钢制直爬梯自动攀爬装置的研究

朱　栋

(中冶宝钢技术服务有限公司，上海 200941)



钢制直爬梯自动攀爬装置的研究

朱栋

(中冶宝钢技术服务有限公司，上海 200941)

摘要：对于登高作业的安全措施研究，国内一直比较落后，登高作业者在登高过程中仅凭借自身的掌控来确保自身安全，存在极大的安全隐患。为了提高登高作业的安全性，研究设计了一种自动攀爬装置，其以设备自身作为支点，利用丝杠将电动机的转矩转化为设备向上攀爬的力，使得一台机械设备能够自行沿着钢制直爬梯攀爬至建筑物或结构顶端，同时携带安全绳和部分备件，大幅降低了作业人员攀爬时的劳动强度和安全风险。应用2种绘图软件进行了辅助设计，并着重阐述了采用计算机辅助分析设计的一种专用于该设备的异形钩头，从而实现了设备的预期功能。

关键词：钢直梯；自动攀爬；计算机辅助设计

长期以来，国内对于登高作业的安全措施研究一直比较落后，登高作业者在登高过程中仅凭借自身的掌控来确保自身安全，存在极大的安全隐患。如果登高作业者在攀爬直爬梯登高时出现一时踏空、未抓紧直爬梯等意外情况，极易发生人员高处坠落伤害事故。以中冶宝钢技术服务有限公司内的2个烟囱为例，烟囱高247 m，每年需进行防腐处理，烟囱顶部航空灯也应定期更换，在人员攀爬直爬梯登高作业时，第1名登高作业人员无法进行有效保护，只能凭借自身能力进行攀登，如若作业人员一时失手坠落，虽有防护笼却无法对作业人员形成直接保护，甚至可能在坠落过程中造成伤害。根据国内外已经公开的资料，在钢直梯设计上已经考虑到作业人员攀爬的省力机构，在钢直梯的顶端设计固定滑轮，将钢丝绳穿过滑轮得以用卷扬协助攀爬人员上升，同时在钢直梯上设置钢制滑槽，作业人员可以将腰部安全带扣在滑槽内，提高安全水平。在没有任何安全措施的情况下，攀爬100 m以上的钢直梯需要攀爬人员具有非常好的体能和心理素质，对环境也有很高的要求。

1钢制直爬梯的设计思路

1.1设计的目标

通过考察中冶宝钢技术服务有限公司内多个钢制直爬梯(含护笼，多节拼接结构)的实际情况，并参考国内钢直梯图集JSJT-1990《作业台钢梯及栏杆》中对直爬梯的尺寸描述，来限定登高设备的外型尺寸。设备的攀爬步距、宽度和长度应符合国家规范中对钢直梯的要求，并且能够解决在较低的钢直梯安装精度、同时建筑物存在一定角度的倾斜的情况下能够正常运作，一次性攀爬至钢直梯顶端。

1.2初步设计思路

在最初的设计中，拟定了以自身作为支点向上攀爬的登高方法，设备以3个支腿为主要动作部件，支腿上安装钩子作为主要承重部件，在设备尾端穿带引绳(安全绳)携带重物，在设备侧边安装滑板进行导向的设计思路(见图1)。

图1　初步设计思路

使用时，先将设备的3个钩子同时挂设于钢直爬梯的踏步上，再开起电动机电源(电源由动力电缆提供，开起后可以使用控制系统来控制电动机动作、停止)。电动机动作时，主爬升杆向上提升，带动主钩上升，此时副钩作为承载是钩在踏步上的。当主钩触碰到上方踏步时，其向外打开(钩子上方有导向部件)，当钩子的导向槽全部从踏步上滑过后，钩子自动回弹，扣住踏步，然后副爬升杆向上运动，此时主钩是作为承载钩在踏步上的。当副钩触碰到上方踏步时，向里翻折，当钩子的导向槽全部从踏步上滑过后，钩子自动回弹，扣住踏步。主、副钩往复运动，实现自动攀爬直爬梯。

形成初步思路后，应用AutoCAD软件进行三维设计和建模，构建出比较基本且开放的直观实体图形。然而在图形中并没有非常严谨的约束，也无法进行动态的力学校验和设计改良，只是用来进行直观的功能演示[1]。

2主钩的设计和校验

2.1主钩的设计

设备的核心部件能够同时承载设备本体质量、安全绳质量、攀爬人员质量以及携带工具和设备质量的主钩。由于设备本身宽度受限，主钩的结构不允许有太多的机械结构，否则会使设备过于复杂且自重超过预期，所以最终设计了一种异形直爬梯攀爬钩，其结构形式如图2所示。

