郭家偉，王小甜，談 波

(馬鞍山學(xué)院 大阪醫(yī)工學(xué)院，安徽 馬鞍山 243100)

因操作不當(dāng)，從人字梯上墜落而造成的傷亡事故占墜落傷亡事故總數(shù)的10%左右[1]。自立式人字梯相較于其他類型的梯子，需要在半高空作業(yè)平臺上頻繁移動，這意味著自立式人字梯更易出現(xiàn)墜落傷亡事故。與自立式人字梯操作平臺移動相關(guān)的問題可以通過兩種方式來解決：一種是政府引入標(biāo)準(zhǔn)，如引入標(biāo)準(zhǔn)功能尺寸，以降低出現(xiàn)墜落傷亡事故的可能性；另一種是設(shè)計人員為操作人員提供能夠自主移動的自立式人字梯設(shè)備。

目前，一些商用的可在半高空作業(yè)平臺上移動的自立式人字梯裝置已經(jīng)出現(xiàn)，但大多操作復(fù)雜、外形笨重、價格昂貴，或者需要大量的執(zhí)行器和傳感器。本研究設(shè)計了一種旨在幫助自立式人字梯操作人員提高移動效率、簡化操作、提高安全性且降低成本的裝置。本裝置通過引入多桿機構(gòu)，實現(xiàn)了操作人員在自立式人字梯作業(yè)平臺上的橫向移動，同時可保證自立式人字梯不會因傾翻造成墜落傷亡事故。

1 人字梯傾翻運動分析

本研究選取GB/T 17889.1—1999《梯子 第1部分：術(shù)語、型式和功能尺寸》[2]中規(guī)定的尺寸來分析自立式人字梯傾翻運動。由于自立式人字梯在平移過程中速度較慢，所以可將其簡化為平面剛性連桿機構(gòu)[3]。在不影響計算結(jié)果精度的前提下，將模型簡化為質(zhì)量均勻分布的線性桿件，這樣就得到了自立式人字梯連桿模型，如圖1所示。圖1中，桿1和桿2通過鉸鏈A連接，B、C兩點為支撐點，m1、m2、m3分別為桿1、桿2和操作人員的質(zhì)量。

由圖1分析可得,操作人員橫向擺動產(chǎn)生沖量I，此時自立式人字梯將受到由沖量I產(chǎn)生的水平力F：

圖1 自立式人字梯連桿模型Fig.1 The link model of self-standing herringbone ladder

(1)

操作人員橫向擺動產(chǎn)生力矩M1：

M1=F·l4。

(2)

桿1擺動產(chǎn)生力矩M2：

(3)

桿2擺動產(chǎn)生力矩M3：

M3=m2·g·l3。

(4)

操作人員擺動產(chǎn)生力矩M4：

M4=m3·g·l3。

(5)

力矩差

ΔM=M1-(M2+M3+M4)。

(6)

當(dāng)ΔM>0時，自立式人字梯將繞B點向右轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動過程中，力臂OB逐漸縮短，力矩差ΔM將逐漸增大，轉(zhuǎn)動過程中會產(chǎn)生一個附加加速度。同時，當(dāng)A點與B點轉(zhuǎn)動呈垂直位置時(又稱為極限位置)，轉(zhuǎn)動將不可逆轉(zhuǎn)，即使操縱人員向左施加沖量I′,也無法阻擋自立式人字梯傾倒，其結(jié)果必然是操作人員墜落[4]。

2 助力移動裝置設(shè)計

本研究通過引入多桿機構(gòu)來平衡操作人員在左右橫向移動過程中產(chǎn)生的附加加速度，避免了自立式人字梯轉(zhuǎn)動到極限位置而造成墜落傷亡事故[5]。

自立式人字梯助力移動裝置機構(gòu)運動簡圖見圖2。

圖2 助力移動裝置機構(gòu)運動簡圖Fig.2 Mechanism movement diagram of assisted mobile mechanism

如圖2所示，該裝置由左右梯桿、左右連桿、左右鎖緊塊、活動底座、驅(qū)動桿、驅(qū)動連桿、支撐桿、限位滑塊、限位槽及限位彈簧組成，各桿件通過活動鉸鏈(A、B、C、D、E、F、H)連接，限位滑塊在限位槽內(nèi)自由移動，支撐桿及活動底座用來支撐整個助力移動裝置，限位滑塊和限位彈簧共同組成限位裝置，移動到左右極限位置時左右鎖緊塊鎖緊。當(dāng)自立式人字梯處于工作位置時, 左右鎖緊塊都處于鎖緊狀態(tài)，限位彈簧處于極限拉伸狀態(tài)，限位滑塊處于上止點，此時整個機構(gòu)處于固定狀態(tài)，如圖2(a)所示。當(dāng)需要移動自立式人字梯時(假設(shè)向左移動)：

第一步，由操作人員向驅(qū)動桿施加驅(qū)動力并釋放左右鎖緊塊，運動將由鉸鏈點B傳遞到驅(qū)動連桿，再由驅(qū)動連桿傳遞給限位滑塊并壓縮限位彈簧，同時運動由限位滑塊傳遞到左右連桿，左右連桿驅(qū)動左右梯桿向支撐桿收縮，整個機構(gòu)處于如圖2(b)所示的收縮狀態(tài)。

