一種擦窗機用三吊點伸縮吊架的設(shè)計與研究

劉東明，李沿沿，田春偉，王進進，劉承桓

（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）

1 背 景

伴隨著中國現(xiàn)代化進程的推進和建筑業(yè)的快速發(fā)展，各式各樣的高層建筑樓群拔地而起，成為城市中一道亮麗的風景線，擦窗機作為安全、實用、高效的高空作業(yè)專用設(shè)備，被廣泛應用于建筑物外墻立面和玻璃幕墻的清洗和維修作業(yè)中。建筑外形的多樣化對擦窗機的布置和設(shè)計來說是一種考驗，尤其是帶有較大凹、凸造型等不規(guī)則外墻面的建筑物，以往通常采用折疊式伸展吊架、伸縮吊籃或旋轉(zhuǎn)吊籃等，但這些型式的工作平臺均因伸縮長度限制、穩(wěn)定性差、不能隨帶幕墻模塊等問題，已逐漸不能滿足特殊建筑的工況需求。因此，需要一種新型的專門適用于特殊建筑外墻的伸縮機構(gòu)，以滿足伸縮距離長、操作簡單，可攜帶幕墻模塊的特殊要求。因此本文提出一種擦窗機用三吊點伸縮吊架的設(shè)計與研究。

2 三吊點伸縮吊架

2.1 主要結(jié)構(gòu)和工作原理

結(jié)合實際工程項目，本文提出一種三吊點伸縮式吊架，如圖1 所示，主要包括擦窗機吊籃、伸縮臂、平衡吊臂、主臂、鋼絲繩補償機構(gòu)和可移動配重等，其中主臂前端固定在平衡吊架上，平衡吊架設(shè)有兩個吊點，主臂后端設(shè)有另外一個吊點，這三個吊點單獨與懸掛鋼絲繩連接，伸縮臂套接于主臂內(nèi)部，可移動配重懸掛于主臂上側(cè)，兩者在驅(qū)動裝置的牽引下沿相反方向同步移動，以實現(xiàn)擦窗機吊籃的伸縮動作并時刻保持平衡。

圖1 伸縮吊架工作狀態(tài)示意圖

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)伸縮聯(lián)動技術(shù) 借鑒擦窗機主機吊臂的結(jié)構(gòu)形式，伸縮吊架的伸縮臂套接于主臂內(nèi)部，采用齒條或鏈條傳動方式沿水平方向移動，以達到靠近或遠離幕墻的目的，同時可移動配重通過鋼絲繩繞過主臂的兩組滑輪與伸縮臂連接，與伸縮臂沿相反方向同步移動，在滿足抗傾翻穩(wěn)定性的前提下，有效地降低了伸縮吊架的自重。

2)三吊點技術(shù) 由于擦窗機工作平臺與主機采用鋼絲繩這種“軟連接”的形式，當主機臂頭回轉(zhuǎn)或遭遇較大陣風時，在慣性力或水平風力的偏載作用下傳統(tǒng)的兩吊點工作平臺會發(fā)生較大幅度的擺動，容易造成吊籃內(nèi)操作人員的不適，甚至帶來更大的安全隱患。因此，本吊架將主臂前側(cè)單吊點變?yōu)殡p吊點，前后一共三個吊點，優(yōu)化了前側(cè)吊點鋼絲繩的受力并很好地提高了吊架水平方向的穩(wěn)定性。

3)鋼絲繩補償技術(shù) 伸縮吊架采用三吊點六繩獨立懸掛的形式，當各根鋼絲繩長度不一致時，會導致吊籃和伸縮吊架自身發(fā)生傾斜，或者出現(xiàn)單根鋼絲繩受力的情況，因而必須增加一套鋼絲繩長度補償機構(gòu)，以保證在工作狀態(tài)下各個吊點始終處于同一水平面。鋼絲繩長度補償分為吊點內(nèi)補償和吊點間補償兩種情況：①由于同一吊點內(nèi)部和前側(cè)兩個吊點之間每根鋼絲繩受力大小基本相等，故采用通用的杠桿式調(diào)平方法，如圖2 所示；②當?shù)跫芴幱诓煌ぷ鞣然蛘邞覓觳煌笮≥d荷時，其重心會發(fā)生較大偏移，以致前、后吊點之間鋼絲繩的受力大小發(fā)生較大變化，當建筑高度超過200m 以上，鋼絲繩彈性變形量也會產(chǎn)生很大變化，會造成伸縮吊架出現(xiàn)“前高后低”或者“前低后高”現(xiàn)象，因此，本吊架采用油缸或者推桿的形式，在外力干預下強制調(diào)整鋼絲繩的長度，保證吊架前后吊點始終處于水平狀態(tài)。

