η=0. 992⨯0. 992⨯0. 75⨯0. 96=0. 6916
P d =
P w
电动机所需工作功率为：
η
=
0. 96
=1. 39kw
0. 6916
取电动机功率为：P d =1. 5kw >1. 39kw
因载荷平稳，电动机额定功率电动机的额定功率
P ed
大于
P d
即可。由YZR 系列电动机技术数据，选
P ed
为1.5kW 。
3. 确定电动机的转速 滚筒的直径为D=150mm 滚筒轴工作转速
n w =
60⨯1000v 10==21r /min
πD 3. 14⨯0. 15
一般一级蜗轮蜗杆减速器传动比 i 1' 为10~80，故电动机的转速可选范围为：
n d ' =i 1' n w =(10~40) ⨯21r /min =210~840r /min
符合这一范围的同步转速有815 r/min、866 r/min，现将符合这范围内的两种方案进行比较。有相关资料查得的电动机数据及计算出的总传动比列于表3-6。 表3-6 额定功率为1.5KW 时电动机选择对总体方案的影响
相比较，综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格以及总传动比，可以看出选用方案1较好，即选定电动机型号为YZR112M-6。
4. 计算传动装置以及动力参数 （1）传动比的计算与分配 总传动比 ：
i a =
n m 866==41n w 21
减速器的传动比，即一级蜗杆传动比i ：
i =i a =41
（2）传动和动力参数计算 电动机轴的输入功率、转速与转矩
P0= Pd =1.5kw =866r/min
T 0=9550
P 0
=16. 54N . m n 0
蜗杆轴的输入功率、转速与转矩
P 1=P 0∙η
1=1. 5⨯0. 99=1. 485kw =
=866r/min
P 11. 485=9550⨯=16. 38N ⋅m n 1866
T 1=9550
蜗轮轴的输入功率、转速与转矩
P 2=P 1⋅η2η3=1. 485⨯0. 99⨯0. 75=1. 10
n 2=
n 1866==21. 12r /min i 41
P 21. 10
=9550⨯=497. 40N ⋅m n 221. 12
T 2=9550
传动滚筒轴的输入功率、转速与转矩
P 3=P 2⋅η
2⋅η1=1. 1⨯0. 99⨯0. 99=1. 08kw =
=21.12 r/min
T 3=9550
P 3
=491. 14N . m n 3
3.4.2 卷筒的选择
目前国内外擦窗机起升机构主要有两种结构形式 钢丝绳单层缠绕的双卷筒布置和钢丝绳多层缠绕的单卷筒布置。 卷筒形式：
(1) 双卷筒布置形式
图3-19 钢丝绳单层缠绕双卷筒布置形式
1、链条 2、排绳丝杠 3、动滑轮 4、 定滑轮 5、卷筒 6、大齿轮 7、中间 齿轮 8、电机齿轮 9、电机 10、钢丝 绳 11、制动器
双卷筒布置(图3-19) 起升机构工作原理：电机城速机经一级齿轮城速带动卷筒转动，钢丝绳通过排绳丝杠动柑轮再经定滑轮连接吊船，带动吊船上下运动。其主要优点：① 钢丝绳在卷筒上单层缠绕，排列整齐， 吊船平稳性好，在空中不易倾斜；②钢丝绳间挤压摩擦小，钢丝绳寿命长。缺点：①卷筒随楼面的增高而加长，楼面较高时卷筒很长、体积较大，对于楼面空间窄小的场合整机结构难以布置；②卷筒尺寸的变化直接关系到卷扬机架的太小，因此该机构无法实现单 一标准化部件生产。 (2) 单卷筒布置形式
该布置方式(图3-20) 是近年发展起来并开始大量应用。其工作原理：电机减速机经一级减速带动卷筒转动，双线螺旋丝杠带动整个卷扬机构相对定滑轮作往复运动，实现钢丝绳的收放，钢丝绳通过卷筒经定柑轮连接吊船。其主要优点：① 由于采用多层缠绕，可以适应不同的楼面高度；② 多层缠绕体积小、结构紧凑，特别适应楼面空间窄小和楼面很高的场合；③ 卷扬机构实现了单一标准化部件。缺点：① 钢丝绳问相互挤压和摩擦影响其使用寿命；② 加工精度(双线丝杠、柑块、四卷筒等) 、安装精度要求高，否则易产生钢丝绳的不同步和乱绳， 导致平台倾斜，维修保养和调整较麻烦。
图3-20钢丝绳多层缠绕单卷筒布置形式
1、导向滑轮 2、钢丝绳 3、卷筒 4、电动机 5、活动机架 6、限位装置 7、往复机构 8、 链传动 9、制动器
以上两种结构形式各有优缺点，当楼面高度小于130m ，从使用可靠性出发宜采用单层缠绕布置；当楼面空间窄小、需要机型体积小或高度较高时宜采用多层缠绕布置方式。
卷简、滑轮布置设计要求
卷筒、滑轮布置对擦窗机的安全、可靠的工作至关重要，设计时应考虑以下因素。
1) 擦窗机的非标设计较多，其卷筒宜采用标准钢管或钢板焊接结构。卷筒常用材
料为Q235、2O 、16Mn 。为保证钢丝绳在卷筒上排列整齐，卷筒均应加工螺旋槽，在吊船位于工作最低点时卷筒上至少有三圈余量，并能承受1．25倍钢丝绳额载拉力。
2) 卷筒、滑轮布置应满足图3-21要求。
图3-21 卷筒、滑轮布置
单层缠绕卷简补偿量及加工精度的确定
（1）补偿量。为使钢丝绳在卷筒上均匀缠绕卷筒每转一转钢丝绳应能移动一个缠绕节距，因而必须保证卷筒与排绳丝杠轴之间具有准确的传动比，以使排绳器在排绳丝杠轴走过的距离与钢丝绳实际的缠绕绳距相匹配。因同一卷筒上需同时缠绕两根钢丝绳，必须保证这两根绳的速度一致 如吊船下行卷筒转一转时排绳器向右移动t(绳槽间距) ，则左边钢丝绳行程增加1 t ，右边钢丝绳行程减少lt ，所以卷筒的左右速度不一样，需要通过调整左右卷筒的直径来实现左右钢丝绳速度一致．其补偿量确定为：πD 1-t =πD 2+t ，即D 1=(πD 2+2t ) /π。
（2) 加工精度 按照擦窗机吊船在空中的工作要求，吊船的纵向倾斜度≤5。， 吊船长度一般为2 000～2 500mm ，则左右高差最大约200mm 卷简直径一般为450～500mm ，加工精度取(450～500)h9(0-0.155) 即可满足要求。
多层缠绕卷筒的排绳机构设计
如图3-21所示，当链轮8与卷筒的固联一起随之转动，往复机构7中的双向丝杠开始作回转运动，迫使活动卷扬机机架相对导向滑轮作往复直线运动均匀地排绳，保证4根钢丝绳均匀地缠绕在卷筒上。
多层缠绕的钢丝绳在工作时被挤压，缠绕卷筒时排列的绳距比钢丝绳直径略大一些，设计排绳时其绳距可近似取 t绳=d+ (0．2—0．5)mm 双向螺纹的丝杠总行程按下式计算LK = B — d式中： B— 卷筒容绳宽度(mm)；d —— 钢丝绳直径
(mm)
确定此行程时应注意当第s 层钢丝绳缠绕到卷筒的一端极限位置时， 由于 第 s层钢丝绳排列造成的斜角使最后一个完整圈与卷筒端侧板间留有一个楔行间隙，这样钢丝绳不能立即爬至第s+1层，而当卷筒继续转过大约120～180度 时方能爬上第s +1层。为此需要活动机架在原位停留相应的时间．可在双向丝杠两端的转向处增设一段圆弧槽，来满足过渡过程的需要 近似取圆弧槽长L 如下：
L =πD m /2i
式中： D m 一 双向丝杠中径(mm)； I — 卷筒、丝杠间的传动比
综上我们采用单卷筒多层缠绕方式的卷筒较为适合。
第四章 结语
本文完成了插杆式擦窗机的控制系统、结构件系统、安全系统、动力系统的设计。
插杆式擦窗机是所有擦窗机中较为简单的一种擦窗机，由于其相对低廉的价格，所以应用范围十分广泛。本文根据实际情况分析了插杆式擦窗机在工作状态和非工作状态下的受力情况，参照了擦窗机设计规范GB19154-2003和机械设计手册，完成了擦窗机的继电器控制系统设计，根据吊篮受力情况和卷筒回转速度，选择了提升机构的电动机。再根据提升机构的传动比和电动机的输出转矩，选择了提升机构所用减速器的传动比。
擦窗机相对其它工程机械来说起步较晚，而且国内擦窗机公司的实力与国外公司相比尚有一定差距。国外擦窗机由于使用的电机减速性能较高，则提高了擦窗机的整机可靠性和质量，而国内产品因受工业控制水平和技术成本的限制，自动化程度还需进一步提高。国内擦窗机企业应通过引进和消化吸收国外先进技术，不断改进产品生产工艺．完善基础零部件配套体系，在没有条件的情况下可直接采用进口关键部件 提高整机水平。随着擦窗机日益为人们所接受和工业控制水平的不断提高．我国擦窗机必将 其实用性、安全性、高教性的优势，带给人们一个更加洁净的楼宇环境。
参考文献
