一种擦窗机用三吊点伸缩吊架的设计与研究

刘东明，李沿沿，田春伟，王进进，刘承桓

（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）

1 背 景

伴随着中国现代化进程的推进和建筑业的快速发展，各式各样的高层建筑楼群拔地而起，成为城市中一道亮丽的风景线，擦窗机作为安全、实用、高效的高空作业专用设备，被广泛应用于建筑物外墙立面和玻璃幕墙的清洗和维修作业中。建筑外形的多样化对擦窗机的布置和设计来说是一种考验，尤其是带有较大凹、凸造型等不规则外墙面的建筑物，以往通常采用折叠式伸展吊架、伸缩吊篮或旋转吊篮等，但这些型式的工作平台均因伸缩长度限制、稳定性差、不能随带幕墙模块等问题，已逐渐不能满足特殊建筑的工况需求。因此，需要一种新型的专门适用于特殊建筑外墙的伸缩机构，以满足伸缩距离长、操作简单，可携带幕墙模块的特殊要求。因此本文提出一种擦窗机用三吊点伸缩吊架的设计与研究。

2 三吊点伸缩吊架

2.1 主要结构和工作原理

结合实际工程项目，本文提出一种三吊点伸缩式吊架，如图1 所示，主要包括擦窗机吊篮、伸缩臂、平衡吊臂、主臂、钢丝绳补偿机构和可移动配重等，其中主臂前端固定在平衡吊架上，平衡吊架设有两个吊点，主臂后端设有另外一个吊点，这三个吊点单独与悬挂钢丝绳连接，伸缩臂套接于主臂内部，可移动配重悬挂于主臂上侧，两者在驱动装置的牵引下沿相反方向同步移动，以实现擦窗机吊篮的伸缩动作并时刻保持平衡。

图1 伸缩吊架工作状态示意图

2.2 关键技术

1)伸缩联动技术 借鉴擦窗机主机吊臂的结构形式，伸缩吊架的伸缩臂套接于主臂内部，采用齿条或链条传动方式沿水平方向移动，以达到靠近或远离幕墙的目的，同时可移动配重通过钢丝绳绕过主臂的两组滑轮与伸缩臂连接，与伸缩臂沿相反方向同步移动，在满足抗倾翻稳定性的前提下，有效地降低了伸缩吊架的自重。

2)三吊点技术 由于擦窗机工作平台与主机采用钢丝绳这种“软连接”的形式，当主机臂头回转或遭遇较大阵风时，在惯性力或水平风力的偏载作用下传统的两吊点工作平台会发生较大幅度的摆动，容易造成吊篮内操作人员的不适，甚至带来更大的安全隐患。因此，本吊架将主臂前侧单吊点变为双吊点，前后一共三个吊点，优化了前侧吊点钢丝绳的受力并很好地提高了吊架水平方向的稳定性。

3)钢丝绳补偿技术 伸缩吊架采用三吊点六绳独立悬挂的形式，当各根钢丝绳长度不一致时，会导致吊篮和伸缩吊架自身发生倾斜，或者出现单根钢丝绳受力的情况，因而必须增加一套钢丝绳长度补偿机构，以保证在工作状态下各个吊点始终处于同一水平面。钢丝绳长度补偿分为吊点内补偿和吊点间补偿两种情况：①由于同一吊点内部和前侧两个吊点之间每根钢丝绳受力大小基本相等，故采用通用的杠杆式调平方法，如图2 所示；②当吊架处于不同工作幅度或者悬挂不同大小载荷时，其重心会发生较大偏移，以致前、后吊点之间钢丝绳的受力大小发生较大变化，当建筑高度超过200m 以上，钢丝绳弹性变形量也会产生很大变化，会造成伸缩吊架出现“前高后低”或者“前低后高”现象，因此，本吊架采用油缸或者推杆的形式，在外力干预下强制调整钢丝绳的长度，保证吊架前后吊点始终处于水平状态。

图2 平衡吊架

3 设计计算

3.1 主要技术参数

3.2 稳定性计算

考虑最不利载荷组合工况，参考擦窗机整机稳定性计算方法来验证伸缩吊架的稳定性，得出伸缩吊架满载状态下吊架伸到最长和空载状态下吊架缩到最短为两种最极端工况。

1)满载状态下，当伸缩臂全部伸出时伸缩吊架整体受力如图3 所示。

图3 满载状态伸缩吊架受力简图

图中，Tshl为吊钩总悬挂载荷，Tsl为吊船总悬挂载荷，mo为伸缩臂质量，mi1、mi2分别为主臂和移动配重质量，Lshl、Lsl、Lo、Li1、Li2分别为以上各载荷至前吊点的距离。

代入数据得到此工况下倾翻力矩和稳定力矩大小分别为

2)空载状态下，当伸缩臂全部缩回时伸缩吊架整体受力如图4 所示。

图4 空载状态伸缩吊架受力简图

图中，mo′为移动配重质量，mi1′、mi2′、mi3′分别为主臂、移动配重和吊船质量，Lo′、Li1′、Li2′、Li3′分别为以上各载荷至后吊点的距离。

代入数据得到此工况下倾翻力矩和稳定力矩大小分别为

综上所述，两种工况下伸缩吊架稳定性均满足要求。

3.3 伸缩臂强度计算

伸缩臂作为伸缩吊架的关键受力结构部件，其截面大小直接决定了伸缩吊架的外形尺寸和重量，所以合理地选择其截面对伸缩吊架的整体设计至关重要。经初步估算，选取伸缩臂截面尺寸高× 宽× 厚为220mm×140mm×6mm，材料为Q355，其截面抗弯模量为W=267cm3。

满载工作状态下，伸缩臂全部伸出时为极限工况，此时最危险截面所受弯矩大小为

由此可见，伸缩臂结构强度满足要求，且冗余不大，说明材料的利用率很充分，因此，该截面尺寸比较合理。

4 应用及改进

通过调研国内外厂家类似产品，并结合实际使用工况，反复进行样机试验，在初始设计的基础上多次改进和优化，其各项性能指标均达到了预期目标。该产品伸缩幅度大、调节精度高、结构简单、操作方便、安全可靠、稳定性好。目前，该产品已经成功应用到沈阳宝能中心和广州国美中心等项目中，如图5、图6 所示。

三吊点伸缩吊架的开发应用对后续擦窗机产品的优化、改进及标准化设计与生产起到了很好的指导作用。它顺应了现代超高层建筑多样化发展的需求，对解决超高层建筑异形外立面施工、玻璃幕墙清洗和维护工作提供了借鉴。

图5 沈阳宝能中心设备现场调试

图6 广州国美中心设备车间调试