倾斜式升降作业平台的设计与分析

鲍会丽，陈 浩，李志国，张洪宁，刘 岗

（中国建筑科学研究院有限公司 建筑机械化研究分院，河北 廊坊 065000）

倾斜式升降作业平台是一种导轨跨度大、同步运行要求高的维修用载人载物设备，主要由工作平台、台车、轨道、驱动装置、导向滑轮组、机构罩、登机平台以及控制系统等8部分组成。非工作状态下，作业平台的运行结构部分位于轨道底端，由牵引钢丝绳在驱动电机制动器的作用下驻停。如图1所示。

图1 倾斜式升降作业平台示意图

1 关键部件设计

1.1 工作平台

工作平台主体结构由三角形截面桁架构成，其两端通过法兰与台车连接，表面铺设花纹铝板，其外形如图2所示。平台设计遵循以下原则。

1）保证结构安全 最危险工况下结构强度应满足产品设计规范中材料的许用应力要求。

图2 作业平台示意图

2）减小共振 由于作业平台轨道跨度大，正常工作时应容纳12个人在工作平台上同时行走，对比分析设备固有频率和12人同时行走时的频率，通过选用合适型材、改变桁架截面尺寸等方式减小共振频率的影响。

通过以上方式在保证产品使用安全的前提下努力减小厂商加工成本及用户使用成本。

1.2 台车

通过牵引钢丝绳驱使两侧台车沿着轨道上下行走，完成工作平台的升降。

使用过程中台车的钢丝绳互为备份，即使当一根钢丝绳由于磨损等原因不能正常使用，另一根钢丝绳也可承担工作平台上所有载荷。台车上的防脱钩在两根钢丝绳同时断裂的情况下，挂钩脱离钢丝绳向轨道方向倾斜，钩在轨道上面的防脱踏步上，当台车主体上手动激发的防脱钩动作后，钢丝绳处的自动触发的防脱钩可将手动激发的防脱钩手动钩在轨道上，保证工作平台能够安全制停在轨道上。台车上的两个碰块可触碰安装在轨道两端的限位开关，从电控上对整机提供安全保证。台车结构如图3所示。

图3 台车结构图

1.3 轨道

由矩形截面型材制作而成的轨道是工作平台的导向系统，保证了台车上的滑轮沿着轨道长度方向顺利运行。正面设置有防脱踏步及下端设置有机械限位缓冲装置的轨道可保证即使工作平台过度下降也不会造成设备损坏及人员伤亡。通过安装在轨道下部的下限位碰块可实现平台单个运行周期的初始状态水平姿态校验。

图4 轨道

1.4 驱动装置

在工作平台上方、建筑物顶部左右两侧对称布置一套钢丝绳卷筒驱动装置，每一套驱动装置均配有两根钢丝绳同时牵引工作平台运动且同时互为备份。机构上同时设置有防坠落装置，当卷筒松绳运行速度大于卷筒上的防坠落装置动作速度时，制动装置被激发同时将与之齿轮啮合的两个钢丝绳卷筒制停，阻止工作平台继续加速下滑，并切断整个驱动装置电源。

1.5 导向滑轮组

导向滑轮组为台车与驱动装置之间的钢丝绳提供导向。在导轨延长线方向设置一组滑轮，保证钢丝绳与轨道表面平行，另设一组滑轮用于对钢丝绳进行90°导向，使之进入与轨道垂直布置的驱动装置内，保证钢丝绳顺利排绳不乱绳。

图5 导向滑轮组布置

1.6 登机平台

登机平台主体结构为采用拼装形式的桁架结构，是工作人员上下工作平台的通道，其底部设置4个有刹车功能的万向轮，具有重量轻、运输便捷及转场灵活的优点。

2 关键技术及实现途径

2.1 大跨度平台同步技术

在驱动单元部位安装高精度编码器保证电气控制同步，通过编码器中的数据实时反映工作平台在工作面上的位置；同时，安装在轨道底部的限位开关对设备进行清零，即每次运行都是一个新的行程，工作平台运行高度不会有累计误差。

