机车车辆检修车顶作业安全滑索系统

欧阳鹏，李 豫

（国铁集团工程设计鉴定中心，北京 100844）

近年来，我国的社会经济水平和科学技术水平都得到了不同程度的提升，人们的物质文化生活水平也不断提升，因此，人们对铁路客运条件与服务水平的要求也不断提升。为满足旅客的高标准要求，我国铁路机车车辆实现了快速的现代化发展，包括：提速铁路空调客车的大量使用、和谐机车和高速动车组的运营。

新型机车车辆及动车组车顶空调装置，接触网及供电系统等需要定期检查检修，车顶检修工作量大幅增加。机车车辆检查检修库棚、整备场等场所，检修人员需要登上车顶，对车辆顶部设施进行检修。车顶面距地面高度约4 m以上，属于国家标准GB3608的高空作业范围，存在人员坠落的风险。

1 车顶检修现状防护措施

目前国内在机车车辆及动车组车顶检修防护措施有以下几点。

1.1 既有客车技术整备所

客车技术整备所内整备库（棚）或室外整备线设有顶层作业平台、临修库临修线局部设置顶层作业平台，但顶层平台对侧未设防止人员坠落的安全网栏，如图1所示。目前，检修人员检修作业时佩戴定长的安全带，但是没有给安全带挂钩提供专门的挂点。检修人员需要目视评估安全带挂点位置，有的挂在客车空调吊环上、有的挂在顶层平台栏杆上、有的挂在起重挂钩上，因为挂点均是固定的，所以作业人员每换一个工位就要摘一次钩，在作业摘钩及挂钩的环节中，不但存在坠落的危险情况，而且会极大地影响工作效率。另外安全带的长度是固定的，所以人员活动范围受到局限，也增加了摘钩的频次。

图1 车顶无安全网

1.2 既有动车组设备

动车段（所）内检查库、检修库设有3层作业平台、临修库临修线局部设置顶层作业平台，为保证作业人员登车顶安全，在对侧设置了安全网栏，如图2所示。因无起重机，动车组检查库安全网采用房屋架悬挂形式，整个检查库顶部比较凌乱。而检修库和临修库因有起重作业，安全网采用地面支撑式，占用的地面作业空间且妨碍临修台位起吊作业。顶层作业平台设置了风动翻板装置，增加了翻板操作规程。三层检修平台和护栏与车辆间仍存在间隙，而且车头和车尾部分处于全开放状态，检修人员坠落的风险依然存在。

1.3 既有机车整备场

机务段、机务折返段整备棚或室外整备线一般设有三层作业平台。近年新建的机务整备棚均在顶层设置双侧平台或单侧作业平台对侧设置固定安全网栏，但检修人员在检修作业时仍佩戴定长的安全带，一般挂在接触网上。

2 车顶作业安全防护工艺设计需求

2.1 车顶检修作业直接引起坠落的客观因素

机车车辆车顶检修直接引起坠落的客观因素包括：阵风风力5级（风速8.0 m/s）以上；II级或以上的高温作业；平均气温≤5℃的作业环境；作业场地有冰、雪、霜、水、油等易滑物；作业场所光线不足，能见度差；体力劳动强度大等因素。

2.2 车顶作业安全防护工艺方案

2.2.1 安全网栏

顶层作业平台对侧设置固定安全网栏，用来防止作业人员坠落，安全网栏一般与平台长度相等，由方形钢管框架和钢丝网组成。网栏高1.3 m，根据需要，其下部安装风动翻转架以减少车体与安全网栏的间隙。适用于检修作业工作量大，作业人员多的场所。

2.2.2 安全带

防止高处作业人员发生坠落或发生坠落后将作业人员安全悬挂的个体防护装备。适用于车顶检修作业工作量小，人员少的场所。

2.2.3 安全滑索系统工艺需求

安全网栏设计方案顶层平台和护栏与车辆间存在间隙，而且车头和车尾部分处于全开放状态，检修人员坠落的风险依然存在。安全带方案目前使用不规范，配套装置不齐，且人员作业受限，影响工作效率。在频繁摘钩及挂钩的环节中，亦存在坠落危险。

