基于杠桿增力機構的貨運索道小車研究

2016-09-07 00:47:16陳子龍景文川何朝明

工程設計學報 2016年3期

陳子龍, 景文川, 余　容, 何朝明

(1.西南交通大學機械工程學院，四川成都 610031; 2.四川電力送變電建設公司，四川成都 610051)

基于杠桿增力機構的貨運索道小車研究

陳子龍1, 景文川2, 余容1, 何朝明1

(1.西南交通大學機械工程學院，四川成都 610031; 2.四川電力送變電建設公司，四川成都 610051)

隨著我國電力建設的不斷發展,輸電線路施工過程中的貨物運輸越來越受到重視.索道運輸作為一種新的運輸方式,擁有成本低、施工方便并不受氣候影響等諸多優點,已經得到了廣泛應用.國內貨運索道大多數采用基于螺栓的固定式抱索器,而且多采用人工進行行走小車的脫掛索動作,因此工作效率較低,經濟效益不高.對行走小車結構進行優化,將杠桿增力機構應用于小車結構中,使得小車的掛重車體自身重量放大,實現行走小車的自動掛索;在抱索車體的自重下實現自動脫索.經實驗證明,優化后的行走小車能夠應用于環境復雜的工作場所,并且能夠進一步降低成本.

貨運索道; 小車; 抱索器; 杠桿增力機構; 經濟效益

隨著我國電力建設的不斷發展,對電力系統的要求越來越高,因此,對輸電線路中物資運輸中存在的問題進行有效解決已經成為我國電力系統的首要工作之一.架空索道是一種新的運輸工具,在輸電線路施工中物資運輸方面得到了廣泛的應用[1].在初始階段，索道的發展推動著抱索器的革新,自從動力無極繩索的問世,索道技術的發展就完全歸結為抱索器的技術創新[2].

抱索器是索道系統中的核心部分,也是索道技術的關鍵所在.目前,國外常用的脫掛式抱索器主要有以下幾種:法國Poma公司研發的搖桿式抱索器;意大利Leitner公司研發的搖塊式抱索器;奧地利Girak公司20世紀60年代初期研發的鏈輪式抱索器[3].綜上所述,國外脫掛式抱索器大致可分為凸輪式脫掛抱索器和連桿式脫掛抱索器,脫掛抱索器鉗口夾緊力源主要由金屬彈簧來提供,而且脫掛抱索器結構設計比較簡單.國內脫掛索抱索器發展非常緩慢,主要依靠國外技術引進,自行研發的只有昆明的一家研究院為廣州白云山旅游索道設計的脫掛式旅游索道[4].

目前載人索道的可摘掛式抱索器為搖桿滑塊四桿機構,主要是利用四桿機構的增力原理,將人體重量以杠桿比的量級放大,以活動抱卡抱緊力的形式抱緊牽引鋼絲繩.在上述成果基礎上,通過在上站、下站增加卸貨結構,將行走小車及其貨物重量承載在上站、下站的門柱支架上,利用杠桿增力原理實現可靠的自動脫索，即：將杠桿增力機構應用于行走小車抱索器結構上,使得小車能夠在掛重車體的自重下實現自動掛索,在抱索車體的自重下實現自動脫索.此舉解放了勞動力,提高了工作效率以及經濟效益.

1　小車整體結構

小車結構示意圖如圖1所示.

1—承載輪; 2—滑動軸承; 3—抱索車體; 4—轉向輪; 5—掛重車體; 6—杠桿增力機構; 7—掛鉤.圖1　小車結構示意圖Fig.1　Trolley structure diagram

小車由以前的單輪結構改進為雙輪結構,兩輪分別屬于可相對滑動的車體:抱索車體和掛重車體.抱索車體,負責在運輸過程中使整個小車掛在承載索上,抱索器咬緊牽引索,順利運送貨物;掛重車體,負責承載重物,在掛重時提供抱索器的抱緊力,并由杠桿機構按杠桿比成倍放大,抱緊牽引索.在需要卸貨端松開牽引索時,掛重車體與抱索車體發生相對移動,兩者高度差減小,使得抱索器松開牽引索,實現自動脫索.在掛貨端需要抱緊牽引索時,掛重車體與抱索車體發生相對移動,兩者高度差增大,使得抱索器抱緊牽引索,實現半自動抱索.在兩部分車體相對移動過程中,由車體連接部分的滑槽及其內的滑動軸承進行限位.

