一種擦窗機(jī)用三吊點(diǎn)伸縮吊架的設(shè)計(jì)與研究

劉東明，李沿沿，田春偉，王進(jìn)進(jìn)，劉承桓

（中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司 建筑機(jī)械化研究分院，河北 廊坊 065000）

1 背 景

伴隨著中國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)和建筑業(yè)的快速發(fā)展，各式各樣的高層建筑樓群拔地而起，成為城市中一道亮麗的風(fēng)景線，擦窗機(jī)作為安全、實(shí)用、高效的高空作業(yè)專用設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于建筑物外墻立面和玻璃幕墻的清洗和維修作業(yè)中。建筑外形的多樣化對(duì)擦窗機(jī)的布置和設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是一種考驗(yàn)，尤其是帶有較大凹、凸造型等不規(guī)則外墻面的建筑物，以往通常采用折疊式伸展吊架、伸縮吊籃或旋轉(zhuǎn)吊籃等，但這些型式的工作平臺(tái)均因伸縮長(zhǎng)度限制、穩(wěn)定性差、不能隨帶幕墻模塊等問(wèn)題，已逐漸不能滿足特殊建筑的工況需求。因此，需要一種新型的專門適用于特殊建筑外墻的伸縮機(jī)構(gòu)，以滿足伸縮距離長(zhǎng)、操作簡(jiǎn)單，可攜帶幕墻模塊的特殊要求。因此本文提出一種擦窗機(jī)用三吊點(diǎn)伸縮吊架的設(shè)計(jì)與研究。

2 三吊點(diǎn)伸縮吊架

2.1 主要結(jié)構(gòu)和工作原理

結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，本文提出一種三吊點(diǎn)伸縮式吊架，如圖1 所示，主要包括擦窗機(jī)吊籃、伸縮臂、平衡吊臂、主臂、鋼絲繩補(bǔ)償機(jī)構(gòu)和可移動(dòng)配重等，其中主臂前端固定在平衡吊架上，平衡吊架設(shè)有兩個(gè)吊點(diǎn)，主臂后端設(shè)有另外一個(gè)吊點(diǎn)，這三個(gè)吊點(diǎn)單獨(dú)與懸掛鋼絲繩連接，伸縮臂套接于主臂內(nèi)部，可移動(dòng)配重懸掛于主臂上側(cè)，兩者在驅(qū)動(dòng)裝置的牽引下沿相反方向同步移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)擦窗機(jī)吊籃的伸縮動(dòng)作并時(shí)刻保持平衡。

圖1 伸縮吊架工作狀態(tài)示意圖

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)伸縮聯(lián)動(dòng)技術(shù) 借鑒擦窗機(jī)主機(jī)吊臂的結(jié)構(gòu)形式，伸縮吊架的伸縮臂套接于主臂內(nèi)部，采用齒條或鏈條傳動(dòng)方式沿水平方向移動(dòng)，以達(dá)到靠近或遠(yuǎn)離幕墻的目的，同時(shí)可移動(dòng)配重通過(guò)鋼絲繩繞過(guò)主臂的兩組滑輪與伸縮臂連接，與伸縮臂沿相反方向同步移動(dòng)，在滿足抗傾翻穩(wěn)定性的前提下，有效地降低了伸縮吊架的自重。

2)三吊點(diǎn)技術(shù) 由于擦窗機(jī)工作平臺(tái)與主機(jī)采用鋼絲繩這種“軟連接”的形式，當(dāng)主機(jī)臂頭回轉(zhuǎn)或遭遇較大陣風(fēng)時(shí)，在慣性力或水平風(fēng)力的偏載作用下傳統(tǒng)的兩吊點(diǎn)工作平臺(tái)會(huì)發(fā)生較大幅度的擺動(dòng)，容易造成吊籃內(nèi)操作人員的不適，甚至帶來(lái)更大的安全隱患。因此，本吊架將主臂前側(cè)單吊點(diǎn)變?yōu)殡p吊點(diǎn)，前后一共三個(gè)吊點(diǎn)，優(yōu)化了前側(cè)吊點(diǎn)鋼絲繩的受力并很好地提高了吊架水平方向的穩(wěn)定性。

