单轮吊椅的改进设计及其关键部件的有限元分析

温宝琴，高广娣，黄勇，冯哲，沈雷，张进

（石河子大学机械电气工程学院，石河子832003）

单轮吊椅是高空工作人员安装光纤、光缆架线中必不可少的工具之一，其总体结构及工作流程图如图1所示，主要由抱索器、坐板、承重架等部分组成，重量为7kg，安全负荷为150kg［1］。工作时，二人一组，一人在高空坐在吊椅上架设通信线，另一人在地面移动通信线，并同时负责给高空作业人员传递工具等物品。然而，高空作业人员在跨过电线杆安装下一段通信线时，要将安全带扣住电线杆，脚踩固定在电线杆上蹬杆器，将滑动在钢丝上的抱索器扣板打开，取下单轮吊椅移到电线杆的另一侧，继续作业。高空工作人员在跨过电线杆时，吊椅和钢丝完全脱离，若蹬杆器没有踩好而不幸跌落，对工作人员将造成极大的伤害。为确保高空工作安全性，必须改进单轮吊椅的结构，提高高空作业的安全性。

目前，对吊椅的改进已经有许多探讨，但是研究的多为矿山、井下运输工人或矿物，或是旅游缆车的研究［2－11］，而对安装通信线的吊椅改进的较少，为此我们针对单轮吊椅在跨越电线杆时存在的安全隐患问题，改进其结构，确保高空工作人员一旦未踩好蹬杆器滑落时也不会产生危险，从而提高单轮吊椅的安全性。

1 方案的确定

1．1 高空作业对吊椅的要求

首先，所选的材料须具有一定的强度。材料性能的好坏直接影响吊椅的使用性能和安全性。光纤架线一般是用钢缆，钢缆的抗拉强度不小于1310 MPa，而吊椅作为架线的必备装置之一，也有相应的要求［12］。性能好的材料则价格偏高，不利于降低成本，材料的性能不好又会影响工作的安全性和使用寿命，所以，吊椅不仅要有足够的强度，而且还应有较高的性价比。

其次，结构须合理。紧凑的结构不仅使工作变得方便快捷，而且能减轻吊椅的重量。在高空架线过程中，重量轻就意味着安全性高，并且合理的结构设计能够减少材料的应用，节约了生产成本。

最后，运动装置须灵活。高空架线是一种危险系数很高的工作，对装置的要求特高。若活动装置，如轴承之类的部件发生意外，则后果不堪设想。

1．2 改进的方案及选择

根据上述高空作业对吊椅的要求，初步预选了3种不同的改进方案。

1）方案一的结构及工作原理如图2所示。在连接轴处安装一块可自由旋转连接板，两端各安装一个抱索器。当需要跨过电线杆时，脚踩着蹬杆器，将其中一个抱索器取下，旋转并安放在电线杆的另一头。另一个抱索器再重复上述动作，安全跨过电线杆。整个过程中，始终会有一个抱索器在钢丝上，即使操作人员不小心踩空了蹬杆器，也不会从高空跌落。

该方案有很好的活动性，可以360°回转，几乎与改进前的灵活度一样。但由于增加了1个抱索器、2个连接轴和1块连接板板，其重量也会增加。

2）方案二如图3所示，其结构及工作原理与方案一类似，但在连接板上安装了3个抱索器。跨越电线杆时，首先将第1个抱索器扣板打开，旋转取出第1个抱索器并移动到电线杆的另一头，依次将第2个抱索器打开移动到电线杆的另一头，最后再把第3个抱索器移过去，跨过电线杆。这种方案可免除使用蹬杆器。在跨越电线杆时，没有蹬杆器的支撑，工人需要靠手拉钢丝跨越，难度较大。此外，吊椅最重要的部分就是抱索器，抱索器过多，使得整个吊椅的重量增大，如果有3个抱索器再加上1块连接板，吊椅的重量至少增加近1倍，重量增加则安全性降低，这不仅不利于高空作业的要求，而且，将吊椅从地面挂到电线杆钢丝绳上的难度较大，且操作不便。