某动车检查库库配属车少，车顶检修作业少，故设局部作业平台；为取消安全网栏设计且满足车顶检修走行要求，亟需一种用于机车车辆检修的安全滑索系统，以解决上述问题。安全滑索系统工艺需求：

（1）永久安全滑索贯通全部检修作业面，无死角。

（2）作业人员沿着永久滑索自由移动，滑块可以轻易通过滑索支撑座，任何时候都不需要分离拆卸安全绳挂钩。

（3）换位装置可以将两个滑块对换位置，保证两个对向运动的人员错身通过。

（4）差速安全绳可以自由调节长度，增加了作业人员的活动范围。

（5）五点式安全带保证人员坠落时不受二次伤害。

（6）安全滑索总体重量轻，不会给建筑物钢结构受力造成影响，建设成本低。

3 安全滑索系统组成

为提高车顶检查、检修的质量，并提高作业效率，就必须采用高效率、安全、可靠的先进的工艺方案和装备，而安全滑索系统是保证车顶检修作业人员安全的重要手段之一。

安全滑索系统，安装于库房顶层作业平台侧上方的屋顶或由平台设置支架，包括：吊装于库房屋梁上的多个支柱；穿设于各支柱下方的滑索；滑动连接于所述滑索上的防护组件，防护组件包括安全滑块、防坠差速器和多点式安全带，如图3所示。

图3 安全滑索布置形式

支柱竖直设置，支柱的上端设置有支柱底板，支柱底板的两侧分别通过梁夹与房屋梁固定连接，支柱底板的倾斜角度与库房屋梁底部的倾斜角度一致。支柱的下端设置有支撑座。滑索依次穿过各支柱的支撑座。安全滑块滑动安装于所述滑索上，且能滑过所述支撑座，防坠差速器的两端分别与安全滑块和多点式安全带固定连接。

斜拉杆倾斜设置，其一端固定于库房屋梁上，另一端固定于与其相邻的支柱下方。斜拉杆包括实心拉杆和固设于实心拉杆两端的锁头，其中一端的锁头通过第一耳板与库房屋梁连接，另一端的锁头通过第二耳板与支柱连接。

支柱的最大间距为15 m，滑索到车顶上方的距离为2 m。滑索、支撑座及安全滑块的材质设计为不锈钢，紧固螺栓为高强度螺栓。滑索为双股安全线，其中每股安全线的直径为8 mm。安全线的首尾分别与房屋地线连接。

换位装置分为静止部分和运动部分，当两个滑块同时进入换位装置的运动部分时，限位销会把两个滑块固定，运动部分旋转180°，限位销解锁，就完成了两个滑块的位置对换，那么对向运动的人员就可以错身通过了。换位装置图，如图4所示。

图4 换位装置

伸缩安全带及多点式安全带的材质设计为绝缘材料防止人员触电。速差式安全带的长度可以调节，最长可以增加到6 m，可最大范围内增加作业人员的活动范围，有效地提高了工作效率。人员正常运动时安全带可以自由伸缩，发生坠落时安全带瞬间卡死。

五点式安全带通过约束人员的双肩，腰部和双腿，增加了安全带和身体的接触面积，一方面在坠落发生时控制人体重心，另一方面防止人员勒伤。

4 安全滑索系统受力计算

4.1 计算假定及要求

（1）每个人重量为100 kg；重力加速度为g=10 N/kg；安全系数为2。

（2）假设最不利情况下，5个人的重量集中加载在支座中间一个点上。那么向下的力为F=100 kg×5×10 N/kg×2=10 kN。

（3）钢绞线预张力1 kN。保证钢绞线静止状态下水平拉直。钢绞线自重0.325 kg/m。

（4）滑索支座额定间距应小于15 m，国内动车组钢结构厂房柱距间隔一般为6 m或9 m，故滑索支柱间距可为12 m或9 m。本次计算按照最大间距12 m计算。

（5）滑索由支柱与屋架梁连接，屋架梁能够承受的力远大于滑索向下的力，所以本次计算不考虑滑索向下的力，只对滑索内部拉力进行计算。

4.2 滑索所受拉力

如图5所示，根据前边假设，发生坠落前钢缆为水平，坠落发生时，钢绞线中间受到垂直向下的力F=10 kN，钢绞线受力伸长，每100 m达到最大伸长量E=1 m，最终拉力传递到端头支柱，再通过斜拉结构传递到屋架梁上，坠落停止。这时钢缆与水平方向形成等腰三角形。已知支座间距L=12 m，钢缆伸长到13 m，根据三角计算知最大下落距离为f=2.5 m，钢缆与水平方向夹角的正弦值为sin（a）=2.5/6.5 m。垂直向下的力等于钢缆拉力在垂直方向的分量，支座间钢缆的瞬间拉力为T1=F/[2*sin（a）]=13 kN。