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致谢
本文是在我的导师徐海涵的悉心指导下完成的。徐老师知识渊博、治学严谨求实、宽已待人，在许多方面都是我学习的榜样。徐老师在思想、学习、社会工作和生活等方面都给予我很多教诲、关心和帮助，特别是在论文撰写过程中给予我无微不至的关怀与悉心指导，他不辞劳苦地给予了许多非常中肯的意见和建议。在论文完成之际，首先我要深深的感谢我的导师徐海涵，谨向徐老师致以诚挚的敬意和衷心的祝福。
感谢南京工业大学机械学院的领导和老师们。感谢他们在我的学习和实践过程中给予了我很多的帮助，正是由于他们的帮助，才使得我能够顺利的完成自己的学业和论文工作。感谢给予了我帮助的同学们，在论文的撰写工作中，常常得到他们的帮助与提示，从而使得自己的工作有很大的改进。
最后感谢在百忙之中，抽出时间来评审我论文的老师们。感谢所有关心、帮助和支持过我的人。
毕业设计(论文)
学生姓名： 刘兴子 学 号： [1**********]0
所在学院： 机械与动力工程学院
专 业： 机械工程及自动化
设计(论文) 题目： 插杆式擦窗机设计
指导教师： 徐海涵
2013年6月
插杆式擦窗机设计计算
摘要
如今社会经济迅猛发展，城市也越来越多，伴随着城市的产生，高楼大厦也
如雨后春笋般矗立起来，擦窗机便在这个背景下诞生了。擦窗机可以分为轨道式、 轮载式、插杆式、悬挂式、滑梯式。由于擦窗机需要人来操作，因此安全将置于
首位，设计时各个部件都必须具有绝对的安全可靠性能。
本课题是关于擦窗机装置的设计计算，主要研究计算了以下几个方面
的内容：
1. 介绍了擦窗机产生的背景及其在高楼大厦上的广泛应用。
2. 用电磁继电器组成控制电路，实现了擦窗机吊篮的上升、下降、制
动以及多档位速度控制，并选择了电缆内置的钢丝绳的型号。
3. 对擦窗机的结构件，地脚螺栓，工字钢吊臂进行了校核。
4. 分析了擦窗机安全装置中的安全锁、卷筒后备制动等。
5. 选择了擦窗机提升机的型号以及卷筒的布置形式。
关键词：建筑机械 吊篮 擦窗机 外墙清洗
The design of rod-type window wiping machine
Abstract
Today, social economy has been rapidly developing , the number of cities is also increasing, in the same time, many-storied building are also built. Window cleaning machine was born in this background. Window cleaning machine can be divided for track-type, load-type, plunger-type, suspension-type, slide-type. As a result of window cleaning machine need to human operate, so the safety will be put in the first place, when all parts must be absolutely safe and reliable performance.
This topic is about wipe window machine device design calculation, the main
research content are as follows:
1.The background of window cleaning machine and the application of tall
building are introduced.
2.Control circuit is consist of electromagnetic which make the window cleaning
machine rise, decline, basket braking and different speed control, and we select cable built-in wire rope model.
3.The window cleaning machine structure, anchor bolts, steel boom is checked.
4.Window cleaning machine safety device, safety lock and back-up brake drum,
is analysed.
5.The type of window cleaning machine hoist is selected and drum is arranged.
Key words : building machinery ；hanging basket ；window cleaning equipment ； external cleaning；
目录
摘要 ............................................................................................................................................ I Abstract ..................................................................................................................................... II
第一章 绪论 ............................................................................................................................. 1
1.1擦窗机发展概况 ................................................................................................................ 1
1.2本文研究内容 . ............................................................................................................... 1
第二章 擦窗机 ......................................................................................................................... 2
2.1擦窗机的定义及作用 . ................................................................................................... 2
2.2擦窗机的分类与选型考虑因数 . ................................................................................... 2
2.2.1插杆式擦窗机 ........................................................................................................ 4
2.3擦窗机的安装与维护 . ................................................................................................... 4
2.3.1擦窗机的安装 ........................................................................................................ 5
