羅可 申理仁 唐杰

（湖南中冶長(zhǎng)天重工科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205）

0 引言

機(jī)械制造行業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境多為車(chē)間廠房室內(nèi)作業(yè)，盡管作業(yè)條件較好，仍不可避免地存在諸如大型機(jī)床的維修、工件的組裝、吊裝、檢驗(yàn)等具有一定危險(xiǎn)性的高處作業(yè)場(chǎng)合，特別是對(duì)于一些大型非標(biāo)設(shè)備、化工/冶煉設(shè)備制造廠，產(chǎn)品多為大型異形工件，在生產(chǎn)拼裝過(guò)程中和一些檢驗(yàn)工序（如探傷、試壓、試機(jī)）時(shí)存在大量的高空作業(yè)情形，是企業(yè)安全生產(chǎn)管理的重要課題。從行業(yè)現(xiàn)狀來(lái)看，高處作業(yè)也歷來(lái)是工貿(mào)類(lèi)制造行業(yè)的工傷高頻領(lǐng)域，究其根源，其中系統(tǒng)本質(zhì)安全[1]程度低，即物的不安全狀態(tài)是最為常見(jiàn)的要因，具體體現(xiàn)在兩方面:一是產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，安全設(shè)計(jì)先天不足，缺乏對(duì)大型產(chǎn)品制作工序作業(yè)過(guò)程中的安全作業(yè)通道或平臺(tái)的考慮，或者是因產(chǎn)品的客觀條件限制無(wú)法設(shè)置合理的安全工位；二是作業(yè)系統(tǒng)的環(huán)境局限。制造工廠車(chē)間是物理空間被高度利用的場(chǎng)所，一般定置的機(jī)床設(shè)備、起重/物流轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備布置緊湊，作業(yè)區(qū)域和通道的人流物流活動(dòng)頻繁，隨著生產(chǎn)工序的推進(jìn)，空間狀況時(shí)時(shí)刻刻變化，因場(chǎng)地和空間限制，往往導(dǎo)致安全網(wǎng)、墜落保護(hù)氣墊的專業(yè)技術(shù)手段的應(yīng)用困難重重，而通用的高空作業(yè)車(chē)的可達(dá)性也因地面物件情況的復(fù)雜性和場(chǎng)地因素大為受限。墜落防護(hù)安全帶作為高處作業(yè)個(gè)體防護(hù)的最主要手段，同樣常常因?yàn)檐?chē)間條件和工件特性的局限性，面臨無(wú)法滿足“高掛低用”的可靠懸掛點(diǎn)的難題，導(dǎo)致安全帶的佩戴使用很多時(shí)候成為形式，而不能真正起到安全防護(hù)的作用。