2.2 防风沙、防冰雪技术

考虑作业平台使用环境，针对轨道、钢丝绳、驱动装置，在台车每个滚轮行走的区域内设置清除装置实现边行走边清除，如对于驱动装置，在其四周设计有机构罩，能够很好防止雨雪的入侵；针对风沙天气，将两个卷筒倾斜布置，缩小两根钢丝绳的出绳间距，且在出绳口设计专用柔性挡块，最大限度阻止风沙对于驱动罩内部零部件的破坏。

2.3 安全保护技术

①电气限位和机械限位安全保护技术：在轨道端部分别设置电气限位装置和机械限位装置；②防超速下落保护技术：在卷筒上安装有锥鼓型防坠落装置，可在卷筒运行速度大于防坠落装置本身设定的速度时，自动平稳可靠制动，同时切断驱动装置电源；③钢丝绳短绳保护技术：在台车上设置通过钢丝绳激发的防脱钩，当出现断绳情况时，主动靠近轨道上的防脱踏步，将运动部件钩挂在轨道上；④钢丝绳冗余设计技术：驱动装置通过两根钢丝绳进行传动，单根即可满足设计要求，两根钢丝绳互为备份，互相保护。

3 工作平台的计算分析

此作业平台跨度大、工作条件恶劣，同时主要是为现场工作人员检修维护作业提供站立平台，因此作业平台的安全性对工作平台至关重要，本文利用ANSYS软件对作业平台进行有限元分析以校核工作平台的变形和应力值。

3.1 设计输入

参考GB/T13752-2017《塔式起重机设计规范》并结合实际工程经验，工作平台自重变形后离作业面最近点的法向距离必须小于150mm，因此工作平台在阵风8级（风速20.7m/s）的变形量应控制在40mm以内。工作平台总长为35m，采用Q345钢型材焊接而成，材料的屈服强度σs=345MPa，许用应力 [σ]=σs/ns=257.5MPa（其中ns为安全系数，ns=1.34）。外载荷主要包括额定载荷、风载荷、冰雪载荷。

本文以工作平台中部加载1t集中载荷时的工况为例，考虑风载荷、冰雪载荷的影响，分别计算如下。

风载荷

CF——风阻系数，取CF=1.2;

q——动压头，q=v2/16;

A——工作平台桁架受风面积，A=8.5m2。

对于三角形截面空间桁架结构的风载荷按其垂直风向的投影面积所受风力的1.25倍计算，因此施加到工作平台上的风载F′风=1.25F风（在分析模型中为z方向风载荷）

当风速为20.7m/s时，F′风=341kgf

冰雪载荷

A——冰雪载荷受力面积，A=33.8m2。

3.2 有限元分析

根据作业平台的工作特性，将工作平台简化等效为梁单元BEAM188组成的桁架结构，在ANSYS软件中建立有限元模型进行分析计算。

平台在自重作用下的位移和应力云图如图6和图7所示。

图6 平台自重位移云图

图7 平台自重应力云图

工作状态下，主要承受z方向的风载荷341kgf、冰雪载荷1 138kgf、集中载荷1 000kgf及自重的作用。经分析，位移云图如图8所示，应力云图如图9所示。

从图6到图7可知：工作平台在自重作用下跨中位置位移最大，最大位移为12.264mm；在自重工作平台的最大应力为45.1MPa，应力最大位置在工作平台中间位置下弦杆处。

从图8到图9可知：在工作状态下工作平台最

图8 工作平台工作状态的位移云图

图9 工作平台工作状态的应力云图

大位移为38.062mm；工作平台最大应力112MPa，应力最大位置在工作平台中间位置下弦杆处，σmax＜[σ]，满足强度要求。

4 结 语

经过多次技术改进，目前的倾斜式升降作业平台更加安全可靠。随着国家对安全施工的日益重视，这种作业平台在国内外的应用前景非常广阔，针对具体施工需求和平台结构特点进行后续技术改进，将是今后研究的方向。