库内机车车顶作业安全防护系统研制与应用

段良彬　上海铁路局南京东机务段

通过对机务段库内机车作业的组织、库顶设备情况的调研，作业人员安全带无处悬挂，机车车顶作业存在较大的安全隐患。如设置固定式安全吊梁，将与行车等起重设备运行时发生冲突。因此，设计制造安装可遥控电动升降式车顶作业人员安全吊梁装置，既避免了与行车等起重设备冲突，又可以保障作业者的人身安全，同时也对提升机车车顶作业质量大有裨益。

1　概况

该系统原理图见图1。

图1　原理图

（1）机车上台位检修，作业人员上车顶后，遥控降下安全吊梁，将安全带悬挂在吊梁的移动安全卡环上，作业人员在车顶前后作业时，安全带随之移动。

（2）为保证安全保障系统与行车等库顶设备不发生交叉作业，而可能带来的安全隐患，设计电子警示屏，提示行车司机不得进入；并且采用红外测距技术，当行车超出安全距离时，防撞装置动作，切断行车电源。

（3）由于安全保障系统在库顶，不利于检查和检修，设计设备可视化监控装置，可在监视器上观测设备的技术状态，同时，方便检查作业人员车顶作业的执标情况。

（4）采用声光报警装置，提示周围人员，车顶作业正在进行，注意安全。

2　系统介绍

2.1　安全吊梁

按车顶作业最多3人每人75kg计算，总重量为M人=225kg,考虑到机车长度21m，则将安全吊梁长度设计为22 m。

工字钢采用四点悬挂，这样可以最大限度的减少工钢的弯曲变形，按许用弯曲强度[σ]=120MPa，许用剪应力[τ]=60 MPa，计算确定工钢型号。

解：吊车梁可简化成一长为5.5m的简支梁，则：

首先按正应力强度条件确定梁的抗弯截面系数：当载荷作用于梁中点时，梁的弯矩为最大，其值为：Mmax=1/4PL=0.25×2.25×5.5=3.1kN·m

根据强度条件

抗弯截面系数Wz≥Mmax/[σ]=2.6×104mm3

从型钢表中查得10工字钢的抗弯截面系数为4.9×104 mm3，初选10号工字钢。

校核最大剪应力作用点的强度：Qmax=2.25kN

根据剪应力的强度条件

由型钢表查得10工字钢的D=4.5mm,Iz/(Sz)MAX=161.2mm代入公式得

最大剪应力τmax=3.1MPa＜[τ]

故选用10号工字钢。

且设计出配套的安全带卡环，能以工字钢作为轨道，自由滑动，示意图见图2。

2.2　电动葫芦

查《机械设计手册》得：10号工字钢单位质量ρ=11.2kg/m，则工字钢质量M钢=ρ×22m=246.4kg，成年人的体重按3人每人75kg计算，得总重：M=M钢+M人=471.4kg。

取安全系数λ=2,则MS=942.8kg，查找相关产品目录，选用1t电动葫芦。

将电动葫芦通过夹板吊装在梁上。

图2　安全卡环示意图

2.3　行车防撞系统

定修库内装有10t行车、5t行车各1台，经过查阅使用说明书，并实际测速，2台行车的最大运行速度为80m/min。

据公式求得最大制动距离SMAX=80/15=5.3m，最小制动距离SMIN=80×80／5000=1.28m。

取安全系数λ=1.2，则S=6.36m，取整数，将防撞装置的检测距离设为7m。

查找相关产品目录，选用起重机激光型防撞仪KJTJGFZ-1型，测距范围为3m-12m。

该型产品采用单点限位检测，内置一个检测单元和反射多棱镜构成一个系统，调试时接上电源防撞仪上发出的红色激光点，对准对面行车上的多棱反射镜，当行车运行超过预置安全距离时，防撞仪检测到反馈的反射光脉信号，继电器动作，切断行车电源，强制行车停车制动。

2.4　无线遥控装置

工业无线遥控广泛用于行车控制领域，相关产品已经很成熟。通过手持的发射机向安装在电控箱外部的接收机发出信号，接收机解码后，能够实现准确控制行车运行，吊钩的上升、下降等动作。具体如图3。

图3　无线遥控原理图

根据库内情况，遥控距离为20m，要实现吊梁上升、下降两个动作，查阅相关产品目录，无线遥控采用F21-E2B型接收器和E2M发射器。

2.5　可视化监控装置

由于安全保障系统在库顶，对它进行检查和检修很不方便，不利于设备隐患的发现。安装可视化监控装置主要目的，是对其技术状态进行监控，能够及时发现设备隐患。再者，可以对整个库房内的行车与安全保障系统，并行作业时的状况进行监控，发现问题，及时整改。

查阅相关产品，采用硬盘录像机DVR系统。DVR采用的是数字记录技术，具有图像处理、图像存储、检索、备份、以及网络传递、远程监控等功能，1台设备就能取代模拟监控系统很多设备功能。

该装置具体包括海康威视的2台智能球摄像头对整个库房进行监控，选用4台枪型头摄像头对安全保障系统监控。选用4T容量的硬盘录像机DVR，可以存储1个月的视频图像。选用AOC监视器1台，各摄像头画面可并排分割或切换，监控方便。

2.6　车顶作业安全保障系统电控箱

运行库内电力机车车顶作业安全保障系统时，应完全避免行车与该装置发生冲突。因此，须设计光电传感装置，检测到行车靠近，就切断行车电源，保证车顶作业不受干扰。

车顶作业时安排两种作业模式：一是一人在电控箱监护，并手动操作安全吊梁，其他车顶作业人员只负责受电弓检查；二是车顶作业人员采用遥控方式操作安全吊梁，并检查受电弓。

（1）采用手动方式时将转换开关置“手动”位；按下“启动”按钮，再按“同降”按钮，安全吊梁下降，至合适位置，按“停止”，着手车顶作业。受电弓检查结束，按下“启动”按钮，再按“同升”按钮，安全吊梁上升，至库顶，按“停止”。作业完成。

（2）采用遥控方式操作设备时将转换开关置“自动”位；车顶作业人员，可手持遥控器，升降安全吊梁至合适位置作业。

（3）设置了吊梁上下限位，保证在上升时，不冲撞库顶；在下降时，不损坏受电弓。

（4）该吊梁在投入使用前，需调整安全吊梁至水平位，通过电控箱下端“西升”、“西降”、“东升”、“东降”调节，调节好后，使用“同升”、“同降”按钮，控制安全吊梁的升降。

2.7　声光报警器

为了警示天车司机等相关作业人员车顶作业已经开始，行车等库顶移动设备不得靠近，还采用了声光报警器，起到"双保险"。将其安装在离地5m的库墙醒目位置，并且，设置声光报警器在吊梁离开电动葫芦上限位，开始下降时工作，这样能够准确及时提醒相关人员。

3　运用情况

通过南京东机务段的使用，该车顶作业安全防护系统较好地满足现场作业要求。通过测试技术性能指标：

（1）吊梁就位时间：＜1min；

（2）适用不同机型；

（3）激光测距及警示灯在吊梁落下后桥式起重机进入12 m范围内开始工作，7m范围内触发停车；

（4）吊梁符合225kg的承重要求、电动葫芦符合471.4kg承重要求；

（5）实时监控设备运行状态。

[1]闻邦椿.《机械设计手册》.机械工业出版社.

[2]孙训方.《材料力学》.高等教育出版社.

[3]苏长赞.《实用遥控技术手册》.人民邮电出版社.

[4]邓泽国.《安防视频监控实训教程》.电子工业出版社.