1 機(jī)械制造車(chē)間內(nèi)高處作業(yè)防墜措施

如前述機(jī)械制造車(chē)間的特點(diǎn)，在場(chǎng)地有限的情況下，若過(guò)多設(shè)置安全防護(hù)機(jī)構(gòu)，不但占用空間資源，也容易影響物流活動(dòng)的通暢性，從而影響作業(yè)流的功效。高處作業(yè)時(shí)若單純只使用移動(dòng)式工作平臺(tái)，雖然解決了登高攀爬失穩(wěn)的問(wèn)題，但是人員到達(dá)工件上的高處作業(yè)面之后，多數(shù)情況下因工作面臨邊防護(hù)的缺失，仍然存在高處墜落的風(fēng)險(xiǎn)，因此使用墜落防護(hù)安全帶仍不失為機(jī)械制造車(chē)間內(nèi)經(jīng)濟(jì)有效且實(shí)用的策略，但安全帶防墜系統(tǒng)要真正發(fā)揮作用，離不開(kāi)可靠的掛點(diǎn)裝置，掛點(diǎn)裝置雖不是安全帶的組成部分，但同安全帶的使用密切相關(guān)[2]。不同于建筑行業(yè)高處作業(yè)一般利用腳手架或者建筑物預(yù)設(shè)的可靠錨點(diǎn)作為安全帶掛點(diǎn)，機(jī)械制造車(chē)間內(nèi)由于頻繁的物流起重活動(dòng)，往往在作業(yè)區(qū)域空中難以布設(shè)全廠性的固定錨掛裝置網(wǎng)絡(luò)，且固定錨掛點(diǎn)對(duì)作業(yè)活動(dòng)范圍的限制較大，不適于大型設(shè)備制造作業(yè)。在制造車(chē)間內(nèi)當(dāng)高處作業(yè)時(shí)，作業(yè)人員只能利用工件自身的一些結(jié)構(gòu)作為臨時(shí)掛點(diǎn)，此時(shí)，一方面由于工件自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和所處姿勢(shì)的多樣性和不確定性，被選作臨時(shí)掛點(diǎn)的結(jié)構(gòu)存在諸多不可靠性；另一方面，此時(shí)作業(yè)者往往處在工件上方，所懸掛的安全繩處于“低掛高用”狀態(tài)，一旦發(fā)生墜落，反而可能如鐘擺狀在安全帶的約束半徑內(nèi)發(fā)生不可控撞擊周?chē)渌矬w的物體打擊傷害，而車(chē)間室內(nèi)的高空作業(yè)一般低于廠房?jī)?nèi)的起重行車(chē)運(yùn)行高度，屬于國(guó)標(biāo)I ～I(xiàn)I 級(jí)（低空）高空作業(yè)范圍[3]，車(chē)間內(nèi)臨近地面的各類(lèi)物件多且情況復(fù)雜，若發(fā)生此類(lèi)物體打擊，后果甚至不亞于不佩戴安全帶。

綜上所述，機(jī)械制造車(chē)間內(nèi)，面向班組區(qū)域單元，開(kāi)發(fā)具有一定覆蓋面的可移動(dòng)式裝置以提供可靠的安全帶“高掛低用”錨掛點(diǎn)，對(duì)高處作業(yè)的本質(zhì)安全具有相當(dāng)?shù)默F(xiàn)實(shí)意義。該裝置需要具備以下特點(diǎn)：

1）自身剛度、強(qiáng)度足夠高，且可以適應(yīng)吊運(yùn)移動(dòng)；

2）自身占地小，不影響作業(yè)區(qū)域內(nèi)的其他活動(dòng)；

3）能夠根據(jù)生產(chǎn)的工件尺度特征，適應(yīng)不同工件作業(yè)的高度層次；

4）能始終提供安全帶“高掛低用”條件，既能解決登高攀爬時(shí)防墜的問(wèn)題，又能保證臨邊防護(hù)缺失發(fā)生高處墜落時(shí)人員不受傷害。

如圖1 所示的類(lèi)似塔式起重機(jī)原理的防墜裝置，即安全帶錨掛點(diǎn)提供裝置，具備上述特點(diǎn)。

該裝置由塔柱（含下部基座和配重系統(tǒng)）、鉸支座、擺動(dòng)架三部分構(gòu)成。組裝成整體后，擺動(dòng)架通過(guò)鉸支座與塔柱形成鉸鏈連接，可在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，類(lèi)似塔吊的懸臂。擺動(dòng)架下部?jī)啥烁街牡醵Y(jié)構(gòu)作為懸掛安全帶連接件的掛點(diǎn)。鉸支座與塔柱通過(guò)螺栓聯(lián)結(jié)，利用塔柱面上不同高度的孔系（如圖1 所示），實(shí)現(xiàn)鉸支座的高度可調(diào)，以滿足不同的作業(yè)高度；塔柱上焊接的系列圓鋼形成爬梯，提供作業(yè)人員可靠的攀爬路徑和攀爬時(shí)的安全帶臨時(shí)懸掛點(diǎn)。該裝置可采用車(chē)間內(nèi)起重行車(chē)吊運(yùn)實(shí)現(xiàn)位置挪動(dòng)。一般可將其放置于班組作業(yè)區(qū)的某一固定位置，使用時(shí)，將工件吊放到靠近該裝置的位置；若工件較大較重，也可將該裝置吊放到工件附近使用。

