“金字塔”形玻璃建筑尖頂旋轉升降放繩機構*

劉鋒濤，葛新鋒

（1.許昌初心智能電氣科技有限公司，河南許昌 461000；2.許昌學院工程訓練中心，河南許昌 461000）

0 引言

“金字塔”在建筑學上是指錐體建筑物，基座一般為正多邊形，側面由多個三角形或接近三角形的面相接而成，頂部面積非常小，成尖頂狀。由于質心較低，可有效抵抗自然災害，古代常用來建造金字塔形重要紀念性建筑物。近年來，隨著對地標建筑獨特創意的要求，現代金字塔形建筑在世界各地被建造，為了美觀，金字塔形建筑物的側面用玻璃裝飾，形成玻璃幕墻。玻璃幕墻是一種美觀新穎的建筑墻體裝飾方法，是現代主義高層建筑時代的顯著特征。其賦予建筑的最大特點是將建筑美學、建筑功能、建筑節能和建筑結構等因素有機地統一起來，建筑物從不同角度呈現出不同的色調，隨陽光、月色、燈光的變化給人以動態的美[1]。在世界各大洲的主要城市均建有宏偉華麗的玻璃幕墻建筑，如紐約世界貿易中心、盧浮宮玻璃金字塔[2]、芝加哥石油大廈、西爾斯大廈都采用了玻璃幕墻。香港中國銀行大廈、北京長城飯店和銀川寧東煤化工基地綜合辦公樓，呈金字塔形[3－4]建筑也相繼出現。

高層建筑玻璃幕墻的出現給現代建筑增加了美感，但是由于大氣環境中灰塵和風雨，導致玻璃幕墻很容易被污染[3]，這樣就要定期的對玻璃幕墻進行清洗。一般情況下，玻璃幕墻的清洗由一些被稱為“蜘蛛人”的群體來完成。對于平頂建筑來說，從建筑物的頂端放下繩子是很容易的事情；但是對于金字塔形建筑物來說，建筑物頂部是一尖端，要想上去是一件很困難的事情，更不用說在上面固定繩子，因此，對于金字塔形建筑物來說，有必要設計一個繩子的收放機構，方便“蜘蛛人”在玻璃幕墻上進行清洗作業。

1 升降放繩機構工作原理

螺旋升降機構固定在“金字塔”形建筑物的塔尖上，其工作流程如圖1所示。首先通過控制升降電機，實現清掃機構的準確提升；提升到位后，接近開關會檢測并發出信號，此時電機停止運行，終止提升。接著，有零位檢測傳感器檢測出轉臺所處位置，如不在零位，及時作出調整，直到重新回歸零位，以保證出繩方位的準確性。然后，遙控電葫蘆電機運行，繩索高速降至地面，把人帶上塔尖，開始從塔尖低速降落，清掃整個金字塔塔身。將至底部后，電葫蘆再次將繩索收回，并給轉臺發信號向某個方向旋轉90°，到位后電葫蘆接著重復之前的循環動作。轉臺累計旋轉360°，工作人員完成清掃，并降至地面后。將電葫蘆繩索收回，檢測配重球到位后，升降機開始運行，將整個機構降落到金字塔內部，整個工作流程結束。

圖1 金字塔形建筑升降放繩機構運行原理

2 繩子收放機構

2.1 功能描述

在“金字塔”形建筑的頂端設計一個遙控升降裝置，通過遙控器控制，從頂端送出一個安全繩索下來。該升降裝置采用螺旋升降機構，主要由減速部件和升降部件構成，蝸桿傳動機構作為其減速部件，是影響螺旋升降機使用性能的主要因素[5－7]。然后，把“蜘蛛人”安全送到頂部，從頂部不斷降落來清洗建筑物的一面，完成之后，需要旋轉一個方向，自動將升降裝置繩索旋轉至另一面，開始另一面作業?？紤]到塔頂機構安裝和維護的方便性，以及整個機構實現功能的體積和空間的限制，還需要把一些結構安裝在塔尖的下面相對較大的空間，通過一個升降機裝置，在清洗時將整個清掃機構頂出至塔尖。

2.2 整體結構

整體的結構如圖2所示。主要有3個部分：安裝板固定的蝸桿螺旋升降機部件、用來升降旋轉部分以及和電葫蘆配套的加強支架、避雷針系統、照明系統。旋轉升降機構在工作過程中受力非常大，是該系統的薄弱環節，其力學性能直接關系收放機構的可靠性和設備安全性[8]。安裝板固定的回轉驅動部件，用來調整電動葫蘆的出繩方向，當清潔完金字塔形建筑物的一面墻后，只需要按下遙控器，就可以實現電葫蘆出繩位置變換，到達另一個面；電動葫蘆和固定支架部件是終端收放繩機構，根據操作者需求，能夠定時、準確地將安全繩索送出，同時相應的加強支架、換向輪和避雷針等組件又能很好地保證機構使用時的安全性和可靠性。

