陳孜虎

中冶建工集團(tuán)有限公司 重慶 400084

礦 山井塔[1]是豎井提升系統(tǒng)必不可少的設(shè)備。當(dāng)采用豎井開(kāi)拓方式時(shí)，特別是豎井較深時(shí)，一般都采用井塔的提升方式。井塔內(nèi)頂部裝有提升輪、導(dǎo)向輪及其他機(jī)電設(shè)備，井塔設(shè)備的日常維護(hù)，是保障提升系統(tǒng)正常、安全運(yùn)行的重要前提。由于空間限制，井塔設(shè)置的扶梯一般都十分陡峭，攀爬難度很大，設(shè)備維護(hù)人員通常需攜帶較重的工具，徒手攀爬陡峭的扶梯，攀爬過(guò)程中沒(méi)有額外防護(hù)，既消耗體力，又存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)高空設(shè)施維護(hù)人員攀爬梯架存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，開(kāi)發(fā)了一種攀爬防護(hù)助力裝置，既增加了作業(yè)人員的安全防護(hù)水平，又可以有效節(jié)省作業(yè)人員攀爬過(guò)程中的體力消耗，降低作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 攀爬防護(hù)助力裝置

攀爬防護(hù)助力裝置[2]如圖 1 所示，在其傳動(dòng)軸上設(shè)置檢測(cè)片，利用電磁感應(yīng)的原理為速度開(kāi)關(guān)提供脈沖信號(hào)。電氣控制回路中設(shè)置了繼電器，并設(shè)置延時(shí)時(shí)間，控制通電瞬間速度開(kāi)關(guān)的吸合時(shí)長(zhǎng)。接通電路后，電動(dòng)機(jī)工作，帶動(dòng)繩索移動(dòng)，人員向上攀爬，可以為人員提供向上的拉力，通過(guò)繩索的牽引，起到保護(hù)防墜落的作用。若轉(zhuǎn)速小于設(shè)定值，速度開(kāi)關(guān)傳感器則認(rèn)為已發(fā)生卡死或堵轉(zhuǎn)，為了保障人員的安全，電路自動(dòng)切斷；若轉(zhuǎn)速大于設(shè)定值，速度開(kāi)關(guān)傳感器則判斷超速現(xiàn)象，此時(shí)電路自動(dòng)切斷。人員通過(guò)安全帶與助爬裝置的吊鉤相連接，助爬裝置固定在攀爬目標(biāo)位置的頂部，通過(guò)繩索牽引人員上行和下降。

圖1 攀爬防護(hù)助力裝置Fig.1 Protective and assistant device for climbing

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

攀爬防護(hù)助力裝置的主要功能是防墜落和助爬。其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，主要包括驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、繩索卷筒、機(jī)械防墜裝置和電氣部件等。攀爬防護(hù)助力裝置可以幫助工作人員攀爬，減少因攀爬而產(chǎn)生的體力消耗，在節(jié)省人員體力的同時(shí)提高了安全性。其技術(shù)要求如下：根據(jù)使用者的體重實(shí)現(xiàn) 3 級(jí)助力可調(diào)。人員爬行速度一般為 0.6 m/s，驅(qū)動(dòng)單元提供的轉(zhuǎn)速必須跟隨攀爬者攀爬的速度。

圖2 攀爬防護(hù)助力裝置裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.2 Mechanical structure of protective and assistant device for climbing

攀爬防護(hù)助力裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。采用表面帶導(dǎo)向螺旋槽卷筒結(jié)構(gòu)，可以有效減小卷筒尺寸，鋼絲繩沿著導(dǎo)向螺旋槽在卷筒上纏繞，確保鋼絲繩均勻纏繞；采用耐磨磷化涂層鋼絲繩，極大地提高鋼絲繩表面的耐磨性和耐蝕性，能夠有效地提高鋼絲繩的使用壽命，確保安全。