當(dāng)使用該裝置工作時(shí)，作業(yè)人員首先穿戴好安全帶，沿著塔柱爬梯攀爬到工件頂面高度，攀爬過(guò)程中，不斷取換安全帶掛鉤，掛于自身上方的階梯上，始終保持“高掛低用”狀態(tài)，到達(dá)工件頂面后，將安全帶掛鉤掛于擺動(dòng)架上張拉的墜落防護(hù)水平生命線裝置（須符合GB 38454—2019《墜落防護(hù)水平生命線裝置》）上，開(kāi)始高處作業(yè)。作業(yè)過(guò)程中，隨著人的位置移動(dòng)，在擺動(dòng)架的覆蓋半徑R 的半圓范圍內(nèi)（不能與配重系統(tǒng)同側(cè)，否則系統(tǒng)將傾覆）擺動(dòng)架的運(yùn)動(dòng)和安全帶掛鉤的滑動(dòng)能夠保證作業(yè)人員有較大的活動(dòng)范圍，并保證意外墜落時(shí)人員不發(fā)生傷害。如圖2所示。

3 塔式起重機(jī)防墜裝置的設(shè)計(jì)實(shí)例與安全校核

3.1 塔式起重機(jī)防墜裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

基座的長(zhǎng)寬尺寸S 不宜過(guò)大，以滿足占地小不影響作業(yè)區(qū)的其他活動(dòng)，但又需要確保整個(gè)裝置任何時(shí)態(tài)的重心都位于基座面水平投影的范圍內(nèi)，防止裝置發(fā)生傾翻。由于擺動(dòng)架的運(yùn)動(dòng)區(qū)域?yàn)樗粋?cè)的半圓扇區(qū)，考慮到系統(tǒng)整體的重心平衡，塔柱的定位如圖2 所示，宜與基座平面的幾何中心有所偏移量e，并在擺動(dòng)架覆蓋半圓的對(duì)稱側(cè)，焊制若干配重結(jié)構(gòu)，為了使整個(gè)系統(tǒng)的重量盡量集中于近地基部，確保穩(wěn)重，故配重系統(tǒng)宜設(shè)置在基座面上。塔柱的高度維度H 需考慮使用工況要覆蓋的各級(jí)作業(yè)高度，通常低于車(chē)間內(nèi)起重行車(chē)的運(yùn)行高度。塔柱本體采用整支H 型鋼焊制，既保證系統(tǒng)總體盡可能輕量化，又有足夠的強(qiáng)度剛度；鉸支座作為塔柱與擺動(dòng)架的聯(lián)結(jié)件，保持1 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；擺動(dòng)架作為懸臂機(jī)構(gòu)，受力條件最為惡劣，要求輕量化的前提下盡可能高于其比強(qiáng)度、比剛度，故宜采用桁架結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)整體為方便吊運(yùn)移動(dòng)位置，吊耳宜設(shè)置在塔柱的重心附近，并且位于重心上方，有利于吊運(yùn)時(shí)的穩(wěn)重。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例

