鋼制直爬梯自動攀爬裝置的研究

朱　棟

(中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 200941)

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鋼制直爬梯自動攀爬裝置的研究

朱棟

(中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 200941)

摘要：對于登高作業(yè)的安全措施研究，國內(nèi)一直比較落后，登高作業(yè)者在登高過程中僅憑借自身的掌控來確保自身安全，存在極大的安全隱患。為了提高登高作業(yè)的安全性，研究設(shè)計了一種自動攀爬裝置，其以設(shè)備自身作為支點，利用絲杠將電動機的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為設(shè)備向上攀爬的力，使得一臺機械設(shè)備能夠自行沿著鋼制直爬梯攀爬至建筑物或結(jié)構(gòu)頂端，同時攜帶安全繩和部分備件，大幅降低了作業(yè)人員攀爬時的勞動強度和安全風(fēng)險。應(yīng)用2種繪圖軟件進行了輔助設(shè)計，并著重闡述了采用計算機輔助分析設(shè)計的一種專用于該設(shè)備的異形鉤頭，從而實現(xiàn)了設(shè)備的預(yù)期功能。

關(guān)鍵詞：鋼直梯；自動攀爬；計算機輔助設(shè)計

長期以來，國內(nèi)對于登高作業(yè)的安全措施研究一直比較落后，登高作業(yè)者在登高過程中僅憑借自身的掌控來確保自身安全，存在極大的安全隱患。如果登高作業(yè)者在攀爬直爬梯登高時出現(xiàn)一時踏空、未抓緊直爬梯等意外情況，極易發(fā)生人員高處墜落傷害事故。以中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)有限公司內(nèi)的2個煙囪為例，煙囪高247 m，每年需進行防腐處理，煙囪頂部航空燈也應(yīng)定期更換，在人員攀爬直爬梯登高作業(yè)時，第1名登高作業(yè)人員無法進行有效保護，只能憑借自身能力進行攀登，如若作業(yè)人員一時失手墜落，雖有防護籠卻無法對作業(yè)人員形成直接保護，甚至可能在墜落過程中造成傷害。根據(jù)國內(nèi)外已經(jīng)公開的資料，在鋼直梯設(shè)計上已經(jīng)考慮到作業(yè)人員攀爬的省力機構(gòu)，在鋼直梯的頂端設(shè)計固定滑輪，將鋼絲繩穿過滑輪得以用卷揚協(xié)助攀爬人員上升，同時在鋼直梯上設(shè)置鋼制滑槽，作業(yè)人員可以將腰部安全帶扣在滑槽內(nèi)，提高安全水平。在沒有任何安全措施的情況下，攀爬100 m以上的鋼直梯需要攀爬人員具有非常好的體能和心理素質(zhì)，對環(huán)境也有很高的要求。

1鋼制直爬梯的設(shè)計思路

1.1設(shè)計的目標

通過考察中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)有限公司內(nèi)多個鋼制直爬梯(含護籠，多節(jié)拼接結(jié)構(gòu))的實際情況，并參考國內(nèi)鋼直梯圖集JSJT-1990《作業(yè)臺鋼梯及欄桿》中對直爬梯的尺寸描述，來限定登高設(shè)備的外型尺寸。設(shè)備的攀爬步距、寬度和長度應(yīng)符合國家規(guī)范中對鋼直梯的要求，并且能夠解決在較低的鋼直梯安裝精度、同時建筑物存在一定角度的傾斜的情況下能夠正常運作，一次性攀爬至鋼直梯頂端。

1.2初步設(shè)計思路

在最初的設(shè)計中，擬定了以自身作為支點向上攀爬的登高方法，設(shè)備以3個支腿為主要動作部件，支腿上安裝鉤子作為主要承重部件，在設(shè)備尾端穿帶引繩(安全繩)攜帶重物，在設(shè)備側(cè)邊安裝滑板進行導(dǎo)向的設(shè)計思路(見圖1)。