圖2 金字塔形建筑物繩子收放機構

2.2.1 機構升降部分選型計算

螺旋升降機的選型：螺旋升降機的作用是用來提升起垂直地面方向負載的，其主要的選型功能參數包括負載F、提升速度v、行程L和減速比i。

其中，初定參數：F＝2.156 kN；v＝400 mm/min；L＝400 mm；i＝4∶1。

根據以上參數，初選德國UNID－NEFF/CS10－400的螺旋升降機。根據下面公式的計算可以確定升降機的輸入電機的參數。

式（1）～（3）中：vL＝400 mm/min；i＝4；S＝4 mm；FL＝3 kN；vin＝400 r/min，E＝0.3。

計算結果：Pin≈80 W，Tin≈1.9 N·m。

以上數值為計算值，若該數據比較嚴格，要加一定的裕度系數，取1.3～1.5[9]。

實際參數值：Tin＝1.9×1.4＝2.76 N·m。

蝸桿轉1圈升降機上升1 mm，升降機行程400 mm，需要1 min走完，即要保證400 mm/min的速度需要蝸桿輸入轉速400 r/min。本計算是按照勻速運動來計算的，所以如果輸入轉速剛好為400 r/min，那么走完全程的時間會大于1 min，即需要輸入轉速略大于400 r/min，才能保證1 min走完全程。

電機選配的減速機減速比i＝3.25。則電機的額定輸出扭矩T＝1.21 N·m。

三相異步電機的額定轉速為1 300 r/min，電機的額定功率P＝165 W?？梢赃x200 W或者250 W的標準電機。

2.2.2 導桿和軸承選擇

考慮到升降機提升到一定高度靜止后，電葫蘆拉著“蜘蛛人”沿著金字塔的斜面會對升降機有一個斜拉力的作用。而升降機本身是靠蝸輪蝸桿、螺紋等來增加提升扭矩的，其末端只是一個Tr20×4的螺桿，不能承受徑向力，因此需在升降機的四周添加直線軸承和輔助導桿等裝置，如圖3所示。

圖3 直線軸承

結合安裝空間、結構尺寸、材料、負載強度等參數即可選擇合適的直線軸承、導桿等相關裝置。

2.2.3 旋轉機構

旋轉機構是整個功能機構的關鍵部分，選型、計算也是至關重要的。常見的可以實現旋轉的裝置有高精密一體化電控轉臺和旋轉驅動配步進電機[10－11]。前者主要用在高精密分度場合，中心承載小，可承受很小的徑向作用力，如光學實驗室；后者的分度精度相對較低，但可以承受較大的軸向、徑向負載。

旋轉工作臺步進電機的選型算法如圖4所示，需要根據已知參數計算出轉臺自身和轉臺上負載的轉動慣量，進而根據得到的慣性矩選擇合適的步進電機和驅動器。不過考慮到高空作業的安全性，所選的步進電機必須要帶有自鎖裝置。

圖4 旋轉驅動電機選型計算

2.2.4 收放繩機構

收放繩機構如圖5所示，此部分主要包括電動葫蘆和焊接支架，另外有外殼、照明系統、導向輪、導向輪支架和密封墊等。外殼起到防護、密封的作用，外殼和建筑物之間要選擇密封可靠又能耐高溫、風化的密封墊。

圖5 收放繩機構結構

電葫蘆作為提升工具，是功能實現的核心，其需要提升體重約75 kg（正常人）的“蜘蛛人”，外加清掃工具和安全防護裝置等，估計有90 kg。為了保證安全可靠的起升，需留有安全余量，因此選擇使用提升能力為500 kg的電葫蘆。同時，電葫蘆具備8～2 m/min的速度，在空載的時候通過遙控器選擇高速，以提高電動葫蘆的效率。在正常工作時，低速運行保證運動的平穩性和安全性。同時，電葫蘆和負載的重量通過電葫蘆和焊接支架的連接傳遞到了支架上，并最終作用到殼體底部安裝板上面，保證了結構可靠性。

3 結束語

本文根據金字塔形建筑物的形狀和清掃要求，開發了一種升降旋轉收放繩機構平臺。介紹相關結構，建立了該結構的模型，對關鍵零部件進行了設計和選型，并應用到實際生產中，通過了相關部門的驗收，性能可靠。通過工程實例，證實了此方案的可行性，對于類似工程通過旋轉臺的旋轉選擇金字塔形建筑物的側面，通過電葫蘆收放繩索實現金字塔形建筑物的側面的移動，縮短了工期，降低了造價。