溫寶琴，高廣娣，黃勇，馮哲，沈雷，張進(jìn)

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子832003）

單輪吊椅是高空工作人員安裝光纖、光纜架線中必不可少的工具之一，其總體結(jié)構(gòu)及工作流程圖如圖1所示，主要由抱索器、坐板、承重架等部分組成，重量為7kg，安全負(fù)荷為150kg［1］。工作時(shí)，二人一組，一人在高空坐在吊椅上架設(shè)通信線，另一人在地面移動(dòng)通信線，并同時(shí)負(fù)責(zé)給高空作業(yè)人員傳遞工具等物品。然而，高空作業(yè)人員在跨過(guò)電線桿安裝下一段通信線時(shí)，要將安全帶扣住電線桿，腳踩固定在電線桿上蹬桿器，將滑動(dòng)在鋼絲上的抱索器扣板打開(kāi)，取下單輪吊椅移到電線桿的另一側(cè)，繼續(xù)作業(yè)。高空工作人員在跨過(guò)電線桿時(shí)，吊椅和鋼絲完全脫離，若蹬桿器沒(méi)有踩好而不幸跌落，對(duì)工作人員將造成極大的傷害。為確保高空工作安全性，必須改進(jìn)單輪吊椅的結(jié)構(gòu)，提高高空作業(yè)的安全性。

目前，對(duì)吊椅的改進(jìn)已經(jīng)有許多探討，但是研究的多為礦山、井下運(yùn)輸工人或礦物，或是旅游纜車(chē)的研究［2－11］，而對(duì)安裝通信線的吊椅改進(jìn)的較少，為此我們針對(duì)單輪吊椅在跨越電線桿時(shí)存在的安全隱患問(wèn)題，改進(jìn)其結(jié)構(gòu)，確保高空工作人員一旦未踩好蹬桿器滑落時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)，從而提高單輪吊椅的安全性。

1 方案的確定

1．1 高空作業(yè)對(duì)吊椅的要求

首先，所選的材料須具有一定的強(qiáng)度。材料性能的好壞直接影響吊椅的使用性能和安全性。光纖架線一般是用鋼纜，鋼纜的抗拉強(qiáng)度不小于1310 MPa，而吊椅作為架線的必備裝置之一，也有相應(yīng)的要求［12］。性能好的材料則價(jià)格偏高，不利于降低成本，材料的性能不好又會(huì)影響工作的安全性和使用壽命，所以，吊椅不僅要有足夠的強(qiáng)度，而且還應(yīng)有較高的性價(jià)比。

其次，結(jié)構(gòu)須合理。緊湊的結(jié)構(gòu)不僅使工作變得方便快捷，而且能減輕吊椅的重量。在高空架線過(guò)程中，重量輕就意味著安全性高，并且合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠減少材料的應(yīng)用，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

最后，運(yùn)動(dòng)裝置須靈活。高空架線是一種危險(xiǎn)系數(shù)很高的工作，對(duì)裝置的要求特高。若活動(dòng)裝置，如軸承之類(lèi)的部件發(fā)生意外，則后果不堪設(shè)想。

1．2 改進(jìn)的方案及選擇

根據(jù)上述高空作業(yè)對(duì)吊椅的要求，初步預(yù)選了3種不同的改進(jìn)方案。

1）方案一的結(jié)構(gòu)及工作原理如圖2所示。在連接軸處安裝一塊可自由旋轉(zhuǎn)連接板，兩端各安裝一個(gè)抱索器。當(dāng)需要跨過(guò)電線桿時(shí)，腳踩著蹬桿器，將其中一個(gè)抱索器取下，旋轉(zhuǎn)并安放在電線桿的另一頭。另一個(gè)抱索器再重復(fù)上述動(dòng)作，安全跨過(guò)電線桿。整個(gè)過(guò)程中，始終會(huì)有一個(gè)抱索器在鋼絲上，即使操作人員不小心踩空了蹬桿器，也不會(huì)從高空跌落。

該方案有很好的活動(dòng)性，可以360°回轉(zhuǎn)，幾乎與改進(jìn)前的靈活度一樣。但由于增加了1個(gè)抱索器、2個(gè)連接軸和1塊連接板板，其重量也會(huì)增加。

2）方案二如圖3所示，其結(jié)構(gòu)及工作原理與方案一類(lèi)似，但在連接板上安裝了3個(gè)抱索器?？缭诫娋€桿時(shí)，首先將第1個(gè)抱索器扣板打開(kāi)，旋轉(zhuǎn)取出第1個(gè)抱索器并移動(dòng)到電線桿的另一頭，依次將第2個(gè)抱索器打開(kāi)移動(dòng)到電線桿的另一頭，最后再把第3個(gè)抱索器移過(guò)去，跨過(guò)電線桿。這種方案可免除使用蹬桿器。在跨越電線桿時(shí)，沒(méi)有蹬桿器的支撐，工人需要靠手拉鋼絲跨越，難度較大。此外，吊椅最重要的部分就是抱索器，抱索器過(guò)多，使得整個(gè)吊椅的重量增大，如果有3個(gè)抱索器再加上1塊連接板，吊椅的重量至少增加近1倍，重量增加則安全性降低，這不僅不利于高空作業(yè)的要求，而且，將吊椅從地面掛到電線桿鋼絲繩上的難度較大，且操作不便。

