塔式起重機防墜助爬裝置的設計研究

楊樹國 劉劍鋒 國樹東 文 豪 郭 遐

1泰安市質量技術檢驗檢測研究院 泰安 271000 2太原科技大學 太原 030024 3布勒（常州）機械有限公司 常州 213300

0 引言

塔式起重機具有工作效率高、適用范圍廣、回轉半徑大、起升高度高、工作幅度大、安裝和拆卸方便等特點，被廣泛應用于建筑行業[1-3]。近年來，隨著國民經濟的快速發展，大量高層建筑不斷涌現，使得高空位的塔式起重機數量隨之增多，一些塔式起重機甚至可高達百米以上，作業人員每次作業都需要通過塔身內的爬梯不停地上梯或下梯，體力消耗較大，且勞動強度較高，很容易產生疲勞，且存在很大的安全隱患。如果遇上大風、雨雪、冰凍等惡劣天氣，作業人員攀爬時極易發生由于打滑或踩空而導致的墜落事故。因此，迫切需要設計研制一款既能減輕作業人員的勞動強度，又能避免作業人員墜落的塔式起重機安全裝置。

目前，針對塔式起重機等高空作業設備攀爬用的安全裝置相對較少，在現有的高空攀爬裝置中，大多采用傳感器、二極管、集成電路等電子電路系統進行控制，或是僅具備防墜落功能而不具備助爬功能等。例如，高銘澤等[4]通過電動機的控制電路來控制電動機的啟停，當作業人員發生墜落時，會帶動鋼絲繩以較快的速度下滑，使下滑輪組的反轉速度加快，此時電動機反轉，同時其電樞會產生較高的電壓，通過電阻和穩壓二極管觸發可控硅導通，使電動機產生制動力矩，從而啟動安全防墜落功能，以阻止作業人員繼續下滑，但這種電子防墜落裝置容易損壞、可靠性差，且損壞后檢測故障點比較困難，不易維修；梁小虎等[5，6]設計了一款塔式起重機攀爬用的安全裝置，該裝置主要包括承重帶、防墜落裝置、安全帶等，其中承重帶固定在塔式起重機的頂部，防墜落裝置通過連接孔與作業人員的安全帶連接，作業人員攀爬時可利用安全帶的牽引作用帶動防墜落裝置沿著承重帶爬升，當發生墜落時防墜落裝置的連桿旋轉，通過自鎖加緊承重帶而實現停止墜落；徐振忠等[7]在塔式起重機上安裝了一條等高度的垂直鋼絲繩，作業人員的安全帶連接防墜自鎖器，然后將自鎖器連接在垂直鋼絲繩上，作業人員攀爬時防墜自鎖器棘齒會打開，如果發生墜落則自鎖器在重力作用下自動關閉，卡住鋼絲繩，以實現防墜落效果；龍廣全等[8]設計的攀爬裝置由定滑輪、排繩輪、安全繩、絞盤等部件構成，定滑輪固定在塔式起重機司機室的上部，排繩輪和絞盤固定在塔式起重機的底部，作業人員攀爬時絞盤操作員應根據作業人員的攀爬速度來轉動絞盤搖把。作業人員發生墜落時卷筒反轉，卷筒上的棘爪卡主棘輪，阻止卷筒繼續轉動，達到防墜落的效果。本文針對塔式起重機的結構特點，設計研制了一款易于安裝、不易損壞、可靠性高的純機械式防墜助爬裝置，不僅能實現防墜落的功能，還能實現省力助爬的目的，同時不用考慮防墜助爬裝置的質量。

1 總體方案設計

塔式起重機防墜助爬裝置的總體設計目標是：當作業人員通過塔身內的爬梯攀爬塔式起重機時，可實現節省體力、減輕勞動強度的目的。在作業人員攀爬過程中，如果出現打滑或踩空滑落事件，應能確保在較短時間內使作業人員緩慢懸吊在空中，避免發生墜落事故，然后作業人員可再次抓住爬梯，并借助防墜助爬裝置快速恢復到正常攀爬狀態，繼續通過爬梯到達塔式起重機的回轉平臺、地面或其他預定位置。