2.1 驅(qū)動(dòng)單元選型

選用輪轂作為動(dòng)力源，供電電壓為 220 V；卷筒外徑為 285 mm，提供 200～500 N 恒定向上的拉力，所需要最大轉(zhuǎn)矩

式中：F為拉力，N；R為卷筒的半徑，mm。

由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，攀爬速度取 0.6 m/s，卷筒的轉(zhuǎn)速

式中：S為每分鐘爬行距離，m/min；D為卷筒的外徑，m。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式 (2)，即可得到卷筒的轉(zhuǎn)速n＝40 r/min。

采用普通電動(dòng)機(jī)，必須配置減速機(jī)構(gòu)才能與所需的轉(zhuǎn)速相匹配。減速機(jī)構(gòu)的作用是降低轉(zhuǎn)速、放大輸出轉(zhuǎn)矩。而滿盤(pán)電動(dòng)機(jī)恰好可以大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，無(wú)需減速機(jī)構(gòu)。因此，選擇滿盤(pán)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力。

2.2 卷筒

鋼絲繩選擇 6×19S 系列，直徑為 6 mm，單位長(zhǎng)度質(zhì)量ρ＝0.154 kg/m，橫斷面積S＝14.3 mm2，最大懸垂高度Hc＝110 m。鋼絲繩的選型公式為

式中：Q為提升載荷；δh為公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度，取 1 670 MPa；ma為安全系數(shù)，根據(jù)手冊(cè)取 6.5。

根據(jù)式 (3) 計(jì)算出最大提升載荷為 4 064 N，按照體重 85 kg 計(jì)算，遠(yuǎn)大于人體體重，安全系數(shù)為4.78，故鋼絲繩滿足要求。

在提升高度較高時(shí)，采用表面帶導(dǎo)向螺旋槽或光面卷筒多層纏繞結(jié)構(gòu)，以縮小卷筒尺寸。卷筒帶導(dǎo)向螺旋槽時(shí)，鋼絲繩的接觸穩(wěn)定性相對(duì)較好，既延長(zhǎng)了鋼絲繩的使用壽命，又增加了鋼絲繩與卷筒的接觸面積。為了防止鋼絲繩脫出，在卷筒兩側(cè)設(shè)置擋邊。

2.3 鋼絲繩

鋼絲繩選用耐磨磷化涂層纖維芯鋼絲繩，抗拉強(qiáng)度為 1 570 MPa，根據(jù) GB/T 24811 有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，選擇6×7 纖維芯鋼絲繩，鋼絲繩直徑為 5 mm，最小破斷拉力為 13.0 kN，安全系數(shù)取 4～8，則該鋼絲繩能夠承載 1 658～3 316 N，作業(yè)人員的體重一般小于 100 kg，顯然該鋼絲繩能夠滿足承載力。

2.4 電磁制動(dòng)器

采用的磁粉制動(dòng)器，主要由彈簧、摩擦片、端蓋、動(dòng)片、調(diào)節(jié)螺絲、電磁鐵圓盤(pán)、線圈、軸及軸承等組成。該裝置電磁制動(dòng)器將主動(dòng)側(cè)轉(zhuǎn)矩傳遞給被動(dòng)側(cè)，實(shí)現(xiàn)結(jié)合、切離或制動(dòng)功能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。電磁制動(dòng)器可以使機(jī)械設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)停止運(yùn)行，并具有鎖止功能，可在短時(shí)間內(nèi)降低機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行速度。

2.5 機(jī)械防墜裝置

雖然電磁制動(dòng)器在一定程度上能夠保障安全，但是為了防止電氣設(shè)備突然失效，必須具有安全防墜的功能。機(jī)械防墜裝置采用內(nèi)嚙合棘輪制動(dòng)機(jī)構(gòu)，提供了雙重安全保障。