图5 滑索拉力示意图

滑索由两根8 mm不锈钢钢绞线组成，单根钢绞线抗拉系数为160 000 MPa，最小破断拉力为53.9 kN，两根安全线可承受拉力107.8 kN，远大于T1=13 kN。

4.3 系统对屋梁的作用力

由于发生坠落时，滑索对支柱发生的是一个瞬间的冲击力，使钢绞线瞬间伸长，由于钢绞线具有一定的柔性，钢绞线和中间支座发生摩擦力，把冲击力均匀地传递给中间支柱，最后到达端头支座，由端头支柱和斜拉杆承受稳定的拉力。端头支柱的斜拉结构，由截面积为201 mm2的钢筋制成。斜拉结构的抗拉强度为235 MPa，拉力为201 mm2×235 MPa=47.23 kN。远大于T1=13 kN支柱端头受到的最大拉力。

5 安全滑索系统感应电消除措施

安全滑索与接触网是平行布置的，当接触网有电时，会使安全滑索产生比较强的感应电，强度会危及人员安全。安全滑索系统通过以下两种方式释放感应电，保证系统绝对安全。

5.1 结构接地

钢索安装在支撑座上，支撑座和支柱连接，支柱和钢结构屋梁连接，400 m长的钢索有36个支柱与屋梁连接，形成并联电路。由于钢索与钢结构为良导体，所以钢索上收到的感应电很快就会通过钢结构的综合地线导入大地。

当列车进库，接触网停电后，钢索上就不会再有感应电势了。另外差速安全带是由绝缘材料制成，人员不会和钢索发生直接接触。

5.2 地线接地

参考《接触网安全工作规程》V形天窗停电作业接地线设置的要求，接触网两接地线间距大于1 000 m时，需增设接地线。为了防止接触网对生命线系统的感应电对车顶作业人员产生伤害，生命线系统钢索需要接地处理；在横向第1和36轴，延屋梁安装接地铜导线，导线截面积不小于30 mm2，两地线间距为410 m，远小于以上规定的要求，理论上是绝对安全的。系统接地后实际测量的接地电阻小于30Ω。

6 安全滑索系统工程应用

安全滑索系统在某专运动车检查库设计首次使用，该检查库为既有改造，由于房屋结构承重、空间限制等因素，该库不能安装通常的悬挂式安全防护网，那么在人员车顶作业防坠落方面，就需要一种可以起到防坠落作用，而且重量很轻的方案。

安全滑索系统设计在每条股道上方各布置一条滑索，每条长410 m，每条通过支柱吊装于库房屋梁下方，支柱按照12 m间距设计，其中安全带与滑索通过安全滑块连接，安全滑块可跟随作业人员移动，移动时无需手动干预，而且在空中的任何时候都不需要进行分离摘挂安全挂钩的动作，保证安全无死角，并且保证了检修人员的工作效率；其中防坠差速器可以自由调节长度，自动收回，发生坠落时立即锁止，可专门用于坠落时吸收能量，其配合多点式安全带使用，可更好地保护坠落人员安全；同时该系统增加了作业人员的活动范围，安全系数更高，承重重量更大。另外，该系统结构简洁，在库房中没有占用空间，使库房内部整体整洁度提高。

7 结束语

机车车辆检修车顶作业安全滑索系统，结构轻巧，没有对建筑物结构造成影响，同时保证了库内简洁美观；在使用过程中完全达到预期的保护作用，保护了车顶操作人员的生命安全，且建设成本低廉，具有极高的安全价值和经济价值。

机车车辆检修车顶作业安全滑索系统的研制应用，解决了安全网设计的工艺不足，是安全网的一个替代工艺方案，为未来动力集中动车组检查库设计提供了事件经验。