脈動(dòng)索道混凝土基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)載荷分析

北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100007

0 引言

在脈動(dòng)索道工作過程中，受線路地形、載客在線路上分布等因素的影響，為了保持鋼絲繩的恒定張力，液壓系統(tǒng)會(huì)使驅(qū)動(dòng)小車在鋼結(jié)構(gòu)上的不同位置保持平衡。鋼結(jié)構(gòu)在索道工作過程受到的載荷工況復(fù)雜、受力頻繁，長(zhǎng)時(shí)間作用下鋼結(jié)構(gòu)會(huì)在應(yīng)力集中部位以及應(yīng)力幅較大部位開裂或開焊，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效[1]。但在實(shí)際的工作中，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)載荷的準(zhǔn)確確定，危險(xiǎn)工況的界定及其對(duì)鋼結(jié)構(gòu)影響的文獻(xiàn)很少。本文以脈動(dòng)索道混凝土基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)為例，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)所受的載荷進(jìn)行分析，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)所有載荷工況，通過分析比較得到鋼結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)工況，為脈動(dòng)索道混凝土基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行下一步的強(qiáng)度分析和優(yōu)化提供便利和重要依據(jù)。

1 脈動(dòng)索道鋼結(jié)構(gòu)

脈動(dòng)索道鋼結(jié)構(gòu)有混凝土基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)和傾斜圓筒支撐鋼結(jié)構(gòu)兩種形式。混凝土基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)是由鋼結(jié)構(gòu)底座和混凝土基礎(chǔ)連接在一起的結(jié)構(gòu)；傾斜圓筒支撐鋼結(jié)構(gòu)是鋼結(jié)構(gòu)和傾斜圓筒靶接，傾斜圓筒和地面基礎(chǔ)連接在一起的結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)形式的選擇跟張力大小息息相關(guān)。

混凝土基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)主要由圓筒、軌道、油缸拉板、雙層擋塊插板、底座和拉桿等組成，軌道、油缸拉板、雙層擋塊插板和底座按照一定的位置關(guān)系焊接在圓筒上，并通過拉桿將兩個(gè)圓筒連接起來，如圖1所示。

圖 1 混凝土基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)

為了確定鋼結(jié)構(gòu)的受力情況，須了解施力部件結(jié)構(gòu)以及和鋼結(jié)構(gòu)的連接方式。在索道運(yùn)行過程中，鋼結(jié)構(gòu)的受力全部來自于驅(qū)動(dòng)裝置，主要受力為:

1）驅(qū)動(dòng)裝置的液壓油缸掛接在鋼結(jié)構(gòu)油缸拉板上，承受的鋼絲繩張力和；

2）索道起動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)過程中驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)輪有效拉力引起的水平力作用在鋼結(jié)構(gòu)上；

3）驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)車架搭在鋼結(jié)構(gòu)軌道上，承受的驅(qū)動(dòng)車架以及車架上所有裝置的質(zhì)量；

4）滿載吊廂作用的力。

2 鋼結(jié)構(gòu)受力分析

2.1 驅(qū)動(dòng)站鋼絲繩張力和

鋼絲繩張力和為恒定值，受線路地形、載客人數(shù)等因素影響，不同索道鋼絲繩張力和也不同。載荷通過鋼絲繩作用在驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)裝置和液壓缸固定在一起，液壓缸掛接在鋼結(jié)構(gòu)上，因此載荷可以傳遞到鋼結(jié)構(gòu)上。驅(qū)動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)組成，鋼絲繩張力和作用在鋼結(jié)構(gòu)上，其相對(duì)位置如圖2所示，受力如圖3所示，則單側(cè)結(jié)構(gòu)承受張力為

圖 2 鋼結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)車架位置關(guān)系

圖 3 鋼結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)車架受力關(guān)系

2.2 有效拉力引起的水平力

有效拉力是索道啟動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)輪鋼絲繩出繩端及入繩端的拉力差值。即

當(dāng)鋼絲繩在驅(qū)動(dòng)輪上即將打滑時(shí)，F(xiàn)入和F出撓性體摩擦歐拉公式為[2]

式中：F入為驅(qū)動(dòng)輪入繩端張力，F(xiàn)出為驅(qū)動(dòng)輪出繩端張力，μ為鋼絲繩和驅(qū)動(dòng)輪摩擦系數(shù)，α為鋼絲繩和驅(qū)動(dòng)輪包角。

如果鋼絲繩總長(zhǎng)度不變時(shí)

由式（2）、式（3）式可得

有效拉力以力偶方式作用在驅(qū)動(dòng)車架上，驅(qū)動(dòng)車架通過兩側(cè)的尼龍輪作用在鋼結(jié)構(gòu)軌道側(cè)面上，其相對(duì)位置如圖2所示，受力如圖3所示。

當(dāng)索道順時(shí)針運(yùn)行時(shí)，有效拉力引起的水平力

當(dāng)索道逆時(shí)針運(yùn)行時(shí)，有效拉力引起的水平力

式中：d為索距，e為兩個(gè)尼龍輪間的距離。

當(dāng)索道順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，有效拉力引起的水平力在索道起動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)時(shí)均不相同，現(xiàn)用Fs、Fr、Fb分別表示索道起動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)時(shí)有效拉力引起的水平力，歸納如表1所示。