2.3.2插杆式擦窗机的使用 ............................................................................................ 6
第三章 插杆式擦窗机设计计算 ............................................................................................. 8
3.1 插杆式擦窗机的控制系统设计 . .................................................................................. 8
3.1.1 控制系统 ............................................................................................................... 8
3.1.2 信号传输和钢丝绳选择 ..................................................................................... 11
3.2 插杆式擦窗机结构件设计 . ........................................................................................ 13
3.2.1 地脚螺栓的选择及校核 ..................................................................................... 13
3.2.2 吊臂 ..................................................................................................................... 17
3.3 安全系统设计 . ............................................................................................................ 23
3.3.1 高处吊篮安全锁制动性能 ................................................................................. 23
3.3.2 卷筒制动器（后备制动器） ............................................................................. 29
3.4 插杆式擦窗机动力系统设计 . .................................................................................... 33
3.4.1 电动机的选择 ..................................................................................................... 33
3.4.2 卷筒的选择 ........................................................................................................... 36
第四章 结语 ........................................................................................................................... 41
参考文献 ................................................................................................................................. 42
致谢 ......................................................................................................................................... 44
第一章 绪论
1.1擦窗机发展概况
擦窗机是在高处作业吊篮基础上发展起来的产品。国外发达国家的擦窗机产
品发展较早, 如德国、日本、比利时、挪威等国家, 相继从60 年代初就逐步形成
了自己的产品系列。我国在80～90 年代新建的一批高层高档建筑, 大部分是由国
外建筑师设计, 并在建筑设计时已考虑了擦窗机的安装, 均选用了国外的擦窗机
产品, 为大厦以后外墙的清洗和维护等作业打下了良好的基础。
1995 年前后, 国内开始进入兴建高层建筑热潮, 国内专业擦窗机公司也相继
发展起来。目前, 擦窗机产品在我国已得到迅速发展, 已成为一种高新技术含量的
机电一体化设备。2003 年, 我国颁布了GB19154- 2003《擦窗机》国家标准。北
京、上海、广州等大城市中的高档建筑, 大部分都安装了擦窗机设备。但在国内
也还有相当一部分高层高档建筑, 由于建筑设计时未考虑擦窗机的配套设计, 无
法安装擦窗机设备, 给以后的清洗和维护带来了很大的不便。有些造型简单的大
楼, 采用大绳吊板进行人工清洗, 即不安全又不文明, 也无法进行更换幕墙玻璃、
补胶等作业; 对于造型复杂的大楼, 人工就无法清洗, 更谈不上进行其它作业。随
着我国法律、法规的不断健全, 文明程度的提高, 大厦物业管理的建立, 对其外墙
的定期安全清洗及检修维护, 已越来越引起人们的高度重视。大绳吊板人工清洗
终将被取缔, 擦窗机则是完成高空作业最安全、实用、高效的专用设备。安装擦
窗机的必要性已得到了普遍认可。
1.2本文研究内容
1. 擦窗机的结构和类型。
2. 擦窗机的工作原理。
3. 根据擦窗机GB19154-2003和机械设计手册对擦窗机各部件进行设计选型。
4. 对设计出的擦窗机进行安全分析并对一些关键安全部件进行强度校核。
5. 擦窗机的安装、维护、保养。
第二章 擦窗机
2.1擦窗机的定义及作用
擦窗机（permanently installed suspended access equipment): 用于
建筑物或构筑物窗户和外墙清洗、维修等作业的常设悬吊接近设备。
擦窗机的作用：
(1) 维护——可以承载两名工作人员对建筑物外饰面进行检查和维护；
(2) 清洁---可以承载两名工作人员定期对建筑物外饰面进行保洁、维
修，可以使建筑物的外观保持整洁并风貌常新；
(3) 应急---在火灾等特殊情况下，可以垂直运送被困人员；
(4) 运输---可以垂直吊运一些电梯无法运送的物品和设备。
[1]
2.2擦窗机的分类与选型考虑因数
按照擦窗机标准，擦窗机可分为：屋面轨道式（简称轨道式）、轮载式、悬挂轨道式（简称悬挂式）、滑车式和插杆式、滑梯式。
擦窗机最大的特点是非标准性机电设备。建筑物的高度、外观、立面结构形式、楼顶空间尺寸都不相同，因此也很难找到二台一样的擦窗机。针对每一栋大楼的
独特建筑形式和功能，在选用擦窗机时，应从安全性、经济性、实用性这三大原
则的基础上，按以下几点进行考虑：
（1）优先选用轨道式，自动化程度高，安全可靠；
（2）楼顶空间通道、立面结构等是否适合所选择的擦窗机型式；
（3）选用的擦窗机是否满足结构承载要求；
（4）选用的擦窗机尽量不影响建筑物的美观；
（5）擦窗机的造价业主能否承受；
（6）能否选用最少台数，完成整个大厦的作业。
擦窗机型号由组、型、特性代号、主参数代号和变型更新代号组成。
[2]
GB19154-2003标准对擦窗机编号方法如图2-1。
图2-1擦窗机编号方法
标记示例
a ） 额定载重量200kg ，屋面轨道式伸缩臂变幅擦窗机；
擦窗机 CWGS200 GB³³³³
