傾斜式升降作業平臺的設計與分析

鮑會麗，陳 浩，李志國，張洪寧，劉 崗

（中國建筑科學研究院有限公司 建筑機械化研究分院，河北 廊坊 065000）

傾斜式升降作業平臺是一種導軌跨度大、同步運行要求高的維修用載人載物設備，主要由工作平臺、臺車、軌道、驅動裝置、導向滑輪組、機構罩、登機平臺以及控制系統等8部分組成。非工作狀態下，作業平臺的運行結構部分位于軌道底端，由牽引鋼絲繩在驅動電機制動器的作用下駐停。如圖1所示。

圖1 傾斜式升降作業平臺示意圖

1 關鍵部件設計

1.1 工作平臺

工作平臺主體結構由三角形截面桁架構成，其兩端通過法蘭與臺車連接，表面鋪設花紋鋁板，其外形如圖2所示。平臺設計遵循以下原則。

1）保證結構安全 最危險工況下結構強度應滿足產品設計規范中材料的許用應力要求。

圖2 作業平臺示意圖

2）減小共振 由于作業平臺軌道跨度大，正常工作時應容納12個人在工作平臺上同時行走，對比分析設備固有頻率和12人同時行走時的頻率，通過選用合適型材、改變桁架截面尺寸等方式減小共振頻率的影響。

通過以上方式在保證產品使用安全的前提下努力減小廠商加工成本及用戶使用成本。

1.2 臺車

通過牽引鋼絲繩驅使兩側臺車沿著軌道上下行走，完成工作平臺的升降。

使用過程中臺車的鋼絲繩互為備份，即使當一根鋼絲繩由于磨損等原因不能正常使用，另一根鋼絲繩也可承擔工作平臺上所有載荷。臺車上的防脫鉤在兩根鋼絲繩同時斷裂的情況下，掛鉤脫離鋼絲繩向軌道方向傾斜，鉤在軌道上面的防脫踏步上，當臺車主體上手動激發的防脫鉤動作后，鋼絲繩處的自動觸發的防脫鉤可將手動激發的防脫鉤手動鉤在軌道上，保證工作平臺能夠安全制停在軌道上。臺車上的兩個碰塊可觸碰安裝在軌道兩端的限位開關，從電控上對整機提供安全保證。臺車結構如圖3所示。

圖3 臺車結構圖

1.3 軌道

由矩形截面型材制作而成的軌道是工作平臺的導向系統，保證了臺車上的滑輪沿著軌道長度方向順利運行。正面設置有防脫踏步及下端設置有機械限位緩沖裝置的軌道可保證即使工作平臺過度下降也不會造成設備損壞及人員傷亡。通過安裝在軌道下部的下限位碰塊可實現平臺單個運行周期的初始狀態水平姿態校驗。

圖4 軌道

1.4 驅動裝置

在工作平臺上方、建筑物頂部左右兩側對稱布置一套鋼絲繩卷筒驅動裝置，每一套驅動裝置均配有兩根鋼絲繩同時牽引工作平臺運動且同時互為備份。機構上同時設置有防墜落裝置，當卷筒松繩運行速度大于卷筒上的防墜落裝置動作速度時，制動裝置被激發同時將與之齒輪嚙合的兩個鋼絲繩卷筒制停，阻止工作平臺繼續加速下滑，并切斷整個驅動裝置電源。

1.5 導向滑輪組

導向滑輪組為臺車與驅動裝置之間的鋼絲繩提供導向。在導軌延長線方向設置一組滑輪，保證鋼絲繩與軌道表面平行，另設一組滑輪用于對鋼絲繩進行90°導向，使之進入與軌道垂直布置的驅動裝置內，保證鋼絲繩順利排繩不亂繩。

圖5 導向滑輪組布置

1.6 登機平臺

登機平臺主體結構為采用拼裝形式的桁架結構，是工作人員上下工作平臺的通道，其底部設置4個有剎車功能的萬向輪，具有重量輕、運輸便捷及轉場靈活的優點。

2 關鍵技術及實現途徑

2.1 大跨度平臺同步技術

在驅動單元部位安裝高精度編碼器保證電氣控制同步，通過編碼器中的數據實時反映工作平臺在工作面上的位置；同時，安裝在軌道底部的限位開關對設備進行清零，即每次運行都是一個新的行程，工作平臺運行高度不會有累計誤差。

