單輪吊椅的改進(jìn)設(shè)計及其關(guān)鍵部件的有限元分析

溫寶琴，高廣娣，黃勇，馮哲，沈雷，張進(jìn)

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子832003）

單輪吊椅是高空工作人員安裝光纖、光纜架線中必不可少的工具之一，其總體結(jié)構(gòu)及工作流程圖如圖1所示，主要由抱索器、坐板、承重架等部分組成，重量為7kg，安全負(fù)荷為150kg［1］。工作時，二人一組，一人在高空坐在吊椅上架設(shè)通信線，另一人在地面移動通信線，并同時負(fù)責(zé)給高空作業(yè)人員傳遞工具等物品。然而，高空作業(yè)人員在跨過電線桿安裝下一段通信線時，要將安全帶扣住電線桿，腳踩固定在電線桿上蹬桿器，將滑動在鋼絲上的抱索器扣板打開，取下單輪吊椅移到電線桿的另一側(cè)，繼續(xù)作業(yè)。高空工作人員在跨過電線桿時，吊椅和鋼絲完全脫離，若蹬桿器沒有踩好而不幸跌落，對工作人員將造成極大的傷害。為確保高空工作安全性，必須改進(jìn)單輪吊椅的結(jié)構(gòu)，提高高空作業(yè)的安全性。

目前，對吊椅的改進(jìn)已經(jīng)有許多探討，但是研究的多為礦山、井下運(yùn)輸工人或礦物，或是旅游纜車的研究［2－11］，而對安裝通信線的吊椅改進(jìn)的較少，為此我們針對單輪吊椅在跨越電線桿時存在的安全隱患問題，改進(jìn)其結(jié)構(gòu)，確保高空工作人員一旦未踩好蹬桿器滑落時也不會產(chǎn)生危險，從而提高單輪吊椅的安全性。

1 方案的確定

1．1 高空作業(yè)對吊椅的要求

首先，所選的材料須具有一定的強(qiáng)度。材料性能的好壞直接影響吊椅的使用性能和安全性。光纖架線一般是用鋼纜，鋼纜的抗拉強(qiáng)度不小于1310 MPa，而吊椅作為架線的必備裝置之一，也有相應(yīng)的要求［12］。性能好的材料則價格偏高，不利于降低成本，材料的性能不好又會影響工作的安全性和使用壽命，所以，吊椅不僅要有足夠的強(qiáng)度，而且還應(yīng)有較高的性價比。

其次，結(jié)構(gòu)須合理。緊湊的結(jié)構(gòu)不僅使工作變得方便快捷，而且能減輕吊椅的重量。在高空架線過程中，重量輕就意味著安全性高，并且合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠減少材料的應(yīng)用，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

最后，運(yùn)動裝置須靈活。高空架線是一種危險系數(shù)很高的工作，對裝置的要求特高。若活動裝置，如軸承之類的部件發(fā)生意外，則后果不堪設(shè)想。

1．2 改進(jìn)的方案及選擇

根據(jù)上述高空作業(yè)對吊椅的要求，初步預(yù)選了3種不同的改進(jìn)方案。

1）方案一的結(jié)構(gòu)及工作原理如圖2所示。在連接軸處安裝一塊可自由旋轉(zhuǎn)連接板，兩端各安裝一個抱索器。當(dāng)需要跨過電線桿時，腳踩著蹬桿器，將其中一個抱索器取下，旋轉(zhuǎn)并安放在電線桿的另一頭。另一個抱索器再重復(fù)上述動作，安全跨過電線桿。整個過程中，始終會有一個抱索器在鋼絲上，即使操作人員不小心踩空了蹬桿器，也不會從高空跌落。

該方案有很好的活動性，可以360°回轉(zhuǎn)，幾乎與改進(jìn)前的靈活度一樣。但由于增加了1個抱索器、2個連接軸和1塊連接板板，其重量也會增加。

2）方案二如圖3所示，其結(jié)構(gòu)及工作原理與方案一類似，但在連接板上安裝了3個抱索器?？缭诫娋€桿時，首先將第1個抱索器扣板打開，旋轉(zhuǎn)取出第1個抱索器并移動到電線桿的另一頭，依次將第2個抱索器打開移動到電線桿的另一頭，最后再把第3個抱索器移過去，跨過電線桿。這種方案可免除使用蹬桿器。在跨越電線桿時，沒有蹬桿器的支撐，工人需要靠手拉鋼絲跨越，難度較大。此外，吊椅最重要的部分就是抱索器，抱索器過多，使得整個吊椅的重量增大，如果有3個抱索器再加上1塊連接板，吊椅的重量至少增加近1倍，重量增加則安全性降低，這不僅不利于高空作業(yè)的要求，而且，將吊椅從地面掛到電線桿鋼絲繩上的難度較大，且操作不便。

3）方案三如圖4所示。在抱索器凹槽滾子上端增加一個能收縮繩子的裝置，繩子一端連接一個掛鉤，另一端接一個特制的滑輪。抱索器上收縮裝置為一個滑輪與平面渦卷彈簧的組合體。彈簧裝置用以收縮纜繩。使用方法與改進(jìn)前一樣，但在跨過電線桿時，腳踩蹬桿器，先將掛鉤拉出掛在電線桿的另一端，再將抱索器取下安裝在電線桿另一頭。該方案吊椅的重量略有增加，但由于采用了彈簧收縮裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，重量較前2種方案的輕。