b ） 额定载重量300kg ，屋面轨道式小车变幅擦窗机；
擦窗机 CWGC300 GB³³³³
c ） 额定载重量250kg ，轮载式动臂变幅擦窗机第一次变型产品；
擦窗机 CLZD250A GB³³³³
d ） 额定载重量150kg ，悬挂轨道式擦窗机；
擦窗机 CUG150 GB³³³³
e ） 额定载重量200kg ，插杆式擦窗机；
擦窗机 CCG200 GB³³³³
2.2.1插杆式擦窗机
该机型为小型擦窗机设备, 由插杆、电动吊船组成。该电动吊船与轨道式吊
船不同, 它自身配置有升降的提升机、安全锁、收绳器等。该擦窗机就位操作麻
烦、常布置于裙房和楼顶的局部位置。但其价格便宜, 业主以造价为首选条件时,
常采用此方案。主要技术参数:额定载荷200～300kg , 升降速度10m/ min 。吊船
自重约200 kg。
（1）滑车式擦窗机 滑车式擦窗机自重较轻, 自重加额载≤1000kg ,其受力
主要为女儿墙承受弯矩, M = 650 ³H ³1. 25 ( kg²m) (1. 25 为动载系数) 。 2) 插杆式擦窗机 插杆式擦窗机的结构受力可参照滑车式擦窗机计算。其座
地插杆、附墙插杆和插座布置图见图2-2 ,产品主要尺寸变化范围见表2-1。
[7][6]
图2-2 插杆式擦窗机
表2-1插杆式擦窗机产品主要尺寸变化范围
2.3擦窗机的安装与维护
擦窗机在使用过程中的一些损坏原因是没有注意擦窗机的运输、存放、安装
和维护等细节造成的。例如一些擦窗机在使用时发现套筒不圆整，导致在组装时
难以将插杆装入其中，这是由于在运输途中不注意套筒的碰撞变形。又如一台擦
窗机使用很久后，出现锈蚀，这与后期的维护有关，需要多注意定期检查和涂漆保养。
2.3.1擦窗机的安装
（1）、插杆式吊臂
由吊臂、吊臂杆、回转机构、可变悬挂点和钢丝绳回收机构组成。调节插杆式吊臂的回转机构，将吊篮回收到屋顶（CWY —2221型和CQY —2221型插杆式吊臂）。吊臂悬挂吊篮的水平距离可以按固定预留位置调节，以便调节吊篮与幕墙之间的距离有一最佳位置。插杆式吊臂的外表面全部热喷铝，保25年不生锈。
（2）、插座
A ．屋面固定
采用特殊型钢制造成插杆底座，将用高强无缝钢管与钢板组焊成套筒插入底座，将吊臂主架插入套筒内组成插杆式吊臂。
B ．女儿墙固定
采用20＃槽钢驻焊成方面柱（高800mm ），它的两个立面上各有一对孔与吊臂立柱的U 型立杆的两孔对应，当吊臂贴紧吊臂座后插入两个销栓，将吊臂与吊座牢固结合成一个整体。
C. 卷扬型吊篮擦窗机及相关部件
（1）、卷扬型吊篮：合金铝制作，四周围有防护金属板网。吊篮配卷筒式提升器1套、排绳机构、制动系统、动力系统及各种安全装置、电控系统、防撞系统。吊篮下端装有4个行走轮。
该动力系统的制动系统采用主副刹车装置。主刹车是盘式电磁制动器直接作用于电机上；副刹车是采用无动力机械式后备限速制动器直接装置在卷筒上。在吊篮正常工作时，限速制动器不工作；当传动系统在运转过程中发生故障而引起吊篮超速坠落时（额定速度的140%），由于齿轮速度的变化而产生的离心力，迫使限速器动作，即时停止卷筒运转。该制动器灵敏度高、动作平稳、安全可靠。
该吊篮是用同一个电机带动两个卷筒同时工作的，使两个卷筒同步，
因此吊篮始终保持平衡的；又因为吊篮的钢丝绳的升降机构和钢丝绳收放机构是同一套机构执行的，因此该吊篮的提升系统结构简单、安全可靠。
（2）、安全机构：紧急停车装置、超载安全装置、吊篮高、低位限位装置、行程终止限位装置、卷筒上钢丝绳长度限位装置、钢丝绳松绳装置等。每个安全装置在控制箱里都连接有报警指示灯与蜂鸣器，当安全装置启动时，报警指示灯启明并发出蜂鸣声。
（3）、救生安全机构：配备特制尼龙绳及安全卡，此安全系统完全独立于擦窗机，单独发挥其安全作用。
（4）、电力故障与事故的人工降落装置：该装置在停电或发生意外故障时，可手放机构将吊篮缓慢降到安全位置。
（5）、双吸盘临时定位装置：配备两套双吸盘，在刮风期间起临时定位作用。
（6）、吊篮外表面全部热喷锌，保25年不生锈。
安装后需要注意：
1.所有零部件的安装应正确、完整，有连接牢固可靠，装配质量应符合JG/T5011.11的规定。
2. 安装擦窗机用的预埋螺栓直径不应小于16mm 。
3. 为保证吊船在建筑物表面正常运行，当作业高度超过30m 时宜配置固定的导向装置。
4.在建筑物的适当位置，应设置供擦窗机使用的电源插座。该插座应防雨、安全、可靠。紧急情况能方便切断电源。
2.3.2插杆式擦窗机的使用
插杆式擦窗机的使用中注意的问题：
1.擦窗机应能在下列环境下正常工作：
a ）环境温度：-20℃～+40℃；
b ）环境相对湿度不大于90％（25℃）；
c ）电源电压偏离额定值±5％；
d ）工作处阵风风速不大于8.3m/s（相当于5级风力）。
[1]
2.擦窗机的各机构作业时应保证：
a ）电气系统、操纵系统功能正常、动作灵敏、可靠；
b ）安全保护装置、限位装置、各控制元件动作准确安全可靠；
c ）升降、变幅、回转、行走等各传动机构运转平稳，不得有过热、异常声响或振动，运动部位不应有渗漏油现象。
3. 吊船上应设有系安全带的挂钩或其它可靠连接点。
4. 对于可使吊船收回楼顶的插杆装置需符合以下条件：
a ）工作人员可以方便地进出吊船，不允许工作人员爬墙或从楼面护栏进出吊船；
b ）插杆宜设置轮子或搬运小车，以便插杆作业位置的移动；
c ）插杆应有足够高度，以防止吊船收回楼面时与建筑物相碰；
d ）插杆与插座间应安装定位装置，使插杆在悬挂工作位置不能转动；
e ）应保证拆卸时，插杆不能倒向女儿墙外侧。
第三章 插杆式擦窗机设计计算
擦窗机必须满足下列规范要求：《擦窗机》GB19154-2003；《高处作业吊篮》GB19155-2 0 0 3 ； 《擦窗机安装工程质量验收规程》JGJ150－2008；进口或出口设备时，还应符合欧洲标准EN1808的要求。
本次擦窗机的技术参数：
吊篮：尺寸：2000³600³1200mm(高) 自重: 4kN
安全载荷: 2kN 限乘人数: 2人
升降速度: 10m/min 抗倾覆安全系数: 〉2
工作高度: 40m
3.1 插杆式擦窗机的控制系统设计
随着我国城市市容环卫意识的提高，高层建筑物外墙的定期清洗及检修维护已逐渐引起人们的重视，高层建筑擦窗机正是完成这一高空作业最安全、实用、高效的专用设备。擦窗机作为高空载人的机电一体化设备，安全性和可靠性要求很高，其电气控制系统性能的优劣直接反映了整机的性能水平。擦窗机可分为主机和操作平台两部分 主机部分设于大厦屋顶，通过钢丝绳将操作平台送至大厦
需清洗的各个外墙立面位置 擦窗机的动作包括主机行走、回转，仰臂变幅和平台升降等，所有动作全部采用点动操作。擦窗机的电气控制系统由主机控制和平台控制两部分组成，两套控制互锁，以免发生危险，一般选择平台控制系统为优先控制 现就目前国内外擦窗机所采用的控制方式、信号传送方式等作一简要介绍及分析。
3.1.1 控制系统
一般控制系统可以分为继电器控制系统和可编程序控制器控制系统。
（1） 继电器控制系统
目前国内外擦窗机生产厂大都采用继电器接触器控制系统，其原理相对简单，技术比较成熟。但由于擦窗机的每一个动作都需要一套控制电路与之配合，中间继电器和时间继电器较多，触点也较多，且动作之间的互锁关系又增加了硬件电路的投入，使整个控制系统的体积相对较大。同时较多的电气元件及引线又降低了系统的可靠性，增加了维修难度，因此该系统有较大的局限性。
（2）可编程序控制器控制系统
[8]
图3-1 可编程序控制器控制系统原理图
可编程序控制器是由编程来实现逻辑控制，可最大限度地满足工程需要。采用可编程序控制器可以节省所有中问继电器、时间继电器等硬件的投入，还可以利用可编程序控制器本身的功能来满足用户对擦窗机提出的特殊要求，例如利用其高速计数器来检测擦窗机卷筒的速度等。这种控制系统体积较小、线路相对简单、可靠性较高、维修方便，近年来逐渐被生产厂采用。其原理见图3-1。
综上，由于插杆式擦窗机结构较为简单以及考虑成本等，我们选择继电器控制系统。电路控制原理图如下：
图 3-2 继电器控制原理图