3)鋼絲繩補(bǔ)償技術(shù) 伸縮吊架采用三吊點(diǎn)六繩獨(dú)立懸掛的形式，當(dāng)各根鋼絲繩長(zhǎng)度不一致時(shí)，會(huì)導(dǎo)致吊籃和伸縮吊架自身發(fā)生傾斜，或者出現(xiàn)單根鋼絲繩受力的情況，因而必須增加一套鋼絲繩長(zhǎng)度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，以保證在工作狀態(tài)下各個(gè)吊點(diǎn)始終處于同一水平面。鋼絲繩長(zhǎng)度補(bǔ)償分為吊點(diǎn)內(nèi)補(bǔ)償和吊點(diǎn)間補(bǔ)償兩種情況：①由于同一吊點(diǎn)內(nèi)部和前側(cè)兩個(gè)吊點(diǎn)之間每根鋼絲繩受力大小基本相等，故采用通用的杠桿式調(diào)平方法，如圖2 所示；②當(dāng)?shù)跫芴幱诓煌ぷ鞣然蛘邞覓觳煌笮≥d荷時(shí)，其重心會(huì)發(fā)生較大偏移，以致前、后吊點(diǎn)之間鋼絲繩的受力大小發(fā)生較大變化，當(dāng)建筑高度超過(guò)200m 以上，鋼絲繩彈性變形量也會(huì)產(chǎn)生很大變化，會(huì)造成伸縮吊架出現(xiàn)“前高后低”或者“前低后高”現(xiàn)象，因此，本吊架采用油缸或者推桿的形式，在外力干預(yù)下強(qiáng)制調(diào)整鋼絲繩的長(zhǎng)度，保證吊架前后吊點(diǎn)始終處于水平狀態(tài)。

圖2 平衡吊架

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

3.2 穩(wěn)定性計(jì)算

考慮最不利載荷組合工況，參考擦窗機(jī)整機(jī)穩(wěn)定性計(jì)算方法來(lái)驗(yàn)證伸縮吊架的穩(wěn)定性，得出伸縮吊架滿載狀態(tài)下吊架伸到最長(zhǎng)和空載狀態(tài)下吊架縮到最短為兩種最極端工況。

1)滿載狀態(tài)下，當(dāng)伸縮臂全部伸出時(shí)伸縮吊架整體受力如圖3 所示。

圖3 滿載狀態(tài)伸縮吊架受力簡(jiǎn)圖

圖中，Tshl為吊鉤總懸掛載荷，Tsl為吊船總懸掛載荷，mo為伸縮臂質(zhì)量，mi1、mi2分別為主臂和移動(dòng)配重質(zhì)量，Lshl、Lsl、Lo、Li1、Li2分別為以上各載荷至前吊點(diǎn)的距離。

代入數(shù)據(jù)得到此工況下傾翻力矩和穩(wěn)定力矩大小分別為

2)空載狀態(tài)下，當(dāng)伸縮臂全部縮回時(shí)伸縮吊架整體受力如圖4 所示。

圖4 空載狀態(tài)伸縮吊架受力簡(jiǎn)圖

圖中，mo′為移動(dòng)配重質(zhì)量，mi1′、mi2′、mi3′分別為主臂、移動(dòng)配重和吊船質(zhì)量，Lo′、Li1′、Li2′、Li3′分別為以上各載荷至后吊點(diǎn)的距離。

代入數(shù)據(jù)得到此工況下傾翻力矩和穩(wěn)定力矩大小分別為

綜上所述，兩種工況下伸縮吊架穩(wěn)定性均滿足要求。

3.3 伸縮臂強(qiáng)度計(jì)算

伸縮臂作為伸縮吊架的關(guān)鍵受力結(jié)構(gòu)部件，其截面大小直接決定了伸縮吊架的外形尺寸和重量，所以合理地選擇其截面對(duì)伸縮吊架的整體設(shè)計(jì)至關(guān)重要。經(jīng)初步估算，選取伸縮臂截面尺寸高× 寬× 厚為220mm×140mm×6mm，材料為Q355，其截面抗彎模量為W=267cm3。

滿載工作狀態(tài)下，伸縮臂全部伸出時(shí)為極限工況，此時(shí)最危險(xiǎn)截面所受彎矩大小為

由此可見(jiàn)，伸縮臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，且冗余不大，說(shuō)明材料的利用率很充分，因此，該截面尺寸比較合理。

4 應(yīng)用及改進(jìn)

通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外廠家類似產(chǎn)品，并結(jié)合實(shí)際使用工況，反復(fù)進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，在初始設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上多次改進(jìn)和優(yōu)化，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。該產(chǎn)品伸縮幅度大、調(diào)節(jié)精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、安全可靠、穩(wěn)定性好。目前，該產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用到沈陽(yáng)寶能中心和廣州國(guó)美中心等項(xiàng)目中，如圖5、圖6 所示。

三吊點(diǎn)伸縮吊架的開(kāi)發(fā)應(yīng)用對(duì)后續(xù)擦窗機(jī)產(chǎn)品的優(yōu)化、改進(jìn)及標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)起到了很好的指導(dǎo)作用。它順應(yīng)了現(xiàn)代超高層建筑多樣化發(fā)展的需求，對(duì)解決超高層建筑異形外立面施工、玻璃幕墻清洗和維護(hù)工作提供了借鑒。

圖5 沈陽(yáng)寶能中心設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

圖6 廣州國(guó)美中心設(shè)備車間調(diào)試