2.2 防風沙、防冰雪技術

考慮作業平臺使用環境，針對軌道、鋼絲繩、驅動裝置，在臺車每個滾輪行走的區域內設置清除裝置實現邊行走邊清除，如對于驅動裝置，在其四周設計有機構罩，能夠很好防止雨雪的入侵；針對風沙天氣，將兩個卷筒傾斜布置，縮小兩根鋼絲繩的出繩間距，且在出繩口設計專用柔性擋塊，最大限度阻止風沙對于驅動罩內部零部件的破壞。

2.3 安全保護技術

①電氣限位和機械限位安全保護技術：在軌道端部分別設置電氣限位裝置和機械限位裝置；②防超速下落保護技術：在卷筒上安裝有錐鼓型防墜落裝置，可在卷筒運行速度大于防墜落裝置本身設定的速度時，自動平穩可靠制動，同時切斷驅動裝置電源；③鋼絲繩短繩保護技術：在臺車上設置通過鋼絲繩激發的防脫鉤，當出現斷繩情況時，主動靠近軌道上的防脫踏步，將運動部件鉤掛在軌道上；④鋼絲繩冗余設計技術：驅動裝置通過兩根鋼絲繩進行傳動，單根即可滿足設計要求，兩根鋼絲繩互為備份，互相保護。

3 工作平臺的計算分析

此作業平臺跨度大、工作條件惡劣，同時主要是為現場工作人員檢修維護作業提供站立平臺，因此作業平臺的安全性對工作平臺至關重要，本文利用ANSYS軟件對作業平臺進行有限元分析以校核工作平臺的變形和應力值。

3.1 設計輸入

參考GB/T13752-2017《塔式起重機設計規范》并結合實際工程經驗，工作平臺自重變形后離作業面最近點的法向距離必須小于150mm，因此工作平臺在陣風8級（風速20.7m/s）的變形量應控制在40mm以內。工作平臺總長為35m，采用Q345鋼型材焊接而成，材料的屈服強度σs=345MPa，許用應力 [σ]=σs/ns=257.5MPa（其中ns為安全系數，ns=1.34）。外載荷主要包括額定載荷、風載荷、冰雪載荷。

本文以工作平臺中部加載1t集中載荷時的工況為例，考慮風載荷、冰雪載荷的影響，分別計算如下。

風載荷

CF——風阻系數，取CF=1.2;

q——動壓頭，q=v2/16;

A——工作平臺桁架受風面積，A=8.5m2。

對于三角形截面空間桁架結構的風載荷按其垂直風向的投影面積所受風力的1.25倍計算，因此施加到工作平臺上的風載F′風=1.25F風（在分析模型中為z方向風載荷）

當風速為20.7m/s時，F′風=341kgf

冰雪載荷

A——冰雪載荷受力面積，A=33.8m2。

3.2 有限元分析

根據作業平臺的工作特性，將工作平臺簡化等效為梁單元BEAM188組成的桁架結構，在ANSYS軟件中建立有限元模型進行分析計算。

平臺在自重作用下的位移和應力云圖如圖6和圖7所示。

圖6 平臺自重位移云圖

圖7 平臺自重應力云圖

工作狀態下，主要承受z方向的風載荷341kgf、冰雪載荷1 138kgf、集中載荷1 000kgf及自重的作用。經分析，位移云圖如圖8所示，應力云圖如圖9所示。

從圖6到圖7可知：工作平臺在自重作用下跨中位置位移最大，最大位移為12.264mm；在自重工作平臺的最大應力為45.1MPa，應力最大位置在工作平臺中間位置下弦桿處。

從圖8到圖9可知：在工作狀態下工作平臺最

圖8 工作平臺工作狀態的位移云圖

圖9 工作平臺工作狀態的應力云圖

大位移為38.062mm；工作平臺最大應力112MPa，應力最大位置在工作平臺中間位置下弦桿處，σmax＜[σ]，滿足強度要求。

4 結 語

經過多次技術改進，目前的傾斜式升降作業平臺更加安全可靠。隨著國家對安全施工的日益重視，這種作業平臺在國內外的應用前景非常廣闊，針對具體施工需求和平臺結構特點進行后續技術改進，將是今后研究的方向。