电路原理：该电路由双重互锁电路和串接电阻起动控制电路串接而成。前者控制电机的正反转，后者控制电机的转速。主电路的正反转由接触器KM1、KM4的主触头来实现电动机三相电源任意两相的换相，从而实现电动机正反转。当正转起动时，按下起动按钮SB2，KM1线圈通电吸合并自锁，同时另一条支路SB2断开防止了电机短路，电动机正向起动并运转；当反向起动时，按下反转起动按钮SB3，KM4线圈通电吸合并自锁，电动机比恩反向起动并运转。在调速电路中，起动、停止和调速采用主令控制器SA 控制，KA1、KA2、KA3为过电流继电器，KT1、KT2 为断电延时型时间继电器。起动前，首先将主令控制器SA 手柄置到“0”位，则触点SA0接通。然后合上断路器QF 、QF1，于是时间继电器KT1、KT2线圈通电，它们的动断延时闭合触点瞬时打开；零位继电器KV 线圈通电自锁，为KM1、KM2、KM3线圈的通电做好准备。起动时，见SA 有“0” 位推向“3”位，SA 的触点SA1、SA2、SA3闭合，KM1线圈通电，主触点闭合，电动机在转子每相串两段电阻情况下起动，KM1的动断辅助触点断开，KT1线圈断电开始延时。当KT1延时结束时，其动断延时闭合的触点闭合，KM2线圈通电，一方面KM2的动合触点闭合，切除电阻R 1 ；另一方面KM2动断辅助触点断开，KT2线圈开始延时。当KT2延时结束时，其动断延时闭合的触点闭合，KM3线圈通电，主触点闭合，切除电阻R 2，电动机进入全速运转。本电路在起动过程中，通过时间继电器的控制，将转子电路中的电阻分段切除，达到限
制起动电流的目的。当要求调速时，可将主令控制器手柄推向“1”位或“2” 位。当主令控制器的手柄推向“1”位时，由图可以看出，主令控制器的触点只
有SA1接通，接触器KM2、KM3均不能得电，电阻R 1、R 2 将接入转子电路中，电动机便在低速下运行；当主令控制器的手柄推向“2”位时，电动机将在转子接入一段电阻的情况下运行，这样就实现了调速控制。当要求电动机停车时，将主令控制器手柄拨回到“0”位，接触器KM1、KM2、KM3均断电，电动机断电停车。
由于控制系统对设备的安全运行具有至关重要的作用，因此控制系统的相关零件多选用国外产品。
数字编码控制系统
表 3-1 零件选择
3.1.2 信号传输和钢丝绳选择
擦窗机都采用主机和平台两地操作，主机处控制擦窗机的运行和停止动作；在平台处一般只控制平台的升降，也可有选择地控制其它动作，因此将平台内的操作信号准确有效地传送给主机非常重要。目前有以下3种传送方式。
（1） 独立电缆传送方式
采用电缆作为主机和平台的信号传送是较常见的方式。其方法很简单，利用一根多芯电缆由主机直接垂入操作平台，将平台的控制信号传送回主机，从而实现操作人员在平台内对擦窗机的控制。但这种方式存在很多弊端，一是受到擦窗机工作高度的限制，当平台工作高度超过100m 时电缆的自重可能导致断缆发生，而且由于电缆自垂于主机和平台之间，其自身的摆动将引起操作平台的摇晃，大
日本欧姆龙 日本欧姆龙 日本和泉 日本富士 法国梅兰日兰 接近开关 按钮开关 接触器 相控开关
大降低了擦窗机的安全性；二是这种方式与继电器控制系统配合时每个动作信号都需占用一根导线，平台内操作信号的数量由于受到电缆芯数的限制而降
低了平台内的操作功能，当这种方式与可编程序控制器控制系统配合时因电缆自然悬垂没有屏蔽弱电干扰，易造成误动作。
（2） 钢丝绳内藏电缆传送方式
这种方式既避免了断缆又可以将传送的信号有效地被钢丝绳屏蔽起来，大大增强擦窗机的安全性和可靠性。一般一根钢丝绳内藏两根电缆芯，而擦窗机太都采用四根钢丝绳同步工作，因此主机和平台的信号线最多为8根．最适合配合专用串行通讯模块使用。其中4根电线分别连接于主机和平台的输人／输出模块，另4根实现对主机主接触器的控制，将平台的多种信号传送给主机，实现对擦窗机的多项控制，见图3-3这种是比较理想的擦窗机信号传送方式，但其特别钢丝绳成本高
图3-3 钢丝绳内藏电缆传送信号线路图
1、藏于钢丝绳内的铜线 2、碳刷 3、钢丝绳卷筒
（3） 无线遥控方式
随着无线遥控技术的发展，这种技术也开始应用在擦窗机的控制中。但因其成本较高、实用性低，所以国内擦窗机工程中很少采用。
比较3种方式及国际、行业标准选用钢丝绳内藏电缆较为合适。
1. 钢丝绳为德国WOLF 公司生产的擦窗机专用镀锌钢缆；
2. 钢丝绳的承载安全系数 ≥10倍；
3. 每根钢丝绳直径为7.0毫米；
4. 钢丝绳内需设置传导控制信号用的、带有绝缘层的铜芯；
5. 绳头强度不低于最小断裂荷载的80%；
6. 钢丝绳转弯处装有滑轮。所有滑轮都装有自润滑式轴承；
7. 滑轮直径与所用钢丝相匹配，并可防止绳索滑出滑轮。
3.2 插杆式擦窗机结构件设计
3.2.1 地脚螺栓的选择及校核
分析擦窗机可知道地脚螺栓同时承受预紧力和工作拉力的紧连接，这种受力形式在紧螺栓连接中比较常见，因而也是最重要的一种。这种紧螺栓连接承受轴向拉伸工作载荷后，由于螺栓和被连接件的弹性变形，螺栓所受的总拉力并不等于预紧力和工作拉力之和。根据理论分析，螺栓的总拉力除预紧力F 0、工作拉力F 有关外，还受到螺栓刚度C b 及被连接件刚度C m 等因素的影响。因此，应从螺栓连接的受力和变形的关系入手，找出螺栓总拉力的大小。
计算简略图如下：
[9]
图3-4 螺栓计算简略图
1. 螺栓组结构设计
采用如图所示的结构，螺栓数z=4,对称布置。
2. 螺栓受力分析
从左到右受力依次为：
吊篮自重F1=4000N，额定载荷F2=2000N，吊臂自重F3=2000N，套筒自重F4=2000N
（1）在F1、F2、F3、F4的作用下，螺栓组连接承受以下各力和倾覆力矩的作用： 螺栓轴向力
F 竖直=F1+F2+F3+F4=4000+2000+2000+2000=10000 N
螺栓水平力
F 水平=0 N
倾覆力矩（逆时针方向）
M=（F 1+F2）³145＋F 3³72.5=6000³145+2000³72.5=1015000N.cm
（2）在轴向力F 竖直的作用下，各螺栓所受的工作拉力为
Fa =F 竖直10000==2500N Z 4 （3-1）
（3）在倾覆力矩M 的作用下，右面两螺栓收到加载作用，而左面两螺栓收到减载作用，故右面的螺栓受力较大，所受的载荷确定为
F max =
ML max 1015000⨯15==1691. 667N L i ⨯L i ∑
i =1 （3-2）
故上面的螺栓轴向工作载荷为
F=Fa+Fmax = 2500+16916.67= 19416.67N
（4）在水平力F 水平 作用下，地板连接接合面可能产生滑移，根据地板接合面不滑移的条件 zF 0≥Cm F 竖直Cb +Cm （3-3）
Cb =0. 2由表3-2可查得接合面的摩擦系数f=0.16，并取Cb +Cm ，则
Cm Cb =1-=0. 8Cb +Cm Cb +Cm ，则个螺栓所需要的预紧力为
1Cm 1F 0=⨯F 竖直=⨯0. 8⨯10000=2000N z Cb +Cm 4
表3-2 连接接合面的摩擦系数
（5）上面每个螺栓所受的总拉力F 总
F 总=F 0+
C b
F =2000+0. 2⨯19416.67=5883.33N
C b +C m
3. 确定螺栓直径
选择螺栓材料为Q235、性能等级为4.6的螺栓，由表3-3查得材料屈服极限
σs =240Mpa ，由表3-4查得安全系数S=1.5，故螺栓材料的许用应力
[σ]=σS =240=160Mp a
S
1. 5
（3-4）
求得螺栓危险截面的直径（螺纹小径d1）为
d1≥
4⨯1. 3F 总
πσ=
4⨯1. 3⨯5883. 33
=7. 80mm
π⨯160
（3-5）
按粗牙普通螺纹标准（GB/T 196-2003)及考虑到擦窗机安全性所以取螺纹公称直径d=16mm
表3-3 螺栓、螺钉和螺柱的性能等级
表 3-4 螺纹连接的安全系数S
4. 校核螺栓组连接接合面的工作能力
（1）连接接合面下端的挤压应力不超过许用值，以防接合面压碎，有
σp max =
1C m M (zF 0-F 竖直) +A C b +C m W （3-6）
⎡⎤⎢⎥⎢11015000⎥
⎥N/cm 2=⎢⨯（4⨯2000-0.8⨯10000）+
⎢40⨯40⨯403⎥
⎢⎥12⨯⎢⎥2⎦ ⎣
= 95.2N/cm =0.95Mpa
由表3-5查得[σp ]=0. 5σB =0. 5⨯250Mpa =125Mpa >>0. 95Mpa ，故连接接合面下端不致压碎。
表 3-5连接接合面材料的许用挤压应力[σp ]
2
间隙，即σP min >0，有
σp min =
1C m M
