兩種典型防墜安全器檢測方法的比較研究

楊　義，丁　濤

(湖北工程學院 機械工程系， 湖北 孝感 432000)

兩種典型防墜安全器檢測方法的比較研究

楊義，丁濤

(湖北工程學院 機械工程系， 湖北 孝感 432000)

摘要：齒輪錐鼓形漸進式防墜安全器是目前建筑工地上廣泛使用的人貨兩用升降機中最關(guān)鍵的安全部件，其性能和效果的好壞直接決定著施工升降機能否能長期安全使用，因此對安全器進行有效的定期檢測尤為重要。通過比較目前廣泛應(yīng)用的兩種典型的檢測方法—試驗架試驗法和試驗臺試驗法，分析各自優(yōu)劣點和適用條件，并闡述試驗臺試驗法的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：施工升降機；防墜安全器；檢測方法；試驗臺

目前施工升降機廣泛應(yīng)用于各處建筑工地上，其之所以長期穩(wěn)定安全的載人載物運行，一個重要的原因是配備了防墜安全器。施工現(xiàn)場最常使用的齒輪齒條傳動型人貨兩用升降機通常配備的是齒輪錐鼓形漸進式防墜安全器，防墜安全器的性能和效果直接影響著施工升降機能否長期安全穩(wěn)定的使用。為了預防高空墜落事故的發(fā)生，時刻保證防墜安全器能有效啟動工作，定期對安全器進行可靠、有效的檢測是必不可少的防范措施。研究國內(nèi)當前的檢測方法和檢測設(shè)備可發(fā)現(xiàn)，各檢測單位所使用的檢測方法和設(shè)備各有不同，部分檢測手段存在原理性缺陷，甚至出現(xiàn)檢測結(jié)果合格的安全器在現(xiàn)場墜落試驗過程中技術(shù)參數(shù)發(fā)生超標的現(xiàn)象[1]。

1齒輪錐鼓形漸進式防墜安全器的結(jié)構(gòu)與工作原理

齒輪錐鼓形漸進式防墜安全器主要由離心式限速裝置、錐鼓形制動裝置和隨動齒輪組成(見圖1)。

當防護目標(施工升降機吊籠) 在正常運行時，防墜安全器軸端的隨動齒輪與齒條嚙合運動，處于一種隨動的狀態(tài)。離心塊在彈簧力的拉緊作用下與離心座保持緊貼狀態(tài)[2]。 當由于意外原因吊籠超速運行，下行的運行速度達到標定的動作速度時，隨動齒輪轉(zhuǎn)動速度加快，通過連接軸帶動離心塊座加速旋轉(zhuǎn)。此時在離心力作用之下，離心塊就會克服彈簧作用力的束縛而出現(xiàn)外甩現(xiàn)象，其與錐形鐵芯內(nèi)壁的凸齒相互嚙合，從而帶動錐形鐵芯旋轉(zhuǎn)，引起裝在軸端的銅螺母做軸向移動，不斷壓緊碟形彈簧，同時在碟形彈簧的反作用力下，錐形殼體與錐形鐵芯兩者間的磨擦阻力矩作為最重要的安全保護裝置之一，防墜安全器具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、拆卸方便、經(jīng)久耐用、制動力矩大、制動平穩(wěn)等特點。

圖1　防墜安全器結(jié)構(gòu)圖

1：螺母； 2：碟形彈簧；3：安全開關(guān)；4：錐形鐵芯；5：錐形殼體；6：離心塊座；7：齒輪；8：離心塊急劇增大，吸收急劇下降的吊籠的動能，直至吊籠停止運行。

根據(jù)JG121-2000《施工升降機齒輪錐鼓形漸進式防墜安全器》標準，規(guī)定防墜安全器使用前必須進行出廠檢驗和標定，同時在使用過程中必須定期進行檢測。同時規(guī)定防墜安全器制動性能測試主要有試驗架試驗法和試驗臺實驗法兩種方法。本文將著重比較兩種試驗方法的優(yōu)劣和適用條件及其發(fā)展趨勢。

