礦山井塔攀爬防護助力裝置的研制與應用

陳孜虎

中冶建工集團有限公司 重慶 400084

礦 山井塔[1]是豎井提升系統必不可少的設備。當采用豎井開拓方式時，特別是豎井較深時，一般都采用井塔的提升方式。井塔內頂部裝有提升輪、導向輪及其他機電設備，井塔設備的日常維護，是保障提升系統正常、安全運行的重要前提。由于空間限制，井塔設置的扶梯一般都十分陡峭，攀爬難度很大，設備維護人員通常需攜帶較重的工具，徒手攀爬陡峭的扶梯，攀爬過程中沒有額外防護，既消耗體力，又存在一定的安全風險。

針對高空設施維護人員攀爬梯架存在的安全風險，開發了一種攀爬防護助力裝置，既增加了作業人員的安全防護水平，又可以有效節省作業人員攀爬過程中的體力消耗，降低作業的勞動強度。

1 攀爬防護助力裝置

攀爬防護助力裝置[2]如圖 1 所示，在其傳動軸上設置檢測片，利用電磁感應的原理為速度開關提供脈沖信號。電氣控制回路中設置了繼電器，并設置延時時間，控制通電瞬間速度開關的吸合時長。接通電路后，電動機工作，帶動繩索移動，人員向上攀爬，可以為人員提供向上的拉力，通過繩索的牽引，起到保護防墜落的作用。若轉速小于設定值，速度開關傳感器則認為已發生卡死或堵轉，為了保障人員的安全，電路自動切斷；若轉速大于設定值，速度開關傳感器則判斷超速現象，此時電路自動切斷。人員通過安全帶與助爬裝置的吊鉤相連接，助爬裝置固定在攀爬目標位置的頂部，通過繩索牽引人員上行和下降。

圖1 攀爬防護助力裝置Fig.1 Protective and assistant device for climbing

2 機械結構設計

攀爬防護助力裝置的主要功能是防墜落和助爬。其機械結構如圖 2 所示，主要包括驅動電動機、繩索卷筒、機械防墜裝置和電氣部件等。攀爬防護助力裝置可以幫助工作人員攀爬，減少因攀爬而產生的體力消耗，在節省人員體力的同時提高了安全性。其技術要求如下：根據使用者的體重實現 3 級助力可調。人員爬行速度一般為 0.6 m/s，驅動單元提供的轉速必須跟隨攀爬者攀爬的速度。

圖2 攀爬防護助力裝置裝置機械結構Fig.2 Mechanical structure of protective and assistant device for climbing

攀爬防護助力裝置內部結構如圖 2 所示。采用表面帶導向螺旋槽卷筒結構，可以有效減小卷筒尺寸，鋼絲繩沿著導向螺旋槽在卷筒上纏繞，確保鋼絲繩均勻纏繞；采用耐磨磷化涂層鋼絲繩，極大地提高鋼絲繩表面的耐磨性和耐蝕性，能夠有效地提高鋼絲繩的使用壽命，確保安全。

2.1 驅動單元選型

選用輪轂作為動力源，供電電壓為 220 V；卷筒外徑為 285 mm，提供 200～500 N 恒定向上的拉力，所需要最大轉矩

式中：F為拉力，N；R為卷筒的半徑，mm。

由經驗數據可知，攀爬速度取 0.6 m/s，卷筒的轉速

式中：S為每分鐘爬行距離，m/min；D為卷筒的外徑，m。將相關數據代入式 (2)，即可得到卷筒的轉速n＝40 r/min。

采用普通電動機，必須配置減速機構才能與所需的轉速相匹配。減速機構的作用是降低轉速、放大輸出轉矩。而滿盤電動機恰好可以大轉矩、低轉速運轉，無需減速機構。因此，選擇滿盤電動機作為驅動動力。

2.2 卷筒

鋼絲繩選擇 6×19S 系列，直徑為 6 mm，單位長度質量ρ＝0.154 kg/m，橫斷面積S＝14.3 mm2，最大懸垂高度Hc＝110 m。鋼絲繩的選型公式為