表1 索道起動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)時(shí)有效拉力引起的水平力

2.3 驅(qū)動(dòng)車架輪壓

驅(qū)動(dòng)裝置主要由驅(qū)動(dòng)車架、驅(qū)動(dòng)主電機(jī)、主減速器、輔助電機(jī)、輔助減速器、驅(qū)動(dòng)輪組成。驅(qū)動(dòng)車架輪壓是由驅(qū)動(dòng)裝置的自重作用在驅(qū)動(dòng)車架4個(gè)滾輪產(chǎn)生。驅(qū)動(dòng)車架由四個(gè)滾輪支撐在鋼結(jié)構(gòu)上，4個(gè)滾輪對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的力根據(jù)實(shí)際情況考慮。在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，由于和驅(qū)動(dòng)車架滾輪接觸的鋼結(jié)構(gòu)軌道在沿著索道中心線方向不能保證在同一平面，故會(huì)出現(xiàn)3個(gè)滾輪受力，1個(gè)滾輪不受力的情形（簡(jiǎn)稱三點(diǎn)支撐），現(xiàn)計(jì)算三點(diǎn)支撐情況下3個(gè)滾輪的受力，驅(qū)動(dòng)車架4個(gè)滾輪受力相對(duì)位置如圖2所示，受力如圖3所示。

對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置列平衡方程得

式中：F6、F7、F8、F9為四個(gè)滾輪的反力，方向垂直紙面向上；M為驅(qū)動(dòng)裝置重量，方向垂直紙面向下；b為滾輪到x軸（小車中心）距離；a為滾輪到y(tǒng)軸（小車中心）距離。

當(dāng)有1個(gè)滾輪離地，F(xiàn)6=0時(shí)，

由于F6和F7關(guān)于X軸對(duì)稱，當(dāng)F7=0時(shí)，結(jié)果與當(dāng)F6=0時(shí)一致。

當(dāng)有1個(gè)滾輪離地，F(xiàn)8=0時(shí)，

由于F8和F9關(guān)于X軸對(duì)稱，當(dāng)F9=0時(shí)，結(jié)果與當(dāng)F8=0時(shí)一致。

由于驅(qū)動(dòng)支架4個(gè)滾輪沒有固定在軌道上，故反力沒有相反的情況，符合實(shí)際情況的滾輪反力為

2.4 滿載吊廂載荷作用的力

在進(jìn)站或出站過程中，滿載吊廂依次經(jīng)過鋼結(jié)構(gòu)上的兩輪托索輪和驅(qū)動(dòng)小車上的兩輪托索輪，作為集中載荷通過兩輪托索輪作用在鋼結(jié)構(gòu)上，之后滿載吊廂作用力作用在行走平臺(tái)的行走軌上，和鋼結(jié)構(gòu)并非一體。考慮到鋼絲繩一直處于張緊狀態(tài)及兩輪托索輪能夠承受的最大質(zhì)量，取

3 工況分析

根據(jù)運(yùn)載工具運(yùn)載量和在鋼絲繩上的位置可以分為5種工況，分別為重上重下（滿載上行，滿載下行）、重上空下（滿載上行，空載下行）、空上重下（空載上行，滿載下行）、空上空下（空載上行，空載下行）、空繩狀態(tài)。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的載荷分析，現(xiàn)統(tǒng)計(jì)5種工況下索道順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，索道起動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的受力情況，如表2所示。其中Fs51為索道順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)、索道起動(dòng)時(shí)，運(yùn)載工具重上重下時(shí)鋼結(jié)構(gòu)受的有效拉力引起的水平力，其他以此類推。

表2 5種工況下索道順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，索道起動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)時(shí)鋼結(jié)構(gòu)受力

在這5種工況中，可知張力和、驅(qū)動(dòng)車架輪壓和滿載吊廂作用兩輪托索輪的力不隨工況變化，但驅(qū)動(dòng)車架輪壓會(huì)受到鋼結(jié)構(gòu)軌道加工精度的影響，滿載吊廂作用力作用位置是隨著索道運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)滿載吊廂進(jìn)站和出站位置變化而變化的。

有效拉力引起的水平力是隨著工況變化而變化的，載荷分析可知，F(xiàn)入和F出決定了有效拉力引起的水平力，而重上空下工況要克服全部滿載吊具重力，其余4種工況只需克服部分或不需克服滿載吊具重力，則表明F入和F出差值在5種工況中是最大的，且索道起動(dòng)時(shí)，由于運(yùn)載工具質(zhì)量、人員或載荷質(zhì)量和由鋼絲繩帶動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量引起的慣性力的影響[3]，有效拉力引起的水平力比運(yùn)行和制動(dòng)時(shí)還要大，即Fs＞Fr且Fs＞Fb。則重上空下索道起動(dòng)時(shí)是鋼結(jié)構(gòu)受力最危險(xiǎn)的工況。由于鋼結(jié)構(gòu)是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故只需要分析受力嚴(yán)重的一側(cè)即可。具體受力如表3所示。

表3 索道順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)、重上空下，索道起動(dòng)時(shí)鋼結(jié)構(gòu)受力

4 結(jié)論

本文通過對(duì)脈動(dòng)索道混凝土基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)的詳細(xì)的載荷分析和工況分析，得出以下結(jié)論：

1）通過對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的分析，明確了鋼結(jié)構(gòu)的載荷種類并計(jì)算了各個(gè)載荷的大小。

2）統(tǒng)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)所有工況下所受載荷情況，并分析界定了鋼結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)工況及其所受載荷，為脈動(dòng)索道混凝土基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了便利和重要依據(jù)。