從一起鋼絲繩式公升降機墜落案例看目前防墜安全裝置存在的問題
摘要以一起鋼絲繩公升降機墜落的事故為例，分析了導致墜落事故的原因，根據這些原因結合施工公升降機標準gb10054-2005介紹了目前鋼絲繩公升降機防止墜落的安全裝置結構形式，及其這些安全裝置在實際使用中存在的問題，為施工使用中提供了使用經驗。
關鍵詞鋼絲繩公升降機墜落事故
1 引言
鋼絲繩式公升降機因其結構簡單，成本低廉，安裝簡易，對導軌精度要求不高，還普遍應用在我國各種建築施工工地上進行人員或者貨物的輸送作業。但近年來此類公升降機事故頻發，究其原因固然有建築工地作業工況惡劣，這類裝置本身執行平穩性與安全性較差；更深層次是工地現場管理混亂，對機器裝置缺乏必要的維護保養，相關管理操作人員對這類機械安全裝置結構原理不勝了解。下面我們將通過對一起公升降機吊籠墜落事故展開分析，以闡明可能導致公升降機吊籠墜落的原因，目前公升降機防墜安全機構結構特點，及其存在的問題。
2 一起鋼絲繩公升降機事故及其事故分析
某工地為住戶運送裝修材料的簡易公升降機將貨物與4名人員運送到12層時，鋼絲繩突然斷裂，造成3死一傷的重大事故。事後現場探查發現公升降機導向滑輪的安裝位置較偏，鋼絲繩入角偏大，形成了歪拉斜拽，使吊樑上的滑車受到較大側向力。當吊籠公升降時，造成鋼絲繩與滑輪輪緣和側板的磨損，事故發生時，公升降機鋼絲繩卡入滑輪與側板磨出的溝槽中，不能移動，而捲揚機還在繼續轉動，將鋼絲繩拉斷，載貨吊籠墜落。
與此同時吊籠斷繩保護裝置保護用伸出杆較細，強度不夠，當鋼絲繩斷裂後，吊籠墜落產生衝擊力將伸出杆壓彎，沒有起到保護作用，最終造成事故的發生。
3 引起鋼絲繩公升降機墜落的幾個原因
從以上慘痛的事故，我們先不論簡易公升降機不能用於運載人員的管理問題，就可能導致上述公升降機吊籠墜落原因總結如下：
（1）過捲。公升降機吊籠在越過最高要求位置後不能停止，繼續全速執行衝頂，導致鋼絲繩斷裂，從而引發的墜落；或者公升降機吊籠因某種原因被卡死，而捲揚機不停止，持續轉動將鋼絲繩拉斷，從而引發的墜落。
（2）鋼絲繩強度降低引起斷繩。由於滑輪的安裝位置不符合要求，導致滑輪磨損嚴重，鋼絲繩長期在磨損的的滑輪上執行，從中引發的鋼絲繩磨損嚴重，產生斷絲現象，導致鋼絲繩強度降低。緊急停車時，由於衝擊力大於鋼絲繩的強度而造成斷繩從而引發的墜落。
（3）超載。當超載載荷大於公升降機標準節上螺栓所承受的傾覆力矩時，將引起公升降機標準節脫落；或者制停的過程由於衝擊力大於造成鋼絲繩斷繩從而引發的墜落。
（4）吊籠斷繩保護裝置本身設計結構強度不夠，在受到較大衝擊時產生變形失效從而引發的墜落。
4 目前鋼絲繩公升降機防止墜落的安全裝置及其存在的問題
針對上述原因，我們將結合施工公升降機標準gb10054-2005（下面簡稱標準）來討論目前公升降機防止吊籠墜落事故發生的幾種安全裝置。
（1）過載保護開關，防止發生過捲墜落事故的保障。標準中5.2.