(zF0-F 竖直) -=34. 22N/cm 2=0. 34Mpa >0
A C b +C m W （
3-7）
故接合面上端受压最小处不会产生间隙。 5. 校核螺栓所需的预紧力是否合适 对碳素钢螺栓，要求
F 0≤(0.6~0.7) σS A 1 已知
σS =24MPa ，A1=
π
4
d 12
=
π
⨯13. 8352mm 2=150. 255mm 2
，取预紧力下限即
0. 6σSA1=（0. 6⨯240⨯150. 255）N =21636.72N
要求的预紧力F0=2000N，小于上值，满足要求。
3.2.2 吊臂
吊臂的计算简图如下：
图3-5 吊臂计算简图
1. 分析吊臂横截面上的应力
已知G=6000N，W=2000N 由静力平衡等条件得出：
G ⨯1450+W ⨯
1450
2-F 0y =0 （3-8）
得出F 0y =10150 N
tan 30︒=
1 =
F 0y F 0x
sin 30︒=
1F 02=
y F 0
得出 F0x=17580N，F0=20300N
再由静力平衡条件可得Fx=F0x=17580N ，Fy=—2150N 由此求得吊臂横截面上的应力为σ=
Fx A =1758026. 131=6. 73Mpa 2. 强度验算
查表知道Q235的许用应力[σ]为100Mpa
σ≤[σ]可见吊臂满足了强度条件。
3. 吊臂的剪力和弯矩分析 静力平衡方程
∑M
A
=0
∑
M B =0
得各个力为
G=6000N 方向垂直向下 F0y=10150N 方向垂直向上 W=2000N 方向垂直向下 Fy=2150N 方向垂直向下
由上述已知条件可得到其剪力和弯矩图如下：
3-9） （
图3-6 剪力弯矩图
由图可知，在AB ，BC ，CD 段内的吊臂任意横截面上的剪力皆为常数，且符号在AB 段内为负，在BC 、CD 段内为正，剪力图是平行x 轴的直线。从剪力图看出，当在AB 段时最大剪力为Fsmax=6000N。
由弯矩图可知，在各段上弯矩都是一次函数，所以弯矩图是一条斜直线。只要确定线上的两点，就可以确定这条直线。同时可以从弯矩图上看出，最大弯矩在截面B 上，且Mmax=2700N.m 4. 吊臂弯曲变形分析
将吊臂受力化为参数，如图所示：
图3-7 吊臂弯曲变形
F RA =
Fb Fa , F RB =l l （3-10）
分段列出弯矩方程 AC 段
M 1=
Fb
x 1l (0≤x 1≤a ) （3-11） Fb
x 2-F (x 2-a ) l (a ≤x 2≤l ) （3-12）
CB 段
M 2=
由于AC 和BC 两段内弯矩方程不同，挠曲线的微分方程也就不同，所以应分成两段进行积分。在CB 段内积分时，对含有（x2-a ）的项就以（x2-a ）为自变量，这可使定积分常数的运算得到简化。积分结果如下：
积分出现的四个积分常数，需要四个条件来确定。由于挠曲线应该是一条刮花连续的曲线，因此，在AC 和BC 两段的交接截面C 处，由（1）式确定的转角应
该等于由（3）式确定的转角；而且由（2）式确定的挠度应该等于由（4）式确定的挠度，即
X1=x2=a时， w 1' =w 2' w 1=w 2 在各式中，令x1=x2=a,并应用在连续性条件得
Fb a 2Fb a 2F (a -a ) 2. +C 1=. -+C 2l 2l 22 （3-13） Fb a 3Fb a 3F (a -a ) 3
. +C 1a +D 1=. -+C 2a +D 2l 6l 66
由以上两式即可求得
C 1=C 2, D 1=D 2
此外，在A ，B 两端皆为支座，边界条件为 D1=D2=0
C 1=C 2=-
Fb 2
(l -b 2) 6l
由上面可得转角和挠度方程如下：
分别为
Fb (l 2-b 2) Fab (l +b )
θA =-=-
6EIl 6EIl （3-14）
θB =
Fab (l +a ) 6EIl （3-15）
当a>b时，可以断定θB 为最大转角。
最大挠度：当
θ=
dw =0dx 时，w 为极值。所以应首先确定转角θ为零的截面的位
置。由式值端截面A 的转角θA 为负。此外，诺在（q ）式中令x2=a，又可求得截面C 的转角为
θC =
Fab
(a-b) 3EIl （3-16）
如a>b,则θC 为正。可见从截面A 到截面C ，转角由负变为正，改变了符号。挠曲线几位光滑连续曲线，θ=0的截面必然在AC 段内。令（o ）式等于零，得
Fb 22
(l-b -3x 02) =06l
l 2-b 2x 0=
3
X0即为挠度为最大值的截面的横坐标。以x0代入（p ）式，求得最大挠度为
w max =w 1x 1=-
(l2-b 2) 393EIl （3-17）
l l
x 0=
2，当集中力F 作用于跨度中点时，a=b=2，得即最大挠度发生于跨度中点。
这也可由挠度曲线的对称性直接看出。另一种极端情况是集中力F 无限接近右端
22
b l 支座，以致与相比可以省略，于是得
x 0=
l
=0. 577l 3 （3-18）
Fbl 2
w max =-93EI （3-19）
可见即使在这种极端情况下，发生最大挠度的截面仍然在跨度中点附近。也就是说挠度为最大值的截面总是靠近跨度中点，所以可以用跨度中点的挠度近似的代替最大挠度。在（p ）式中令
w 1=-x =
l
2，求出跨度中点的挠度为
Fb
(3l2-4b 2) 48EI （3-20）
在上述极端情况下，集中力F 无限靠近支座B ，
Fb Fbl 32
w =-3l =-48EI 16EI
1
这是用
w 1
代替w max 所引起的误差为
w max -w 1
w max
=2. 65%
（3-20）
可见挠曲线上午拐点，总可用跨度中点的挠度代替最大挠度，并且不会引起很大误差。
总结上面的分析可知道，吊臂的挠度满足实际使用的要求！
3.3 安全系统设计
3.3.1 高处吊篮安全锁制动性能
[11]
根据锁绳原理的不同，安全锁分摆臂式和离心甩块式两种．前者是当工
作绳发生断裂或吊篮倾斜到一定角度时锁绳；后者是当提升机运行速度超过某一
极限值时锁绳．基于静力学分析，讨论几何参数和安装尺寸等对摆臂式安全锁锁绳性能的影响，分析出安全锁在工作时 的可靠性。 锁绳机构由锁芯、琵琶板
[12]
和安装销等组成, 如
图所示．图中实线为工作状态，即锁定钢丝绳状态；双点划线为非工作状态，即钢
丝绳可从中自由通过．其工作原理是当工作绳发生断裂或吊篮倾斜到一定角度时，由于琵琶板位置的变化，琵琶板带动锁芯迅速合拢，锁住安全钢丝绳．
1. 几何尺寸和安装尺寸对锁绳性能的影响
锁紧力为锁芯与钢丝绳之间的摩擦力．由于夹槽与钢丝绳接触弧上任一点的垂直方向的损耗是不变的，则比压的垂直分量保持不变，如图所示．故有
p
=k =consi cos φ （3-21）
由图可知，夹槽与钢丝绳间的径向比压沿接触弧是变化的．取一微弧
dL =
d 绳
d φ2，设夹槽与钢丝绳接触长度为L' ，则 dN =
d 绳L '
. p . cos φd φ2 （3-22）
对式积分得
d 绳L' δ
2
N =⎰dN =k -δcos 2φd φ
22 （3-23） 式中δ为夹槽所张圆心角。 联立解得
p =
4N cos φ
d 绳L ' (δ+sin δ)
接触面上某一微面积所产生的摩擦力dF 为
dF =μdN =
d 绳L ' 2N μ
μpd φ=cos φd φ2δ+sin δ （3-24）
对其积分得
2N μ2cos ϕd ϕ=-δδ+sin δ2δ+sin δ
δ
F =⎰dF =
4N μsin
δ
因此当量摩擦系数为
4μsin f =
δ
δ+sin δ
式中： 为钢丝绳与夹槽之间的摩擦系数．图3-7给出了μ= 0.5时夹槽所张圆心角与当量摩擦系数的关系曲线．不难看出，夹槽所张圆心角越大，当量摩擦系
数越大．但为了防止锁绳时两锁芯180 °．
[13]
互相干涉，一般使夹槽所张圆心角小于
图3-6 接触面任意一点比压 图3-7 夹槽比压分布图
图3-8 夹槽所张圆心角与当量摩擦系数的关系曲线
2. 琵琶板的几何尺寸对锁紧力的影响
如上所述，安全锁工作时，依靠锁芯和安全钢丝绳之间的摩擦力实现制动．下面通过分析安全锁琵琶板和锁芯的受力说明钢丝绳和锁芯之间的工作摩擦系数与安全锁结构参数之间的关系。