某機(jī)械制造企業(yè)車(chē)間內(nèi)大型換熱器工件的焊接、耐壓試驗(yàn)檢驗(yàn)的工序?yàn)镮 級(jí)高空作業(yè)，作業(yè)面高度區(qū)間為2 m～5 m 范圍，作業(yè)面半徑要求覆蓋約4 m，工作面上需滿足2 人同時(shí)作業(yè)，需如圖1 設(shè)計(jì)雙擺動(dòng)架。如圖2，該防墜裝置的H 參數(shù)選為6.8 m，R 參數(shù)選為3.9 m，S 參數(shù)為1 m×1 m；塔柱柱身采用H300 型鋼，鉸支座聯(lián)結(jié)銷(xiāo)軸采用φ65 圓鋼；擺動(dòng)架采用L100×63×10 不等邊角鋼和φ50×5 無(wú)縫管焊制如圖3 所示輕鋼桁架結(jié)構(gòu)。所有構(gòu)件利用常見(jiàn)Q235材質(zhì)普碳鋼，系統(tǒng)整體重量約5 t。系統(tǒng)使用狀態(tài)如圖3 所示，按擺動(dòng)架遠(yuǎn)端最大半徑R 處防墜安全帶的極限沖擊載荷6 kN（即單人意外墜落狀態(tài)）[2]建模。模型采用SolidWorks 三維分析軟件造型。

圖3 輕鋼桁架結(jié)構(gòu)建模

3.3 結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度校核

采用ANSYS Workbench 有限元分析軟件，對(duì)塔式起重機(jī)防墜裝置各部件進(jìn)行極端受載工況下的靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，評(píng)估最大變形和最大米塞斯等效應(yīng)力，以校核其結(jié)構(gòu)的安全性。各構(gòu)件的材料屬性均按照Q235 材質(zhì)的物理參數(shù)，密度為7 850 kg/m3，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3；各構(gòu)件的約束條件和載荷邊界等CAE 前處理?xiàng)l件，及運(yùn)算結(jié)果如下各節(jié)所述，空間坐標(biāo)體系均統(tǒng)一按照?qǐng)D1 所示基準(zhǔn)坐標(biāo)。

3.3.1 擺動(dòng)架

模擬接近實(shí)際使用時(shí)，采用張拉圖2 所示生命線鋼絲繩的情況，此時(shí)擺動(dòng)架兩吊耳承受生命線鋼絲繩張力，如圖4，條件A 為坐標(biāo)軸-Y 方向標(biāo)準(zhǔn)地球重力場(chǎng)9.8 mm/s2；條件B 為鉸接孔處設(shè)為固定支撐；條件C 為兩端吊耳通過(guò)張拉的生命線鋼絲繩承受靠近遠(yuǎn)端的單人墜落沖擊形成的遠(yuǎn)程力即-Y 方向6 000 N，受力點(diǎn)位置取靠近遠(yuǎn)端，坐標(biāo)X 方向取3 600 mm；

圖4 模擬擺動(dòng)架

3.3.2 鉸支座

模擬擺動(dòng)架轉(zhuǎn)動(dòng)至XZ 兩個(gè)方向，鉸支座的受力情況；

情況一為擺動(dòng)架指向坐標(biāo)Z 軸方向，遠(yuǎn)程復(fù)合力作用點(diǎn)位置約為Z 方向約3 403 mm（見(jiàn)圖3 仿真結(jié)果），力值為-Y 方向7 379.4 N（即圖3 中所示擺動(dòng)架自質(zhì)量與遠(yuǎn)端人體墜落載荷的復(fù)合總質(zhì)量753 kg）；

情況二為擺動(dòng)架指向坐標(biāo)X 軸方向，遠(yuǎn)程復(fù)合力作用點(diǎn)位置約為X 方向約3 403 mm，其余條件同上情況一；

3.3.3 塔柱

模擬雙擺動(dòng)架兩種極限情況塔柱的受力情況；

情況一，即雙擺動(dòng)架均位于XY 平面中，形成的擺動(dòng)架自質(zhì)量及高處作業(yè)人員墜落復(fù)合的遠(yuǎn)程力作用點(diǎn)和力值均按照?qǐng)D3 分析的模型（同3.3.2 設(shè)置），設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地球重力場(chǎng)；設(shè)置塔柱基座面設(shè)為固定支撐；

