塔式起重機(jī)防墜助爬裝置的設(shè)計(jì)研究

楊樹國 劉劍鋒 國樹東 文 豪 郭 遐

1泰安市質(zhì)量技術(shù)檢驗(yàn)檢測研究院 泰安 271000 2太原科技大學(xué) 太原 030024 3布勒（常州）機(jī)械有限公司 常州 213300

0 引言

塔式起重機(jī)具有工作效率高、適用范圍廣、回轉(zhuǎn)半徑大、起升高度高、工作幅度大、安裝和拆卸方便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)[1-3]。近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量高層建筑不斷涌現(xiàn)，使得高空位的塔式起重機(jī)數(shù)量隨之增多，一些塔式起重機(jī)甚至可高達(dá)百米以上，作業(yè)人員每次作業(yè)都需要通過塔身內(nèi)的爬梯不停地上梯或下梯，體力消耗較大，且勞動強(qiáng)度較高，很容易產(chǎn)生疲勞，且存在很大的安全隱患。如果遇上大風(fēng)、雨雪、冰凍等惡劣天氣，作業(yè)人員攀爬時極易發(fā)生由于打滑或踩空而導(dǎo)致的墜落事故。因此，迫切需要設(shè)計(jì)研制一款既能減輕作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，又能避免作業(yè)人員墜落的塔式起重機(jī)安全裝置。

目前，針對塔式起重機(jī)等高空作業(yè)設(shè)備攀爬用的安全裝置相對較少，在現(xiàn)有的高空攀爬裝置中，大多采用傳感器、二極管、集成電路等電子電路系統(tǒng)進(jìn)行控制，或是僅具備防墜落功能而不具備助爬功能等。例如，高銘澤等[4]通過電動機(jī)的控制電路來控制電動機(jī)的啟停，當(dāng)作業(yè)人員發(fā)生墜落時，會帶動鋼絲繩以較快的速度下滑，使下滑輪組的反轉(zhuǎn)速度加快，此時電動機(jī)反轉(zhuǎn)，同時其電樞會產(chǎn)生較高的電壓，通過電阻和穩(wěn)壓二極管觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，使電動機(jī)產(chǎn)生制動力矩，從而啟動安全防墜落功能，以阻止作業(yè)人員繼續(xù)下滑，但這種電子防墜落裝置容易損壞、可靠性差，且損壞后檢測故障點(diǎn)比較困難，不易維修；梁小虎等[5，6]設(shè)計(jì)了一款塔式起重機(jī)攀爬用的安全裝置，該裝置主要包括承重帶、防墜落裝置、安全帶等，其中承重帶固定在塔式起重機(jī)的頂部，防墜落裝置通過連接孔與作業(yè)人員的安全帶連接，作業(yè)人員攀爬時可利用安全帶的牽引作用帶動防墜落裝置沿著承重帶爬升，當(dāng)發(fā)生墜落時防墜落裝置的連桿旋轉(zhuǎn)，通過自鎖加緊承重帶而實(shí)現(xiàn)停止墜落；徐振忠等[7]在塔式起重機(jī)上安裝了一條等高度的垂直鋼絲繩，作業(yè)人員的安全帶連接防墜自鎖器，然后將自鎖器連接在垂直鋼絲繩上，作業(yè)人員攀爬時防墜自鎖器棘齒會打開，如果發(fā)生墜落則自鎖器在重力作用下自動關(guān)閉，卡住鋼絲繩，以實(shí)現(xiàn)防墜落效果；龍廣全等[8]設(shè)計(jì)的攀爬裝置由定滑輪、排繩輪、安全繩、絞盤等部件構(gòu)成，定滑輪固定在塔式起重機(jī)司機(jī)室的上部，排繩輪和絞盤固定在塔式起重機(jī)的底部，作業(yè)人員攀爬時絞盤操作員應(yīng)根據(jù)作業(yè)人員的攀爬速度來轉(zhuǎn)動絞盤搖把。作業(yè)人員發(fā)生墜落時卷筒反轉(zhuǎn)，卷筒上的棘爪卡主棘輪，阻止卷筒繼續(xù)轉(zhuǎn)動，達(dá)到防墜落的效果。本文針對塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)研制了一款易于安裝、不易損壞、可靠性高的純機(jī)械式防墜助爬裝置，不僅能實(shí)現(xiàn)防墜落的功能，還能實(shí)現(xiàn)省力助爬的目的，同時不用考慮防墜助爬裝置的質(zhì)量。