1．3 方案的比較與選擇

比較以上3個方案的優(yōu)、缺點(diǎn)可知：3個方案均有實(shí)現(xiàn)安全跨過電線桿的可能性；方案二的重量最大，不利于高空作業(yè)，方案一和方案三的重量較方案二的輕；方案一靠金屬連接板連接，方案三靠繩子連接，在發(fā)生危險時，突然承受安全負(fù)荷150kg的沖擊時，繩子的承受力沒有金屬連接板的承受力大，所以方案一較方案三更安全；另外，高空工作人員為了快速完工，經(jīng)常忽視將掛鉤掛在鋼絲上的保險措施，而采用方案一可迫使他們必須將2個抱索器一一移過去，可確保工作人員在未踩好蹬桿器而發(fā)生滑落時，始終有一個抱索器與鋼絲相連，從而避免工作人員發(fā)生危險。

綜上所述，方案一更符合改進(jìn)和安全的要求。

2 關(guān)鍵部件的有限元分析

對于方案一來說，連接板是該方案的關(guān)鍵部件，向上承受2個抱索器的拉力，下面有安全負(fù)荷為150kg重量，正常工作和跨桿發(fā)生危險時，連接板的受力簡化圖如圖3所示?？缭诫娋€桿時需要旋轉(zhuǎn)連接板，故連接板的長度應(yīng)該比電線桿上固定鋼絲的鋼板的長度（150mm）［1］，故連接板的長度確定為250mm；連接板的寬度與抱索器的寬度保持一致（50mm）。

為了確定連接板的使用安全，下面通過靜力學(xué)有限元分析確定連接板的最小厚度。

2．1 創(chuàng)建有限元模型

連接板模型采用自底向上的方法，先創(chuàng)建長方體模型，然后通過平移坐標(biāo)系，在擬定的坐標(biāo)處建立圓柱體，最后通過體模型的減運(yùn)算得到如圖6所示的有限元模型。

2．2 定義單元類型及材料特性

為了進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選取單元類型為Solid 8 node 185，用來模擬三維實(shí)體。該元素由8個節(jié)點(diǎn)定義，每個節(jié)點(diǎn)3個自由度：x，y，z方向，同時具有塑性、超彈性、應(yīng)力強(qiáng)化、徐變、大變形、大應(yīng)變能力。連接板選用常用的Q235材料，彈性模量Q＝200 GPa，泊松比為0．3，密度為7800kg／mm2。

其模型圖如圖4所示。

2．3 網(wǎng)格劃分

在劃分網(wǎng)格時，采用快速網(wǎng)格劃分，執(zhí)行以下命令：GUI：Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool進(jìn)入到網(wǎng)格劃分選項設(shè)置對話框［13－14］，選擇Smart Size＝3，并選取四面體類型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

連接板網(wǎng)格劃分如圖5所示。

2．4 施加約束及載荷

因為連接板承受均質(zhì)載荷作用，各節(jié)點(diǎn)受力均勻，因此，本文采用在節(jié)點(diǎn)上施加載荷。執(zhí)行Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Force／Moment＞OnNodes命令［14］，然后選擇圓孔邊界上的節(jié)點(diǎn)，按規(guī)定設(shè)定FZ值，單擊OK按鈕。

按照連接板發(fā)生危險時和正常工作時受力的不同分別施加兩種不同類型及大小的載荷，效果圖如圖6所示，可以得出連接板承受的最大應(yīng)力值和最大位移。

2．5 結(jié)果與分析

由于連接板的厚度不確定，先預(yù)選4mm，逐次遞增至8mm，連接板受力分析的結(jié)果見表1。

由表1可知：

1）當(dāng)連接板的厚度越厚，最大應(yīng)力值越小，最大位移變形量也越小。

2）當(dāng)發(fā)生危險時，連接板的受力較正常工作時的應(yīng)力值大。當(dāng)連接板厚度為5mm，正常工作時其最大應(yīng)力值為132MPa，而Q235材料能承受的最大應(yīng)力值為235MPa，在其能承受的應(yīng)力范圍內(nèi)，而當(dāng)發(fā)生危險時，其最大應(yīng)力值為249MPa，超過了Q235材料能承受的最大應(yīng)力值，所以，當(dāng)發(fā)生危險時，不能滿足吊椅的正常工作；當(dāng)連接板厚度為6 mm，發(fā)生危險時其最大應(yīng)力值為172MPa，正常工作時的最大應(yīng)力值為91MPa，均在Q235材料能承受的應(yīng)力范圍內(nèi)。

綜上所述，連接板的厚度最小應(yīng)取6mm，此時最大位移變形量為5．79mm。

3 結(jié)語

本設(shè)計對單輪吊椅存在的安全隱患進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，通過對預(yù)選的3種不同改進(jìn)方案的比較分析，選出了最佳方案，并對最佳方案中的關(guān)鍵部件連接板進(jìn)行有限元分析，得出連接板的最小厚度為6 mm，無論是正常工作還是發(fā)生危險時，均在材料性能承受的范圍內(nèi)，可確保吊椅操作安全。

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