图2　主钩设计图

在设计上，攀爬钩的重心偏向于钩头处，钩子通过销轴穿在轴孔内。将攀爬钩固定在爬升杆上，攀爬钩安装以后，在自然状态下会逆时针方向倾翻，这样有利于钩口扣住直爬梯的钢直梯的横档，从而使得设备在静止状态更加稳定；另外，钩头的背面具有一向斜上方延伸的斜面，使攀爬钩在向上的运行过程中，受到直爬梯的横档阻力后向后倾倒，便于爬升杆可以继续上升。主钩的工作状态如图3所示。

图3　主钩的工作状态

钩柄上设有使攀爬钩复位的弹簧，弹簧一端固定在钩柄复位弹簧安装处，另一端固定在爬升杆上。当攀爬钩高于直爬梯的阶梯时，受到自身重力及弹簧的作用向前旋转，并随爬升杆的下降将直爬梯的阶梯卡入钩口内，从而扣住直爬梯。

在钩柄的末端设置有向钩口侧弯折的弯折部，该设计类似于猫科动物行动时尾巴的作用，用于进一步稳定钩头的动作；同时，爬升杆上设置有2个卡位销，该弯折部与卡位销配合，用于将攀爬钩限制在一定活动范围内，防止其过度倾翻。

2.2基于SolidWorks软件的力学校验

为了使设备运行更合理，采用SolidWorks软件作为力学校验的工具。利用nSimulationXpress分析向导模块，对该钩头的运动状态进行分析。

1)进行设备实体建模(见图4)。

图4　主钩的实体模型

2)利用分析向导模块对其进行受力分析。第1次分析设定固定夹具为孔固定方式，固定在轴孔位置，受力点设定在钩头位置，受力大小为6 000 N(取设备本体质量100 kg，攀爬人员质量100 kg，携带安全绳和工具设备质量100 kg，其他作为环境因素处理)，设备材料选择普通碳钢(Q235b)。第1次运算结果如图5所示。

图5　第1次运算结果

由图5可知，如预期设计，设备出现了变形，且整体在许用应力内。从运算结果来看，系统找到了最危险的部分，即在钩头与直爬梯横档接触靠近斜面的部分(图5中框出部分)，说明在这个部位设计加厚起到了一定的作用，系统计算得出的安全系数(FOS)约为3.04，小于预期的承重部件5倍的安全系数。

3)改变初步设计中3个钩头的动作方式，采用4个钩头的动作模式，其中2个钩头为主钩，2个钩头为辅钩，那么在实际动作时主钩的承重将是设定承重的1/2(即3 000 N)。理论上，系统的安全系数能够达到6.0以上。基于这个想法，修改分析的参数，进行第2次模拟，结果如图6所示。

图6　第2次运算结果

钩头如同第1次运算一样出现了预期的变形，而系统计算得出的安全系数达到了6.08，符合预期设计，钩头的设计就此定型。

3钢直梯攀爬装置的最终设计

根据主钩的设计情况，设备最终采用了4钩动

作的设计，2个主钩采用了本文所述异形钩头，2个辅钩则采用了L型钩头的设计。主钩用于设备静止状态下承受作业人员攀爬过程中所出现的一些状况带来的拉力，辅钩用于设备攀爬过程中，作为设备本体的临时支承。设备总图如图7所示。

图7　设备总图

在控制系统中，运用非接触式限位传感器和PLC来接收、处理信号，并位于步进电动机动作指令，按照初步设想的动作方式实现设备的自动攀爬动作。

设备动作时，爬升杆的运动由电动机、丝杠的组合来带动。整套设备运动时，下方底板紧贴直爬梯踏步，两边设有导向挡板，防止运动时的走偏，上方顶部有上限位，当运动到爬梯顶部后，可自动停止。设备下方设有挂钩，可牵带引绳，待设备将引绳完全引至直爬梯顶部后，人员可用引绳作为安全保护攀爬直爬梯，从而降低攀爬特高型直爬梯时的危险。

4结语

在钢直梯自动攀爬装置的设计中，应用AutoCAD软件的开放式设计和建模方法，模拟出了设备动作的基本思路，并构建了设备的最初形式，同时发现了设备的核心部件。通过应用SolidWork软件实体建模和nSimulationXpress分析向导，优化了主钩的设计，同时进一步完善了设备的设计理念，形成了一套可行的设计方案，并加以验证。

The Research of Automatically Climbing Device for Steel Straight Ladder

ZHU Dong

(MCC Baosteel Technology Services Co., Ltd., Shanghai 201900, China)

Abstract：The security measures research for climbing operations in China is in the low level, the safety for climbing operator in the process of climbing exists great security hidden danger, which is only by their own control to ensure their safety. In order to improve the safety of the operation, discuss an equipment itself as a fulcrum, the torque of the motor is transformed into the device to climb up, which makes a mechanical device climb to the top of the building or structure along the steel straight ladder with safety rope and spare parts. It greatly reduces the labor intensity and safety risk of the climbing operations. Two kinds of drawing software are used to aid the design, the special shaped hook which is designed by computer aided analysis is mainly expounded.

Key words:steel straight ladder, automatic climbing, computer aided design

中图分类号：TH 6

文献标志码:A