構(gòu)架式設(shè)備安全帶防護(hù)掛架的研制

張宏偉，宋 燕

(國網(wǎng)甘肅省電力公司金昌供電公司，甘肅 金昌 737100)

安全帶是高處作業(yè)時防止墜落的安全用具，高處作業(yè)超過1.5 m時，應(yīng)使用安全帶[1]。目前，變電站戶外作業(yè)暫無系掛安全帶的專用鋼絲繩或構(gòu)架[2]，當(dāng)在隔離開關(guān)等構(gòu)架式設(shè)備上作業(yè)時，檢修人員只能將安全帶系掛在設(shè)備構(gòu)架、支持瓷瓶、安裝基座或設(shè)備部件上，違反相關(guān)規(guī)定[3]，給作業(yè)人員帶來極大的安全隱患。同時，由于使用不規(guī)范，安全帶或保護(hù)繩易纏繞在作業(yè)人員腿或腳上，帶來新的危險(xiǎn)。電力企業(yè)普遍采取以下措施來解決這些問題[4]。

(1)使用絕緣斗臂車。該方法的主要缺陷，是受作業(yè)空間的限制，斗臂車無法進(jìn)入作業(yè)現(xiàn)場。

(2)搭建腳手架。這種方法的主要缺陷是，檢修設(shè)備與帶電設(shè)備互相交叉，搭建腳手架不能滿足安全距離的要求。由于腳手架重量大，安裝拆卸時費(fèi)時、費(fèi)力、費(fèi)工。

(3)掛在構(gòu)件、瓷瓶以及移動的物件上。高處作業(yè)時，掛在這些地方，不僅不能有效保證作業(yè)人員的安全[1]，而且?guī)硇碌奈ｋU(xiǎn)，如瓷瓶斷裂、移動時碰觸帶電設(shè)備等。

(4)采用梯子登高、專人扶守的方式。這種方式，會因?yàn)樽鳂I(yè)地點(diǎn)的變換而需隨時移動梯子，增加作業(yè)成本、降低作業(yè)效率。

1 研究的意義和目標(biāo)

1.1 意義

常見的安全帶專用防護(hù)架均為單側(cè)夾緊式拆分結(jié)構(gòu)。該種防護(hù)架由底部卡座和掛桿組成，選用高強(qiáng)度合金、酚醛樹脂、玻璃纖維等材料制成，如圖1所示。使用時，安裝在隔離開關(guān)一側(cè)的槽鋼上，這種防護(hù)架存在以下缺陷。

(1)掛桿位置影響隔離開關(guān)傳動拉桿的正常運(yùn)行。

(2)由于單側(cè)安裝，限制作業(yè)人員的工作范圍，需隨時更換安裝點(diǎn)，效率低。

(3)存在安全帶與隔離開關(guān)操作機(jī)構(gòu)纏繞的隱患。

圖1 傳統(tǒng)的安全帶專用防護(hù)架

因此，針對構(gòu)架式設(shè)備檢修作業(yè)，亟需一種科學(xué)合理、安全可靠的安全帶掛架，提高工作效率，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 目標(biāo)

為徹底解決這些問題，研制的安全帶專用掛架必須適應(yīng)不同類型構(gòu)架式設(shè)備。

(1)掛扣點(diǎn)有足夠的高度。滿足安全帶“高掛低用”要求，解決無專用系掛安全帶的構(gòu)架或鋼絲繩的問題，并且不影響隔離開關(guān)等設(shè)備的調(diào)試操作。

(2)安全可靠。防護(hù)架具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，各部件連接牢固可靠，能在作業(yè)人員意外墜落時有足夠的牽拉力，確保作業(yè)人員安全。

(3)攜帶、拆裝方便。防護(hù)架應(yīng)獨(dú)立分塊設(shè)計(jì)，每個部件均應(yīng)安全可靠，且無需借助特殊工具就能快捷固定和拆卸，時間控制在5 min以內(nèi)。