1 總體方案設(shè)計(jì)

塔式起重機(jī)防墜助爬裝置的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)是：當(dāng)作業(yè)人員通過塔身內(nèi)的爬梯攀爬塔式起重機(jī)時，可實(shí)現(xiàn)節(jié)省體力、減輕勞動強(qiáng)度的目的。在作業(yè)人員攀爬過程中，如果出現(xiàn)打滑或踩空滑落事件，應(yīng)能確保在較短時間內(nèi)使作業(yè)人員緩慢懸吊在空中，避免發(fā)生墜落事故，然后作業(yè)人員可再次抓住爬梯，并借助防墜助爬裝置快速恢復(fù)到正常攀爬狀態(tài)，繼續(xù)通過爬梯到達(dá)塔式起重機(jī)的回轉(zhuǎn)平臺、地面或其他預(yù)定位置。

通過上述分析可知，若要實(shí)現(xiàn)防墜助爬裝置的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)問題：1）省力助爬功能是雙向的，即不僅使塔式起重機(jī)作業(yè)人員在上梯過程中要實(shí)現(xiàn)省力，在下梯的過程中同樣也要實(shí)現(xiàn)省力。2）當(dāng)作業(yè)人員發(fā)生墜落時，為了減少瞬間下降沖擊帶來的不適感，需要給作業(yè)人員一個短暫的緩沖過程，實(shí)現(xiàn)緩慢平穩(wěn)懸停；同時，為了減少懸吊的時間，確保作業(yè)人員的安全，當(dāng)再次抓住爬梯時，需在較短時間內(nèi)快速恢復(fù)到正常的攀爬狀態(tài)。另外，為了提高該安全裝置的可靠性，盡可能避免采用電子電路系統(tǒng)，以期通過純機(jī)械的方式實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)目標(biāo)。

防墜助爬裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置主要包含驅(qū)動裝置、液壓緩沖裝置和鋼絲繩3部分，其中驅(qū)動裝置為整個系統(tǒng)提供動力源，液壓緩沖裝置用來實(shí)現(xiàn)防墜助爬裝置較短時間內(nèi)慢速滯停和快速恢復(fù)功能，鋼絲繩是防墜助爬裝置的承重載體，用來連接驅(qū)動裝置和作業(yè)人員。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 主要結(jié)構(gòu)和原理

2.1 驅(qū)動裝置

如圖2所示，防墜助爬裝置的驅(qū)動裝置主要由堵轉(zhuǎn)力矩電動機(jī)、減速器和卷筒等組成。電動機(jī)需要通過2只接觸器采用換接三相電源相序的方式實(shí)現(xiàn)其正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，該過程需要花費(fèi)一定時間且可靠性差。通過比較驗(yàn)證，本文采用堵轉(zhuǎn)力矩電動機(jī)作為系統(tǒng)的動力源，由于它具有軟機(jī)械特性，故可實(shí)現(xiàn)長時間堵轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)。同時，該電動機(jī)還具有扭矩大、過載能力強(qiáng)、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。作業(yè)人員攀爬的速度相對于電動機(jī)的轉(zhuǎn)速相差很大，為此在堵轉(zhuǎn)力矩電動機(jī)的輸出軸端連接減速器，卷筒通過花鍵軸與減速器內(nèi)的齒輪相連。由于花鍵軸易于拆卸，故可更換不同直徑大小的卷筒使堵轉(zhuǎn)力矩電動機(jī)轉(zhuǎn)速降低到作業(yè)人員適宜攀爬的速度。卷筒的作用是存儲鋼絲繩，為了減小其體積，采用多層纏繞的方式，選擇表面刻有螺旋刻槽的螺旋式卷筒，可有效減少亂繩、壓繩現(xiàn)象的發(fā)生。