3）方案三如图4所示。在抱索器凹槽滚子上端增加一个能收缩绳子的装置，绳子一端连接一个挂钩，另一端接一个特制的滑轮。抱索器上收缩装置为一个滑轮与平面涡卷弹簧的组合体。弹簧装置用以收缩缆绳。使用方法与改进前一样，但在跨过电线杆时，脚踩蹬杆器，先将挂钩拉出挂在电线杆的另一端，再将抱索器取下安装在电线杆另一头。该方案吊椅的重量略有增加，但由于采用了弹簧收缩装置，结构紧凑，重量较前2种方案的轻。

1．3 方案的比较与选择

比较以上3个方案的优、缺点可知：3个方案均有实现安全跨过电线杆的可能性；方案二的重量最大，不利于高空作业，方案一和方案三的重量较方案二的轻；方案一靠金属连接板连接，方案三靠绳子连接，在发生危险时，突然承受安全负荷150kg的冲击时，绳子的承受力没有金属连接板的承受力大，所以方案一较方案三更安全；另外，高空工作人员为了快速完工，经常忽视将挂钩挂在钢丝上的保险措施，而采用方案一可迫使他们必须将2个抱索器一一移过去，可确保工作人员在未踩好蹬杆器而发生滑落时，始终有一个抱索器与钢丝相连，从而避免工作人员发生危险。

综上所述，方案一更符合改进和安全的要求。

2 关键部件的有限元分析

对于方案一来说，连接板是该方案的关键部件，向上承受2个抱索器的拉力，下面有安全负荷为150kg重量，正常工作和跨杆发生危险时，连接板的受力简化图如图3所示。跨越电线杆时需要旋转连接板，故连接板的长度应该比电线杆上固定钢丝的钢板的长度（150mm）［1］，故连接板的长度确定为250mm；连接板的宽度与抱索器的宽度保持一致（50mm）。

为了确定连接板的使用安全，下面通过静力学有限元分析确定连接板的最小厚度。

2．1 创建有限元模型

连接板模型采用自底向上的方法，先创建长方体模型，然后通过平移坐标系，在拟定的坐标处建立圆柱体，最后通过体模型的减运算得到如图6所示的有限元模型。

2．2 定义单元类型及材料特性

为了进行网格划分，选取单元类型为Solid 8 node 185，用来模拟三维实体。该元素由8个节点定义，每个节点3个自由度：x，y，z方向，同时具有塑性、超弹性、应力强化、徐变、大变形、大应变能力。连接板选用常用的Q235材料，弹性模量Q＝200 GPa，泊松比为0．3，密度为7800kg／mm2。

其模型图如图4所示。

2．3 网格划分

在划分网格时，采用快速网格划分，执行以下命令：GUI：Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool进入到网格划分选项设置对话框［13－14］，选择Smart Size＝3，并选取四面体类型，进行网格划分。

连接板网格划分如图5所示。

2．4 施加约束及载荷

因为连接板承受均质载荷作用，各节点受力均匀，因此，本文采用在节点上施加载荷。执行Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Force／Moment＞OnNodes命令［14］，然后选择圆孔边界上的节点，按规定设定FZ值，单击OK按钮。

按照连接板发生危险时和正常工作时受力的不同分别施加两种不同类型及大小的载荷，效果图如图6所示，可以得出连接板承受的最大应力值和最大位移。

2．5 结果与分析

由于连接板的厚度不确定，先预选4mm，逐次递增至8mm，连接板受力分析的结果见表1。

由表1可知：

1）当连接板的厚度越厚，最大应力值越小，最大位移变形量也越小。

2）当发生危险时，连接板的受力较正常工作时的应力值大。当连接板厚度为5mm，正常工作时其最大应力值为132MPa，而Q235材料能承受的最大应力值为235MPa，在其能承受的应力范围内，而当发生危险时，其最大应力值为249MPa，超过了Q235材料能承受的最大应力值，所以，当发生危险时，不能满足吊椅的正常工作；当连接板厚度为6 mm，发生危险时其最大应力值为172MPa，正常工作时的最大应力值为91MPa，均在Q235材料能承受的应力范围内。

综上所述，连接板的厚度最小应取6mm，此时最大位移变形量为5．79mm。

3 结语

本设计对单轮吊椅存在的安全隐患进行了改进设计，通过对预选的3种不同改进方案的比较分析，选出了最佳方案，并对最佳方案中的关键部件连接板进行有限元分析，得出连接板的最小厚度为6 mm，无论是正常工作还是发生危险时，均在材料性能承受的范围内，可确保吊椅操作安全。

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