構架式設備安全帶防護掛架的研制

張宏偉，宋 燕

(國網甘肅省電力公司金昌供電公司，甘肅 金昌 737100)

安全帶是高處作業時防止墜落的安全用具，高處作業超過1.5 m時，應使用安全帶[1]。目前，變電站戶外作業暫無系掛安全帶的專用鋼絲繩或構架[2]，當在隔離開關等構架式設備上作業時，檢修人員只能將安全帶系掛在設備構架、支持瓷瓶、安裝基座或設備部件上，違反相關規定[3]，給作業人員帶來極大的安全隱患。同時，由于使用不規范，安全帶或保護繩易纏繞在作業人員腿或腳上，帶來新的危險。電力企業普遍采取以下措施來解決這些問題[4]。

(1)使用絕緣斗臂車。該方法的主要缺陷，是受作業空間的限制，斗臂車無法進入作業現場。

(2)搭建腳手架。這種方法的主要缺陷是，檢修設備與帶電設備互相交叉，搭建腳手架不能滿足安全距離的要求。由于腳手架重量大，安裝拆卸時費時、費力、費工。

(3)掛在構件、瓷瓶以及移動的物件上。高處作業時，掛在這些地方，不僅不能有效保證作業人員的安全[1]，而且帶來新的危險，如瓷瓶斷裂、移動時碰觸帶電設備等。

(4)采用梯子登高、專人扶守的方式。這種方式，會因為作業地點的變換而需隨時移動梯子，增加作業成本、降低作業效率。

1 研究的意義和目標

1.1 意義

常見的安全帶專用防護架均為單側夾緊式拆分結構。該種防護架由底部卡座和掛桿組成，選用高強度合金、酚醛樹脂、玻璃纖維等材料制成，如圖1所示。使用時，安裝在隔離開關一側的槽鋼上，這種防護架存在以下缺陷。

(1)掛桿位置影響隔離開關傳動拉桿的正常運行。

(2)由于單側安裝，限制作業人員的工作范圍，需隨時更換安裝點，效率低。

(3)存在安全帶與隔離開關操作機構纏繞的隱患。

圖1 傳統的安全帶專用防護架

因此，針對構架式設備檢修作業，亟需一種科學合理、安全可靠的安全帶掛架，提高工作效率，降低作業風險。

1.2 目標

為徹底解決這些問題，研制的安全帶專用掛架必須適應不同類型構架式設備。

(1)掛扣點有足夠的高度。滿足安全帶“高掛低用”要求，解決無專用系掛安全帶的構架或鋼絲繩的問題，并且不影響隔離開關等設備的調試操作。

(2)安全可靠。防護架具有良好的機械強度，各部件連接牢固可靠，能在作業人員意外墜落時有足夠的牽拉力，確保作業人員安全。

(3)攜帶、拆裝方便。防護架應獨立分塊設計，每個部件均應安全可靠，且無需借助特殊工具就能快捷固定和拆卸，時間控制在5 min以內。

(4)通用性強。除隔離開關外，還能在電流互感器、電壓互感器等設備構架上使用，做到“一架多用”。

2 設計與研制

為降低作業危險性，增加作業人員的安全系數，提高作業效率，開展了安全帶專用掛架的設計、研制工作。

2.1 功能分析

安全帶專用掛架應具有以下特點。

(1)主體結構結實牢固、小巧輕便。

(2)夾座、掛桿布局位置應合理，不妨礙設備調試操作。

(3)夾座、掛桿的固定方式穩定、安全可靠，不出現滑移、脫落等現象。

(4)固定裝置安裝、拆卸簡單、便捷。

安全帶專用掛架功能分析表如表1所示。

2.2 制定方案

經過調查、研究，對各部件的加工、制作方式和選材提出了各種比選方案。

(1)夾座設計。夾座選擇對比表見表2。

表1 安全帶專用掛架功能分析表

表2 夾座選擇對比表

(2)掛桿設計。掛桿選擇對比表見表3。

表3 掛桿選擇對比表

(3)掛環設計。掛環選擇對比表見表4。

表4 掛環選擇對比表

(4)夾座固定方式。夾座固定方式選擇對比表見表5。

表5 夾座固定方式選擇對比表

(5)掛桿固定方式。掛桿固定方式選擇對比表見6。

表6 掛桿固定方式選擇對比表

(6)夾座材料選擇。夾座材料選擇對比表見表7。

(7)掛桿材料選擇。掛桿材料選擇對比表見表8。

(8)固定裝置材料選擇。固定裝置材料選擇對比表見表9。

(9)掛環材料選擇。掛桿材料選擇對比表見表10。

經過分析，科研人員一致同意這9個方面的方案選擇，具體如表11所示。

2.3 擬定計劃

根據研制方案，科研人員按照5W1H的原則制定了實施計劃，如表12所示。

表7 夾座材料選擇對比表

表8 掛桿材料選擇對比表

表9 固定裝置材料選擇對比表

表10 掛環材料選擇對比表

表11 安全帶掛架制作方案表

表12 實施計劃表

2.4 設計與制作

2.4.1設計圖紙

通過查閱各類設備說明書，針對不同廠家的隔離開關、電流互感器、電壓互感器等設備型號，列出構架尺寸表。繪制出能夠全面匹配各類尺寸、可靈活調節大小和高低的安全帶掛架圖紙，如圖2所示，并確定各個零部件尺寸。

