构架式设备安全带防护挂架的研制

张宏伟，宋 燕

(国网甘肃省电力公司金昌供电公司，甘肃 金昌 737100)

安全带是高处作业时防止坠落的安全用具，高处作业超过1.5 m时，应使用安全带[1]。目前，变电站户外作业暂无系挂安全带的专用钢丝绳或构架[2]，当在隔离开关等构架式设备上作业时，检修人员只能将安全带系挂在设备构架、支持瓷瓶、安装基座或设备部件上，违反相关规定[3]，给作业人员带来极大的安全隐患。同时，由于使用不规范，安全带或保护绳易缠绕在作业人员腿或脚上，带来新的危险。电力企业普遍采取以下措施来解决这些问题[4]。

(1)使用绝缘斗臂车。该方法的主要缺陷，是受作业空间的限制，斗臂车无法进入作业现场。

(2)搭建脚手架。这种方法的主要缺陷是，检修设备与带电设备互相交叉，搭建脚手架不能满足安全距离的要求。由于脚手架重量大，安装拆卸时费时、费力、费工。

(3)挂在构件、瓷瓶以及移动的物件上。高处作业时，挂在这些地方，不仅不能有效保证作业人员的安全[1]，而且带来新的危险，如瓷瓶断裂、移动时碰触带电设备等。

(4)采用梯子登高、专人扶守的方式。这种方式，会因为作业地点的变换而需随时移动梯子，增加作业成本、降低作业效率。

1 研究的意义和目标

1.1 意义

常见的安全带专用防护架均为单侧夹紧式拆分结构。该种防护架由底部卡座和挂杆组成，选用高强度合金、酚醛树脂、玻璃纤维等材料制成，如图1所示。使用时，安装在隔离开关一侧的槽钢上，这种防护架存在以下缺陷。

(1)挂杆位置影响隔离开关传动拉杆的正常运行。

(2)由于单侧安装，限制作业人员的工作范围，需随时更换安装点，效率低。

(3)存在安全带与隔离开关操作机构缠绕的隐患。

图1 传统的安全带专用防护架

因此，针对构架式设备检修作业，亟需一种科学合理、安全可靠的安全带挂架，提高工作效率，降低作业风险。

1.2 目标

为彻底解决这些问题，研制的安全带专用挂架必须适应不同类型构架式设备。

(1)挂扣点有足够的高度。满足安全带“高挂低用”要求，解决无专用系挂安全带的构架或钢丝绳的问题，并且不影响隔离开关等设备的调试操作。

(2)安全可靠。防护架具有良好的机械强度，各部件连接牢固可靠，能在作业人员意外坠落时有足够的牵拉力，确保作业人员安全。

(3)携带、拆装方便。防护架应独立分块设计，每个部件均应安全可靠，且无需借助特殊工具就能快捷固定和拆卸，时间控制在5 min以内。

(4)通用性强。除隔离开关外，还能在电流互感器、电压互感器等设备构架上使用，做到“一架多用”。

2 设计与研制

为降低作业危险性，增加作业人员的安全系数，提高作业效率，开展了安全带专用挂架的设计、研制工作。

2.1 功能分析

安全带专用挂架应具有以下特点。

(1)主体结构结实牢固、小巧轻便。

(2)夹座、挂杆布局位置应合理，不妨碍设备调试操作。

(3)夹座、挂杆的固定方式稳定、安全可靠，不出现滑移、脱落等现象。

(4)固定装置安装、拆卸简单、便捷。

安全带专用挂架功能分析表如表1所示。

2.2 制定方案

经过调查、研究，对各部件的加工、制作方式和选材提出了各种比选方案。

(1)夹座设计。夹座选择对比表见表2。

表1 安全带专用挂架功能分析表

表2 夹座选择对比表

(2)挂杆设计。挂杆选择对比表见表3。

表3 挂杆选择对比表

(3)挂环设计。挂环选择对比表见表4。

表4 挂环选择对比表

(4)夹座固定方式。夹座固定方式选择对比表见表5。

表5 夹座固定方式选择对比表

(5)挂杆固定方式。挂杆固定方式选择对比表见6。

表6 挂杆固定方式选择对比表

(6)夹座材料选择。夹座材料选择对比表见表7。

(7)挂杆材料选择。挂杆材料选择对比表见表8。

(8)固定装置材料选择。固定装置材料选择对比表见表9。

(9)挂环材料选择。挂杆材料选择对比表见表10。

经过分析，科研人员一致同意这9个方面的方案选择，具体如表11所示。

2.3 拟定计划

根据研制方案，科研人员按照5W1H的原则制定了实施计划，如表12所示。

表7 夹座材料选择对比表

表8 挂杆材料选择对比表

表9 固定装置材料选择对比表

表10 挂环材料选择对比表

表11 安全带挂架制作方案表

表12 实施计划表

2.4 设计与制作

2.4.1设计图纸

通过查阅各类设备说明书，针对不同厂家的隔离开关、电流互感器、电压互感器等设备型号，列出构架尺寸表。绘制出能够全面匹配各类尺寸、可灵活调节大小和高低的安全带挂架图纸，如图2所示，并确定各个零部件尺寸。

