摘要：當(dāng)前防墜制動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程較為被動(dòng)，以事故發(fā)生后的傳感信號(hào)識(shí)別為主，忽略了事故發(fā)生前制動(dòng)繩的沖擊力學(xué)特征，導(dǎo)致預(yù)判性差。為此，提出一種引入制動(dòng)繩沖擊力學(xué)特征的高空作業(yè)防墜器防墜制動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警方法。針對(duì)防墜器制動(dòng)繩沖擊力學(xué)展開(kāi)分析，將力學(xué)特征引入防墜制動(dòng)過(guò)程中的相關(guān)條件，根據(jù)制動(dòng)減速度、制動(dòng)力、制動(dòng)距離建立防墜制動(dòng)狀態(tài)閾值區(qū)間。利用不同傳感器采集防墜制動(dòng)過(guò)程的狀態(tài)數(shù)據(jù)變化，將實(shí)際的防墜制動(dòng)力與閾值區(qū)間作對(duì)比，判斷是否需要發(fā)出預(yù)警。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法具有較高的狀態(tài)監(jiān)測(cè)精度與預(yù)警精度。

關(guān)鍵詞：高空作業(yè)；防墜器；沖擊力學(xué)模型；制動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)；預(yù)警；制動(dòng)距離

中圖分類(lèi)號(hào)：TM08；TP277文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：1671-5276（2024）06-0185-05

Abstract：In order to improve the poor prediction of monitoring anti-fall braking status due to the post-accident recognition of the sensing signal and ignore of the pre-war impact mechanical characteristics of brake rope， a method of monitoring and warning the fall arrest braking status of the fall arrest device for aerial work is proposed by introducing the impact mechanical characteristics of the brake rope. The impact mechanics of the brake rope of the fall arrester is analyzed， and the mechanical characteristics are introduced into the relevant conditions of the fall arrest braking process. According to the braking deceleration， braking force and braking distance， the threshold range of the fall arrest braking status is established. Different sensors are used to collect the state data changes during the anti-falling braking process， and the actual anti-falling braking force is compared with the threshold interval to determine whether an early warning is needed. The experimental results show that the proposed method has high precision of condition monitoring and early warning.

Keywords：working at heights; falling protector; impact mechanical model; braking status monitoring; early warning; braking distance

0引言

在高空作業(yè)領(lǐng)域中，防墜器是一種重要的安全設(shè)備，保護(hù)著工作人員的生命安全［1］。防墜器的工作原理是通過(guò)制動(dòng)過(guò)程避免罐籠發(fā)生急速下降或墜落。防墜器的制動(dòng)性能是指當(dāng)罐籠發(fā)生意外時(shí)，在制動(dòng)繩抓捕處開(kāi)始制動(dòng)減速，其制動(dòng)性能可通過(guò)制動(dòng)繩沖擊行為判斷［2］。

為了提高高空作業(yè)人員的安全性，需要對(duì)防墜器的防墜制動(dòng)狀態(tài)展開(kāi)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)預(yù)警。為此，邵瑞影等［3］首先在AMESim中對(duì)防墜器的工作性能展開(kāi)分析，根據(jù)性能分析結(jié)果建立防墜器系統(tǒng)模型，在仿真的基礎(chǔ)上獲得防墜器的流量特性、速度曲線和制動(dòng)距離以此完成狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。但是該方法難以準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)罐籠的加速度與減速度，狀態(tài)監(jiān)測(cè)精度還有待提高。而在制動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面，馬天和等［4］設(shè)置觀測(cè)器獲取制動(dòng)實(shí)時(shí)信息，并通過(guò)Polach模型對(duì)制動(dòng)過(guò)程展開(kāi)仿真模擬，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)與預(yù)警。但是在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，該方法采集的制動(dòng)信息精準(zhǔn)度偏低，降低了最終的預(yù)警精度。

當(dāng)前墜落制動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程較為被動(dòng)，以發(fā)生事故后的傳感信號(hào)識(shí)別為主，忽略了事故發(fā)生前制動(dòng)繩的沖擊力學(xué)特征，導(dǎo)致預(yù)判性差。為了解決上述方法中存在的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種高空作業(yè)防墜器防墜制動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警方法。

1防墜器制動(dòng)繩沖擊力學(xué)閾值預(yù)警區(qū)間計(jì)算

高空作業(yè)防墜器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在防墜制動(dòng)過(guò)程中，罐籠會(huì)通過(guò)防墜器在極短的時(shí)間內(nèi)抓捕并懸掛在制動(dòng)繩上。與整個(gè)制動(dòng)繩相比，緩沖器中抽出的緩沖繩長(zhǎng)度較短［5-6］。因此，在建立沖擊力學(xué)模型時(shí)，對(duì)高空作業(yè)防墜器防墜制動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警方法做出如下假設(shè)：