圖2 設計圖紙

2.4.2加工制作

為方便現場攜帶和安裝，將掛架整體拆分為四個組合部件，化整為零，如圖3所示。

圖3 零配件圖

對各零部件的材質選用及連接方式進行分析、比選，加工制作實物，如圖4至圖5所示。

圖4 實物裝配圖

圖5 組裝成品圖

2.5 效果檢驗

(1)防護架基座的固定方式。采用機械夾緊式固定方式，全方位夾緊固定，使其固定點受力均勻，防止移動和滑脫。防護架基座夾緊式固定方式如圖6所示。

圖6 防護架基座夾緊式固定方式圖

(2)是否阻礙檢修設備正常運動軌跡。充分考慮不同類型、不同型號、不同廠家設備在檢修時可能的運行軌跡，并進行反復修正和改進，使其不阻礙設備正常運動軌跡。兩種運動方式對比如圖7所示。

圖7 兩種運動方式對比

(3)安全性。該裝置薄弱點主要是鎖扣懸掛撐桿與基座的連接處，在鎖扣懸掛撐桿與基座上固定板接觸部位加裝防護套，減少上固定板開孔邊緣對撐桿的磨損，擴大撐桿受力面，減少受力，加強了此薄弱點的防護，如圖8所示。同時，在鎖扣懸掛撐桿尾部與基座下固定板處加裝防脫落銷，確保撐桿與基座的絕對穩定。

圖8 采用防脫軸銷固定撐桿與基座

3 檢測和試驗

3.1 力學試驗

該安全帶掛架屬于專用裝置，不兼做他用，在力學試驗室對其進行力學試驗。經過嚴格的理論計算和多次的承重試驗、快速沖擊試驗等破壞性試驗驗證[5]，該裝置安全可靠。

(1)鋼板承重試驗。鋼板采用Q235鋼，四邊固結，其承重試驗如圖9所示[6]。

圖9 鋼板承重試驗圖

鋼材厚度h=8 mm，利用平板彎曲計算公式，其受力F如下：

(1)

式中h——鋼材厚度；S——平板面積。

中心點的應力計算如下：

(2)

中心點的擾度計算如下：

(3)

式中f——中心擾度，m；P——集中荷載，N；E——彈性模量，Pa；b——鋼板寬，m；h——鋼板厚，m；c1——矩形平板系數。

試驗結果如表13所示。可見，鋼板的受力狀態類于張力柔性平面體，并且Q235鋼的抗拉強度大于抗剪強度，結構破壞形式是鋼板被剪穿(沖切破壞)或鋼板的邊緣約束被拉壞。

表13 鋼板承重試驗數據表

(2)鎖扣懸掛撐桿快速沖擊試驗。對撐桿懸掛重物進行沖擊試驗[6-7]，測量其彎曲度，如圖10所示。

圖10 掛撐沖擊試驗圖

則，鋼管抗彎強度最大曲正應力為

(4)

式中M——鋼管承受的最大彎矩；Yx——截面塑性發展系數，取1.15；Wnx——鋼管凈截面模量，也稱為凈截面抵抗矩。

試驗結果如表14所示。

表14 快速沖擊試驗數據表

3.2 完善改進

在實訓大廳隔離開關構架上進行安裝試驗，將支撐桿安裝在中部，便于人員轉移工作地點。經多次測試，該專用掛架操作簡單、適用性強、安全可靠、便攜性好，使用時不會影響隔離開關的分合，方便人員檢修作業和移位[8-9]。

測試情況如圖11所示。

圖11 安裝測試圖

4 研究成果

使用專用掛架后，安全帶使用更加規范，符合安全工作規程要求，減少了因此造成的違章作業，正確使用率達到100%。

(1)創新性。本文著力解決生產現場高處作業安全防護難題，研制出滿足構架式設備檢修使用的安全帶專用掛架。各部件之間采用標準螺紋連接，通用性強。

(2)經濟性。直接效益方面，制作成本低，由簡單常規材料(鋼板、螺絲、合成撐桿)制作而成，加工簡便。間接效益方面，每次安裝、拆除安全帶掛架平均縮短48 min，提高作業效率，實現增收節支。

(3)安全性。此裝置不兼做他用，材料選型、尺寸經過嚴格理論計算，同時承重試驗和快速沖擊試驗等力學試驗合格，安全可靠，符合相關要求。方便作業人員使用，降低作業現場風險。

(4)可推廣性。該科研成果源于一線、面向一線，從實際出發，有效解決了高處作業時安全帶的“低掛高用”和無專用系掛點的問題，適用于所有雙槽鋼基座安裝的設備，便于攜帶、安裝簡單、安全可靠，推廣性強。

5 結語

2017年，在110 kV水源站、35 kV玉石溝站等5座變電站設備檢修現場使用，該裝置對作業人員的安全防護可靠，未出現纏繞等危及人身安全的危險，徹底解決了安全帶使用不規范的難題，保障了人身安全，提高了作業效率。使用該創新性安全帶專用掛架后，安全帶使用合格率達到100%。

該裝置便于工作人員攜帶和安裝，方便、快捷，通用性強，可靠性、安全性等指標均符合要求[8-9]，具有很好的實用和推廣價值。