(4)通用性強(qiáng)。除隔離開關(guān)外，還能在電流互感器、電壓互感器等設(shè)備構(gòu)架上使用，做到“一架多用”。

2 設(shè)計(jì)與研制

為降低作業(yè)危險(xiǎn)性，增加作業(yè)人員的安全系數(shù)，提高作業(yè)效率，開展了安全帶專用掛架的設(shè)計(jì)、研制工作。

2.1 功能分析

安全帶專用掛架應(yīng)具有以下特點(diǎn)。

(1)主體結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí)牢固、小巧輕便。

(2)夾座、掛桿布局位置應(yīng)合理，不妨礙設(shè)備調(diào)試操作。

(3)夾座、掛桿的固定方式穩(wěn)定、安全可靠，不出現(xiàn)滑移、脫落等現(xiàn)象。

(4)固定裝置安裝、拆卸簡單、便捷。

安全帶專用掛架功能分析表如表1所示。

2.2 制定方案

經(jīng)過調(diào)查、研究，對各部件的加工、制作方式和選材提出了各種比選方案。

(1)夾座設(shè)計(jì)。夾座選擇對比表見表2。

表1 安全帶專用掛架功能分析表

表2 夾座選擇對比表

(2)掛桿設(shè)計(jì)。掛桿選擇對比表見表3。

表3 掛桿選擇對比表

(3)掛環(huán)設(shè)計(jì)。掛環(huán)選擇對比表見表4。

表4 掛環(huán)選擇對比表

(4)夾座固定方式。夾座固定方式選擇對比表見表5。

表5 夾座固定方式選擇對比表

(5)掛桿固定方式。掛桿固定方式選擇對比表見6。

表6 掛桿固定方式選擇對比表

(6)夾座材料選擇。夾座材料選擇對比表見表7。

(7)掛桿材料選擇。掛桿材料選擇對比表見表8。

(8)固定裝置材料選擇。固定裝置材料選擇對比表見表9。

(9)掛環(huán)材料選擇。掛桿材料選擇對比表見表10。

經(jīng)過分析，科研人員一致同意這9個方面的方案選擇，具體如表11所示。

2.3 擬定計(jì)劃

根據(jù)研制方案，科研人員按照5W1H的原則制定了實(shí)施計(jì)劃，如表12所示。

表7 夾座材料選擇對比表

表8 掛桿材料選擇對比表

表9 固定裝置材料選擇對比表

表10 掛環(huán)材料選擇對比表

表11 安全帶掛架制作方案表

表12 實(shí)施計(jì)劃表

2.4 設(shè)計(jì)與制作

2.4.1設(shè)計(jì)圖紙

通過查閱各類設(shè)備說明書，針對不同廠家的隔離開關(guān)、電流互感器、電壓互感器等設(shè)備型號，列出構(gòu)架尺寸表。繪制出能夠全面匹配各類尺寸、可靈活調(diào)節(jié)大小和高低的安全帶掛架圖紙，如圖2所示，并確定各個零部件尺寸。

圖2 設(shè)計(jì)圖紙

2.4.2加工制作

為方便現(xiàn)場攜帶和安裝，將掛架整體拆分為四個組合部件，化整為零，如圖3所示。

圖3 零配件圖

對各零部件的材質(zhì)選用及連接方式進(jìn)行分析、比選，加工制作實(shí)物，如圖4至圖5所示。

圖4 實(shí)物裝配圖

圖5 組裝成品圖

2.5 效果檢驗(yàn)

(1)防護(hù)架基座的固定方式。采用機(jī)械夾緊式固定方式，全方位夾緊固定，使其固定點(diǎn)受力均勻，防止移動和滑脫。防護(hù)架基座夾緊式固定方式如圖6所示。

圖6 防護(hù)架基座夾緊式固定方式圖

(2)是否阻礙檢修設(shè)備正常運(yùn)動軌跡。充分考慮不同類型、不同型號、不同廠家設(shè)備在檢修時可能的運(yùn)行軌跡，并進(jìn)行反復(fù)修正和改進(jìn)，使其不阻礙設(shè)備正常運(yùn)動軌跡。兩種運(yùn)動方式對比如圖7所示。

圖7 兩種運(yùn)動方式對比

(3)安全性。該裝置薄弱點(diǎn)主要是鎖扣懸掛撐桿與基座的連接處，在鎖扣懸掛撐桿與基座上固定板接觸部位加裝防護(hù)套，減少上固定板開孔邊緣對撐桿的磨損，擴(kuò)大撐桿受力面，減少受力，加強(qiáng)了此薄弱點(diǎn)的防護(hù)，如圖8所示。同時，在鎖扣懸掛撐桿尾部與基座下固定板處加裝防脫落銷，確保撐桿與基座的絕對穩(wěn)定。

圖8 采用防脫軸銷固定撐桿與基座

3 檢測和試驗(yàn)

3.1 力學(xué)試驗(yàn)

該安全帶掛架屬于專用裝置，不兼做他用，在力學(xué)試驗(yàn)室對其進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)。經(jīng)過嚴(yán)格的理論計(jì)算和多次的承重試驗(yàn)、快速沖擊試驗(yàn)等破壞性試驗(yàn)驗(yàn)證[5]，該裝置安全可靠。