3）方案三如圖4所示。在抱索器凹槽滾子上端增加一個(gè)能收縮繩子的裝置，繩子一端連接一個(gè)掛鉤，另一端接一個(gè)特制的滑輪。抱索器上收縮裝置為一個(gè)滑輪與平面渦卷彈簧的組合體。彈簧裝置用以收縮纜繩。使用方法與改進(jìn)前一樣，但在跨過(guò)電線桿時(shí)，腳踩蹬桿器，先將掛鉤拉出掛在電線桿的另一端，再將抱索器取下安裝在電線桿另一頭。該方案吊椅的重量略有增加，但由于采用了彈簧收縮裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，重量較前2種方案的輕。

1．3 方案的比較與選擇

比較以上3個(gè)方案的優(yōu)、缺點(diǎn)可知：3個(gè)方案均有實(shí)現(xiàn)安全跨過(guò)電線桿的可能性；方案二的重量最大，不利于高空作業(yè)，方案一和方案三的重量較方案二的輕；方案一靠金屬連接板連接，方案三靠繩子連接，在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，突然承受安全負(fù)荷150kg的沖擊時(shí)，繩子的承受力沒(méi)有金屬連接板的承受力大，所以方案一較方案三更安全；另外，高空工作人員為了快速完工，經(jīng)常忽視將掛鉤掛在鋼絲上的保險(xiǎn)措施，而采用方案一可迫使他們必須將2個(gè)抱索器一一移過(guò)去，可確保工作人員在未踩好蹬桿器而發(fā)生滑落時(shí)，始終有一個(gè)抱索器與鋼絲相連，從而避免工作人員發(fā)生危險(xiǎn)。

綜上所述，方案一更符合改進(jìn)和安全的要求。

2 關(guān)鍵部件的有限元分析

對(duì)于方案一來(lái)說(shuō)，連接板是該方案的關(guān)鍵部件，向上承受2個(gè)抱索器的拉力，下面有安全負(fù)荷為150kg重量，正常工作和跨桿發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，連接板的受力簡(jiǎn)化圖如圖3所示?？缭诫娋€桿時(shí)需要旋轉(zhuǎn)連接板，故連接板的長(zhǎng)度應(yīng)該比電線桿上固定鋼絲的鋼板的長(zhǎng)度（150mm）［1］，故連接板的長(zhǎng)度確定為250mm；連接板的寬度與抱索器的寬度保持一致（50mm）。

為了確定連接板的使用安全，下面通過(guò)靜力學(xué)有限元分析確定連接板的最小厚度。

2．1 創(chuàng)建有限元模型

連接板模型采用自底向上的方法，先創(chuàng)建長(zhǎng)方體模型，然后通過(guò)平移坐標(biāo)系，在擬定的坐標(biāo)處建立圓柱體，最后通過(guò)體模型的減運(yùn)算得到如圖6所示的有限元模型。

2．2 定義單元類(lèi)型及材料特性

為了進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選取單元類(lèi)型為Solid 8 node 185，用來(lái)模擬三維實(shí)體。該元素由8個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)3個(gè)自由度：x，y，z方向，同時(shí)具有塑性、超彈性、應(yīng)力強(qiáng)化、徐變、大變形、大應(yīng)變能力。連接板選用常用的Q235材料，彈性模量Q＝200 GPa，泊松比為0．3，密度為7800kg／mm2。

其模型圖如圖4所示。

2．3 網(wǎng)格劃分

在劃分網(wǎng)格時(shí)，采用快速網(wǎng)格劃分，執(zhí)行以下命令：GUI：Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool進(jìn)入到網(wǎng)格劃分選項(xiàng)設(shè)置對(duì)話框［13－14］，選擇Smart Size＝3，并選取四面體類(lèi)型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

連接板網(wǎng)格劃分如圖5所示。

2．4 施加約束及載荷

因?yàn)檫B接板承受均質(zhì)載荷作用，各節(jié)點(diǎn)受力均勻，因此，本文采用在節(jié)點(diǎn)上施加載荷。執(zhí)行Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Force／Moment＞OnNodes命令［14］，然后選擇圓孔邊界上的節(jié)點(diǎn)，按規(guī)定設(shè)定FZ值，單擊OK按鈕。

按照連接板發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)和正常工作時(shí)受力的不同分別施加兩種不同類(lèi)型及大小的載荷，效果圖如圖6所示，可以得出連接板承受的最大應(yīng)力值和最大位移。

2．5 結(jié)果與分析

由于連接板的厚度不確定，先預(yù)選4mm，逐次遞增至8mm，連接板受力分析的結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知：

1）當(dāng)連接板的厚度越厚，最大應(yīng)力值越小，最大位移變形量也越小。

2）當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，連接板的受力較正常工作時(shí)的應(yīng)力值大。當(dāng)連接板厚度為5mm，正常工作時(shí)其最大應(yīng)力值為132MPa，而Q235材料能承受的最大應(yīng)力值為235MPa，在其能承受的應(yīng)力范圍內(nèi)，而當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，其最大應(yīng)力值為249MPa，超過(guò)了Q235材料能承受的最大應(yīng)力值，所以，當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，不能滿足吊椅的正常工作；當(dāng)連接板厚度為6 mm，發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)其最大應(yīng)力值為172MPa，正常工作時(shí)的最大應(yīng)力值為91MPa，均在Q235材料能承受的應(yīng)力范圍內(nèi)。

綜上所述，連接板的厚度最小應(yīng)取6mm，此時(shí)最大位移變形量為5．79mm。

3 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)對(duì)單輪吊椅存在的安全隱患進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)預(yù)選的3種不同改進(jìn)方案的比較分析，選出了最佳方案，并對(duì)最佳方案中的關(guān)鍵部件連接板進(jìn)行有限元分析，得出連接板的最小厚度為6 mm，無(wú)論是正常工作還是發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，均在材料性能承受的范圍內(nèi)，可確保吊椅操作安全。

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