新型安全帶安全繩快速分離裝置

趙 輝，黃 磊，方永春，鄒 超

（西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

鉆機二層臺助力器是石油鉆井必要的作業工具，由井架工獨自施工操作。在使用助力器（小絞車）的過程中，一旦鋼絲繩與安全帶發生纏繞，操作人員無法迅速停止助力器運轉，滾筒鋼絲繩纏繞拉緊安全帶，如果危急情況下不能迅速分離安全帶尾繩逃生，將造成人員傷亡的嚴重事故。快速脫離式安全帶掛繩連接器，不僅可以給高空作業者提供保護，還可以保證作業人員遇險時能快速脫離開安全帶掛繩，從而撤離現場，降低人身傷害的概率，在鉆井施工現場具有很好的推廣價值。

1 研究背景

高空作業時，一旦突發井噴事故、著火（爆炸）、有毒氣體泄漏等緊急情況，作業人員必須將安全帶尾繩的金屬扣件從差速器取出才能逃生。但遇到緊急情況時，作業人員難免驚慌失措，取掉尾繩后由于其金屬扣件較大，如果作業人員在逃生過程中不能第一時間將尾繩掛在身上合適的位置，安全帶的尾繩及尾繩扣件可能會卡在二層臺護欄、助力器等物體縫隙及突出物上，影響人員逃生速度。安全帶掛繩連接器可以避免以上情況發生，為作業人員爭取更多逃生時間，增加逃生的可能性。

2 研制目的

針對二層臺助力器控制開關的誤碰情況或設備故障，助力器與操作人員安全帶發生纏繞，如果操作人員無法停止助力器運轉，將造成人員傷亡。為此設計一套保護裝置，該裝置操作簡單靈活、安全性高，可以給高空作業者提供穩定保護，保證作業人員遇險時能快速撤離現場，避免人身傷害。

初步制定設計方案：

（1）安全帶錨點高掛低用方案（圖1）。設計安全帶高掛低用合適的錨點，用差速器+安全帶使安全帶尾繩保持上拉預緊狀態，不與鋼絲繩接觸。其優點是原理簡單；缺點是要在鉆機井架二層臺上方焊接，連接安全帶錨點需要引繩。

圖1 錨點高掛低用方案

（2）安全帶與尾繩快速分離裝置方案（圖2）。險情發生時能快速解除尾繩與安全帶（人）的連接束縛，規避人員風險。

圖2 安全帶與尾繩快速分離裝置

考慮到實際情況的可操作性，最終選擇方案2：安全帶與尾繩快速分離裝置，即使在設備出現問題、人員慌亂等復雜情況下，也能以最快的速度讓工作人員脫離險境。

3 方案介紹

高掛安全帶用于吊住高空作業者的身體，防止其意外墜落，從而起到安全保護作用。快速脫離式安全帶掛繩連接器（CN102974054A）公開了一種能快速脫離的安全帶掛繩連接器，不僅可以給高空作業者提供保護，還可以保證作業人員遇險時能快速脫離開安全帶掛繩，從而撤離現場，降低人身傷害的概率。但其存在以下缺陷：①胸前的拉環存在誤拉操作的可能性；②脫離操作時需要一定的力度剪斷安全銷；③安全銷不能剪斷或安全帶受力時（銷軸卡死），則分離裝置不能實現分離操作；④分離操作速度慢。

本方案針對該項技術提供了一種快速脫離式安全帶掛繩連接器，克服上述不足之處，能有效解決現有安全帶掛繩連接器存在胸前拉環誤拉操作可能性以及分離速度慢的問題。

具體改進措施有：固定座內部設置有凹槽，撞擊鎖固定安裝在固定座的凹槽內，固定座與撞擊鎖通過螺栓和螺母固定安裝在一起。固定座前、后兩側固定安裝有固定板，前、后兩側的固定板上分別設置通孔。連接件呈倒U 形，連接件兩側連接桿端部分別設置有銷孔，連接件兩側連接桿分別穿過前、后兩側固定板上的通孔，并通過在銷孔固定安裝柱銷將連接件限位安裝在固定座底端。連接環一端懸掛在撞擊鎖的鎖鉤上，連接環另一端固定連接安全掛繩。固定座一端固定安裝螺紋管，螺紋管的另一端與護套通過固定螺母固定連接在一起。護套與快速接頭通過固定頭固定連接在一起。護套采用空心軟管、鋼絲管。

該裝置設計合理、牢固、使用方便，能為高空作業者提供可靠的安全保障。高空作業者將護套搭在肩頭并延伸至胸前，通過打開并拉動快速接頭，使得鋼絲拉繩觸動撞擊鎖內部的解鎖機構解鎖，相比現有技術能更有效地解決現有安全帶掛繩連接器存在的胸前拉環誤拉操作可能性和分離速度慢的問題，保證高空作業者遇險時能夠快速脫離安全掛繩，撤離現場，避免人身傷害，具有安全、省力、簡便、高效的特點。