(1)鋼板承重試驗(yàn)。鋼板采用Q235鋼，四邊固結(jié)，其承重試驗(yàn)如圖9所示[6]。

圖9 鋼板承重試驗(yàn)圖

鋼材厚度h=8 mm，利用平板彎曲計(jì)算公式，其受力F如下：

(1)

式中h——鋼材厚度；S——平板面積。

中心點(diǎn)的應(yīng)力計(jì)算如下：

(2)

中心點(diǎn)的擾度計(jì)算如下：

(3)

式中f——中心擾度，m；P——集中荷載，N；E——彈性模量，Pa；b——鋼板寬，m；h——鋼板厚，m；c1——矩形平板系數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果如表13所示?？梢姡摪宓氖芰顟B(tài)類于張力柔性平面體，并且Q235鋼的抗拉強(qiáng)度大于抗剪強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)破壞形式是鋼板被剪穿(沖切破壞)或鋼板的邊緣約束被拉壞。

表13 鋼板承重試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

(2)鎖扣懸掛撐桿快速沖擊試驗(yàn)。對撐桿懸掛重物進(jìn)行沖擊試驗(yàn)[6-7]，測量其彎曲度，如圖10所示。

圖10 掛撐沖擊試驗(yàn)圖

則，鋼管抗彎強(qiáng)度最大曲正應(yīng)力為

(4)

式中M——鋼管承受的最大彎矩；Yx——截面塑性發(fā)展系數(shù)，取1.15；Wnx——鋼管凈截面模量，也稱為凈截面抵抗矩。

試驗(yàn)結(jié)果如表14所示。

表14 快速沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3.2 完善改進(jìn)

在實(shí)訓(xùn)大廳隔離開關(guān)構(gòu)架上進(jìn)行安裝試驗(yàn)，將支撐桿安裝在中部，便于人員轉(zhuǎn)移工作地點(diǎn)。經(jīng)多次測試，該專用掛架操作簡單、適用性強(qiáng)、安全可靠、便攜性好，使用時不會影響隔離開關(guān)的分合，方便人員檢修作業(yè)和移位[8-9]。

測試情況如圖11所示。

圖11 安裝測試圖

4 研究成果

使用專用掛架后，安全帶使用更加規(guī)范，符合安全工作規(guī)程要求，減少了因此造成的違章作業(yè)，正確使用率達(dá)到100%。

(1)創(chuàng)新性。本文著力解決生產(chǎn)現(xiàn)場高處作業(yè)安全防護(hù)難題，研制出滿足構(gòu)架式設(shè)備檢修使用的安全帶專用掛架。各部件之間采用標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接，通用性強(qiáng)。

(2)經(jīng)濟(jì)性。直接效益方面，制作成本低，由簡單常規(guī)材料(鋼板、螺絲、合成撐桿)制作而成，加工簡便。間接效益方面，每次安裝、拆除安全帶掛架平均縮短48 min，提高作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)增收節(jié)支。

(3)安全性。此裝置不兼做他用，材料選型、尺寸經(jīng)過嚴(yán)格理論計(jì)算，同時承重試驗(yàn)和快速沖擊試驗(yàn)等力學(xué)試驗(yàn)合格，安全可靠，符合相關(guān)要求。方便作業(yè)人員使用，降低作業(yè)現(xiàn)場風(fēng)險(xiǎn)。

(4)可推廣性。該科研成果源于一線、面向一線，從實(shí)際出發(fā)，有效解決了高處作業(yè)時安全帶的“低掛高用”和無專用系掛點(diǎn)的問題，適用于所有雙槽鋼基座安裝的設(shè)備，便于攜帶、安裝簡單、安全可靠，推廣性強(qiáng)。

5 結(jié)語

2017年，在110 kV水源站、35 kV玉石溝站等5座變電站設(shè)備檢修現(xiàn)場使用，該裝置對作業(yè)人員的安全防護(hù)可靠，未出現(xiàn)纏繞等危及人身安全的危險(xiǎn)，徹底解決了安全帶使用不規(guī)范的難題，保障了人身安全，提高了作業(yè)效率。使用該創(chuàng)新性安全帶專用掛架后，安全帶使用合格率達(dá)到100%。

該裝置便于工作人員攜帶和安裝，方便、快捷，通用性強(qiáng)，可靠性、安全性等指標(biāo)均符合要求[8-9]，具有很好的實(shí)用和推廣價值。