第二步，鎖緊右鎖緊塊并撤去驅(qū)動桿上的驅(qū)動力，限位滑塊在限位彈簧的作用下，由下止點向上止點運動，同時左右連桿將運動傳遞給左右梯桿，但由于右鎖緊塊處于鎖緊狀態(tài)而左鎖緊塊處于釋放狀態(tài)，即左鎖緊塊所受摩擦力遠遠小于右鎖緊塊所受摩擦力，此時左梯桿和支撐桿向左移動，當(dāng)運動到極限位置點(上止點)時，整個機構(gòu)處于如圖2(a)所示的工作位置。

根據(jù)圖2可知，引入多桿機構(gòu)消除了原有的由操作人員橫向擺動而產(chǎn)生的附加加速度，有效避免了因此造成的墜落傷亡事故。

3 助力移動裝置三維建模

本研究采用SolidWorks軟件完成助力移動裝置的三維實體建模[6]。首先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)功能尺寸和圖2所示各構(gòu)件建立實體模型，然后依據(jù)圖2中各構(gòu)件間的連接關(guān)系完成自立式人字梯整體裝配，最后對完成的助力移動裝置進行動靜態(tài)干涉檢查，結(jié)果表明其不存在干涉問題，證實助力移動裝置滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。助力移動裝置如圖3所示。

圖3 助力移動裝置Fig.3 The auxiliary moving device

4 助力移動裝置運動分析

為研究助力移動裝置的可行性，采用ADAMS動力學(xué)軟件分析助力移動裝置的運動特性[7]。當(dāng)自立式人字梯向左移動時，取極限情況，即假設(shè)鎖緊力為極限值，此時右鎖緊輪與地面摩擦力為無窮大，左鎖緊輪和活動底座與地面摩擦力為無窮小[8]。本研究主要探尋自立式人字梯向左移動時的運動變化規(guī)律，向右移動時的運動變化規(guī)律同理可得。

4.1 助力移動裝置仿真模型建模

將助力移動裝置導(dǎo)入ADAMS仿真環(huán)境，設(shè)置各構(gòu)件材料屬性及仿真參數(shù)，如圖4所示。設(shè)置鉸鏈點A(坐標(biāo)點1)、活動底座與地面接觸點K(坐標(biāo)點2)、鉸鏈點F(坐標(biāo)點3)、鉸鏈點D(坐標(biāo)點4)、鉸鏈點C(坐標(biāo)點5)為測量位置點，其中坐標(biāo)點4、坐標(biāo)點1、坐標(biāo)點5構(gòu)成∠DAC測量左右梯桿張合角度，坐標(biāo)點2、坐標(biāo)點3用于測量左梯桿位移，坐標(biāo)點1用于測量人字梯高度變化。在限位滑塊處創(chuàng)建新的傳感器，當(dāng)檢測到限位滑塊運動至上止點時，仿真結(jié)束，當(dāng)前時間為助力移動裝置運動時間。

圖4 運動仿真模型參數(shù)Fig.4 The parameter settings of motion simulation model

4.2 助力移動裝置運動分析

左右梯桿張合角度變化曲線見圖5。由圖5可知，當(dāng)左右梯桿在起始位置時，張合角度為55°，運動到1 s時左右梯桿閉合，此時閉合角度為30°，運動到2 s時左右梯桿重新張開的張合角度為55°，即左右梯桿張合角度在30°～55°反復(fù)循環(huán)變化，這與GB/T 17889.1—1999 規(guī)定的功能尺寸標(biāo)準(zhǔn)基本符合。同時由曲線變化規(guī)律可知，左右梯桿張合時間為2 s，這表明操作人員只需2 s即可完成一次左右梯桿的張合。

圖5 梯桿張合角度變化曲線Fig.5 The angle change curve of ladder rod

自立式人字梯左移時位移變化曲線見圖6。由圖6可知，在0 s時坐標(biāo)點1與坐標(biāo)點3相距750 mm，運動到1 s時相距300 mm，運動到2 s時相距1 000 mm，當(dāng)人字梯左移時，左梯桿位置由750 mm變?yōu)? 000 mm，即左梯桿向左移動了250 mm，這表明助力移動裝置可實現(xiàn)250 mm平動。

圖6 梯桿左移時位移變化曲線Fig.6 The curve of left displacement

左移時左梯桿位移隨梯桿張合角度變化曲線見圖7。當(dāng)左右梯桿張合角度為規(guī)定的最小值時，左梯桿距支撐桿300 mm，當(dāng)張合角度達到最大值時，左梯桿由原來的750 mm移動至1 000 mm，移動了250 mm，證實助力移動裝置可滿足功能設(shè)計要求。

圖7 位移隨張合角度變化曲線Fig.7 The curve of displacement follows angle

自立式人字梯運動過程中的高度變化曲線見圖8。由圖8可知，0 s時坐標(biāo)點1與地面相距2 525 mm，運動至1 s時與地面相距2 725 mm，運動至2 s時回歸至2 525 mm，這表明移動過程中人體高度由原來的2 525 mm升至2 725 mm，上升了200 mm，由此可見該助力移動裝置基本符合GB/T 17889.1—1999 規(guī)定的功能設(shè)計要求。

圖8 梯桿高度變化曲線Fig.8 The curve of ladder height

5 結(jié)語

通過人字梯連桿模型分析了自立式人字梯易傾翻的原因，設(shè)計了一種助力移動裝置并完成了實體建模。仿真分析表明，該助力移動裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足GB/T 17889.1—1999規(guī)定的功能尺寸要求，可以幫助半高空作業(yè)平臺操作人員實現(xiàn)橫向平動，移動距離可達250 mm，具有一定的助力移動功能，且此裝置不需要電驅(qū)動與執(zhí)行器即可實現(xiàn)自主移動，具有安全可靠、操作簡單、價格低廉的特點。