通過上述分析可知，若要實現防墜助爬裝置的總體設計目標需要解決以下關鍵技術問題：1）省力助爬功能是雙向的，即不僅使塔式起重機作業人員在上梯過程中要實現省力，在下梯的過程中同樣也要實現省力。2）當作業人員發生墜落時，為了減少瞬間下降沖擊帶來的不適感，需要給作業人員一個短暫的緩沖過程，實現緩慢平穩懸停；同時，為了減少懸吊的時間，確保作業人員的安全，當再次抓住爬梯時，需在較短時間內快速恢復到正常的攀爬狀態。另外，為了提高該安全裝置的可靠性，盡可能避免采用電子電路系統，以期通過純機械的方式實現總體設計目標。

防墜助爬裝置的整體結構如圖1所示。該裝置主要包含驅動裝置、液壓緩沖裝置和鋼絲繩3部分，其中驅動裝置為整個系統提供動力源，液壓緩沖裝置用來實現防墜助爬裝置較短時間內慢速滯停和快速恢復功能，鋼絲繩是防墜助爬裝置的承重載體，用來連接驅動裝置和作業人員。

圖1 系統整體結構

2 主要結構和原理

2.1 驅動裝置

如圖2所示，防墜助爬裝置的驅動裝置主要由堵轉力矩電動機、減速器和卷筒等組成。電動機需要通過2只接觸器采用換接三相電源相序的方式實現其正轉和反轉，該過程需要花費一定時間且可靠性差。通過比較驗證，本文采用堵轉力矩電動機作為系統的動力源，由于它具有軟機械特性，故可實現長時間堵轉和停轉。同時，該電動機還具有扭矩大、過載能力強、響應快等優點。作業人員攀爬的速度相對于電動機的轉速相差很大，為此在堵轉力矩電動機的輸出軸端連接減速器，卷筒通過花鍵軸與減速器內的齒輪相連。由于花鍵軸易于拆卸，故可更換不同直徑大小的卷筒使堵轉力矩電動機轉速降低到作業人員適宜攀爬的速度。卷筒的作用是存儲鋼絲繩，為了減小其體積，采用多層纏繞的方式，選擇表面刻有螺旋刻槽的螺旋式卷筒，可有效減少亂繩、壓繩現象的發生。

圖2 驅動裝置示意圖

驅動裝置的機座可以安裝于塔式起重機回轉機構上方的平臺，以不妨礙塔式起重機正常工作為宜。通過調整堵轉力矩電動機的參數，使驅動裝置始終能夠承受作業人員一定比例的體重，實現減輕作業人員勞動強度的目的，建議將該比例調整為作業人員體重的三分之一左右。

2.2 液壓緩沖裝置

如圖3所示，防墜助爬裝置的液壓緩沖裝置主要由滑輪、滑輪座、滑道、液壓桿、單向閥、液壓油、液壓缸、機座、制動開關、活塞、緩沖油孔、復位彈簧等組成。滑輪固定在滑輪座上，滑輪座與液壓桿相連，液壓桿端部與活塞相連，活塞上設置有緩沖油孔，緩沖油孔比單向閥孔小很多。當壓縮活塞時，單向閥關閉，液壓油流過緩沖油孔；當活塞向外運動時，單向閥開啟。活塞在液壓缸內運動時，會帶動滑輪座沿著滑道同步運行，滑道的一側設置有制動開關，制動開關的端部安裝有滾輪。

