機車車輛檢修車頂作業(yè)安全滑索系統(tǒng)

歐陽鵬，李 豫

（國鐵集團工程設(shè)計鑒定中心，北京 100844）

近年來，我國的社會經(jīng)濟水平和科學(xué)技術(shù)水平都得到了不同程度的提升，人們的物質(zhì)文化生活水平也不斷提升，因此，人們對鐵路客運條件與服務(wù)水平的要求也不斷提升。為滿足旅客的高標(biāo)準(zhǔn)要求，我國鐵路機車車輛實現(xiàn)了快速的現(xiàn)代化發(fā)展，包括：提速鐵路空調(diào)客車的大量使用、和諧機車和高速動車組的運營。

新型機車車輛及動車組車頂空調(diào)裝置，接觸網(wǎng)及供電系統(tǒng)等需要定期檢查檢修，車頂檢修工作量大幅增加。機車車輛檢查檢修庫棚、整備場等場所，檢修人員需要登上車頂，對車輛頂部設(shè)施進(jìn)行檢修。車頂面距地面高度約4 m以上，屬于國家標(biāo)準(zhǔn)GB3608的高空作業(yè)范圍，存在人員墜落的風(fēng)險。

1 車頂檢修現(xiàn)狀防護(hù)措施

目前國內(nèi)在機車車輛及動車組車頂檢修防護(hù)措施有以下幾點。

1.1 既有客車技術(shù)整備所

客車技術(shù)整備所內(nèi)整備庫（棚）或室外整備線設(shè)有頂層作業(yè)平臺、臨修庫臨修線局部設(shè)置頂層作業(yè)平臺，但頂層平臺對側(cè)未設(shè)防止人員墜落的安全網(wǎng)欄，如圖1所示。目前，檢修人員檢修作業(yè)時佩戴定長的安全帶，但是沒有給安全帶掛鉤提供專門的掛點。檢修人員需要目視評估安全帶掛點位置，有的掛在客車空調(diào)吊環(huán)上、有的掛在頂層平臺欄桿上、有的掛在起重掛鉤上，因為掛點均是固定的，所以作業(yè)人員每換一個工位就要摘一次鉤，在作業(yè)摘鉤及掛鉤的環(huán)節(jié)中，不但存在墜落的危險情況，而且會極大地影響工作效率。另外安全帶的長度是固定的，所以人員活動范圍受到局限，也增加了摘鉤的頻次。

圖1 車頂無安全網(wǎng)

1.2 既有動車組設(shè)備

動車段（所）內(nèi)檢查庫、檢修庫設(shè)有3層作業(yè)平臺、臨修庫臨修線局部設(shè)置頂層作業(yè)平臺，為保證作業(yè)人員登車頂安全，在對側(cè)設(shè)置了安全網(wǎng)欄，如圖2所示。因無起重機，動車組檢查庫安全網(wǎng)采用房屋架懸掛形式，整個檢查庫頂部比較凌亂。而檢修庫和臨修庫因有起重作業(yè)，安全網(wǎng)采用地面支撐式，占用的地面作業(yè)空間且妨礙臨修臺位起吊作業(yè)。頂層作業(yè)平臺設(shè)置了風(fēng)動翻板裝置，增加了翻板操作規(guī)程。三層檢修平臺和護(hù)欄與車輛間仍存在間隙，而且車頭和車尾部分處于全開放狀態(tài)，檢修人員墜落的風(fēng)險依然存在。

1.3 既有機車整備場

機務(wù)段、機務(wù)折返段整備棚或室外整備線一般設(shè)有三層作業(yè)平臺。近年新建的機務(wù)整備棚均在頂層設(shè)置雙側(cè)平臺或單側(cè)作業(yè)平臺對側(cè)設(shè)置固定安全網(wǎng)欄，但檢修人員在檢修作業(yè)時仍佩戴定長的安全帶，一般掛在接觸網(wǎng)上。

2 車頂作業(yè)安全防護(hù)工藝設(shè)計需求

2.1 車頂檢修作業(yè)直接引起墜落的客觀因素

機車車輛車頂檢修直接引起墜落的客觀因素包括：陣風(fēng)風(fēng)力5級（風(fēng)速8.0 m/s）以上；II級或以上的高溫作業(yè)；平均氣溫≤5℃的作業(yè)環(huán)境；作業(yè)場地有冰、雪、霜、水、油等易滑物；作業(yè)場所光線不足，能見度差；體力勞動強度大等因素。