6.4.1條要求鋼絲繩過分拉長或破壞時，電氣安全裝置應停止吊籠的執行。
目前由過電流繼電器來實現其功能。根據如下轉矩與電流的關係式：
1）式中：t為電動機轉矩
u為電源輸入線電壓
i為電源輸入線電流
為功率因素
p1為有功功率
n為額定轉速
可知道一旦吊籠卡死，鋼絲繩拉力急劇增加，將導致捲揚電機負載的轉矩加大；與此同時電機的有功功率下降，將導致功率因數減少，最終使電機中的電流激增，過電流繼電器動作斷開捲揚電機，防止過捲現象的發生。在公升降機檢驗過程中，我們發現不少施工單位用熔斷器來實現過載保護功能。熔斷器動作特性是反時限的，電流越大，動作時間越短；但為了防止電路中因電流波動導致熔斷器誤動作，所以往往採用大容量熔斷器，可這樣一來過載電流畢竟要遠遠小於短路電流，這樣會導致熔斷器動作時間較長，容易引發事故。
（2）制動器，是保證公升降機吊籠吊在空中而不墜落的基本安全設施，一旦過載保護開關動作，捲揚電機斷電，這時就需要制動器來防止電機受重力牽引繼續轉動。（又由於公升降機需要頻繁的起制動，所以制動器是依靠摩擦副之間的摩擦產生制動力的。）標準中5.
2.6.6.
2條要求制動器應是摩擦型的，而且不應使用帶式制動器。故目前制動器的形式有塊式制動器與錐形制動器。如下圖為實際使用中常採用的短行程塊式制動器
圖1 短行程塊式制動器
此制動器為常閉式，通過主彈簧提供制動力，平時不通電時閘瓦抱緊電機的輸出軸端，將公升降機有效制停；當電磁線圈通電時靜鐵芯產生吸力，吸引動鐵芯拉動推桿，壓縮主彈簧，鬆開閘瓦，電機就能驅動公升降機進行公升降作業。這種制動器有動作迅速，結構小巧的特點，但是制動器吸合時的衝擊直接作用在整個制動器的機構中，所以制動器上的螺絲容易鬆動，使工作可靠性降低，而且公升降機在慣性下容易使吊籠劇烈震動；同時由於起動電流大，導致靜鐵芯有剩磁現象，公升降機停止作業制動器閘瓦不能立即的抱緊電機輸出軸，讓吊籠繼續向下滑行，容易引發事故；並且目前公升降機的制動器基本上是作用在電機的輸出軸端，一旦電機與捲揚的聯軸器受到破壞時，制動器就起不到有效的制停作用了。
（3）斷繩防墜機構，當提公升鋼絲繩斷裂，或鋼絲繩過分鬆弛時通過摩擦副之間的摩擦力或卡銷將公升降機吊籠有效制停的裝置。標準中5.3.
7.3條要求防墜安全裝置動作的觸發不能由電氣、液壓、或氣動操縱裝置來實現。故目前斷繩保護裝置的形式有：
楔塊式、偏心輪式和卡板式。如下圖為實際使用中常採用的卡板式斷繩防墜機構原理圖：
圖2卡板式斷繩防墜機構
1.卡爪；2.彈簧；3滑輪；4滑輪架；5.牽引鋼絲繩；6提拉鋼絲繩
由上圖，此機構正常工作情況見虛線圖形，由於吊籠自重，牽引鋼絲繩5拉動滑輪3在滑輪架4上向上滑動，與此同時滑輪3向上拉動提拉鋼絲繩6使卡爪1旋轉到圖示虛線位置，此時彈簧2處於被拉伸狀態，公升降機吊籠上下正常執行。當牽引鋼絲繩突然鬆弛後，滑輪3在自重的作用下下落，提拉鋼絲繩6鬆弛，卡爪1在彈簧2收縮拉力的作用下向上旋轉到圖示實線的位置處，卡爪卡在公升降機兩端支架的腹杆上，吊籠被卡爪托住，停止墜落。這種斷繩防墜機構結構簡單，動作靈敏，瞬時制停，但動作時將產生較大的衝擊力，這個衝擊力的大小可以用能量法近似的估算得到：
式中：為衝擊力大小
為吊籠所受到的重力
為受衝擊時兩端支架的腹杆上的最大變形量
為吊籠靜載壓在兩端支架的腹杆上的最大變形量
為吊籠開始落下時卡爪到兩端支架的腹杆的高度
由上式可知即使h=0，f=2m；即吊籠下墜的速度為零，但當卡爪突然撞擊兩端支架的腹杆時，這兩者受到的應力與產生的應變都好似靜載時的2倍。這就要求卡爪與公升降機兩端支架的腹杆有較高的結構強度，可公升降機工作情況惡劣，金屬結構鏽蝕嚴重，在加之這種斷繩防墜機構將吊籠制停前下墜的高度不確定，從而很難確定制停時的衝擊載荷大小，故卡爪與公升降機兩端支架的腹杆結構強度很難得到保證，因而這種結構的斷繩防墜機構在鋼絲繩斷繩後起到的保護作用是相當的不可靠。
（4）重量限制器，可避免起重裝置因過負荷超載造成的裝置和人身事故。標準中5.3.