图2 设计图纸

2.4.2加工制作

为方便现场携带和安装，将挂架整体拆分为四个组合部件，化整为零，如图3所示。

图3 零配件图

对各零部件的材质选用及连接方式进行分析、比选，加工制作实物，如图4至图5所示。

图4 实物装配图

图5 组装成品图

2.5 效果检验

(1)防护架基座的固定方式。采用机械夹紧式固定方式，全方位夹紧固定，使其固定点受力均匀，防止移动和滑脱。防护架基座夹紧式固定方式如图6所示。

图6 防护架基座夹紧式固定方式图

(2)是否阻碍检修设备正常运动轨迹。充分考虑不同类型、不同型号、不同厂家设备在检修时可能的运行轨迹，并进行反复修正和改进，使其不阻碍设备正常运动轨迹。两种运动方式对比如图7所示。

图7 两种运动方式对比

(3)安全性。该装置薄弱点主要是锁扣悬挂撑杆与基座的连接处，在锁扣悬挂撑杆与基座上固定板接触部位加装防护套，减少上固定板开孔边缘对撑杆的磨损，扩大撑杆受力面，减少受力，加强了此薄弱点的防护，如图8所示。同时，在锁扣悬挂撑杆尾部与基座下固定板处加装防脱落销，确保撑杆与基座的绝对稳定。

图8 采用防脱轴销固定撑杆与基座

3 检测和试验

3.1 力学试验

该安全带挂架属于专用装置，不兼做他用，在力学试验室对其进行力学试验。经过严格的理论计算和多次的承重试验、快速冲击试验等破坏性试验验证[5]，该装置安全可靠。

(1)钢板承重试验。钢板采用Q235钢，四边固结，其承重试验如图9所示[6]。

图9 钢板承重试验图

钢材厚度h=8 mm，利用平板弯曲计算公式，其受力F如下：

(1)

式中h——钢材厚度；S——平板面积。

中心点的应力计算如下：

(2)

中心点的扰度计算如下：

(3)

式中f——中心扰度，m；P——集中荷载，N；E——弹性模量，Pa；b——钢板宽，m；h——钢板厚，m；c1——矩形平板系数。

试验结果如表13所示。可见，钢板的受力状态类于张力柔性平面体，并且Q235钢的抗拉强度大于抗剪强度，结构破坏形式是钢板被剪穿(冲切破坏)或钢板的边缘约束被拉坏。

表13 钢板承重试验数据表

(2)锁扣悬挂撑杆快速冲击试验。对撑杆悬挂重物进行冲击试验[6-7]，测量其弯曲度，如图10所示。

图10 挂撑冲击试验图

则，钢管抗弯强度最大曲正应力为

(4)

式中M——钢管承受的最大弯矩；Yx——截面塑性发展系数，取1.15；Wnx——钢管净截面模量，也称为净截面抵抗矩。

试验结果如表14所示。

表14 快速冲击试验数据表

3.2 完善改进

在实训大厅隔离开关构架上进行安装试验，将支撑杆安装在中部，便于人员转移工作地点。经多次测试，该专用挂架操作简单、适用性强、安全可靠、便携性好，使用时不会影响隔离开关的分合，方便人员检修作业和移位[8-9]。

测试情况如图11所示。

图11 安装测试图

4 研究成果

使用专用挂架后，安全带使用更加规范，符合安全工作规程要求，减少了因此造成的违章作业，正确使用率达到100%。

(1)创新性。本文着力解决生产现场高处作业安全防护难题，研制出满足构架式设备检修使用的安全带专用挂架。各部件之间采用标准螺纹连接，通用性强。

(2)经济性。直接效益方面，制作成本低，由简单常规材料(钢板、螺丝、合成撑杆)制作而成，加工简便。间接效益方面，每次安装、拆除安全带挂架平均缩短48 min，提高作业效率，实现增收节支。

(3)安全性。此装置不兼做他用，材料选型、尺寸经过严格理论计算，同时承重试验和快速冲击试验等力学试验合格，安全可靠，符合相关要求。方便作业人员使用，降低作业现场风险。

(4)可推广性。该科研成果源于一线、面向一线，从实际出发，有效解决了高处作业时安全带的“低挂高用”和无专用系挂点的问题，适用于所有双槽钢基座安装的设备，便于携带、安装简单、安全可靠，推广性强。

5 结语

2017年，在110 kV水源站、35 kV玉石沟站等5座变电站设备检修现场使用，该装置对作业人员的安全防护可靠，未出现缠绕等危及人身安全的危险，彻底解决了安全带使用不规范的难题，保障了人身安全，提高了作业效率。使用该创新性安全带专用挂架后，安全带使用合格率达到100%。

该装置便于工作人员携带和安装，方便、快捷，通用性强，可靠性、安全性等指标均符合要求[8-9]，具有很好的实用和推广价值。