2　抱索器功能分析及設計要求

2.1抱索器功能分析

抱索器的作用主要是在一定的承載能力范圍內能夠安全可靠實現行走小車的脫掛索.分析索道系統可以得到抱索器的功能主要為[5]:

1)進站脫索;

2)出站掛索并隨牽引繩運行;

3)通過杠桿增力機構夾緊牽引繩,達到自鎖目的;

4)可靠實現索道的加/減速運行.

2.2抱索器設計要求

1)抱索器鉗口與牽引繩之間應有足夠大的夾持力,避免產生滑動.應該保證抱索器的抗滑力不小于貨物重力在索道最大傾角處沿牽引繩切向方向上分力的3倍.

2)抱索器受力零件的安全系數不小于6.

3)抱索器夾緊力應保持穩定,不受索道傾角變化的影響；抱索器安全可靠、結構簡單、動作精確.

3　抱索器受力分析及鉗口形狀

3.1抱索器鉗口形狀選擇

通常采用的鉗口包括平鉗口、圓弧形鉗口以及槽形鉗口三種類型.在抱索時,不同類型鉗口對鋼絲繩的圍包角最大值以及槽心角大小如圖2所示.

圖2　鉗口對牽引繩圍包角示意圖Fig.2　Schematic diagram of the round angle between traction and rope

瑞士的M.Roth提出了鉗口形狀系數公式,將不同類型鉗口的摩擦系數進行區分,從而得到不同鉗口抱緊牽引鋼絲繩的夾緊力不同.

鉗口形狀系數公式:

ξ=4(sinφmax-sinφmin)×(sin2φmax-sin2φmin)+2(φmax-φmin)-1,

其中φmax為1/4鉗口對牽引繩圍包角的最大值:平鉗口中 φmax=0,圓弧形鉗口與槽形鉗口中φmax=30°～35°;φmin為1/4鉗口對牽引繩的槽心角:平鉗口與圓弧形鉗口中φmin=0,槽形鉗口中φmin=8°～12°;ξ為鉗口形狀系數.

經過計算,平鉗口ξ=1,圓弧形鉗口ξ=1.04～1.06,槽形鉗口ξ=1.06～1.08[6-8].選取圓弧形鉗口進行抱索器的設計.

3.2抱索器受力分析

抱索器將貨運索道行走小車與貨物進行連接,隨牽引索運行,主要是依靠抱索器與牽引繩之間的摩擦力進行工作.抱索器在索道中受力分析圖如圖3所示.

圖3　抱索器受力分析圖Fig.3　Stress analysis diagram of the rope clip

其中：Q為貨運小車滿載時重力,α為索道牽引索傾角,N為抱索器的抱口受到的正壓力,F0為行走小車的下滑力.對其進行受力分析，得

F0=Qsinα，

N=Qcosα.

因此,抱索器在索道傾角最大時其下滑力F0最大.根據力平衡條件可以知道,抱索器所受的下滑力應該由抱索器受到的摩擦力來平衡.根據文獻[9]，選取牽引索與抱索器之間的摩擦系數μ=0.13.

牽引索受力分析如圖4所示.抱索器與牽引索之間的正壓力由兩部分組成,一部分是行走小車的重力分力,另一部分是抱索器鉗口力F1，則有

F0=μ(N+2F1).

圖4　牽引索受力分析圖Fig.4　Stress analysis diagram of the rope

K為安全系數,相關的國家標準(GB 21008—2007)、行業標準(MT/T 873—2000、MT/T 1117—2011)、安全標準(AQ 1038—2007)對其數值都有嚴格規定,這里選擇K=2[10].因此,抱索器的鉗口力F為

4　抱索器包絡角及杠桿比設計

4.1抱索器包絡角設計

包絡角就是抱索器鉗口部分包絡牽引繩的角度.包絡角越大,抱索器夾緊牽引索的力量就越大,最為特殊的例子就是固定式抱索器,它的脫掛活動塊將牽引繩完全包絡.而當包絡角不斷增大時,行走小車脫索的靈活性就會變得很差.因此,固定式抱索器在脫索時就要依靠人力進行,這很大程度上限制了應用的靈活性[11].因此設計抱索器的包絡角時,既要保證夾緊牽引索,又要滿足脫索時的靈活要求.