圖1　初步設(shè)計思路

使用時，先將設(shè)備的3個鉤子同時掛設(shè)于鋼直爬梯的踏步上，再開起電動機電源(電源由動力電纜提供，開起后可以使用控制系統(tǒng)來控制電動機動作、停止)。電動機動作時，主爬升桿向上提升，帶動主鉤上升，此時副鉤作為承載是鉤在踏步上的。當主鉤觸碰到上方踏步時，其向外打開(鉤子上方有導(dǎo)向部件)，當鉤子的導(dǎo)向槽全部從踏步上滑過后，鉤子自動回彈，扣住踏步，然后副爬升桿向上運動，此時主鉤是作為承載鉤在踏步上的。當副鉤觸碰到上方踏步時，向里翻折，當鉤子的導(dǎo)向槽全部從踏步上滑過后，鉤子自動回彈，扣住踏步。主、副鉤往復(fù)運動，實現(xiàn)自動攀爬直爬梯。

形成初步思路后，應(yīng)用AutoCAD軟件進行三維設(shè)計和建模，構(gòu)建出比較基本且開放的直觀實體圖形。然而在圖形中并沒有非常嚴謹?shù)募s束，也無法進行動態(tài)的力學(xué)校驗和設(shè)計改良，只是用來進行直觀的功能演示[1]。

2主鉤的設(shè)計和校驗

2.1主鉤的設(shè)計

設(shè)備的核心部件能夠同時承載設(shè)備本體質(zhì)量、安全繩質(zhì)量、攀爬人員質(zhì)量以及攜帶工具和設(shè)備質(zhì)量的主鉤。由于設(shè)備本身寬度受限，主鉤的結(jié)構(gòu)不允許有太多的機械結(jié)構(gòu)，否則會使設(shè)備過于復(fù)雜且自重超過預(yù)期，所以最終設(shè)計了一種異形直爬梯攀爬鉤，其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2　主鉤設(shè)計圖

在設(shè)計上，攀爬鉤的重心偏向于鉤頭處，鉤子通過銷軸穿在軸孔內(nèi)。將攀爬鉤固定在爬升桿上，攀爬鉤安裝以后，在自然狀態(tài)下會逆時針方向傾翻，這樣有利于鉤口扣住直爬梯的鋼直梯的橫檔，從而使得設(shè)備在靜止狀態(tài)更加穩(wěn)定；另外，鉤頭的背面具有一向斜上方延伸的斜面，使攀爬鉤在向上的運行過程中，受到直爬梯的橫檔阻力后向后傾倒，便于爬升桿可以繼續(xù)上升。主鉤的工作狀態(tài)如圖3所示。

圖3　主鉤的工作狀態(tài)

鉤柄上設(shè)有使攀爬鉤復(fù)位的彈簧，彈簧一端固定在鉤柄復(fù)位彈簧安裝處，另一端固定在爬升桿上。當攀爬鉤高于直爬梯的階梯時，受到自身重力及彈簧的作用向前旋轉(zhuǎn)，并隨爬升桿的下降將直爬梯的階梯卡入鉤口內(nèi)，從而扣住直爬梯。

在鉤柄的末端設(shè)置有向鉤口側(cè)彎折的彎折部，該設(shè)計類似于貓科動物行動時尾巴的作用，用于進一步穩(wěn)定鉤頭的動作；同時，爬升桿上設(shè)置有2個卡位銷，該彎折部與卡位銷配合，用于將攀爬鉤限制在一定活動范圍內(nèi)，防止其過度傾翻。

2.2基于SolidWorks軟件的力學(xué)校驗

為了使設(shè)備運行更合理，采用SolidWorks軟件作為力學(xué)校驗的工具。利用nSimulationXpress分析向?qū)K，對該鉤頭的運動狀態(tài)進行分析。

1)進行設(shè)備實體建模(見圖4)。

圖4　主鉤的實體模型

2)利用分析向?qū)K對其進行受力分析。第1次分析設(shè)定固定夾具為孔固定方式，固定在軸孔位置，受力點設(shè)定在鉤頭位置，受力大小為6 000 N(取設(shè)備本體質(zhì)量100 kg，攀爬人員質(zhì)量100 kg，攜帶安全繩和工具設(shè)備質(zhì)量100 kg，其他作為環(huán)境因素處理)，設(shè)備材料選擇普通碳鋼(Q235b)。第1次運算結(jié)果如圖5所示。