1）不考慮橫向中制動(dòng)繩產(chǎn)生的振動(dòng)；

2）制動(dòng)過(guò)程通常在0.15s以內(nèi)，因此不考慮系統(tǒng)阻尼對(duì)制動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的影響；

3）緩沖繩沖出緩沖器時(shí)受到的阻力屬于恒定阻力。

在上述條件的基礎(chǔ)上，建立防墜制動(dòng)繩沖擊力學(xué)模型，如圖2所示。

模型中，z=z1+z2表示制動(dòng)繩長(zhǎng)度，其中的z1、z2分別為抓捕點(diǎn)上方和下方制動(dòng)繩對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度；在制動(dòng)繩連接器和緩沖繩處設(shè)置坐標(biāo)原點(diǎn)O；ρ表示制動(dòng)繩對(duì)應(yīng)的密度；g（x，t）表示制動(dòng)繩單位長(zhǎng)度上的作用力；νd表示墜落過(guò)程中罐籠產(chǎn)生的速度；m表示罐籠整體質(zhì)量，包括其承載的人員和物料質(zhì)量；ms表示緩沖器的質(zhì)量。

當(dāng)主提升鋼絲繩處于斷裂狀態(tài)下，罐籠的慣性力和質(zhì)量總和即為罐籠終端載荷質(zhì)量產(chǎn)生的制動(dòng)力，其計(jì)算公式如下：

式中：Gzd表示緩沖器對(duì)應(yīng)的制動(dòng)力，通常情況下可通過(guò)終端載荷質(zhì)量計(jì)算得到；g表示重力加速度；Wd表示終端載荷質(zhì)量；Dz表示制動(dòng)距離；s表示制動(dòng)減速度，計(jì)算公式如下：

當(dāng)制動(dòng)力不發(fā)生變化時(shí)，可通過(guò)上式獲得空罐、重罐等工況下的制動(dòng)減速度。

以制動(dòng)減速度和制動(dòng)力為依據(jù)，計(jì)算罐籠的制動(dòng)距離Dz：

式中v0表示初始時(shí)刻罐籠對(duì)應(yīng)的速度。

根據(jù)制動(dòng)力Gzd調(diào)整緩沖器對(duì)應(yīng)的阻力，防墜器在發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)時(shí)的動(dòng)力應(yīng)該滿足下述條件：

式中：mk表示罐籠對(duì)應(yīng)的質(zhì)量；mr表示罐籠在滿載狀態(tài)下的質(zhì)量。

針對(duì)層數(shù)大于兩層的罐籠，當(dāng)物料和工作人員處于相同罐籠內(nèi)時(shí)，防墜器在發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)時(shí)候的制動(dòng)力理論上應(yīng)滿足下述條件：

式中m′r表示罐籠中同時(shí)裝載物料和人時(shí)的質(zhì)量。結(jié)合式（5），當(dāng)制動(dòng)繩防墜器存在墜落風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，防墜制動(dòng)狀態(tài)應(yīng)滿足如下閾值區(qū)間條件：

式中：s′r表示罐籠中同時(shí)裝載物料和人時(shí)的制動(dòng)減速度；sk表示罐籠自身的制動(dòng)減速度。

2制動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警方法設(shè)計(jì)

為了提高監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，本文使用雙核心處理方式，并利用MCU處理器［7-8］對(duì)傳感器采集的力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。此外，利用紅外傳感器采集鋼纜信息，利用減速度傳感器采集墜落相關(guān)預(yù)警信息，運(yùn)用壓力傳感器作為鎖緊傳感器。通過(guò)上述傳感器采集的信息，結(jié)合防墜制動(dòng)狀態(tài)閾值區(qū)間，對(duì)高空作業(yè)防墜器的制動(dòng)狀態(tài)展開(kāi)監(jiān)測(cè)。若防墜器存在墜落風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)及時(shí)檢測(cè)完成滑塊鎖緊、人員墜落和鋼纜位置，以此實(shí)現(xiàn)防墜器防墜制動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

高空作業(yè)防墜器防墜制動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警方法建立的監(jiān)測(cè)預(yù)警模塊如圖3所示。

