新型移动式载人升降设备的研制

1 引言

传统幕墙维护多依赖轨道式或悬挂式 BMU 系统，其在超过 200m 高度或异形曲面下，因摆幅失控与安全冗余不足，已难以满足现代建筑的高效、安全维护要求；而水电大坝等能源设施长期依赖起重机与吊篮组合，作业灵活性差、事故率高，专用维保设备覆盖率不足15% 。由此可见，亟需一种既具备建筑维护通用性，又能适应能源基建复杂工况的移动式载人升降平台。[1]。

2 移动式载人升降设备的系统架构设计

2.1 总体结构与功能组成

整体结构以履带底盘为根基，通过多级伸缩臂将载荷传递至旋转平台，并最终支撑作业舱体或工具模块。履带底盘采用宽体钢箱焊接结构，内部布置配重，以提升在泥泞、碎石或倾斜地面上的稳定性。液压驱动与惯性测量单元（IMU）相结合，可实现厘米级定位与原地 360^∘ 转向，从而保证设备在狭窄空间内的灵活布置。多级伸缩臂则采用高强度合金钢箱形断面设计，内置高压液压缸及同步导向钢丝绳，在最大伸展至 80m 时依然保持良好抗弯刚度和侧向抑制能力。旋转平台通过齿轮齿条与液压马达驱动，配合圆柱滚子轴承，实现大扭矩承载和无级回转，为舱体的精准对准与 360^∘ 作业提供了关键保障。三者在现场通过机械自锁销、电气快插和液压快换接头完成标准化对接，装配时间可控制在 30min 以内 [2]。

2.2 模块化载人／作业舱体设计

舱体作为人员与工具的直接载体，采用航空级铝合金与碳纤维复合材料复合结构，在—30 ℃至60 ℃环境下保持高强度与轻量化。双模切换设计使得载人轿厢与工具平台能够共享同一快速接口：当处于载人模式时，舱体内部的四点式安全带、人体工学护栏和载荷传感器共同构建了多重安全防护；切换至工具平台后， 360^∘ 激光测距与光学定位系统则辅助设备快速抵近幕墙或机组接口。舱体底部的液压快换接头和多路电气插头，实现了 ⩽5min 的高精度切换，并通过自动寻位销与压力传感技术，将对接误差控制在 ±2mm 范围内，显著提升跨场景部署效率。

2.3 动力与控制系统集成架构

为满足长时间、高频次作业需求，动力系统采用市电／发电机与高能量密度锂电池的双模供电方案，并结合能量回收技术，将伸缩臂下降与平台回转过程中的多余能量反馈至蓄电池，从而优化整体能效。在安全制动方面，系统构建了机械、液压与电磁三重冗余制动单元，由符合 IEC 61508 SIL 3 级的安全 PLC 统一管理切换逻辑，确保在 <0.3 s 内完成故障切换并消除单点失效风险。控制网络则基于EtherCAT 实时总线，将伺服驱动、液压泵站、传感器与中央控制器紧密联通，控制周期低于 1 ms。中央控制器不仅运行路径规划、摆幅抑制与风载补偿算法，还通过 HMI 触摸屏与远程监控端同步展示设备状态、历史数据与故障诊断信息，确保在强风、高温或复杂地形下，系统依然能够保持高效、精准与安全的协同运行。

3 核心关键技术突破

3.1 臂头智能调平系统

为克服高空作业中因地形变化及载荷分布不均引发的臂体倾斜风险，本设备在臂头处集成了多轴电液伺服调平机构和六自由度倾角传感模块。该系统通过实时采集风速、臂体姿态与载荷分布数据，利用

改进的卡尔曼滤波算法融合传感信息，驱动臂头下方的微调液压缸对水平姿态进行动态校正。

3.2 三重安全冗余制动系统

针对超高层和能源设施高空维保的严苛安全需求，本系统设计了机械—液压—电磁三重制动架构。机械制动采用常闭式盘式制动器，液压制动通过独立闭锁缸锁定伸缩关节，而电磁制动则在电机轴端实现快速抱闸。三者由符合 IEC 61508 SIL 3 级标准的安全 PLC 统一监控，当任一制动单元出现故障时，系统可在0.3 s 内切换至健康单元，确保平台在任意高度下不发生位移。

3.3 摆幅抑制与风载稳定控制

在应对超高层强风和温差交互影响时，仅靠机械设计难以彻底抑制臂体摆幅。本系统基于有限元分析与实验数据，研发了一套包含前馈补偿与闭环反馈的双回路控制算法。前馈环利用风载模型及实时风速测量，对伸缩臂进行预判性力矩补偿；反馈环则通过臂体加速度和角速度传感器，实时调节伸缩速度与制动力度，从而最大限度抑制摆幅。

3.4 快速接入与作业位精准抵近能力

为适应幕墙与闸门等多种异形结构的作业需求，设备采用了自动寻位销结合高精度压力传感的快换技术。每次舱体更换或工具模块挂接，系统先通过视觉与超声波传感器完成粗定位，然后在自动寻位销的引导下，依托压力传感器的微调控制，实现 ±2mm 以内的对接口对正。此过程耗时不超过 5 min，比传统人工对接节省了约 70% 的作业准备时间。与此同时， 360^∘ 激光测距与光学跟踪系统的联动，使设备能够在曲面幕墙或阀门井内以 ⩽1cm 的精度抵近作业面，确保检修工具与作业对象的高效配合。

3.5 工程实践与实验验证

为验证上述关键技术的综合效能，本文选取三峡大坝与向家坝两处典型水电维保场景进行工程实践，并与传统起重机 + 吊篮系统展开对比实验。在大坝闸门井内，移动式设备凭借智能调平与摆幅抑制技术，实现了高达 80m 上下作业的连续精准对接，平均单次定位时间由传统设备的 12min 缩短至 3min ；在安全性能测试中，其三重冗余制动系统在模拟单一制动失效情况下依旧保持 0 mm 位移，显著优于传统方案。与传统起重—吊篮组合相比，移动式升降平台在实际作业效率上提升了 65% ，并将事故风险降低了 90% 以上。

参考文献

[1] 张易,贾洪刚,涂国营,等. 移动式载人升降作业设备的设计应用 [J]. 建筑机械化 ,2024,45(9):22-25.

[2] 白彩军,齐磊,郝崑,等. 风机塔筒内载人升降平台检验规则可行性研究 [J]. 中国电梯 ,2019,30(17):50-52.

[3] 丁明. 水电工程专用升降施工平台结构安全性评估[D]. 湖北:三峡大学 ,2014.

作者简介：

谢芳程，1989.04，男，汉大学本科，研究方向：高空建筑外墙维护作业平台