“金字塔”形玻璃建筑尖顶旋转升降放绳机构*

刘锋涛，葛新锋

（1.许昌初心智能电气科技有限公司，河南许昌 461000；2.许昌学院工程训练中心，河南许昌 461000）

0 引言

“金字塔”在建筑学上是指锥体建筑物，基座一般为正多边形，侧面由多个三角形或接近三角形的面相接而成，顶部面积非常小，成尖顶状。由于质心较低，可有效抵抗自然灾害，古代常用来建造金字塔形重要纪念性建筑物。近年来，随着对地标建筑独特创意的要求，现代金字塔形建筑在世界各地被建造，为了美观，金字塔形建筑物的侧面用玻璃装饰，形成玻璃幕墙。玻璃幕墙是一种美观新颖的建筑墙体装饰方法，是现代主义高层建筑时代的显著特征。其赋予建筑的最大特点是将建筑美学、建筑功能、建筑节能和建筑结构等因素有机地统一起来，建筑物从不同角度呈现出不同的色调，随阳光、月色、灯光的变化给人以动态的美[1]。在世界各大洲的主要城市均建有宏伟华丽的玻璃幕墙建筑，如纽约世界贸易中心、卢浮宫玻璃金字塔[2]、芝加哥石油大厦、西尔斯大厦都采用了玻璃幕墙。香港中国银行大厦、北京长城饭店和银川宁东煤化工基地综合办公楼，呈金字塔形[3－4]建筑也相继出现。

高层建筑玻璃幕墙的出现给现代建筑增加了美感，但是由于大气环境中灰尘和风雨，导致玻璃幕墙很容易被污染[3]，这样就要定期的对玻璃幕墙进行清洗。一般情况下，玻璃幕墙的清洗由一些被称为“蜘蛛人”的群体来完成。对于平顶建筑来说，从建筑物的顶端放下绳子是很容易的事情；但是对于金字塔形建筑物来说，建筑物顶部是一尖端，要想上去是一件很困难的事情，更不用说在上面固定绳子，因此，对于金字塔形建筑物来说，有必要设计一个绳子的收放机构，方便“蜘蛛人”在玻璃幕墙上进行清洗作业。

1 升降放绳机构工作原理

螺旋升降机构固定在“金字塔”形建筑物的塔尖上，其工作流程如图1所示。首先通过控制升降电机，实现清扫机构的准确提升；提升到位后，接近开关会检测并发出信号，此时电机停止运行，终止提升。接着，有零位检测传感器检测出转台所处位置，如不在零位，及时作出调整，直到重新回归零位，以保证出绳方位的准确性。然后，遥控电葫芦电机运行，绳索高速降至地面，把人带上塔尖，开始从塔尖低速降落，清扫整个金字塔塔身。将至底部后，电葫芦再次将绳索收回，并给转台发信号向某个方向旋转90°，到位后电葫芦接着重复之前的循环动作。转台累计旋转360°，工作人员完成清扫，并降至地面后。将电葫芦绳索收回，检测配重球到位后，升降机开始运行，将整个机构降落到金字塔内部，整个工作流程结束。

图1 金字塔形建筑升降放绳机构运行原理

2 绳子收放机构

2.1 功能描述

在“金字塔”形建筑的顶端设计一个遥控升降装置，通过遥控器控制，从顶端送出一个安全绳索下来。该升降装置采用螺旋升降机构，主要由减速部件和升降部件构成，蜗杆传动机构作为其减速部件，是影响螺旋升降机使用性能的主要因素[5－7]。然后，把“蜘蛛人”安全送到顶部，从顶部不断降落来清洗建筑物的一面，完成之后，需要旋转一个方向，自动将升降装置绳索旋转至另一面，开始另一面作业。考虑到塔顶机构安装和维护的方便性，以及整个机构实现功能的体积和空间的限制，还需要把一些结构安装在塔尖的下面相对较大的空间，通过一个升降机装置，在清洗时将整个清扫机构顶出至塔尖。

2.2 整体结构

整体的结构如图2所示。主要有3个部分：安装板固定的蜗杆螺旋升降机部件、用来升降旋转部分以及和电葫芦配套的加强支架、避雷针系统、照明系统。旋转升降机构在工作过程中受力非常大，是该系统的薄弱环节，其力学性能直接关系收放机构的可靠性和设备安全性[8]。安装板固定的回转驱动部件，用来调整电动葫芦的出绳方向，当清洁完金字塔形建筑物的一面墙后，只需要按下遥控器，就可以实现电葫芦出绳位置变换，到达另一个面；电动葫芦和固定支架部件是终端收放绳机构，根据操作者需求，能够定时、准确地将安全绳索送出，同时相应的加强支架、换向轮和避雷针等组件又能很好地保证机构使用时的安全性和可靠性。