如圖3～圖4 所示，快速脫離式安全帶掛繩連接器包括固定座以及安裝在固定座上的撞擊鎖。固定座可拆卸，連接有護套，撞擊鎖設有解鎖機構，解鎖機構連接有鋼絲拉線，鋼絲拉線依次穿過護套、快速接頭以及并在末端連接有限位件。限位件可以是金屬頭，快速接頭與護套可拆卸連接。連接件用于將固定座固定在安全帶上，固定座與連接件相連。連接件呈凹字形，包括中間連接桿以及與中間連接桿兩端垂直連接的兩個固定螺栓，固定螺栓端部開設有銷孔。護套為空心軟管或鋼絲管，一端連接固定螺母，固定座連接螺紋管，螺紋管與凹槽內連通，固定螺母與螺紋管螺紋連接；護套另一端連接與快速接頭配合的固定頭。固定座包括固定板以及垂直固定板的4 個側耳，依次相連圍成容納撞擊鎖的凹槽。固定板開設有與固定螺栓配合的第一通孔，固定螺栓穿過第一通孔并通過柱銷固定，4 個側耳中左、右2 個側耳開設有多個第二通孔，左、右兩個側耳對稱開設有避讓孔，其中固定板與4 個側耳一體焊接而成。

圖3 固定座與撞擊鎖連接示意

圖4 快速接頭與護套連接示意

撞擊鎖包括殼體和兩個相對設置并自殼體伸出的鎖鉤。殼體形成有多個貫穿孔，螺栓穿過對應的第二通孔和貫穿孔并通過螺母將固定座與撞擊鎖固定在一起。撞擊鎖工作原理為：接受連接環的撞擊并將連接環鎖住，通過拉動鋼絲拉線觸發解鎖機構進行解鎖，連接環外接安全掛繩。撞擊鎖的開閉原理和連接結構如圖5 所示。

圖5 撞擊鎖結構

本文設計的新型快速脫離式安全帶掛繩連接器使用方法如下：將撞擊鎖安裝在固定座上，并將鋼絲拉線從螺紋管穿出，然后安裝護套，并使得鋼絲拉線依次穿過護套、快速接頭并在末端連接有限位件，并通過連接件固定在安全帶上，使用者穿戴安全背負使連接器，將撞擊鎖與連接環相連并外接安全掛繩。使用者將護套搭在肩頭并延伸至胸前，在需要緊急下，打開并拉動快速接頭，觸動解鎖機構，從而使得撞擊鎖與連接環分離。從而實現安全帶與安全繩快速分離，讓工作人員及時從危險中脫離出來。

4 校核

對快速脫離式安全帶掛繩連接器進行強度校核。

對于自由落體運動：

從人跌倒到安全帶對人產生作用力，再到人徹底被安全帶控制住的整個過程中，重力的沖量為I：

在整個運動的全程中，根據動量定理可得：

由此可得平均作用力為：

其中，F 為落體過程中人受到的平均作用力；m 為人體重量；g 為重力加速度，取9.8 m/s2；t 為安全帶開始產生作用力到安全帶達到最長伸度的時間；h 為人自由落體的高度，即開始跌落時刻到安全帶開始產生作用力時刻之間人的下落距離。

例如，已知一個人的體重為m，安全帶緩沖包長度為165 cm，安全帶到緩沖包繩鎖長度為130 cm（測量鉆臺使用尾繩），安全帶緩沖包展開長度為1.65 m，緩沖時間為t=1.2 s，鉆井隊使用緩沖包長度可以達到2 m，但是緩沖時間未知，取用常用量1.65 m，緩沖時間按1.2 s 計算即可。

對于平掛平用安全帶：h=1.3+1.65=2.95 m；對于高掛抵用安全帶：高掛1.5 m 使用，則h=1.3+1.65-1.5=1.45 m。聯立式（1）～式（4），計算可得表1。

表1 各種情況下安全帶受力

安全帶強度需要滿足受力最大情況下的需要，即作用力為1638 N 情況的需要，安全帶迅速分離裝置只要最大能承受1638 N 就可以滿足日常需求，而脫扣器最大能承受的作用力為9000 N、大于1638 N，完全滿足需求，故此方案可行。

5 應用情況

經過多次測試，本文設計的快速脫離式安全帶掛繩連接器裝置操作可靠、靈敏度高，控制尾繩脫扣器斷開的動作時間僅為1 s。

6 結論

本文設計的新型快速脫離式安全帶掛繩連接器結構設計合理、牢固、使用方便，能為高空作業者提供安全保障。高空作業者將護套搭在肩頭并延伸至胸前，通過打開并拉動快速接頭，使得鋼絲拉繩觸動撞擊鎖內部的解鎖機構解鎖。相比現有技術，本文設計的新型快速脫離式安全帶掛繩連接器能有效解決現有連接器存在的胸前拉環誤拉操作可能性和分離速度慢的問題，保證高空作業者遇險時能夠快速脫離開安全掛繩、撤離現場，避免人身傷害，具有安全、省力、簡便、高效的特點。