一种安全防护帽撞击体验装置的改进设计

陈良波,张水参,卢世伟

（ 泉州理工职业学院，福建 泉州 362268 ）

0 引言

随着我国大规模基础设施的建设，建筑工程行业成为事故及风险较高的行业，政府对于建筑行业安全问题极为重视，制定了“预防为主、安全第一、综合治理”的安全工作方针。安全防护帽是最为基础的安全设备之一，本文针对其撞击体验设备，从机械结构和电路设计方面入手进行改进，以真实模拟安全事故发生时的人体感受，借此提高行业从业人员的安全隐患意识和风险防范意识。

1 现有技术

根据对国家知识产权数据库的专利查询，目前国内仅有一种施工工地安全帽撞击安全体验设备的制造方法的专利，其包括箱体、箱体内部气缸、升降机构以及坠落打击棒等。该专利方法中需由空压机提供动力，采用轴承在导轨上实现升降。

另外，根据福建安坪建材科技有限公司提供的安全帽撞击体验装置以及一些展会上展示的产品，可知目前市场主流安全帽撞击体验装置的结构见图1，实物见如图2。

图1 结构原理

图2 安全帽撞击体验装置实物

如图所述，撞击装置在箱体内设置电动推杆、升降机构和坠落打击棒，电动推杆运动时顶升升降机构，在垂直安装的导轨导向作用下，升降机构与坠落打击棒脱离接触，此时，坠落打击棒坠落，打击测试安全帽，从而模拟安全事故发生时人体的感受。就该套装置的原理来看，安全性能高，有效性强，但是存在设备故障率高、维护成本高、利润率低等问题。设备故障主要集中表现在：

1）导轨生锈

该装置为文明施工、安全施工的体验装置，按要求均被放置在户外工地上，施工场所较恶劣的环境易引发导轨生锈，即便在导轨材质上选用不锈钢拉条，在我国大部分沿海地区的工地仍无法摆脱生锈现象。

2）轴承损坏

升降机构的坠落带来垂直方向的冲击，坠落打击棒撞击安全帽后对轴承产生径向冲击，受此影响，滚动体易碎裂从而损坏轴承。根据实验数据统计，原方案轴承寿命仅在2 000次左右。

3）电机烧毁。

受导轨生锈、轴承损坏等因素困扰，升降机构上升困难，易发卡死现象，电机易烧毁。

2 改进方案

为克服原装置技术不足，让更多的从业者亲身体验建筑生产活动中安全帽的重要性，同时考虑结构简单，安全性高，节约制造商采购成本与维护成本，改进方案从机械部分和电控部分入手。

2.1 机械部分

装置中的冲击力导致轴承损坏，目前难以通过改进轴承来提高可靠性，因此，决定取消轴承，改用45拉条外套聚四氟乙烯管组成导轨，升降机构也通过聚四氟乙烯管与导轨相对运动，实物图见图3。聚四氟乙烯管可在－60℃～+260℃内正常使用，具有可靠优良的耐腐蚀性和自润滑效果，实验表明，采用具有防腐蚀功能的聚四氟乙烯管作为轻型导轨有效降低了故障率。

图3 聚四氟乙烯导轨实物

2.2 电气部分

电气控制系统采用PLC技术控制。初态检查时，电机反转，继电器有反转信号，当下限位有信号时，电机停止；上升按钮启动后，电机正转，电动推杆推着滑块上升至上限位行程开关，滑块被电磁锁扣住，实现延时。当延时时间到达，电机反转，直至下限位。按下测试按钮，电磁锁松，滑块自由落体运动，敲击棒完成敲击以达到模拟安全防护帽被砸效果。

1）PLC选择

此控制系统仅有简单的开关量控制，无模拟量的输入或输出，对系统的响应时间也无特殊要求。时间继电器定时固定，小型PLC即可满足要求。因系统需要10个输入点和7个输出点，可选用三菱公司的整体式小型PLCF1-20 M，具有12个输入点和8个输出点，完全满足要求。

2）设计过流保护电路，防止电机烧毁

电机卡住或控制信号导致电机长时间过流运转可引发电机烧毁。通过取消轴承、采用新导轨等手段可避免电机被卡现象。在电路设计上，设计过流保护模块（见图4）在异常状态下保护电机，待异常排除后，控制系统重启，电机恢复正常运转。

图4 过流保护模块电路

2.3 试制应用

改进方案中的机械部分可通过钣金、机加工以及采购标准件等组装而成，聚四氟乙烯管也可通过简单渠道购买；电控部分可采用成熟的单片机控制和PLC工控板控制，适应范围和安全性获得保障；样机经过无故障运行次数明显增多，有利于降低制造商成本。经测试，无故障运行次数可在20 000次以上，远高于原方案。

3 结语

综上，通过对福建省安坪科技有限公司原安全防护帽撞击体验装置的机械结构分析、电气控制系统分析，找出经常出现故障的原因。基于此，从安全防护帽撞击检验装置的导轨和滑块等机械部分进行改进，通过增加聚四氟乙烯管防止导轨生锈，通过管与管的自润滑摩擦取消轴承，以及对滑动部分进行配重等，较好地解决导轨生锈与电机卡死现象；另一方面，设计过流检测电路，提升电机寿命。最后，通过机械部分和电气部分的改进，使整个装置寿命大幅度的提高，得到企业的认可与应用。