琵琶板的几何形状如图3-9所示．安全锁锁紧时，琵琶板和锁芯的受力情况分别如图3-9、图3-10 所示，其中N 和F 分别为锁芯对琵琶板的水平和竖直方
向正压力，W 为重力， f 1 和f 2 分别为琵琶板与销轴、琵琶板与锁芯之间的摩擦系数， f 为锁芯与钢丝绳之间的摩擦系数。
根据竖直方向的力平衡方程，得
F =
W 2
W (Lcosθ2-f 1r 1-f 2r) 16(tcosθ2+f 2r)
由双月牙孔几何中心的力矩平衡方程得
N
=
图 3-9 琵琶板的受力分析
图3-10 锁芯的受力图 根据图锁芯的受力分析可得
N =
F W
N =
8f ， 16f
f =
所以
t cos θ2+f 2r
L cos θ2-f 1r 1-f 2r （3-25）
该式确定了锁芯和钢丝绳之间摩擦系数的理论值，它与琵琶板的几何尺寸有关若不计琵琶板与销轴、锁芯之间的摩擦力矩，则有
f =
t
L ．这表明， t越小，
L 越大，所需的锁芯和钢丝绳之间摩擦系数越小．由于锁芯和钢丝绳之间的摩擦系数基本不变，所以对于确定的工作负荷而言，相当于只需较小的夹紧力．t 越小，L 越大，安全锁能够承受的最大负荷越大． 3. 安装尺寸对锁绳角度的影响
就摆臂式安全锁而言，工作钢丝绳断裂和吊篮倾斜角度过大是两个最基本的锁绳情况．国家标准规定，吊篮安全锁的锁绳角度不能超过8 °，一般控制在4 °~ 7 °．因为吊篮倾斜角度太大，对保证高处作业人员的安全不利．但是如果锁绳角度太小，安全锁太敏感，吊篮稍有倾斜就频繁锁绳，随后的开锁程序必然降低工作效率．下面分析安全锁的安装位置对锁绳角度的影响．图3-10 为吊篮水平时安全锁的安装位置示意图，其中O 点为工作钢丝绳在提升机出口的位置，A 、B 为安装位置尺寸，α为安全锁摆臂的工作角度．图3-10 为锁绳角度为β，即吊篮倾斜角β时，安全锁的位置示意图，其中α1为安全锁摆臂的锁紧角度．
根据图中的几何关系有
A 1=
B
tan β
A +B
)sin βtan β
故
B 1=(A+A 1)sin β=(
又
B 1-R =L cos (α1+β) 所以
⎡A +B ⎤()sin β-R ⎢tan β⎥
α1=arccos ⎢⎥-β
L ⎢⎥
⎢⎥⎣⎦
在式中令β=0得
α0=arccos (则
B -R
) L
⎡A +B ⎤()sin β-R ⎢tan β⎥B -R
∆α=α0
-α1=arccos () -arccos ⎢⎥+β
L L ⎢⎥
⎢⎥⎣⎦
图3-10 吊篮水平时安全锁的安装 图3-11 锁绳角度为β时安全锁示意图
位置示意图
图3-12 B=64时锁绳角度β与参数A 的关系曲线 图3-13 A=300 β与参数B 的关系 结论：
（1）安全锁的制动力是由锁芯与钢丝绳之间的摩擦力提供的，而此摩擦力又与琵琶板和锁芯两者之间的冲击力成正比，所以必须保证锁芯和琵琶板的耐冲击性．否则，一旦由于金属组织缺陷或外形结构缺陷等而导致锁芯断裂或琵琶半半圆孔变形过大，安全锁的安全性能就不能保证。
（2）国家标准要求，安全钢丝绳和工作钢丝绳应采用相同的型号和规格，但实践表明，同样直径的钢丝绳，股数越多，所能提供的摩擦力越大，所以为进一步保证安全锁的安全性能，可选择安全钢丝绳的股数比工作钢丝绳的股数多．
（3）琵琶板和锁芯夹槽的几何参数、安全锁的安装尺寸对安全锁的制动性能
有重要影响．夹槽所张圆心角越大，锁绳性能越好；琵琶板月牙孔的几何中心到销轴几何中心的距离以及琵琶板二月牙孔的几何中心之间的距离越大，锁绳性能越好；摆臂的旋转中心到工作钢丝绳出绳口的竖直距离以及到工作钢丝绳的水平距离越大，锁绳性能越好．
3.3.2 卷筒制动器（后备制动器）
卷筒制动器一般分为两种：棘轮、棘爪制动器和块式制动器。
（1）棘爪式制动器
棘轮安装于卷筒侧端随卷筒一起转动, 超速后通过连杆触发机构牵引棘爪作用进行制动。其优点是结构简单、成本低、安装调整方便、制动准确, 缺点是制动时产生的冲击和振动较大。 （2）块式制动器
块式制动器克服了棘爪制动器的固有缺点。该制动器由触发机构和制动机构两部分组成, 触发机构包括摆动杆、偏心座、配重块、梅花轮等, 制动 机构包括制动臂、摇臂、连杆、弹簧座等, 见图3-14。
图3-14 块式制动器结构图
1-制动臂；2-制动块；3-摇臂；4-梅花轮；5-连杆； 6-摆动杆；7-弹簧座；8-偏心座；9-配重块；10-制动毂
该制动器工作过程: 制动毂和梅花轮连接在卷扬机构的一端, 当卷扬机构在电机减速机的带动下匀速转动时制动毂和梅花轮随卷扬机构一起匀速转动, 这时摆动杆上的压轮压在梅花轮上平稳转动；当卷扬机构超速运转时摆动杆摆幅增大, 其底部撞击偏心座, 偏心座逆转, 在弹簧力的作用下制动块抱紧制动毂, 对卷扬机构起到超速保护作用。下面对这种制动器进行机构分析和设计计算, 机构原理图见图3-15。
图3-15 制动器机构原理图 1-制动毂；2-制动臂；3-摇臂；
4-制动弹簧；5-摆架；6-制动块 计算制动力矩 M =DG /2
式中 D ——卷筒直径；
G ——单个卷筒承受的载荷。 制动弹簧力
F =K ∆L , K =Gd 4/(8D3n) 式中 K ——弹簧刚度； G ——弹簧丝的减变模量； d ——弹簧丝直径； D ——弹簧中径； n ——弹簧有效圈数；
∆L ——制动时弹簧预调变形量。 制动器机构受力分析
（1）摇臂受力分析，见图3-16
∑M
A
=0, X 1l 2cos a +Y 1l 2sin a -Fl 1sin β=0
1
∑X =0, X ∑Y =0, Y
1
+X 2=0
+Y 2+F =0
图3-16 摇臂受力示意图
（2）摆架受力分析，见图3-17
∑M
D
=0, X 1l 3cos γ-Y 1l 3sin Y +Fl 4cos γ=0
1
（3-27）
∑X =0, X ∑Y =0, Y ∑M
H
1
-X 4=0
+F -Y 4=0
（3）制动臂受力分析，见图3-18。
=0
（3-28）
Y 5l 5sin θ-X 5l 5cos θ+X 2(l 5cos θ-l 6cos φ) +Y 2(l 5sin θ+l 6sin φ) =0
X 5=μY 5
式中μ为摩擦片的摩擦系数。
通过以上算式可算出制动器各零件的受力，从而可计算出制动片上的压力及制动力矩。
图3-17 摆架受力示意图 图3-18 制动臂受力示意图
这种块式制动器结构简单、调整方便、触发机构灵敏度高、制动力矩大、工作可靠、制动冲击小, 能够容易地实现卷扬式擦窗机工作吊篮超速后的安全保护作用, 确保操作人员的人身安全, 是目前高层建筑擦窗机上较先进的一种超速保护装置。
3.4 插杆式擦窗机动力系统设计
3.4.1 电动机的选择 1. 电动机类型
本减速机将用于擦窗机吊篮的提升和下降，首先减速机具有一定的转矩，能带动一定的载荷做垂直上下运动。根据工作要求选用YZR 系列绕线转子三相异步电动机，电源电压为380V 。三相异步电动机具有较大的过载能力和较高的机械强度，特别适用于短时或断续周期运行、频繁起动和制动、有时过负荷及有显著的振动和冲击的设备。 2. 选择电动机的容量
电动机
[10]
P d =
P w
所需工作功率为：
η
绳速V =10m/min=0.16m/s 工作机所需功率：
Pw =
Fv 6000⨯0. 16
==0. 9610001000
22
η=η1η2η3η4 传动装置的总效率为
联轴器效率η1=0.99，滚动轴承效率（一对）η2=0.99，闭式蜗轮蜗杆传动效率
η3=0.75，传动滚筒效率η4=0.96为代入得：
η=0. 992⨯0. 992⨯0. 75⨯0. 96=0. 6916
P d =
P w
电动机所需工作功率为：
η
=
0. 96
=1. 39kw
0. 6916
取电动机功率为：P d =1. 5kw >1. 39kw
因载荷平稳，电动机额定功率电动机的额定功率
P ed
大于
P d
即可。由YZR 系列电动机技术数据，选
P ed
为1.5kW 。
3. 确定电动机的转速 滚筒的直径为D=150mm 滚筒轴工作转速
n w =
60⨯1000v 10==21r /min
πD 3. 14⨯0. 15
一般一级蜗轮蜗杆减速器传动比 i 1' 为10~80，故电动机的转速可选范围为：
n d ' =i 1' n w =(10~40) ⨯21r /min =210~840r /min
