脚扣的登杆受力自锁分析及其改进

李土明+冼冀+陈一萍

摘 要：脚扣作为登杆作业的必备工具之一，初学脚扣登杆的作业人员常常因脚扣登杆用力不当，使得登杆作业过程中出现打滑的现象，尤其是在湿滑电杆，极大地增加了作业人员的人身安全风险，故本文从物理摩擦力自锁角度分析脚扣登杆的原理，并基于此原理设计了设计新型可拆卸式脚扣防滑装置，以降低作业人员攀登湿滑时打滑的风险。

关键词：脚扣登杆杆；受力自锁；防滑装置

中图分类号：O34 文献标志码：A

0 概述

作为登杆作业必备工具的脚扣，因具有强度高、韧性好、重量轻的特点，而被广泛应用于电力作业领域中，常见的登杆脚扣参数见表1。脚扣登杆作业过程中主要借助人的自身重量，利用杠杆和摩擦力实现自如登杆。登杆作业人员抬脚时，因承重减少，脚扣自动松开，由于力学自锁原理，故使得物体的自动合力的作用线与摩擦角之间形成了全反力平衡。

1 脚扣登杆的自锁摩擦力原理

因脚扣的“J”形前端固定卡头的防滑垫登杆作业时防滑垫与水泥电杆的静摩擦因数U为0.6，脚扣脚踏板与脚扣“J”形前端固定卡头登杆作业时不是同一水平面，竖直方向存在一个10cm的高度差H。作业人员脚扣登杆的时候，单脚站在踏板上，脚扣为基准，受到的力的作用来自于6个方向。将人的作用力设定为P，则踏脚板的自身的重力为G，水泥电杆对A的支持力设定为NA，A部分的静摩擦力为FA，水泥电杆的支持力设定为NB，B部分的静摩擦力为FB，最后得出踏腳板的受力平衡计算公式为：

NB=NA

FA+FB=P

在没有人踩到脚踏板的时候，此时P=0，脚踏板保持平衡，人在脚踏板上不会向下滑动。

因此，重量P的人踩在脚踏板上，任意方向的站立，最终得到的P的系数都小于或者等于零。但P达到一定的数值的时候，平衡条件下，人的体重无论多大，只要脚扣能够承受，都不会发生滑动，此种现象被称为自锁。这就是运用静摩擦力的自锁条件，实现脚扣的设计制造的工作原理。

为了研究的方便，将脚扣在A和B之间所受到的支持力和静摩擦力分别设置为RA和RB，得到的合力的作用是距离水泥电杆中时，中心线形成了支持力和合理的夹角，此时静摩擦力达到最大值。脚扣平衡之后，静摩擦力小于或者等于最大静摩擦力，与接触面的法向间的夹角处在临界的状态，这个关系与自锁条件相同，即是所谓摩擦角实现脚扣自锁条件的原理。

利用静摩擦力的自锁条件，脚扣的合力作用，在脚扣平衡的时候，重心离水泥电杆中心的距离，是与人对踏脚板的压力的作用形成对比的。根据水泥电杆中心距离的转轴测算得到的实际数据，任意的人体体重，经过踏脚板上的重力作用后，形成的平衡条件，均能满足电杆的上行和下行要求。不会发生滑动。因此，无论体重多大的登杆作业人员，依然能够承受住其重量，不会发生滑脱的事故。

2 新型脚扣防滑装置设计

在日常线路维护中，脚扣是经常使用的安全器具。为了减少登杆难度，尤其是在湿滑电杆中，登杆作业人员常在脚扣防滑垫上缠绕铝线，以增加摩擦力，违反安全规定，增加作业人员安全风险。由于湿滑电杆与脚扣防滑垫之间的摩擦系数要降低，为防止出现滑落的情况，减少作业人员的安全隐患，因而在不改变原有脚扣受力结构的基础上设计新型可拆卸式脚扣防滑装置，具体如图2所示。

（1）根据登杆时脚扣内侧与电杆间摩擦力的受力方向，为使本防滑装置登杆时与电杆摩擦力最大，故将其内侧斜纹齿排列与水平倾斜度为75°。同时，为克服目前改进的脚扣的“J”形前端固定卡头的锯齿过大过尖，登杆作业不方便，增加登杆难度且防滑效果不理想的问题，故将斜纹齿底部设计成直径2mm，高度1.5mm，顶部圆弧半径0.5 mm。

（2）为使防滑装置在齿纹磨损防滑效果不够时及时更换，故将本防滑装置设计成可拆卸式，由于脚扣的“J”形前端固定卡头加上防滑垫的厚度为35 mm，高度21 mm，同时考虑到“J”形前端固定卡头的弧度，方便插入及拆卸移动，因而在本防滑装置侧面设计长55 mm、高25 mm、宽60 mm的滑动槽。

（3）为使登杆时本防滑装置与脚扣固定，避免登杆作业是防滑装置沿着“J”形前端固定卡头滑动，故在本防滑装置顶部中心设计直径15 mm的螺栓孔，在本防滑装置正面设计长40 mm、高20mm、宽31 mm的固定操作槽。同时，考虑到减轻登杆作业脚扣负重，提高登杆作业灵活性，本防滑装置材质选用熟铝。

新型可拆卸式脚扣防滑装置利用脚扣登杆自锁原理，增加了脚扣与电杆之间的摩擦力，降低了登杆作业人员安全风险，作业人员在攀登湿滑电杆时仅需将其固定在脚扣”J”型端，即可提高作业人员的安全性。

结语

本文从物理学摩擦力的角度分析了脚扣登杆作业的受力原理，在自锁条件的支持下，无论作业人员的体重有多大，均能保证完成电线杆的上下行的动作要求，不会发生滑落，并根据脚扣摩擦力自锁原理设计了新型可拆卸式脚扣防滑装置，有效降低作业人员在攀登湿滑电杆时出现打滑的风险。

参考文献

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