2.2 車頂作業(yè)安全防護(hù)工藝方案

2.2.1 安全網(wǎng)欄

頂層作業(yè)平臺對側(cè)設(shè)置固定安全網(wǎng)欄，用來防止作業(yè)人員墜落，安全網(wǎng)欄一般與平臺長度相等，由方形鋼管框架和鋼絲網(wǎng)組成。網(wǎng)欄高1.3 m，根據(jù)需要，其下部安裝風(fēng)動翻轉(zhuǎn)架以減少車體與安全網(wǎng)欄的間隙。適用于檢修作業(yè)工作量大，作業(yè)人員多的場所。

2.2.2 安全帶

防止高處作業(yè)人員發(fā)生墜落或發(fā)生墜落后將作業(yè)人員安全懸掛的個體防護(hù)裝備。適用于車頂檢修作業(yè)工作量小，人員少的場所。

2.2.3 安全滑索系統(tǒng)工藝需求

安全網(wǎng)欄設(shè)計方案頂層平臺和護(hù)欄與車輛間存在間隙，而且車頭和車尾部分處于全開放狀態(tài)，檢修人員墜落的風(fēng)險依然存在。安全帶方案目前使用不規(guī)范，配套裝置不齊，且人員作業(yè)受限，影響工作效率。在頻繁摘鉤及掛鉤的環(huán)節(jié)中，亦存在墜落危險。

某動車檢查庫庫配屬車少，車頂檢修作業(yè)少，故設(shè)局部作業(yè)平臺；為取消安全網(wǎng)欄設(shè)計且滿足車頂檢修走行要求，亟需一種用于機車車輛檢修的安全滑索系統(tǒng)，以解決上述問題。安全滑索系統(tǒng)工藝需求：

（1）永久安全滑索貫通全部檢修作業(yè)面，無死角。

（2）作業(yè)人員沿著永久滑索自由移動，滑塊可以輕易通過滑索支撐座，任何時候都不需要分離拆卸安全繩掛鉤。

（3）換位裝置可以將兩個滑塊對換位置，保證兩個對向運動的人員錯身通過。

（4）差速安全繩可以自由調(diào)節(jié)長度，增加了作業(yè)人員的活動范圍。

（5）五點式安全帶保證人員墜落時不受二次傷害。

（6）安全滑索總體重量輕，不會給建筑物鋼結(jié)構(gòu)受力造成影響，建設(shè)成本低。

3 安全滑索系統(tǒng)組成

為提高車頂檢查、檢修的質(zhì)量，并提高作業(yè)效率，就必須采用高效率、安全、可靠的先進(jìn)的工藝方案和裝備，而安全滑索系統(tǒng)是保證車頂檢修作業(yè)人員安全的重要手段之一。

安全滑索系統(tǒng)，安裝于庫房頂層作業(yè)平臺側(cè)上方的屋頂或由平臺設(shè)置支架，包括：吊裝于庫房屋梁上的多個支柱；穿設(shè)于各支柱下方的滑索；滑動連接于所述滑索上的防護(hù)組件，防護(hù)組件包括安全滑塊、防墜差速器和多點式安全帶，如圖3所示。

圖3 安全滑索布置形式

支柱豎直設(shè)置，支柱的上端設(shè)置有支柱底板，支柱底板的兩側(cè)分別通過梁夾與房屋梁固定連接，支柱底板的傾斜角度與庫房屋梁底部的傾斜角度一致。支柱的下端設(shè)置有支撐座。滑索依次穿過各支柱的支撐座。安全滑塊滑動安裝于所述滑索上，且能滑過所述支撐座，防墜差速器的兩端分別與安全滑塊和多點式安全帶固定連接。

斜拉桿傾斜設(shè)置，其一端固定于庫房屋梁上，另一端固定于與其相鄰的支柱下方。斜拉桿包括實心拉桿和固設(shè)于實心拉桿兩端的鎖頭，其中一端的鎖頭通過第一耳板與庫房屋梁連接，另一端的鎖頭通過第二耳板與支柱連接。