8條要求，超載檢測應在吊籠靜止時進行，並且載荷達到額定載重量110%前中止吊籠起動。根據要求公升降機的載重量檢測不必要是持續的訊號，只要檢測乙個設定的點就可以了。故目前重量限制器的形式有吊鉤式、鋼絲繩張力式、軸承座式與定滑輪式四種。
如下圖為實際使用中常採用的鋼絲繩張力式重量限制器：
圖3鋼絲繩張力式重量限制器
由上圖可見當吊籠中裝載的載荷達到設定值時，限制器內主彈簧被壓縮至觸杆碰到限位開關，吊籠不能繼續上行，防止超載引發事故（根據標準gb/t10054-2005要求超載保護裝置必須在載荷達到額定載重量110%前中止吊籠起動）。這種重量限制器結構簡單，精度高，安裝、維護與調整都比較簡便，但這種重量限制器做為乙個承力結構直接與牽引鋼絲繩相連，必須要比較高的結構強度，這就導致了這種限制器整體比較笨重，主彈簧的勁度係數也較大，使限制器靈敏度較低。此外長期使用中彈簧容易產生塑性形變，容易使限制器誤動作。
（5）高度限制器，用於限制起公升高度的安全保護裝置，防止發生吊籠衝頂而導致過捲墜落事故的保障。目前有重錘式，行程開關式。如下圖為實際使用中常採用的行程開關式高度限位器：
圖4行程開關式高度限位器
當公升降機吊籠上公升到標準要求的最小安全距離前，吊籠碰到行程開關，並切斷方向控制電路，使吊籠停止執行，防止公升降機發生衝頂事故。但由於標準中規定限位開關可以使用自動復位型，而且標準也沒有要求貨用公升降機必須安裝極限開關，所以實際使用中使用單位為了公升降機碰到上限位位置復位方便也僅僅使用乙個自動復位型限位開關，來作高度控制裝置。這個自動復位的開關動作的距離較短，使用中往往由於吊籠的執行慣性，吊籠碰撞行程開關的部位離開行程開關後，吊籠還沒停下，此時行程開關卻已自動復位，這樣高度限制器就失去該有的限制起公升高度安全保護作用。
再者由於限位開關僅是斷開公升降機的方向控制電路，故一旦發生控制電路被短接的現象是，高度限制器也不能實現相應的功能了。
5 結語
通過上面的分析雖然我們面對鋼絲繩公升降機可能發生的墜落的原因設定相應的安全裝置，但是由於目前技術條件的限制，這些安全裝置總有這樣那樣的缺陷，以及其簡易公升降機使用惡劣的環境，更加加大了在施工中使用這類裝置的風險。所以在日常的生產中，我們必須健全相應的安全管理制度，謹小慎微的加強施工管理，並加強相關操作人員的培訓，堅決杜絕使用簡易公升降機輸送人員的情況發生，以期預防事故的發生。
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