抱索器的鉗口是圓弧形,能夠與牽引繩外表相吻合.其包絡角的大小可以根據包絡系數K0來確定,根據工程實踐上的經驗,合適的取值范圍是1≤K0≤2.當夾緊力F通過牽引繩橫截面中心沿著水平方向X軸作用時,可以將F分解成沿抱索器鉗口的無數個小徑向壓力q,q的大小各不相同,離原點的距離越大，q值越小,最大值qmax在F的作用軸線上.將這些徑向力進行代數求和∑q,其值大于幾何求和F,即:∑q=K0F.

圖5　抱索器鉗口包絡分析圖Fig.5　The envelope analysis diagram of rope-grip

將q=qmaxcosβ代入并積分計算求得

∑q=RBqmax(sinβ2-sinβ1).

因此,可以得到包絡系數K0為

4.2抱索器杠桿比設計

對抱索器的杠桿增力機構進行受力分析,示意圖如圖6所示，其中：Wx，Wy分別為牽引索對抱索器反作用力的水平分量和垂直分量；FBx，FBy為抱索車體對抱索器作用力的水平分量和垂直分量；P為掛重車體重量.這些力共同形成一個平面力系,即∑Fx=0，∑Fy=0.則有:Wx=FBx，Wy=FBy+P.

圖6　杠桿增力機構及其受力分析圖Fig.6　Lever reinforcement mechanism and its stress analysis diagram

根據鉸點B處力矩平衡即∑MB=0,則有:Wy×e=P×a.

杠桿比是杠桿機構中所特有的增力效率因素,在該抱索器中,體現的是掛重車體的重力通過杠桿增力機構抱緊牽引索的效果.在實際的應用中存在摩擦等導致其效率降低的因素,根據工程實踐的經驗,一般選取有效杠桿比6∶8為宜.這樣就能夠保證既有效放大掛重車體重量,使得抱索器將牽引索抱緊,又能在脫掛索時動作靈便.在設計杠桿比時,只需要適當改變e與a大小即可[14-17].

5　總結與展望

將杠桿增力機構應用到貨運小車抱索器的設計中,并且將小車車體分為抱索車體與掛重車體兩部分,既能使得小車重心不會偏移,又能使得掛重車體的重量經杠桿增力機構放大,進而使得抱索器能夠夾緊牽引索.將該小車在川藏電力聯網工程(巴塘段)中進行實際驗證,行走小車能夠安全可靠地平穩運行,實現自動脫掛索,從而解放了勞動力,提高經濟效益.

隨著索道技術的自動化要求越來越迫切,推進索道作業的自動化標準已迫在眉睫.需要進一步研究索道運轉過程中的相關設施,使其向自動化方向發展,并且保證運轉過程更加高效、可靠.

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Research of the freight ropeway trolley basedon the lever reinforcement mechanism

CHEN Zi-long1, JING Wen-chuan2, YU Rong1, HE Chao-ming1

(1. School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. Sichuan Electric Power Transmission Substation Construction Company, Chengdu 610051, China)

With the rapid development of power industry in our country, the material transportation in the process of the transmission line construction is getting more and more attention. As a new mode of transportation in transmission line, the freight ropeway has been widely used in the transmission line construction with its low cost, convenient construction and not being affected by the climate and other advantages. In the domestic freight ropeway, the fixed rope clips based on bolt is widely adapted, and the action of hanging or offing the cable is always realized by human. So the work efficiency and the economic efficiency are low. The structure of the trolley was optimized, lever reinforcement mechanism was applied to magnify the weight of the bearing body of the trolley which could realize the automatic hanging the cable and could realize the automatic offing the cable based on the weight of the fixed grip body of the trolley. The experiment shows that the optimized trolley can be applied in the complex environment of the workplace, and further reduce the cost.

freight ropeway; trolley; fastening rope clip; lever reinforcement mechanism; economic efficiency