式中：Q為提升載荷；δh為公稱抗拉強度，取 1 670 MPa；ma為安全系數，根據手冊取 6.5。

根據式 (3) 計算出最大提升載荷為 4 064 N，按照體重 85 kg 計算，遠大于人體體重，安全系數為4.78，故鋼絲繩滿足要求。

在提升高度較高時，采用表面帶導向螺旋槽或光面卷筒多層纏繞結構，以縮小卷筒尺寸。卷筒帶導向螺旋槽時，鋼絲繩的接觸穩定性相對較好，既延長了鋼絲繩的使用壽命，又增加了鋼絲繩與卷筒的接觸面積。為了防止鋼絲繩脫出，在卷筒兩側設置擋邊。

2.3 鋼絲繩

鋼絲繩選用耐磨磷化涂層纖維芯鋼絲繩，抗拉強度為 1 570 MPa，根據 GB/T 24811 有關標準，選擇6×7 纖維芯鋼絲繩，鋼絲繩直徑為 5 mm，最小破斷拉力為 13.0 kN，安全系數取 4～8，則該鋼絲繩能夠承載 1 658～3 316 N，作業人員的體重一般小于 100 kg，顯然該鋼絲繩能夠滿足承載力。

2.4 電磁制動器

采用的磁粉制動器，主要由彈簧、摩擦片、端蓋、動片、調節螺絲、電磁鐵圓盤、線圈、軸及軸承等組成。該裝置電磁制動器將主動側轉矩傳遞給被動側，實現結合、切離或制動功能，具有結構簡單、響應速度快等優點。電磁制動器可以使機械設備在短時間內停止運行，并具有鎖止功能，可在短時間內降低機械設備的運行速度。

2.5 機械防墜裝置

雖然電磁制動器在一定程度上能夠保障安全，但是為了防止電氣設備突然失效，必須具有安全防墜的功能。機械防墜裝置采用內嚙合棘輪制動機構，提供了雙重安全保障。

機械防墜裝置如圖 3 所示，主要由外輪、棘輪爪、內輪、制動連接機構和回位彈簧等構成。安裝槽內安裝有棘輪爪，棘輪爪與鉸軸鉸接在安裝槽內，棘輪爪能夠整體落入安裝槽中。回位彈簧一端固定在安裝槽的底部，另一端固定在棘輪爪上，安全狀態時，在回位彈簧的作用下棘輪爪不會張開；危險狀態時，在內輪旋轉所產生的離心力作用下，棘輪爪張開，張開后與安裝槽內的外側鋸齒槽抵接限位，此時外輪通過棘輪爪將內輪鎖止，從而實現機械防墜的功能。

圖3 機械防墜裝置Fig.3 Mechanical anti-dropping device

2.6 外殼

攀爬防護助力裝置的外殼包括方便鋼絲繩有序卷入的排線導向機構、安裝制動器和電動機軸的固定板等機構，并具有防雨、防水、防塵的功能。

3 控制系統

攀爬防護助力裝置的電動機可提供恒定的轉矩，當向上攀爬時，電動機會提供向上的助力，人員可以順著直梯向上攀爬。驅動輪上裝有速度傳感器，工作時其控制電路接通，電動機以恒定的速度運行，能夠為攀爬人員提供恒定的拉力；需要在中途停止時，可以通過遙控器控制電動機停止運行，這時驅動輪停轉，整個電路斷開。下降時，電動機停轉，借助摩擦阻尼的作用，減緩下降速度，保證下降安全。

安全繩能夠與人的攀爬速度相匹配，機器提升速度與人同速上升和下降，人員向上攀爬時，提供向上的助力；下降時，提供向上的阻力；人員在攀爬失足時，防墜鎖止機構啟動，在很短的距離內鎖止，保證作業人員的安全。人員在中途休息時，在爬梯上靜置時間大于 5 s 時，電動機停止工作，不再提供向上的拉力。