图2 金字塔形建筑物绳子收放机构

2.2.1 机构升降部分选型计算

螺旋升降机的选型：螺旋升降机的作用是用来提升起垂直地面方向负载的，其主要的选型功能参数包括负载F、提升速度v、行程L和减速比i。

其中，初定参数：F＝2.156 kN；v＝400 mm/min；L＝400 mm；i＝4∶1。

根据以上参数，初选德国UNID－NEFF/CS10－400的螺旋升降机。根据下面公式的计算可以确定升降机的输入电机的参数。

式（1）～（3）中：vL＝400 mm/min；i＝4；S＝4 mm；FL＝3 kN；vin＝400 r/min，E＝0.3。

计算结果：Pin≈80 W，Tin≈1.9 N·m。

以上数值为计算值，若该数据比较严格，要加一定的裕度系数，取1.3～1.5[9]。

实际参数值：Tin＝1.9×1.4＝2.76 N·m。

蜗杆转1圈升降机上升1 mm，升降机行程400 mm，需要1 min走完，即要保证400 mm/min的速度需要蜗杆输入转速400 r/min。本计算是按照匀速运动来计算的，所以如果输入转速刚好为400 r/min，那么走完全程的时间会大于1 min，即需要输入转速略大于400 r/min，才能保证1 min走完全程。

电机选配的减速机减速比i＝3.25。则电机的额定输出扭矩T＝1.21 N·m。

三相异步电机的额定转速为1 300 r/min，电机的额定功率P＝165 W。可以选200 W或者250 W的标准电机。

2.2.2 导杆和轴承选择

考虑到升降机提升到一定高度静止后，电葫芦拉着“蜘蛛人”沿着金字塔的斜面会对升降机有一个斜拉力的作用。而升降机本身是靠蜗轮蜗杆、螺纹等来增加提升扭矩的，其末端只是一个Tr20×4的螺杆，不能承受径向力，因此需在升降机的四周添加直线轴承和辅助导杆等装置，如图3所示。

图3 直线轴承

结合安装空间、结构尺寸、材料、负载强度等参数即可选择合适的直线轴承、导杆等相关装置。

2.2.3 旋转机构

旋转机构是整个功能机构的关键部分，选型、计算也是至关重要的。常见的可以实现旋转的装置有高精密一体化电控转台和旋转驱动配步进电机[10－11]。前者主要用在高精密分度场合，中心承载小，可承受很小的径向作用力，如光学实验室；后者的分度精度相对较低，但可以承受较大的轴向、径向负载。

旋转工作台步进电机的选型算法如图4所示，需要根据已知参数计算出转台自身和转台上负载的转动惯量，进而根据得到的惯性矩选择合适的步进电机和驱动器。不过考虑到高空作业的安全性，所选的步进电机必须要带有自锁装置。

图4 旋转驱动电机选型计算

2.2.4 收放绳机构

收放绳机构如图5所示，此部分主要包括电动葫芦和焊接支架，另外有外壳、照明系统、导向轮、导向轮支架和密封垫等。外壳起到防护、密封的作用，外壳和建筑物之间要选择密封可靠又能耐高温、风化的密封垫。

图5 收放绳机构结构

电葫芦作为提升工具，是功能实现的核心，其需要提升体重约75 kg（正常人）的“蜘蛛人”，外加清扫工具和安全防护装置等，估计有90 kg。为了保证安全可靠的起升，需留有安全余量，因此选择使用提升能力为500 kg的电葫芦。同时，电葫芦具备8～2 m/min的速度，在空载的时候通过遥控器选择高速，以提高电动葫芦的效率。在正常工作时，低速运行保证运动的平稳性和安全性。同时，电葫芦和负载的重量通过电葫芦和焊接支架的连接传递到了支架上，并最终作用到壳体底部安装板上面，保证了结构可靠性。

3 结束语

本文根据金字塔形建筑物的形状和清扫要求，开发了一种升降旋转收放绳机构平台。介绍相关结构，建立了该结构的模型，对关键零部件进行了设计和选型，并应用到实际生产中，通过了相关部门的验收，性能可靠。通过工程实例，证实了此方案的可行性，对于类似工程通过旋转台的旋转选择金字塔形建筑物的侧面，通过电葫芦收放绳索实现金字塔形建筑物的侧面的移动，缩短了工期，降低了造价。