1）壓力傳感器。該部分電路由3個(gè)部分構(gòu)成，分別為A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)調(diào)理電路和薄膜壓力傳感器。

a）A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。MCU在防墜器防墜制動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中無(wú)法處理模擬量，只能處理數(shù)字量。因此，在構(gòu)建系統(tǒng)的過(guò)程中，設(shè)置A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其主要作用是處理壓力傳感器采集的模擬量，將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量［9-10］，并將其輸入MCU中。

b）信號(hào)調(diào)理電路。信號(hào)調(diào)理電路在系統(tǒng)中的主要目的是對(duì)壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)校處理，針對(duì)初始狀態(tài)下的壓力傳感器，需要標(biāo)定其額定點(diǎn)的數(shù)據(jù)以及0點(diǎn)數(shù)據(jù)。傳感器在應(yīng)用過(guò)程中都會(huì)表現(xiàn)出不同程度的非線性，增設(shè)信號(hào)調(diào)理電路可避免壓力傳感器在系統(tǒng)中出現(xiàn)線性度問(wèn)題。

c）薄膜壓力傳感器。薄膜壓力傳感器由上、下兩層構(gòu)成，中間設(shè)有感應(yīng)區(qū)域。當(dāng)力作用在感應(yīng)區(qū)域時(shí)，傳感器底層電路處于導(dǎo)通狀態(tài)，傳感器的輸出電阻直接體現(xiàn)了壓力的變化情況［11-12］。

2）測(cè)距傳感器。紅外傳感器中設(shè)置有一對(duì)二極管，紅外信號(hào)的發(fā)射與信號(hào)的接收均由二極管完成，數(shù)字傳感器將返回的紅外信號(hào)傳輸?shù)较到y(tǒng)的主機(jī)，以此識(shí)別附近的環(huán)境［13-14］。在傳播過(guò)程中，由于紅外線具有不擴(kuò)散性，因此，在穿越物體時(shí)紅外線的折射率通常較小，適用于遠(yuǎn)距離的檢測(cè)。根據(jù)紅外線的傳輸速度以及發(fā)射與接收之間的時(shí)間可以確定物體距離。

3）減速度傳感器。其主要原理是在減速度計(jì)受振過(guò)程中，通過(guò)石英晶體或壓電陶瓷產(chǎn)生的壓電效應(yīng)，獲取壓電元件中力的變化情況。該傳感器采集的數(shù)據(jù)均為瞬時(shí)減速度數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式如下：

利用測(cè)距傳感器檢測(cè)防墜器的制動(dòng)繩，獲取實(shí)際制動(dòng)距離的測(cè)距信息D′z；利用減速度傳感器采集防墜器實(shí)際的防墜制動(dòng)減速度s′；利用壓力傳感器，經(jīng)信號(hào)處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換，結(jié)合式（1）獲得實(shí)際的防墜制動(dòng)力G′zd。將G′zd與式（6）所示的防墜制動(dòng)狀態(tài)閾值區(qū)間展開(kāi)對(duì)比，若G′zd不在閾值區(qū)間范圍內(nèi)，則說(shuō)明高空作業(yè)防墜器存在墜落風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)應(yīng)發(fā)出預(yù)警。

為實(shí)現(xiàn)防墜預(yù)警，將紅外傳感器設(shè)置在防墜滑塊中，獲取滑塊的狀態(tài)及位置。如果沒(méi)有檢測(cè)到固定遮擋，表明防墜塊的正確位置處沒(méi)有安裝制動(dòng)繩，人員在高空作業(yè)時(shí)存在墜樓風(fēng)險(xiǎn)。鋼索鎖緊的檢測(cè)可通過(guò)壓力傳感器完成，如果傳感器檢測(cè)到壓力，防墜器此時(shí)的狀態(tài)為解鎖，人員在高空作業(yè)過(guò)程中處于移動(dòng)狀態(tài)；如果傳感器沒(méi)有檢測(cè)到壓力，防墜器此時(shí)的狀態(tài)為鎖定，人員在高空作業(yè)過(guò)程中處于靜止?fàn)顟B(tài)。短時(shí)間內(nèi)作業(yè)人員如果出現(xiàn)大幅度的位置變化，可通過(guò)三軸加速度傳感器檢測(cè)到人員的加速度信息，以此判斷人員是否出現(xiàn)墜落或滑落現(xiàn)象。

3實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的高空作業(yè)防墜器防墜制動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警方法的整體有效性，需要對(duì)其展開(kāi)測(cè)試。本次測(cè)試的實(shí)驗(yàn)環(huán)境為診斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障展開(kāi)的高空作業(yè)。