機(jī)械防墜裝置如圖 3 所示，主要由外輪、棘輪爪、內(nèi)輪、制動(dòng)連接機(jī)構(gòu)和回位彈簧等構(gòu)成。安裝槽內(nèi)安裝有棘輪爪，棘輪爪與鉸軸鉸接在安裝槽內(nèi)，棘輪爪能夠整體落入安裝槽中。回位彈簧一端固定在安裝槽的底部，另一端固定在棘輪爪上，安全狀態(tài)時(shí)，在回位彈簧的作用下棘輪爪不會(huì)張開(kāi)；危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，在內(nèi)輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力作用下，棘輪爪張開(kāi)，張開(kāi)后與安裝槽內(nèi)的外側(cè)鋸齒槽抵接限位，此時(shí)外輪通過(guò)棘輪爪將內(nèi)輪鎖止，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械防墜的功能。

圖3 機(jī)械防墜裝置Fig.3 Mechanical anti-dropping device

2.6 外殼

攀爬防護(hù)助力裝置的外殼包括方便鋼絲繩有序卷入的排線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、安裝制動(dòng)器和電動(dòng)機(jī)軸的固定板等機(jī)構(gòu)，并具有防雨、防水、防塵的功能。

3 控制系統(tǒng)

攀爬防護(hù)助力裝置的電動(dòng)機(jī)可提供恒定的轉(zhuǎn)矩，當(dāng)向上攀爬時(shí)，電動(dòng)機(jī)會(huì)提供向上的助力，人員可以順著直梯向上攀爬。驅(qū)動(dòng)輪上裝有速度傳感器，工作時(shí)其控制電路接通，電動(dòng)機(jī)以恒定的速度運(yùn)行，能夠?yàn)榕逝廊藛T提供恒定的拉力；需要在中途停止時(shí)，可以通過(guò)遙控器控制電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，這時(shí)驅(qū)動(dòng)輪停轉(zhuǎn)，整個(gè)電路斷開(kāi)。下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，借助摩擦阻尼的作用，減緩下降速度，保證下降安全。

安全繩能夠與人的攀爬速度相匹配，機(jī)器提升速度與人同速上升和下降，人員向上攀爬時(shí)，提供向上的助力；下降時(shí)，提供向上的阻力；人員在攀爬失足時(shí)，防墜鎖止機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，在很短的距離內(nèi)鎖止，保證作業(yè)人員的安全。人員在中途休息時(shí)，在爬梯上靜置時(shí)間大于 5 s 時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止工作，不再提供向上的拉力。

在控制策略方面[3-5]，采用接近開(kāi)關(guān)作為信號(hào)接收元件，為控制判斷提供信號(hào)。在沒(méi)接收到信號(hào)時(shí)接近開(kāi)關(guān)輸出低電平，接收到信號(hào)時(shí)輸出高電平，具體如下：PLC 記錄接收到接近開(kāi)關(guān)信號(hào)的數(shù)量，當(dāng)接收到最后一個(gè)信號(hào)之后 5 s 才做判斷，如果只接收到一個(gè)信號(hào)，則判定為誤操作，電動(dòng)機(jī)不啟動(dòng)；如果接收到 2～4 個(gè)信號(hào)時(shí)，判定為上升，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)正轉(zhuǎn)；如果接收到的信號(hào)數(shù)量大于 4 個(gè)時(shí)，為了避免將下行狀態(tài)判斷為上升狀態(tài)情況的發(fā)生，電動(dòng)機(jī)不啟動(dòng)。如果在上升過(guò)程中 5 s 內(nèi)沒(méi)有接受到信號(hào)，則判定為停止攀爬，電動(dòng)機(jī)停止工作。

為了裝置的控制便捷性，采用語(yǔ)音控制方案，進(jìn)行了語(yǔ)音控制遙控器[6]的開(kāi)發(fā)，將語(yǔ)音控制器集成到遙控器上，并設(shè)置了保險(xiǎn)，可防止操作人員誤操作。

4 試驗(yàn)

4.1 功能性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證攀爬防護(hù)助力裝置的技術(shù)性能，對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)，具體如下：

