塔式起重机防坠助爬装置的设计研究

2022-12-03杨树国刘剑锋国树东

起重运输机械 2022年21期

杨树国刘剑锋国树东文豪郭遐

1泰安市质量技术检验检测研究院泰安 271000 2太原科技大学太原 030024 3布勒（常州）机械有限公司常州 213300

0 引言

塔式起重机具有工作效率高、适用范围广、回转半径大、起升高度高、工作幅度大、安装和拆卸方便等特点，被广泛应用于建筑行业[1-3]。近年来，随着国民经济的快速发展，大量高层建筑不断涌现，使得高空位的塔式起重机数量随之增多，一些塔式起重机甚至可高达百米以上，作业人员每次作业都需要通过塔身内的爬梯不停地上梯或下梯，体力消耗较大，且劳动强度较高，很容易产生疲劳，且存在很大的安全隐患。如果遇上大风、雨雪、冰冻等恶劣天气，作业人员攀爬时极易发生由于打滑或踩空而导致的坠落事故。因此，迫切需要设计研制一款既能减轻作业人员的劳动强度，又能避免作业人员坠落的塔式起重机安全装置。

目前，针对塔式起重机等高空作业设备攀爬用的安全装置相对较少，在现有的高空攀爬装置中，大多采用传感器、二极管、集成电路等电子电路系统进行控制，或是仅具备防坠落功能而不具备助爬功能等。例如，高铭泽等[4]通过电动机的控制电路来控制电动机的启停，当作业人员发生坠落时，会带动钢丝绳以较快的速度下滑，使下滑轮组的反转速度加快，此时电动机反转，同时其电枢会产生较高的电压，通过电阻和稳压二极管触发可控硅导通，使电动机产生制动力矩，从而启动安全防坠落功能，以阻止作业人员继续下滑，但这种电子防坠落装置容易损坏、可靠性差，且损坏后检测故障点比较困难，不易维修；梁小虎等[5，6]设计了一款塔式起重机攀爬用的安全装置，该装置主要包括承重带、防坠落装置、安全带等，其中承重带固定在塔式起重机的顶部，防坠落装置通过连接孔与作业人员的安全带连接，作业人员攀爬时可利用安全带的牵引作用带动防坠落装置沿着承重带爬升，当发生坠落时防坠落装置的连杆旋转，通过自锁加紧承重带而实现停止坠落；徐振忠等[7]在塔式起重机上安装了一条等高度的垂直钢丝绳，作业人员的安全带连接防坠自锁器，然后将自锁器连接在垂直钢丝绳上，作业人员攀爬时防坠自锁器棘齿会打开，如果发生坠落则自锁器在重力作用下自动关闭，卡住钢丝绳，以实现防坠落效果；龙广全等[8]设计的攀爬装置由定滑轮、排绳轮、安全绳、绞盘等部件构成，定滑轮固定在塔式起重机司机室的上部，排绳轮和绞盘固定在塔式起重机的底部，作业人员攀爬时绞盘操作员应根据作业人员的攀爬速度来转动绞盘摇把。作业人员发生坠落时卷筒反转，卷筒上的棘爪卡主棘轮，阻止卷筒继续转动，达到防坠落的效果。本文针对塔式起重机的结构特点，设计研制了一款易于安装、不易损坏、可靠性高的纯机械式防坠助爬装置，不仅能实现防坠落的功能，还能实现省力助爬的目的，同时不用考虑防坠助爬装置的质量。

1 总体方案设计

塔式起重机防坠助爬装置的总体设计目标是：当作业人员通过塔身内的爬梯攀爬塔式起重机时，可实现节省体力、减轻劳动强度的目的。在作业人员攀爬过程中，如果出现打滑或踩空滑落事件，应能确保在较短时间内使作业人员缓慢悬吊在空中，避免发生坠落事故，然后作业人员可再次抓住爬梯，并借助防坠助爬装置快速恢复到正常攀爬状态，继续通过爬梯到达塔式起重机的回转平台、地面或其他预定位置。

通过上述分析可知，若要实现防坠助爬装置的总体设计目标需要解决以下关键技术问题：1）省力助爬功能是双向的，即不仅使塔式起重机作业人员在上梯过程中要实现省力，在下梯的过程中同样也要实现省力。2）当作业人员发生坠落时，为了减少瞬间下降冲击带来的不适感，需要给作业人员一个短暂的缓冲过程，实现缓慢平稳悬停；同时，为了减少悬吊的时间，确保作业人员的安全，当再次抓住爬梯时，需在较短时间内快速恢复到正常的攀爬状态。另外，为了提高该安全装置的可靠性，尽可能避免采用电子电路系统，以期通过纯机械的方式实现总体设计目标。

防坠助爬装置的整体结构如图1所示。该装置主要包含驱动装置、液压缓冲装置和钢丝绳3部分，其中驱动装置为整个系统提供动力源，液压缓冲装置用来实现防坠助爬装置较短时间内慢速滞停和快速恢复功能，钢丝绳是防坠助爬装置的承重载体，用来连接驱动装置和作业人员。