圖5　第1次運算結(jié)果

由圖5可知，如預(yù)期設(shè)計，設(shè)備出現(xiàn)了變形，且整體在許用應(yīng)力內(nèi)。從運算結(jié)果來看，系統(tǒng)找到了最危險的部分，即在鉤頭與直爬梯橫檔接觸靠近斜面的部分(圖5中框出部分)，說明在這個部位設(shè)計加厚起到了一定的作用，系統(tǒng)計算得出的安全系數(shù)(FOS)約為3.04，小于預(yù)期的承重部件5倍的安全系數(shù)。

3)改變初步設(shè)計中3個鉤頭的動作方式，采用4個鉤頭的動作模式，其中2個鉤頭為主鉤，2個鉤頭為輔鉤，那么在實際動作時主鉤的承重將是設(shè)定承重的1/2(即3 000 N)。理論上，系統(tǒng)的安全系數(shù)能夠達到6.0以上。基于這個想法，修改分析的參數(shù)，進行第2次模擬，結(jié)果如圖6所示。

圖6　第2次運算結(jié)果

鉤頭如同第1次運算一樣出現(xiàn)了預(yù)期的變形，而系統(tǒng)計算得出的安全系數(shù)達到了6.08，符合預(yù)期設(shè)計，鉤頭的設(shè)計就此定型。

3鋼直梯攀爬裝置的最終設(shè)計

根據(jù)主鉤的設(shè)計情況，設(shè)備最終采用了4鉤動

作的設(shè)計，2個主鉤采用了本文所述異形鉤頭，2個輔鉤則采用了L型鉤頭的設(shè)計。主鉤用于設(shè)備靜止狀態(tài)下承受作業(yè)人員攀爬過程中所出現(xiàn)的一些狀況帶來的拉力，輔鉤用于設(shè)備攀爬過程中，作為設(shè)備本體的臨時支承。設(shè)備總圖如圖7所示。

圖7　設(shè)備總圖

在控制系統(tǒng)中，運用非接觸式限位傳感器和PLC來接收、處理信號，并位于步進電動機動作指令，按照初步設(shè)想的動作方式實現(xiàn)設(shè)備的自動攀爬動作。

設(shè)備動作時，爬升桿的運動由電動機、絲杠的組合來帶動。整套設(shè)備運動時，下方底板緊貼直爬梯踏步，兩邊設(shè)有導(dǎo)向擋板，防止運動時的走偏，上方頂部有上限位，當運動到爬梯頂部后，可自動停止。設(shè)備下方設(shè)有掛鉤，可牽帶引繩，待設(shè)備將引繩完全引至直爬梯頂部后，人員可用引繩作為安全保護攀爬直爬梯，從而降低攀爬特高型直爬梯時的危險。

4結(jié)語

在鋼直梯自動攀爬裝置的設(shè)計中，應(yīng)用AutoCAD軟件的開放式設(shè)計和建模方法，模擬出了設(shè)備動作的基本思路，并構(gòu)建了設(shè)備的最初形式，同時發(fā)現(xiàn)了設(shè)備的核心部件。通過應(yīng)用SolidWork軟件實體建模和nSimulationXpress分析向?qū)?，?yōu)化了主鉤的設(shè)計，同時進一步完善了設(shè)備的設(shè)計理念，形成了一套可行的設(shè)計方案，并加以驗證。

The Research of Automatically Climbing Device for Steel Straight Ladder

ZHU Dong

(MCC Baosteel Technology Services Co., Ltd., Shanghai 201900, China)

Abstract：The security measures research for climbing operations in China is in the low level, the safety for climbing operator in the process of climbing exists great security hidden danger, which is only by their own control to ensure their safety. In order to improve the safety of the operation, discuss an equipment itself as a fulcrum, the torque of the motor is transformed into the device to climb up, which makes a mechanical device climb to the top of the building or structure along the steel straight ladder with safety rope and spare parts. It greatly reduces the labor intensity and safety risk of the climbing operations. Two kinds of drawing software are used to aid the design, the special shaped hook which is designed by computer aided analysis is mainly expounded.

Key words:steel straight ladder, automatic climbing, computer aided design

中圖分類號：TH 6

文獻標志碼:A