情況二，即雙擺動(dòng)架一個(gè)位于YZ 平面中，另一個(gè)位于XY 平面中，其余條件同上情況一。

3.3.4 結(jié)構(gòu)安全校核的評(píng)價(jià)

經(jīng)過(guò)有限元軟件分析求解，各構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度運(yùn)算結(jié)果如表1 清單。

表1 不同情況下構(gòu)件受力狀態(tài)

通過(guò)表1 結(jié)果可見(jiàn)，各構(gòu)件極限應(yīng)力均小于Q235材料屈服點(diǎn)，在彈性變形范圍內(nèi)，故系統(tǒng)通過(guò)強(qiáng)度校核；變形方面，結(jié)合各構(gòu)件的使用功能考慮，變形尺度都為可接受的程度，故系統(tǒng)通過(guò)剛度校核。上述運(yùn)算結(jié)果以擺動(dòng)架為例，見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 擺動(dòng)架等效應(yīng)力云圖

圖6 擺動(dòng)架變形云圖

3.3.5 傾翻性分析

分別針對(duì)防墜裝置的主基體，即塔柱，以及整體組裝后使用中的幾種典型的滿載狀態(tài)（即人體載荷都位于擺動(dòng)架的最遠(yuǎn)端，按照國(guó)標(biāo)GB 6095-2021《墜落防護(hù) 安全帶》規(guī)定的單副全身安全帶的極限沖擊載荷6 kN 設(shè)置力值），利用SolidWorks 軟件進(jìn)行模型質(zhì)量屬性分析，設(shè)置基座平面中心（即S 參數(shù)的尺寸中點(diǎn)）為基準(zhǔn)坐標(biāo)原點(diǎn)，參照?qǐng)D1 所示坐標(biāo)體系，測(cè)得的各狀態(tài)重心的X 軸Z 軸坐標(biāo)值如表2 所示，重心位置如圖7 ～圖8 中含字母I 的重心坐標(biāo)標(biāo)識(shí)所示，重心偏離基準(zhǔn)坐標(biāo)原點(diǎn)均在±500 mm 范圍內(nèi)，由于S 參數(shù)為1 000 mm×1 000 mm，即各狀態(tài)的系統(tǒng)重心計(jì)算結(jié)果均位于基座水平面投影的S 范圍內(nèi)，故該系統(tǒng)穩(wěn)定性滿足，不會(huì)發(fā)生傾覆事故，通過(guò)校核。

表2 各狀態(tài)重心與偏離基座中心偏移量

圖7 雙擺動(dòng)架均位于XY 平面的重心分析

圖8 右擺動(dòng)架位于YZ 平面；左擺動(dòng)架位于XY 平面的重心分析

4 小結(jié)

通常機(jī)械制造行業(yè)工廠車(chē)間內(nèi)的高處作業(yè)雖然高度級(jí)別較低，但由于廠內(nèi)空間條件和工件尺寸和放置時(shí)的穩(wěn)定性等方面都較為復(fù)雜，導(dǎo)致高空作業(yè)時(shí)的攀爬過(guò)程、作業(yè)面的臨邊防護(hù)都存在一定的風(fēng)險(xiǎn)性。實(shí)踐證明，采用塔式起重機(jī)防墜機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)墜落防護(hù)安全帶可靠的掛點(diǎn)裝置供給，能夠較好地兼顧以上問(wèn)題，同時(shí)與制造車(chē)間的生產(chǎn)特性有較好的相容性，不失為一種針對(duì)制造業(yè)工廠車(chē)間的有效的本質(zhì)安全技術(shù)措施。

總之，在研究高空作業(yè)本質(zhì)安全策略時(shí)，要充分以問(wèn)題為導(dǎo)向，面向需求作分析，從而指導(dǎo)安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。作為安全設(shè)施，其自身的安全可靠性也需要充分地定量校核，從而有效地提升作業(yè)過(guò)程的安全績(jī)效。