图1 系统整体结构

2 主要结构和原理

2.1 驱动装置

如图2所示，防坠助爬装置的驱动装置主要由堵转力矩电动机、减速器和卷筒等组成。电动机需要通过2只接触器采用换接三相电源相序的方式实现其正转和反转，该过程需要花费一定时间且可靠性差。通过比较验证，本文采用堵转力矩电动机作为系统的动力源，由于它具有软机械特性，故可实现长时间堵转和停转。同时，该电动机还具有扭矩大、过载能力强、响应快等优点。作业人员攀爬的速度相对于电动机的转速相差很大，为此在堵转力矩电动机的输出轴端连接减速器，卷筒通过花键轴与减速器内的齿轮相连。由于花键轴易于拆卸，故可更换不同直径大小的卷筒使堵转力矩电动机转速降低到作业人员适宜攀爬的速度。卷筒的作用是存储钢丝绳，为了减小其体积，采用多层缠绕的方式，选择表面刻有螺旋刻槽的螺旋式卷筒，可有效减少乱绳、压绳现象的发生。

图2 驱动装置示意图

驱动装置的机座可以安装于塔式起重机回转机构上方的平台，以不妨碍塔式起重机正常工作为宜。通过调整堵转力矩电动机的参数，使驱动装置始终能够承受作业人员一定比例的体重，实现减轻作业人员劳动强度的目的，建议将该比例调整为作业人员体重的三分之一左右。

2.2 液压缓冲装置

如图3所示，防坠助爬装置的液压缓冲装置主要由滑轮、滑轮座、滑道、液压杆、单向阀、液压油、液压缸、机座、制动开关、活塞、缓冲油孔、复位弹簧等组成。滑轮固定在滑轮座上，滑轮座与液压杆相连，液压杆端部与活塞相连，活塞上设置有缓冲油孔，缓冲油孔比单向阀孔小很多。当压缩活塞时，单向阀关闭，液压油流过缓冲油孔；当活塞向外运动时，单向阀开启。活塞在液压缸内运动时，会带动滑轮座沿着滑道同步运行，滑道的一侧设置有制动开关，制动开关的端部安装有滚轮。

图3 液压缓冲装置

在正常攀爬状态下，作业人员不会发生坠落，此时液压缓冲装置的制动开关不会被触发。当作业人员发生坠落时，作业人员的体重会瞬间施加到滑轮上，致使滑轮座的压力突然增加，活塞会沿着液压缸压缩液压油，该过程中单向阀关闭，液压油只能从缓冲油孔缓慢出油，液压缸内的复位弹簧不断被压缩。经过一段时间后，滑轮座的斜面会触碰到制动开关，从而使堵转力矩电动机断电制动，使作业人员在慢速下降中停止并悬吊在空中。作业人员可以重新抓住爬梯，然后将钢丝绳处于松弛状态，此时液压缓冲装置的活塞在复位弹簧的作用下向上运动，该过程中单向阀开启，滑轮座会快速离开制动开关，堵转力矩电动机立即启动运转，作业人员又可以恢复到正常的攀爬状态，实现了防坠助爬装置短时间内慢速滞停和快速恢复的防坠落功能，在确保了作业人员安全的同时，也减少了瞬间下降冲击产生的不适感。防坠助爬装置的机座安装于塔式起重机回转机构上方的平台，其前端为驱动装置，安装位置以不妨碍塔式起重机正常工作为宜。通过调整单向阀和缓冲油孔等参数，可设定液压缓冲装置的制动时间。

2.3 钢丝绳

防坠助爬装置钢丝绳的连接方式如图4所示。由于钢丝绳具有承载能力强、占用空间小等优点，本设计采用其作为整个防坠助爬装置的承重载体。为了使钢丝绳在起升和下降的过程中不松散、不旋转，采用交互捻式钢丝绳。由于塔式起重机会随高楼等建筑物的增高而不断增高，故钢丝绳需要留有足够的裕量。

图4 钢丝绳连接方式

钢丝绳前端固定在驱动装置的卷筒上，绕过液压缓冲装置的滑轮后，在其后端设计有安全钩和备用钩，安全钩用于连接作业人员的安全带，当作业人员到达预定位置后可以用备用钩挂于塔身内的爬梯上。

3 操作过程

3.1 上梯过程

作业人员在上梯前，首先给堵转力矩电动机送电，然后拉动钢丝绳以确认堵转力矩电动机是否有电。如果钢丝绳呈现松弛状态，说明未成功送电，需尽快查明原因，排除故障。如果钢丝绳呈现张紧状态，证明系统工作正常，此时作业人员穿上安全带，并将安全钩挂于安全带上，同时将备用钩从爬梯上卸下。

前期准备工作完毕后，即可借助防坠助爬装置上梯操作。由于钢丝绳可以承受作业人员的部分体重，在上梯过程中，作业人员会感觉很轻松。另外，由于堵转力矩电动机可以长时间堵转和停转，作业人员在上梯过程中若感到疲惫也可停步休息。当作业人员在攀爬的过程中打滑或踩空滑落时，可以通过液压缓冲装置悬吊在空中，在重新抓住爬梯后使钢丝绳呈现松弛状态。此时，液压缓冲装置的活塞在复位弹簧的作用下会向上运动，堵转力矩电动机便又恢复运转。当作业人员到达预定位置后，即将备用钩挂在爬梯上，从安全带上卸下安全钩，关闭堵转力矩电动机的电源。

3.2 下梯过程

在作业人员准备下梯前，需要先给堵转力矩电动机送电，确认堵转力矩电动机是否有电。在系统正常工作的情况下，将安全钩挂在安全带上，然后从爬梯上卸下备用钩即可正常下梯。此时，钢丝绳同样可以承受作业人员的部分体重，与上梯过程相同，如果感到疲惫可以停步休息，如果不慎发生坠落可以很容易恢复到下梯状态。当作业人员到达预定位置时，即将备用钩挂在爬梯上，卸下安全钩，关闭堵转力矩电动机电源。