2防墜安全器試驗架試驗法和試驗臺實驗法

2.1試驗架試驗法

試驗架試驗法所用設(shè)備是包括裝有齒條的導軌架、吊籠、驅(qū)動裝置等組成的試驗架。吊籠與導軌架之間用滾輪導向，通常安裝在使用現(xiàn)場，由施工單位在現(xiàn)場每3個月進行墜落實驗。

試驗架試驗法完全模擬真實工況進行。試驗時把防墜安全器安裝在吊籠上，吊籠內(nèi)均勻分布的試驗載荷分別為額定制動載荷和112%的額定制動載荷。啟動電機抱閘，使承受試驗載荷的吊籠做自由落體運動。隨著墜落速度的不斷增大，觸發(fā)防墜安全器離心塊動作，迫使吊籠最終停止在導軌上。測量升降機吊籠從制動開始位置到下滑結(jié)束位置的距離，稱為制動距離，以制動距離判斷安全器的安全性能，試驗結(jié)束后，將安全器復位。

優(yōu)劣點：此種方法雖然完全模擬實際工況，但是一般試驗架高度不小于10 m，僅適合在空間比較開闊的地方進行試驗。同時在下滑過程中直接能測量的參數(shù)僅有制動距離，無法測得動作速度及制動加速度等其他參數(shù)，不能全面反映安全性能，該方法的準確性很難保證，而且試驗操作繁瑣，對設(shè)備沖擊，損傷較大，特別是難以適應(yīng)防墜安全器的批量檢測。

2.2試驗臺試驗法

試驗臺試驗法設(shè)備通常由兩部分組成，一部分是防墜安全器動作速度初調(diào)試驗臺，另一部分是防墜安全器轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速檢測試驗臺[2-3]。

試驗臺方法采用制動飛輪來模擬防墜安全器制動過程中時的負載。采用此方法進行定檢時分為兩步：

(1) 標定與檢驗安全器動作速度。將離心式限速裝置安裝在試驗臺支架上，啟動電機旋速按鈕進行試驗。逐漸加速直至離心塊脫離彈簧力而甩開，將旋速按鈕停在該位置，并觀察微機轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀上顯示的轉(zhuǎn)速。如果該轉(zhuǎn)速不在規(guī)定轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi)，則調(diào)整螺母，繼續(xù)試驗直到離心塊彈出時的最大轉(zhuǎn)速達到標準要求[4]。

(2)測量制動力矩和制動距離。將安全器組裝后整體固定在檢測臺支架上，啟動電機旋速按鈕進行試驗，加速直至安全器制動。將旋速按鈕迅速復位為零。根據(jù)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀讀出最大制動力矩值，表示為：

F=2T/фmnz

(1)

式中：F為制動載荷(KN)；T為制動力矩(N·m)；ф為沖擊系數(shù)，一般取1.5；mn為齒輪模數(shù)(mm)；z為齒數(shù)。

依據(jù)公式(1)可計算出最大制動載荷。

測量制動距離時啟動調(diào)速電機加速激發(fā)離心塊動作，與調(diào)速電機軸相連的飛輪盤的慣性載荷作為制動載荷為安全器加載。通過傳感器檢測安全器動作過程中相關(guān)運動參數(shù)，經(jīng)計算最終得到防墜安全器的動作速度與制動力[5]。

優(yōu)劣點：此種方法通過飛輪裝置模擬制動載荷，同時在制動過程中采用帶式制動設(shè)備制動飛輪，達到迅速停轉(zhuǎn)的目標，減少檢測時間。同時借助轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀可以記錄安全器的動作速度、制動力矩等參數(shù)。但由于該法采用一種慣性飛輪(制動負載系統(tǒng))模擬慣性負載測試多種防墜安全器的制動能力, 對于不同運行速度和不同額定載荷的防墜安全器均采用同一種負載系統(tǒng)(同一飛輪裝置)來模擬制動能力，難免會出現(xiàn)小載荷大力矩或大載荷小力矩的不匹配現(xiàn)象，最終影響測試的準確性。