支柱的最大間距為15 m，滑索到車頂上方的距離為2 m。滑索、支撐座及安全滑塊的材質(zhì)設(shè)計為不銹鋼，緊固螺栓為高強度螺栓?；鳛殡p股安全線，其中每股安全線的直徑為8 mm。安全線的首尾分別與房屋地線連接。

換位裝置分為靜止部分和運動部分，當(dāng)兩個滑塊同時進(jìn)入換位裝置的運動部分時，限位銷會把兩個滑塊固定，運動部分旋轉(zhuǎn)180°，限位銷解鎖，就完成了兩個滑塊的位置對換，那么對向運動的人員就可以錯身通過了。換位裝置圖，如圖4所示。

圖4 換位裝置

伸縮安全帶及多點式安全帶的材質(zhì)設(shè)計為絕緣材料防止人員觸電。速差式安全帶的長度可以調(diào)節(jié)，最長可以增加到6 m，可最大范圍內(nèi)增加作業(yè)人員的活動范圍，有效地提高了工作效率。人員正常運動時安全帶可以自由伸縮，發(fā)生墜落時安全帶瞬間卡死。

五點式安全帶通過約束人員的雙肩，腰部和雙腿，增加了安全帶和身體的接觸面積，一方面在墜落發(fā)生時控制人體重心，另一方面防止人員勒傷。

4 安全滑索系統(tǒng)受力計算

4.1 計算假定及要求

（1）每個人重量為100 kg；重力加速度為g=10 N/kg；安全系數(shù)為2。

（2）假設(shè)最不利情況下，5個人的重量集中加載在支座中間一個點上。那么向下的力為F=100 kg×5×10 N/kg×2=10 kN。

（3）鋼絞線預(yù)張力1 kN。保證鋼絞線靜止?fàn)顟B(tài)下水平拉直。鋼絞線自重0.325 kg/m。

（4）滑索支座額定間距應(yīng)小于15 m，國內(nèi)動車組鋼結(jié)構(gòu)廠房柱距間隔一般為6 m或9 m，故滑索支柱間距可為12 m或9 m。本次計算按照最大間距12 m計算。

（5）滑索由支柱與屋架梁連接，屋架梁能夠承受的力遠(yuǎn)大于滑索向下的力，所以本次計算不考慮滑索向下的力，只對滑索內(nèi)部拉力進(jìn)行計算。

4.2 滑索所受拉力

如圖5所示，根據(jù)前邊假設(shè)，發(fā)生墜落前鋼纜為水平，墜落發(fā)生時，鋼絞線中間受到垂直向下的力F=10 kN，鋼絞線受力伸長，每100 m達(dá)到最大伸長量E=1 m，最終拉力傳遞到端頭支柱，再通過斜拉結(jié)構(gòu)傳遞到屋架梁上，墜落停止。這時鋼纜與水平方向形成等腰三角形。已知支座間距L=12 m，鋼纜伸長到13 m，根據(jù)三角計算知最大下落距離為f=2.5 m，鋼纜與水平方向夾角的正弦值為sin（a）=2.5/6.5 m。垂直向下的力等于鋼纜拉力在垂直方向的分量，支座間鋼纜的瞬間拉力為T1=F/[2*sin（a）]=13 kN。

圖5 滑索拉力示意圖

滑索由兩根8 mm不銹鋼鋼絞線組成，單根鋼絞線抗拉系數(shù)為160 000 MPa，最小破斷拉力為53.9 kN，兩根安全線可承受拉力107.8 kN，遠(yuǎn)大于T1=13 kN。

4.3 系統(tǒng)對屋梁的作用力

由于發(fā)生墜落時，滑索對支柱發(fā)生的是一個瞬間的沖擊力，使鋼絞線瞬間伸長，由于鋼絞線具有一定的柔性，鋼絞線和中間支座發(fā)生摩擦力，把沖擊力均勻地傳遞給中間支柱，最后到達(dá)端頭支座，由端頭支柱和斜拉桿承受穩(wěn)定的拉力。端頭支柱的斜拉結(jié)構(gòu)，由截面積為201 mm2的鋼筋制成。斜拉結(jié)構(gòu)的抗拉強度為235 MPa，拉力為201 mm2×235 MPa=47.23 kN。遠(yuǎn)大于T1=13 kN支柱端頭受到的最大拉力。