圖3 液壓緩沖裝置

在正常攀爬狀態下，作業人員不會發生墜落，此時液壓緩沖裝置的制動開關不會被觸發。當作業人員發生墜落時，作業人員的體重會瞬間施加到滑輪上，致使滑輪座的壓力突然增加，活塞會沿著液壓缸壓縮液壓油，該過程中單向閥關閉，液壓油只能從緩沖油孔緩慢出油，液壓缸內的復位彈簧不斷被壓縮。經過一段時間后，滑輪座的斜面會觸碰到制動開關，從而使堵轉力矩電動機斷電制動，使作業人員在慢速下降中停止并懸吊在空中。作業人員可以重新抓住爬梯，然后將鋼絲繩處于松弛狀態，此時液壓緩沖裝置的活塞在復位彈簧的作用下向上運動，該過程中單向閥開啟，滑輪座會快速離開制動開關，堵轉力矩電動機立即啟動運轉，作業人員又可以恢復到正常的攀爬狀態，實現了防墜助爬裝置短時間內慢速滯停和快速恢復的防墜落功能，在確保了作業人員安全的同時，也減少了瞬間下降沖擊產生的不適感。防墜助爬裝置的機座安裝于塔式起重機回轉機構上方的平臺，其前端為驅動裝置，安裝位置以不妨礙塔式起重機正常工作為宜。通過調整單向閥和緩沖油孔等參數，可設定液壓緩沖裝置的制動時間。

2.3 鋼絲繩

防墜助爬裝置鋼絲繩的連接方式如圖4所示。由于鋼絲繩具有承載能力強、占用空間小等優點，本設計采用其作為整個防墜助爬裝置的承重載體。為了使鋼絲繩在起升和下降的過程中不松散、不旋轉，采用交互捻式鋼絲繩。由于塔式起重機會隨高樓等建筑物的增高而不斷增高，故鋼絲繩需要留有足夠的裕量。

圖4 鋼絲繩連接方式

鋼絲繩前端固定在驅動裝置的卷筒上，繞過液壓緩沖裝置的滑輪后，在其后端設計有安全鉤和備用鉤，安全鉤用于連接作業人員的安全帶，當作業人員到達預定位置后可以用備用鉤掛于塔身內的爬梯上。

3 操作過程

3.1 上梯過程

作業人員在上梯前，首先給堵轉力矩電動機送電，然后拉動鋼絲繩以確認堵轉力矩電動機是否有電。如果鋼絲繩呈現松弛狀態，說明未成功送電，需盡快查明原因，排除故障。如果鋼絲繩呈現張緊狀態，證明系統工作正常，此時作業人員穿上安全帶，并將安全鉤掛于安全帶上，同時將備用鉤從爬梯上卸下。

前期準備工作完畢后，即可借助防墜助爬裝置上梯操作。由于鋼絲繩可以承受作業人員的部分體重，在上梯過程中，作業人員會感覺很輕松。另外，由于堵轉力矩電動機可以長時間堵轉和停轉，作業人員在上梯過程中若感到疲憊也可停步休息。當作業人員在攀爬的過程中打滑或踩空滑落時，可以通過液壓緩沖裝置懸吊在空中，在重新抓住爬梯后使鋼絲繩呈現松弛狀態。此時，液壓緩沖裝置的活塞在復位彈簧的作用下會向上運動，堵轉力矩電動機便又恢復運轉。當作業人員到達預定位置后，即將備用鉤掛在爬梯上，從安全帶上卸下安全鉤，關閉堵轉力矩電動機的電源。

3.2 下梯過程

在作業人員準備下梯前，需要先給堵轉力矩電動機送電，確認堵轉力矩電動機是否有電。在系統正常工作的情況下，將安全鉤掛在安全帶上，然后從爬梯上卸下備用鉤即可正常下梯。此時，鋼絲繩同樣可以承受作業人員的部分體重，與上梯過程相同，如果感到疲憊可以停步休息，如果不慎發生墜落可以很容易恢復到下梯狀態。當作業人員到達預定位置時，即將備用鉤掛在爬梯上，卸下安全鉤，關閉堵轉力矩電動機電源。

4 結語

1）純機械結構，無需使用電子電路系統，且結構簡單、安裝方便、不易損壞、可靠性高。

2）作業人員不僅在上梯過程中能夠實現省力，在下梯的過程中同樣也能實現省力，并且省力大小可以根據需要進行調整，助爬效果明顯。

3）液壓緩沖裝置制動方式直接，防墜落效果好。能夠在確保作業人員安全的同時，減少瞬間下降沖擊產生的不適感。

該防墜助爬裝置能夠同時解決塔式起重機防墜落和省力助爬的問題，具有較高的實用性和安全性，對其他高空作業設備安全裝置的設計也有一定的參考意義。