圖2 驅(qū)動裝置示意圖

驅(qū)動裝置的機(jī)座可以安裝于塔式起重機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上方的平臺，以不妨礙塔式起重機(jī)正常工作為宜。通過調(diào)整堵轉(zhuǎn)力矩電動機(jī)的參數(shù)，使驅(qū)動裝置始終能夠承受作業(yè)人員一定比例的體重，實(shí)現(xiàn)減輕作業(yè)人員勞動強(qiáng)度的目的，建議將該比例調(diào)整為作業(yè)人員體重的三分之一左右。

2.2 液壓緩沖裝置

如圖3所示，防墜助爬裝置的液壓緩沖裝置主要由滑輪、滑輪座、滑道、液壓桿、單向閥、液壓油、液壓缸、機(jī)座、制動開關(guān)、活塞、緩沖油孔、復(fù)位彈簧等組成?；喒潭ㄔ诨喿?，滑輪座與液壓桿相連，液壓桿端部與活塞相連，活塞上設(shè)置有緩沖油孔，緩沖油孔比單向閥孔小很多。當(dāng)壓縮活塞時，單向閥關(guān)閉，液壓油流過緩沖油孔；當(dāng)活塞向外運(yùn)動時，單向閥開啟。活塞在液壓缸內(nèi)運(yùn)動時，會帶動滑輪座沿著滑道同步運(yùn)行，滑道的一側(cè)設(shè)置有制動開關(guān)，制動開關(guān)的端部安裝有滾輪。

圖3 液壓緩沖裝置

在正常攀爬狀態(tài)下，作業(yè)人員不會發(fā)生墜落，此時液壓緩沖裝置的制動開關(guān)不會被觸發(fā)。當(dāng)作業(yè)人員發(fā)生墜落時，作業(yè)人員的體重會瞬間施加到滑輪上，致使滑輪座的壓力突然增加，活塞會沿著液壓缸壓縮液壓油，該過程中單向閥關(guān)閉，液壓油只能從緩沖油孔緩慢出油，液壓缸內(nèi)的復(fù)位彈簧不斷被壓縮。經(jīng)過一段時間后，滑輪座的斜面會觸碰到制動開關(guān)，從而使堵轉(zhuǎn)力矩電動機(jī)斷電制動，使作業(yè)人員在慢速下降中停止并懸吊在空中。作業(yè)人員可以重新抓住爬梯，然后將鋼絲繩處于松弛狀態(tài)，此時液壓緩沖裝置的活塞在復(fù)位彈簧的作用下向上運(yùn)動，該過程中單向閥開啟，滑輪座會快速離開制動開關(guān)，堵轉(zhuǎn)力矩電動機(jī)立即啟動運(yùn)轉(zhuǎn)，作業(yè)人員又可以恢復(fù)到正常的攀爬狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了防墜助爬裝置短時間內(nèi)慢速滯停和快速恢復(fù)的防墜落功能，在確保了作業(yè)人員安全的同時，也減少了瞬間下降沖擊產(chǎn)生的不適感。防墜助爬裝置的機(jī)座安裝于塔式起重機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上方的平臺，其前端為驅(qū)動裝置，安裝位置以不妨礙塔式起重機(jī)正常工作為宜。通過調(diào)整單向閥和緩沖油孔等參數(shù)，可設(shè)定液壓緩沖裝置的制動時間。

2.3 鋼絲繩

防墜助爬裝置鋼絲繩的連接方式如圖4所示。由于鋼絲繩具有承載能力強(qiáng)、占用空間小等優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用其作為整個防墜助爬裝置的承重載體。為了使鋼絲繩在起升和下降的過程中不松散、不旋轉(zhuǎn)，采用交互捻式鋼絲繩。由于塔式起重機(jī)會隨高樓等建筑物的增高而不斷增高，故鋼絲繩需要留有足夠的裕量。

