腳扣的登桿受力自鎖分析及其改進

李土明+冼冀+陳一萍

摘 要：腳扣作為登桿作業(yè)的必備工具之一，初學(xué)腳扣登桿的作業(yè)人員常常因腳扣登桿用力不當(dāng)，使得登桿作業(yè)過程中出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象，尤其是在濕滑電桿，極大地增加了作業(yè)人員的人身安全風(fēng)險，故本文從物理摩擦力自鎖角度分析腳扣登桿的原理，并基于此原理設(shè)計了設(shè)計新型可拆卸式腳扣防滑裝置，以降低作業(yè)人員攀登濕滑時打滑的風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：腳扣登桿桿；受力自鎖；防滑裝置

中圖分類號：O34 文獻標(biāo)志碼：A

0 概述

作為登桿作業(yè)必備工具的腳扣，因具有強度高、韌性好、重量輕的特點，而被廣泛應(yīng)用于電力作業(yè)領(lǐng)域中，常見的登桿腳扣參數(shù)見表1。腳扣登桿作業(yè)過程中主要借助人的自身重量，利用杠桿和摩擦力實現(xiàn)自如登桿。登桿作業(yè)人員抬腳時，因承重減少，腳扣自動松開，由于力學(xué)自鎖原理，故使得物體的自動合力的作用線與摩擦角之間形成了全反力平衡。

1 腳扣登桿的自鎖摩擦力原理

因腳扣的“J”形前端固定卡頭的防滑墊登桿作業(yè)時防滑墊與水泥電桿的靜摩擦因數(shù)U為0.6，腳扣腳踏板與腳扣“J”形前端固定卡頭登桿作業(yè)時不是同一水平面，豎直方向存在一個10cm的高度差H。作業(yè)人員腳扣登桿的時候，單腳站在踏板上，腳扣為基準(zhǔn)，受到的力的作用來自于6個方向。將人的作用力設(shè)定為P，則踏腳板的自身的重力為G，水泥電桿對A的支持力設(shè)定為NA，A部分的靜摩擦力為FA，水泥電桿的支持力設(shè)定為NB，B部分的靜摩擦力為FB，最后得出踏腳板的受力平衡計算公式為：

NB=NA

FA+FB=P

在沒有人踩到腳踏板的時候，此時P=0，腳踏板保持平衡，人在腳踏板上不會向下滑動。

因此，重量P的人踩在腳踏板上，任意方向的站立，最終得到的P的系數(shù)都小于或者等于零。但P達到一定的數(shù)值的時候，平衡條件下，人的體重?zé)o論多大，只要腳扣能夠承受，都不會發(fā)生滑動，此種現(xiàn)象被稱為自鎖。這就是運用靜摩擦力的自鎖條件，實現(xiàn)腳扣的設(shè)計制造的工作原理。

為了研究的方便，將腳扣在A和B之間所受到的支持力和靜摩擦力分別設(shè)置為RA和RB，得到的合力的作用是距離水泥電桿中時，中心線形成了支持力和合理的夾角，此時靜摩擦力達到最大值。腳扣平衡之后，靜摩擦力小于或者等于最大靜摩擦力，與接觸面的法向間的夾角處在臨界的狀態(tài)，這個關(guān)系與自鎖條件相同，即是所謂摩擦角實現(xiàn)腳扣自鎖條件的原理。

利用靜摩擦力的自鎖條件，腳扣的合力作用，在腳扣平衡的時候，重心離水泥電桿中心的距離，是與人對踏腳板的壓力的作用形成對比的。根據(jù)水泥電桿中心距離的轉(zhuǎn)軸測算得到的實際數(shù)據(jù)，任意的人體體重，經(jīng)過踏腳板上的重力作用后，形成的平衡條件，均能滿足電桿的上行和下行要求。不會發(fā)生滑動。因此，無論體重多大的登桿作業(yè)人員，依然能夠承受住其重量，不會發(fā)生滑脫的事故。

2 新型腳扣防滑裝置設(shè)計

在日常線路維護中，腳扣是經(jīng)常使用的安全器具。為了減少登桿難度，尤其是在濕滑電桿中，登桿作業(yè)人員常在腳扣防滑墊上纏繞鋁線，以增加摩擦力，違反安全規(guī)定，增加作業(yè)人員安全風(fēng)險。由于濕滑電桿與腳扣防滑墊之間的摩擦系數(shù)要降低，為防止出現(xiàn)滑落的情況，減少作業(yè)人員的安全隱患，因而在不改變原有腳扣受力結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計新型可拆卸式腳扣防滑裝置，具體如圖2所示。

（1）根據(jù)登桿時腳扣內(nèi)側(cè)與電桿間摩擦力的受力方向，為使本防滑裝置登桿時與電桿摩擦力最大，故將其內(nèi)側(cè)斜紋齒排列與水平傾斜度為75°。同時，為克服目前改進的腳扣的“J”形前端固定卡頭的鋸齒過大過尖，登桿作業(yè)不方便，增加登桿難度且防滑效果不理想的問題，故將斜紋齒底部設(shè)計成直徑2mm，高度1.5mm，頂部圓弧半徑0.5 mm。

（2）為使防滑裝置在齒紋磨損防滑效果不夠時及時更換，故將本防滑裝置設(shè)計成可拆卸式，由于腳扣的“J”形前端固定卡頭加上防滑墊的厚度為35 mm，高度21 mm，同時考慮到“J”形前端固定卡頭的弧度，方便插入及拆卸移動，因而在本防滑裝置側(cè)面設(shè)計長55 mm、高25 mm、寬60 mm的滑動槽。

（3）為使登桿時本防滑裝置與腳扣固定，避免登桿作業(yè)是防滑裝置沿著“J”形前端固定卡頭滑動，故在本防滑裝置頂部中心設(shè)計直徑15 mm的螺栓孔，在本防滑裝置正面設(shè)計長40 mm、高20mm、寬31 mm的固定操作槽。同時，考慮到減輕登桿作業(yè)腳扣負(fù)重，提高登桿作業(yè)靈活性，本防滑裝置材質(zhì)選用熟鋁。

新型可拆卸式腳扣防滑裝置利用腳扣登桿自鎖原理，增加了腳扣與電桿之間的摩擦力，降低了登桿作業(yè)人員安全風(fēng)險，作業(yè)人員在攀登濕滑電桿時僅需將其固定在腳扣”J”型端，即可提高作業(yè)人員的安全性。

結(jié)語

本文從物理學(xué)摩擦力的角度分析了腳扣登桿作業(yè)的受力原理，在自鎖條件的支持下，無論作業(yè)人員的體重有多大，均能保證完成電線桿的上下行的動作要求，不會發(fā)生滑落，并根據(jù)腳扣摩擦力自鎖原理設(shè)計了新型可拆卸式腳扣防滑裝置，有效降低作業(yè)人員在攀登濕滑電桿時出現(xiàn)打滑的風(fēng)險。

參考文獻

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