5 安全滑索系統(tǒng)感應(yīng)電消除措施

安全滑索與接觸網(wǎng)是平行布置的，當(dāng)接觸網(wǎng)有電時，會使安全滑索產(chǎn)生比較強的感應(yīng)電，強度會危及人員安全。安全滑索系統(tǒng)通過以下兩種方式釋放感應(yīng)電，保證系統(tǒng)絕對安全。

5.1 結(jié)構(gòu)接地

鋼索安裝在支撐座上，支撐座和支柱連接，支柱和鋼結(jié)構(gòu)屋梁連接，400 m長的鋼索有36個支柱與屋梁連接，形成并聯(lián)電路。由于鋼索與鋼結(jié)構(gòu)為良導(dǎo)體，所以鋼索上收到的感應(yīng)電很快就會通過鋼結(jié)構(gòu)的綜合地線導(dǎo)入大地。

當(dāng)列車進(jìn)庫，接觸網(wǎng)停電后，鋼索上就不會再有感應(yīng)電勢了。另外差速安全帶是由絕緣材料制成，人員不會和鋼索發(fā)生直接接觸。

5.2 地線接地

參考《接觸網(wǎng)安全工作規(guī)程》V形天窗停電作業(yè)接地線設(shè)置的要求，接觸網(wǎng)兩接地線間距大于1 000 m時，需增設(shè)接地線。為了防止接觸網(wǎng)對生命線系統(tǒng)的感應(yīng)電對車頂作業(yè)人員產(chǎn)生傷害，生命線系統(tǒng)鋼索需要接地處理；在橫向第1和36軸，延屋梁安裝接地銅導(dǎo)線，導(dǎo)線截面積不小于30 mm2，兩地線間距為410 m，遠(yuǎn)小于以上規(guī)定的要求，理論上是絕對安全的。系統(tǒng)接地后實際測量的接地電阻小于30Ω。

6 安全滑索系統(tǒng)工程應(yīng)用

安全滑索系統(tǒng)在某專運動車檢查庫設(shè)計首次使用，該檢查庫為既有改造，由于房屋結(jié)構(gòu)承重、空間限制等因素，該庫不能安裝通常的懸掛式安全防護(hù)網(wǎng)，那么在人員車頂作業(yè)防墜落方面，就需要一種可以起到防墜落作用，而且重量很輕的方案。

安全滑索系統(tǒng)設(shè)計在每條股道上方各布置一條滑索，每條長410 m，每條通過支柱吊裝于庫房屋梁下方，支柱按照12 m間距設(shè)計，其中安全帶與滑索通過安全滑塊連接，安全滑塊可跟隨作業(yè)人員移動，移動時無需手動干預(yù)，而且在空中的任何時候都不需要進(jìn)行分離摘掛安全掛鉤的動作，保證安全無死角，并且保證了檢修人員的工作效率；其中防墜差速器可以自由調(diào)節(jié)長度，自動收回，發(fā)生墜落時立即鎖止，可專門用于墜落時吸收能量，其配合多點式安全帶使用，可更好地保護(hù)墜落人員安全；同時該系統(tǒng)增加了作業(yè)人員的活動范圍，安全系數(shù)更高，承重重量更大。另外，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，在庫房中沒有占用空間，使庫房內(nèi)部整體整潔度提高。

7 結(jié)束語

機車車輛檢修車頂作業(yè)安全滑索系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)輕巧，沒有對建筑物結(jié)構(gòu)造成影響，同時保證了庫內(nèi)簡潔美觀；在使用過程中完全達(dá)到預(yù)期的保護(hù)作用，保護(hù)了車頂操作人員的生命安全，且建設(shè)成本低廉，具有極高的安全價值和經(jīng)濟價值。

機車車輛檢修車頂作業(yè)安全滑索系統(tǒng)的研制應(yīng)用，解決了安全網(wǎng)設(shè)計的工藝不足，是安全網(wǎng)的一個替代工藝方案，為未來動力集中動車組檢查庫設(shè)計提供了事件經(jīng)驗。