圖4 鋼絲繩連接方式

鋼絲繩前端固定在驅(qū)動裝置的卷筒上，繞過液壓緩沖裝置的滑輪后，在其后端設(shè)計(jì)有安全鉤和備用鉤，安全鉤用于連接作業(yè)人員的安全帶，當(dāng)作業(yè)人員到達(dá)預(yù)定位置后可以用備用鉤掛于塔身內(nèi)的爬梯上。

3 操作過程

3.1 上梯過程

作業(yè)人員在上梯前，首先給堵轉(zhuǎn)力矩電動機(jī)送電，然后拉動鋼絲繩以確認(rèn)堵轉(zhuǎn)力矩電動機(jī)是否有電。如果鋼絲繩呈現(xiàn)松弛狀態(tài)，說明未成功送電，需盡快查明原因，排除故障。如果鋼絲繩呈現(xiàn)張緊狀態(tài)，證明系統(tǒng)工作正常，此時作業(yè)人員穿上安全帶，并將安全鉤掛于安全帶上，同時將備用鉤從爬梯上卸下。

前期準(zhǔn)備工作完畢后，即可借助防墜助爬裝置上梯操作。由于鋼絲繩可以承受作業(yè)人員的部分體重，在上梯過程中，作業(yè)人員會感覺很輕松。另外，由于堵轉(zhuǎn)力矩電動機(jī)可以長時間堵轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)，作業(yè)人員在上梯過程中若感到疲憊也可停步休息。當(dāng)作業(yè)人員在攀爬的過程中打滑或踩空滑落時，可以通過液壓緩沖裝置懸吊在空中，在重新抓住爬梯后使鋼絲繩呈現(xiàn)松弛狀態(tài)。此時，液壓緩沖裝置的活塞在復(fù)位彈簧的作用下會向上運(yùn)動，堵轉(zhuǎn)力矩電動機(jī)便又恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)作業(yè)人員到達(dá)預(yù)定位置后，即將備用鉤掛在爬梯上，從安全帶上卸下安全鉤，關(guān)閉堵轉(zhuǎn)力矩電動機(jī)的電源。

3.2 下梯過程

在作業(yè)人員準(zhǔn)備下梯前，需要先給堵轉(zhuǎn)力矩電動機(jī)送電，確認(rèn)堵轉(zhuǎn)力矩電動機(jī)是否有電。在系統(tǒng)正常工作的情況下，將安全鉤掛在安全帶上，然后從爬梯上卸下備用鉤即可正常下梯。此時，鋼絲繩同樣可以承受作業(yè)人員的部分體重，與上梯過程相同，如果感到疲憊可以停步休息，如果不慎發(fā)生墜落可以很容易恢復(fù)到下梯狀態(tài)。當(dāng)作業(yè)人員到達(dá)預(yù)定位置時，即將備用鉤掛在爬梯上，卸下安全鉤，關(guān)閉堵轉(zhuǎn)力矩電動機(jī)電源。

4 結(jié)語

1）純機(jī)械結(jié)構(gòu)，無需使用電子電路系統(tǒng)，且結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、不易損壞、可靠性高。

2）作業(yè)人員不僅在上梯過程中能夠?qū)崿F(xiàn)省力，在下梯的過程中同樣也能實(shí)現(xiàn)省力，并且省力大小可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，助爬效果明顯。

3）液壓緩沖裝置制動方式直接，防墜落效果好。能夠在確保作業(yè)人員安全的同時，減少瞬間下降沖擊產(chǎn)生的不適感。

該防墜助爬裝置能夠同時解決塔式起重機(jī)防墜落和省力助爬的問題，具有較高的實(shí)用性和安全性，對其他高空作業(yè)設(shè)備安全裝置的設(shè)計(jì)也有一定的參考意義。