測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

防墜器參數(shù)如下：風(fēng)力3級(jí)，罐籠處于水平狀態(tài)；高空作業(yè)高度范圍為0～55m；防墜器額定承重為300kg；最小離地間隙為50cm；鎖止臨界點(diǎn)速度為1m/s；整體破壞載荷大于9 000N；建議容納人員2～3人（測(cè)試階段為保證人員安全，未采用真人測(cè)試的形式，而是利用重物代替人體質(zhì)量，按照成年男性平均體重69.6kg計(jì)算，罐籠承載的重物質(zhì)量在0～220kg之間）。罐籠每次點(diǎn)動(dòng)的滑動(dòng)距離不能超過(guò)0.2m。

在測(cè)試過(guò)程中分為如下兩種工況：

工況1，制動(dòng)過(guò)程中處于空載狀態(tài)（罐籠承重0kg）；

工況2，制動(dòng)過(guò)程中處于滿載狀態(tài)（罐籠承重220kg）。

其余測(cè)試設(shè)備如表1所示。

為避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果過(guò)于單一，現(xiàn)采用本文設(shè)計(jì)的高空作業(yè)防墜器制動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警方法與文獻(xiàn)［3］方法、文獻(xiàn)［4］方法共同完成性能驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證步驟如下：

1）在兩種工況下，在罐籠發(fā)生墜落后，分別利用3種方法監(jiān)測(cè)罐籠的加速度變化情況與減速度變化情況，并與實(shí)際情況相對(duì)比，驗(yàn)證本文方法對(duì)制動(dòng)狀態(tài)中速度項(xiàng)的監(jiān)測(cè)性能；

2）在相同工況下，分別利用3種方法監(jiān)測(cè)防墜器的制動(dòng)載荷與制動(dòng)距離，并與實(shí)際情況相對(duì)比，根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)精度驗(yàn)證3種方法的預(yù)警精度。

不同方法對(duì)速度項(xiàng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5中的數(shù)據(jù)變化情況可知，罐籠在空載狀態(tài)下的加速度和減速度均高于滿載狀態(tài)下的加速度和減速度，這表明罐籠速度的變化受罐籠質(zhì)量的影響。在空載狀態(tài)下，罐籠的質(zhì)量小，因此加減速度較大。而在滿載狀態(tài)下，罐籠的質(zhì)量大，因此加減速度較小。對(duì)比所提方法、文獻(xiàn)［3］方法和文獻(xiàn)［4］方法的速度監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所提方法的速度變化曲線趨近于罐籠的實(shí)際速度變化曲線，文獻(xiàn)［3］方法和文獻(xiàn)［4］方法的速度監(jiān)測(cè)曲線存在偏差，這說(shuō)明所提方法具有較高的監(jiān)測(cè)精度。

在相同工況下，采用所提方法、文獻(xiàn)［3］方法和文獻(xiàn)［4］方法監(jiān)測(cè)防墜器的制動(dòng)載荷與制動(dòng)距離，根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)精度驗(yàn)證3種方法的預(yù)警精度，監(jiān)測(cè)精度越高則預(yù)警精度越高，結(jié)果如圖6和圖7所示。綜合分析圖6和圖7中的數(shù)據(jù)可知，所提方法在兩種工況下均可以準(zhǔn)確地完成制動(dòng)載荷和制動(dòng)距離的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果基本相符。這是因?yàn)樗岱椒ń⒘朔缐嬈髦苿?dòng)繩沖擊力學(xué)模型，對(duì)防墜器的制動(dòng)性能展開(kāi)分析，為制動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)提供了數(shù)據(jù)支持，根據(jù)精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展開(kāi)后續(xù)預(yù)警，從而提高了最終的預(yù)警精度。

4結(jié)語(yǔ)

為了提高高空作業(yè)人員的安全性，需要監(jiān)測(cè)防墜器防墜制動(dòng)狀態(tài)，以此實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警。目前防墜狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警方法難以準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)罐籠速度、制動(dòng)距離和制動(dòng)載荷，導(dǎo)致預(yù)警精度無(wú)法達(dá)到要求。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出了一種高空作業(yè)防墜器防墜制動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警方法，根據(jù)防墜器制動(dòng)性能要求設(shè)計(jì)防墜制動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與預(yù)警。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該方法在監(jiān)測(cè)精度和預(yù)警精度方面均表現(xiàn)出良好的性能。

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收稿日期：20230414

第一作者簡(jiǎn)介：潘文雅（1982—），男，陜西旬邑人，工程師，本科，研究方向?yàn)樾履茉雌髽I(yè)安全生產(chǎn)管理，zzz2022163yx@163.com。

DOI：10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2024.06.037