符合这一范围的同步转速有815 r/min、866 r/min，现将符合这范围内的两种方案进行比较。有相关资料查得的电动机数据及计算出的总传动比列于表3-6。 表3-6 额定功率为1.5KW 时电动机选择对总体方案的影响
相比较，综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格以及总传动比，可以看出选用方案1较好，即选定电动机型号为YZR112M-6。
4. 计算传动装置以及动力参数 （1）传动比的计算与分配 总传动比 ：
i a =
n m 866==41n w 21
减速器的传动比，即一级蜗杆传动比i ：
i =i a =41
（2）传动和动力参数计算 电动机轴的输入功率、转速与转矩
P0= Pd =1.5kw =866r/min
T 0=9550
P 0
=16. 54N . m n 0
蜗杆轴的输入功率、转速与转矩
P 1=P 0∙η
1=1. 5⨯0. 99=1. 485kw =
=866r/min
P 11. 485=9550⨯=16. 38N ⋅m n 1866
T 1=9550
蜗轮轴的输入功率、转速与转矩
P 2=P 1⋅η2η3=1. 485⨯0. 99⨯0. 75=1. 10
n 2=
n 1866==21. 12r /min i 41
P 21. 10
=9550⨯=497. 40N ⋅m n 221. 12
T 2=9550
传动滚筒轴的输入功率、转速与转矩
P 3=P 2⋅η
2⋅η1=1. 1⨯0. 99⨯0. 99=1. 08kw =
=21.12 r/min
T 3=9550
P 3
=491. 14N . m n 3
3.4.2 卷筒的选择
目前国内外擦窗机起升机构主要有两种结构形式 钢丝绳单层缠绕的双卷筒布置和钢丝绳多层缠绕的单卷筒布置。 卷筒形式：
(1) 双卷筒布置形式
图3-19 钢丝绳单层缠绕双卷筒布置形式
1、链条 2、排绳丝杠 3、动滑轮 4、 定滑轮 5、卷筒 6、大齿轮 7、中间 齿轮 8、电机齿轮 9、电机 10、钢丝 绳 11、制动器
双卷筒布置(图3-19) 起升机构工作原理：电机城速机经一级齿轮城速带动卷筒转动，钢丝绳通过排绳丝杠动柑轮再经定滑轮连接吊船，带动吊船上下运动。其主要优点：① 钢丝绳在卷筒上单层缠绕，排列整齐， 吊船平稳性好，在空中不易倾斜；②钢丝绳间挤压摩擦小，钢丝绳寿命长。缺点：①卷筒随楼面的增高而加长，楼面较高时卷筒很长、体积较大，对于楼面空间窄小的场合整机结构难以布置；②卷筒尺寸的变化直接关系到卷扬机架的太小，因此该机构无法实现单 一标准化部件生产。 (2) 单卷筒布置形式
该布置方式(图3-20) 是近年发展起来并开始大量应用。其工作原理：电机减速机经一级减速带动卷筒转动，双线螺旋丝杠带动整个卷扬机构相对定滑轮作往复运动，实现钢丝绳的收放，钢丝绳通过卷筒经定柑轮连接吊船。其主要优点：① 由于采用多层缠绕，可以适应不同的楼面高度；② 多层缠绕体积小、结构紧凑，特别适应楼面空间窄小和楼面很高的场合；③ 卷扬机构实现了单一标准化部件。缺点：① 钢丝绳问相互挤压和摩擦影响其使用寿命；② 加工精度(双线丝杠、柑块、四卷筒等) 、安装精度要求高，否则易产生钢丝绳的不同步和乱绳， 导致平台倾斜，维修保养和调整较麻烦。
图3-20钢丝绳多层缠绕单卷筒布置形式
1、导向滑轮 2、钢丝绳 3、卷筒 4、电动机 5、活动机架 6、限位装置 7、往复机构 8、 链传动 9、制动器
以上两种结构形式各有优缺点，当楼面高度小于130m ，从使用可靠性出发宜采用单层缠绕布置；当楼面空间窄小、需要机型体积小或高度较高时宜采用多层缠绕布置方式。
卷简、滑轮布置设计要求
卷筒、滑轮布置对擦窗机的安全、可靠的工作至关重要，设计时应考虑以下因素。
1) 擦窗机的非标设计较多，其卷筒宜采用标准钢管或钢板焊接结构。卷筒常用材
料为Q235、2O 、16Mn 。为保证钢丝绳在卷筒上排列整齐，卷筒均应加工螺旋槽，在吊船位于工作最低点时卷筒上至少有三圈余量，并能承受1．25倍钢丝绳额载拉力。
2) 卷筒、滑轮布置应满足图3-21要求。
图3-21 卷筒、滑轮布置
单层缠绕卷简补偿量及加工精度的确定
（1）补偿量。为使钢丝绳在卷筒上均匀缠绕卷筒每转一转钢丝绳应能移动一个缠绕节距，因而必须保证卷筒与排绳丝杠轴之间具有准确的传动比，以使排绳器在排绳丝杠轴走过的距离与钢丝绳实际的缠绕绳距相匹配。因同一卷筒上需同时缠绕两根钢丝绳，必须保证这两根绳的速度一致 如吊船下行卷筒转一转时排绳器向右移动t(绳槽间距) ，则左边钢丝绳行程增加1 t ，右边钢丝绳行程减少lt ，所以卷筒的左右速度不一样，需要通过调整左右卷筒的直径来实现左右钢丝绳速度一致．其补偿量确定为：πD 1-t =πD 2+t ，即D 1=(πD 2+2t ) /π。
（2) 加工精度 按照擦窗机吊船在空中的工作要求，吊船的纵向倾斜度≤5。， 吊船长度一般为2 000～2 500mm ，则左右高差最大约200mm 卷简直径一般为450～500mm ，加工精度取(450～500)h9(0-0.155) 即可满足要求。
多层缠绕卷筒的排绳机构设计
如图3-21所示，当链轮8与卷筒的固联一起随之转动，往复机构7中的双向丝杠开始作回转运动，迫使活动卷扬机机架相对导向滑轮作往复直线运动均匀地排绳，保证4根钢丝绳均匀地缠绕在卷筒上。
多层缠绕的钢丝绳在工作时被挤压，缠绕卷筒时排列的绳距比钢丝绳直径略大一些，设计排绳时其绳距可近似取 t绳=d+ (0．2—0．5)mm 双向螺纹的丝杠总行程按下式计算LK = B — d式中： B— 卷筒容绳宽度(mm)；d —— 钢丝绳直径
(mm)
确定此行程时应注意当第s 层钢丝绳缠绕到卷筒的一端极限位置时， 由于 第 s层钢丝绳排列造成的斜角使最后一个完整圈与卷筒端侧板间留有一个楔行间隙，这样钢丝绳不能立即爬至第s+1层，而当卷筒继续转过大约120～180度 时方能爬上第s +1层。为此需要活动机架在原位停留相应的时间．可在双向丝杠两端的转向处增设一段圆弧槽，来满足过渡过程的需要 近似取圆弧槽长L 如下：
L =πD m /2i
式中： D m 一 双向丝杠中径(mm)； I — 卷筒、丝杠间的传动比
综上我们采用单卷筒多层缠绕方式的卷筒较为适合。
第四章 结语
本文完成了插杆式擦窗机的控制系统、结构件系统、安全系统、动力系统的设计。
插杆式擦窗机是所有擦窗机中较为简单的一种擦窗机，由于其相对低廉的价格，所以应用范围十分广泛。本文根据实际情况分析了插杆式擦窗机在工作状态和非工作状态下的受力情况，参照了擦窗机设计规范GB19154-2003和机械设计手册，完成了擦窗机的继电器控制系统设计，根据吊篮受力情况和卷筒回转速度，选择了提升机构的电动机。再根据提升机构的传动比和电动机的输出转矩，选择了提升机构所用减速器的传动比。
擦窗机相对其它工程机械来说起步较晚，而且国内擦窗机公司的实力与国外公司相比尚有一定差距。国外擦窗机由于使用的电机减速性能较高，则提高了擦窗机的整机可靠性和质量，而国内产品因受工业控制水平和技术成本的限制，自动化程度还需进一步提高。国内擦窗机企业应通过引进和消化吸收国外先进技术，不断改进产品生产工艺．完善基础零部件配套体系，在没有条件的情况下可直接采用进口关键部件 提高整机水平。随着擦窗机日益为人们所接受和工业控制水平的不断提高．我国擦窗机必将 其实用性、安全性、高教性的优势，带给人们一个更加洁净的楼宇环境。
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致谢
本文是在我的导师徐海涵的悉心指导下完成的。徐老师知识渊博、治学严谨求实、宽已待人，在许多方面都是我学习的榜样。徐老师在思想、学习、社会工作和生活等方面都给予我很多教诲、关心和帮助，特别是在论文撰写过程中给予我无微不至的关怀与悉心指导，他不辞劳苦地给予了许多非常中肯的意见和建议。在论文完成之际，首先我要深深的感谢我的导师徐海涵，谨向徐老师致以诚挚的敬意和衷心的祝福。
感谢南京工业大学机械学院的领导和老师们。感谢他们在我的学习和实践过程中给予了我很多的帮助，正是由于他们的帮助，才使得我能够顺利的完成自己的学业和论文工作。感谢给予了我帮助的同学们，在论文的撰写工作中，常常得到他们的帮助与提示，从而使得自己的工作有很大的改进。
最后感谢在百忙之中，抽出时间来评审我论文的老师们。感谢所有关心、帮助和支持过我的人。