3改進方法

通過對以上兩種檢測方法的比較，采用試驗臺試驗法能得到多項較全面的檢測數(shù)據(jù)，可以全面反映安全性能，是目前專業(yè)檢測機構(gòu)所使用的主要手段。但試驗臺試驗法的不足之處在于針對不同型號的防墜安全器均采用同一種負載系統(tǒng)來模擬制動能力，影響測試結(jié)果的準確性。

因此，理想的試驗臺應(yīng)該滿足國家標準要求和檢測結(jié)果的真實性要求。而要做到檢測結(jié)果的真實性，測量誤差盡可能小，就必須力求模擬真實的載荷狀態(tài)，這就需要對防墜安全器檢測試驗臺進行改進升級。

通過設(shè)計一套可調(diào)制動負載的載荷系統(tǒng)，來適應(yīng)不同型號防墜安全器的檢測需要。在防墜安全器制動過程中，碟形彈簧被壓緊所吸收的能量等于升降機吊籠在動作速度時所具有的動能加上制動開始時較高點與制動停止時較低點的勢能差之和。在試驗臺上時，這一能量等于飛輪動能，飛輪動能可表示為：

(2)

式中:Ek為動能(J)；J為轉(zhuǎn)動慣量(kg·m)；ω為轉(zhuǎn)動角速度(rad/s)；而轉(zhuǎn)動慣量J的表達式如下[6]:

(3)

式中:mj為轉(zhuǎn)動剛體的質(zhì)量(kg)；rj為轉(zhuǎn)軸半徑(m)。

由于動能正比于飛輪質(zhì)量，也正比于轉(zhuǎn)軸半徑的平方。因此依據(jù)這一規(guī)律，將慣性飛輪裝置改進為可調(diào)整質(zhì)量與旋轉(zhuǎn)半徑的機構(gòu)。由不同質(zhì)量的可方便拆卸和調(diào)整旋轉(zhuǎn)半徑的飛輪組和飛輪盤所組成。進而可改變整個模擬負載系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量。從而實現(xiàn)整個負載系統(tǒng)加載能量的改變，與防墜安全器額定載荷相匹配，得出盡可能真實的檢測結(jié)果。

4結(jié)束語

本文通過對兩種檢測方法的對比，確定試驗臺試驗法是專業(yè)檢測機構(gòu)所使用的主要檢測方法。為了提高檢測的準確性，研制出一臺可調(diào)慣性負載系統(tǒng)的防墜安全器測試臺設(shè)備尤為關(guān)鍵。依據(jù)轉(zhuǎn)動慣量理論，該方案理論上是可行的。

[參考文獻]

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[4]陳振宇. 防墜安全器檢測的常見問題探討及故障分析[J].福建建設(shè)科技，2007,1(1)：70-71.

[5]周以瑞，黃麗秀.淺析施工升降機防墜裝置的改造[J].經(jīng)濟技術(shù)協(xié)作信息，2011(22):145.

[6]王月梅，曹詠弘.理論力學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

(責任編輯：張凱兵)

Comparison of Two Typical Detection Methods of Anti-Falling Safety Device with Gear Cone Drum

Yang Yi, Ding Tao

(DepartmentofMechanicalEngineering,HubeiEngineeringUniversity,Xiaogan,Hubei432000,China)

Abstract：The anti-falling safety device with gear cone drum is the most important safety component of construction hoist. Its performance and effectiveness produce great impact on construction hoist and decides whether it can be used safely for a long time. Therefore, there is an urgent need to make regular detection for anti-falling safety device. This paper compares the two typical detection methods and analyzes their strengths, weaknesses and applicable conditions. Some proposals are put forward for the development trend of test-bed equipment.

Key Words：construction hoist；anti-falling safety device； detection methods；test-bed

收稿日期：2016-03-01

作者簡介：楊義(1982-)，男，湖北孝感人，湖北工程學院機械工程系講師，碩士。

中圖分類號：TU714

文獻標志碼：A

文章編號：2095-4824(2016)03-0087-03

丁濤(1982-)，男，湖北應(yīng)城人，湖北工程學院機械工程系副教授，博士。