(1) 遙控器操作裝置運(yùn)行的準(zhǔn)確性測(cè)試。

(2) 裝置在攀爬過(guò)程中能否實(shí)現(xiàn)速度匹配和恒定提升助力。

(3) 能否根據(jù)攀爬人員的動(dòng)作進(jìn)行牽引。

(4) 突然下墜時(shí)，裝置的鎖止制動(dòng)距離。

測(cè)試分為 2 步進(jìn)行，第1 步對(duì)裝置的各項(xiàng)基本功能與操作進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證各功能能否滿足正常使用要求；第2 步，重復(fù)操作流程，對(duì)各項(xiàng)功能再一次測(cè)試是否正常。然后再進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)性能參數(shù)的測(cè)試。

4.2 技術(shù)性能試驗(yàn)

驗(yàn)證攀爬防護(hù)助力裝置的關(guān)鍵技術(shù)性能指標(biāo)主要有：提升助力值、提升最大速度、制動(dòng)沖擊力和鎖止距離。

(1) 提升助力值測(cè)試 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，助爬器能夠提供 200、300、400 N 提升助力值，分別對(duì) 3 擋助力值進(jìn)行測(cè)試。具體方法是：在對(duì)應(yīng)擋位下，用測(cè)力設(shè)備檢測(cè)裝置正常工作時(shí)提供助力的具體數(shù)值，多次測(cè)試取平均值，驗(yàn)證實(shí)際提供的助力值與標(biāo)定擋位的助力值是否在允許誤差范圍內(nèi)。

(2) 提升最大速度測(cè)試 為了保證安全性，裝置運(yùn)行的最大速度是關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。測(cè)試方法與提升加速度測(cè)試相似，用一個(gè)重量比選擇提升助力小的測(cè)試物體進(jìn)行測(cè)試，將速度傳感器安裝在測(cè)試物體上，測(cè)試物體在提升過(guò)程中所能達(dá)到的最大速度，并且最大速度測(cè)試值是否在誤差允許的范圍內(nèi)。每個(gè)助力擋位下進(jìn)行多次測(cè)試，取平均值。實(shí)際測(cè)試的提升最大速度不應(yīng)大于 0.6 m/s。

(3) 沖擊試驗(yàn) 額定工作荷載 1 kN，啟動(dòng)快速下降動(dòng)作按鈕，最大速度制動(dòng)后，測(cè)試受到的沖擊力。測(cè)試結(jié)果如表 1 所列。

表1 沖擊力試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Data of impact test kN

試驗(yàn)結(jié)果表明，最大一次的沖擊力為 1.26 kN，根據(jù)人體耐沖擊性研究成果，該沖擊力不會(huì)對(duì)人體造成傷害。

(4) 鎖止距離試驗(yàn) 額定工作荷載 1 kN，啟動(dòng)快速下降動(dòng)作按鈕，測(cè)試最大速度開(kāi)始制動(dòng)到完全停止的鎖止距離。測(cè)試結(jié)果如表 2 所列。

表2 鎖止距離試驗(yàn)Tab.2 Test for halting distance cm

試驗(yàn)結(jié)果表明，最大鎖止距離為 26 cm。根據(jù)人體耐沖擊性研究成果，該距離不會(huì)對(duì)人體造成傷害。

5 結(jié)語(yǔ)

測(cè)試結(jié)果表明，攀爬防護(hù)助力裝置性能穩(wěn)定、鎖止距離和沖擊力均滿足對(duì)人體安全防護(hù)的技術(shù)要求。通過(guò)對(duì)該裝置性能的測(cè)試，得到以下結(jié)論：

(1) 對(duì)鎖止距離、沖擊力等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的測(cè)試結(jié)果表明，攀爬防護(hù)助力裝置具有良好的安全性能，能夠有效地起到安全防護(hù)作用。

(2) 滿盤(pán)電動(dòng)機(jī)具有大功率、大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，不需要使用減速器就可以提供較大的提升力，實(shí)現(xiàn)了裝置小型化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。