圖2 平衡吊架

3 設(shè)計計算

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

3.2 穩(wěn)定性計算

考慮最不利載荷組合工況，參考擦窗機整機穩(wěn)定性計算方法來驗證伸縮吊架的穩(wěn)定性，得出伸縮吊架滿載狀態(tài)下吊架伸到最長和空載狀態(tài)下吊架縮到最短為兩種最極端工況。

1)滿載狀態(tài)下，當伸縮臂全部伸出時伸縮吊架整體受力如圖3 所示。

圖3 滿載狀態(tài)伸縮吊架受力簡圖

圖中，Tshl為吊鉤總懸掛載荷，Tsl為吊船總懸掛載荷，mo為伸縮臂質(zhì)量，mi1、mi2分別為主臂和移動配重質(zhì)量，Lshl、Lsl、Lo、Li1、Li2分別為以上各載荷至前吊點的距離。

代入數(shù)據(jù)得到此工況下傾翻力矩和穩(wěn)定力矩大小分別為

2)空載狀態(tài)下，當伸縮臂全部縮回時伸縮吊架整體受力如圖4 所示。

圖4 空載狀態(tài)伸縮吊架受力簡圖

圖中，mo′為移動配重質(zhì)量，mi1′、mi2′、mi3′分別為主臂、移動配重和吊船質(zhì)量，Lo′、Li1′、Li2′、Li3′分別為以上各載荷至后吊點的距離。

代入數(shù)據(jù)得到此工況下傾翻力矩和穩(wěn)定力矩大小分別為

綜上所述，兩種工況下伸縮吊架穩(wěn)定性均滿足要求。

3.3 伸縮臂強度計算

伸縮臂作為伸縮吊架的關(guān)鍵受力結(jié)構(gòu)部件，其截面大小直接決定了伸縮吊架的外形尺寸和重量，所以合理地選擇其截面對伸縮吊架的整體設(shè)計至關(guān)重要。經(jīng)初步估算，選取伸縮臂截面尺寸高× 寬× 厚為220mm×140mm×6mm，材料為Q355，其截面抗彎模量為W=267cm3。

滿載工作狀態(tài)下，伸縮臂全部伸出時為極限工況，此時最危險截面所受彎矩大小為

由此可見，伸縮臂結(jié)構(gòu)強度滿足要求，且冗余不大，說明材料的利用率很充分，因此，該截面尺寸比較合理。

4 應用及改進

通過調(diào)研國內(nèi)外廠家類似產(chǎn)品，并結(jié)合實際使用工況，反復進行樣機試驗，在初始設(shè)計的基礎(chǔ)上多次改進和優(yōu)化，其各項性能指標均達到了預期目標。該產(chǎn)品伸縮幅度大、調(diào)節(jié)精度高、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、安全可靠、穩(wěn)定性好。目前，該產(chǎn)品已經(jīng)成功應用到沈陽寶能中心和廣州國美中心等項目中，如圖5、圖6 所示。

三吊點伸縮吊架的開發(fā)應用對后續(xù)擦窗機產(chǎn)品的優(yōu)化、改進及標準化設(shè)計與生產(chǎn)起到了很好的指導作用。它順應了現(xiàn)代超高層建筑多樣化發(fā)展的需求，對解決超高層建筑異形外立面施工、玻璃幕墻清洗和維護工作提供了借鑒。

圖5 沈陽寶能中心設(shè)備現(xiàn)場調(diào)試

圖6 廣州國美中心設(shè)備車間調(diào)試