傾斜式升降作業(yè)平臺的設(shè)計(jì)與分析

鮑會麗，陳 浩，李志國，張洪寧，劉 崗

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

傾斜式升降作業(yè)平臺是一種導(dǎo)軌跨度大、同步運(yùn)行要求高的維修用載人載物設(shè)備，主要由工作平臺、臺車、軌道、驅(qū)動裝置、導(dǎo)向滑輪組、機(jī)構(gòu)罩、登機(jī)平臺以及控制系統(tǒng)等8部分組成。非工作狀態(tài)下，作業(yè)平臺的運(yùn)行結(jié)構(gòu)部分位于軌道底端，由牽引鋼絲繩在驅(qū)動電機(jī)制動器的作用下駐停。如圖1所示。

圖1 傾斜式升降作業(yè)平臺示意圖

1 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.1 工作平臺

工作平臺主體結(jié)構(gòu)由三角形截面桁架構(gòu)成，其兩端通過法蘭與臺車連接，表面鋪設(shè)花紋鋁板，其外形如圖2所示。平臺設(shè)計(jì)遵循以下原則。

1）保證結(jié)構(gòu)安全 最危險(xiǎn)工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范中材料的許用應(yīng)力要求。

圖2 作業(yè)平臺示意圖

2）減小共振 由于作業(yè)平臺軌道跨度大，正常工作時應(yīng)容納12個人在工作平臺上同時行走，對比分析設(shè)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(chǎn)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(qū)使兩側(cè)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(dāng)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(dān)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(dāng)臺車主體上手動激發(fā)的防脫鉤動作后，鋼絲繩處的自動觸發(fā)的防脫鉤可將手動激發(fā)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(guān)，從電控上對整機(jī)提供安全保證。臺車結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 臺車結(jié)構(gòu)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(dǎo)向系統(tǒng)，保證了臺車上的滑輪沿著軌道長度方向順利運(yùn)行。正面設(shè)置有防脫踏步及下端設(shè)置有機(jī)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(shè)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(shí)現(xiàn)平臺單個運(yùn)行周期的初始狀態(tài)水平姿態(tài)校驗(yàn)。

圖4 軌道

1.4 驅(qū)動裝置

在工作平臺上方、建筑物頂部左右兩側(cè)對稱布置一套鋼絲繩卷筒驅(qū)動裝置，每一套驅(qū)動裝置均配有兩根鋼絲繩同時牽引工作平臺運(yùn)動且同時互為備份。機(jī)構(gòu)上同時設(shè)置有防墜落裝置，當(dāng)卷筒松繩運(yùn)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(fā)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(xù)加速下滑，并切斷整個驅(qū)動裝置電源。

1.5 導(dǎo)向滑輪組

導(dǎo)向滑輪組為臺車與驅(qū)動裝置之間的鋼絲繩提供導(dǎo)向。在導(dǎo)軌延長線方向設(shè)置一組滑輪，保證鋼絲繩與軌道表面平行，另設(shè)一組滑輪用于對鋼絲繩進(jìn)行90°導(dǎo)向，使之進(jìn)入與軌道垂直布置的驅(qū)動裝置內(nèi)，保證鋼絲繩順利排繩不亂繩。

圖5 導(dǎo)向滑輪組布置

1.6 登機(jī)平臺

登機(jī)平臺主體結(jié)構(gòu)為采用拼裝形式的桁架結(jié)構(gòu)，是工作人員上下工作平臺的通道，其底部設(shè)置4個有剎車功能的萬向輪，具有重量輕、運(yùn)輸便捷及轉(zhuǎn)場靈活的優(yōu)點(diǎn)。

2 關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)途徑

2.1 大跨度平臺同步技術(shù)

在驅(qū)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(shù)據(jù)實(shí)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(guān)對設(shè)備進(jìn)行清零，即每次運(yùn)行都是一個新的行程，工作平臺運(yùn)行高度不會有累計(jì)誤差。

2.2 防風(fēng)沙、防冰雪技術(shù)

考慮作業(yè)平臺使用環(huán)境，針對軌道、鋼絲繩、驅(qū)動裝置，在臺車每個滾輪行走的區(qū)域內(nèi)設(shè)置清除裝置實(shí)現(xiàn)邊行走邊清除，如對于驅(qū)動裝置，在其四周設(shè)計(jì)有機(jī)構(gòu)罩，能夠很好防止雨雪的入侵；針對風(fēng)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(shè)計(jì)專用柔性擋塊，最大限度阻止風(fēng)沙對于驅(qū)動罩內(nèi)部零部件的破壞。

2.3 安全保護(hù)技術(shù)

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

3 工作平臺的計(jì)算分析

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

3.1 設(shè)計(jì)輸入

參考GB/T13752-2017《塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》并結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，工作平臺自重變形后離作業(yè)面最近點(diǎn)的法向距離必須小于150mm，因此工作平臺在陣風(fēng)8級（風(fēng)速20.7m/s）的變形量應(yīng)控制在40mm以內(nèi)。工作平臺總長為35m，采用Q345鋼型材焊接而成，材料的屈服強(qiáng)度σs=345MPa，許用應(yīng)力 [σ]=σs/ns=257.5MPa（其中ns為安全系數(shù)，ns=1.34）。外載荷主要包括額定載荷、風(fēng)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(fēng)載荷、冰雪載荷的影響，分別計(jì)算如下。

風(fēng)載荷

CF——風(fēng)阻系數(shù)，取CF=1.2;

q——動壓頭，q=v2/16;

A——工作平臺桁架受風(fēng)面積，A=8.5m2。

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

當(dāng)風(fēng)速為20.7m/s時，F(xiàn)′風(fēng)=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(jù)作業(yè)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(jié)構(gòu)，在ANSYS軟件中建立有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算。

平臺在自重作用下的位移和應(yīng)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(yīng)力云圖

工作狀態(tài)下，主要承受z方向的風(fēng)載荷341kgf、冰雪載荷1 138kgf、集中載荷1 000kgf及自重的作用。經(jīng)分析，位移云圖如圖8所示，應(yīng)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(yīng)力為45.1MPa，應(yīng)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(tài)下工作平臺最

圖8 工作平臺工作狀態(tài)的位移云圖

圖9 工作平臺工作狀態(tài)的應(yīng)力云圖

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

4 結(jié) 語

經(jīng)過多次技術(shù)改進(jìn)，目前的傾斜式升降作業(yè)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(yè)平臺在國內(nèi)外的應(yīng)用前景非常廣闊，針對具體施工需求和平臺結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行后續(xù)技術(shù)改進(jìn)，將是今后研究的方向。