在控制策略方面[3-5]，采用接近開關作為信號接收元件，為控制判斷提供信號。在沒接收到信號時接近開關輸出低電平，接收到信號時輸出高電平，具體如下：PLC 記錄接收到接近開關信號的數量，當接收到最后一個信號之后 5 s 才做判斷，如果只接收到一個信號，則判定為誤操作，電動機不啟動；如果接收到 2～4 個信號時，判定為上升，電動機啟動正轉；如果接收到的信號數量大于 4 個時，為了避免將下行狀態判斷為上升狀態情況的發生，電動機不啟動。如果在上升過程中 5 s 內沒有接受到信號，則判定為停止攀爬，電動機停止工作。

為了裝置的控制便捷性，采用語音控制方案，進行了語音控制遙控器[6]的開發，將語音控制器集成到遙控器上，并設置了保險，可防止操作人員誤操作。

4 試驗

4.1 功能性試驗

為了驗證攀爬防護助力裝置的技術性能，對其進行了測試試驗，具體如下：

(1) 遙控器操作裝置運行的準確性測試。

(2) 裝置在攀爬過程中能否實現速度匹配和恒定提升助力。

(3) 能否根據攀爬人員的動作進行牽引。

(4) 突然下墜時，裝置的鎖止制動距離。

測試分為 2 步進行，第1 步對裝置的各項基本功能與操作進行測試，驗證各功能能否滿足正常使用要求；第2 步，重復操作流程，對各項功能再一次測試是否正常。然后再進行關鍵技術性能參數的測試。

4.2 技術性能試驗

驗證攀爬防護助力裝置的關鍵技術性能指標主要有：提升助力值、提升最大速度、制動沖擊力和鎖止距離。

(1) 提升助力值測試 根據設計要求，助爬器能夠提供 200、300、400 N 提升助力值，分別對 3 擋助力值進行測試。具體方法是：在對應擋位下，用測力設備檢測裝置正常工作時提供助力的具體數值，多次測試取平均值，驗證實際提供的助力值與標定擋位的助力值是否在允許誤差范圍內。

(2) 提升最大速度測試 為了保證安全性，裝置運行的最大速度是關鍵技術指標。測試方法與提升加速度測試相似，用一個重量比選擇提升助力小的測試物體進行測試，將速度傳感器安裝在測試物體上，測試物體在提升過程中所能達到的最大速度，并且最大速度測試值是否在誤差允許的范圍內。每個助力擋位下進行多次測試，取平均值。實際測試的提升最大速度不應大于 0.6 m/s。

(3) 沖擊試驗 額定工作荷載 1 kN，啟動快速下降動作按鈕，最大速度制動后，測試受到的沖擊力。測試結果如表 1 所列。

表1 沖擊力試驗數據Tab.1 Data of impact test kN

試驗結果表明，最大一次的沖擊力為 1.26 kN，根據人體耐沖擊性研究成果，該沖擊力不會對人體造成傷害。

(4) 鎖止距離試驗 額定工作荷載 1 kN，啟動快速下降動作按鈕，測試最大速度開始制動到完全停止的鎖止距離。測試結果如表 2 所列。

表2 鎖止距離試驗Tab.2 Test for halting distance cm

試驗結果表明，最大鎖止距離為 26 cm。根據人體耐沖擊性研究成果，該距離不會對人體造成傷害。

5 結語

測試結果表明，攀爬防護助力裝置性能穩定、鎖止距離和沖擊力均滿足對人體安全防護的技術要求。通過對該裝置性能的測試，得到以下結論：

(1) 對鎖止距離、沖擊力等關鍵技術參數的測試結果表明，攀爬防護助力裝置具有良好的安全性能，能夠有效地起到安全防護作用。

(2) 滿盤電動機具有大功率、大轉矩的特點，不需要使用減速器就可以提供較大的提升力，實現了裝置小型化的設計目標。