客運架空索道的制動方式

呂月月 張恒宇 孫安國 閆登華 劉 佳

北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007

0 引言

客運架空索道是利用架空繩索支承和載人工具運送乘客的一種機械運輸設備，是在復雜地形條件下運送乘客的一種最優運輸方式[1]。作為一種特種設備，客運索道一旦發生事故，將造成嚴重的人員傷亡和財產損失，社會影響惡劣。索道制動器是保障索道安全運行的重要安全裝置，實現索道的停車、保持以及減速動作。

1 客運架空索道的制動方式

為使架空客運索道的運行更加安全可靠，索道應設置兩套制動器：工作制動器和緊急制動器。2種制動器都屬于機械摩擦式制動器，以摩擦阻力作為制動力使索道停止運轉。

工作制動器又被稱為高速制動器，安裝在高速制動盤上。工作制動器的作用主要有：

1）停車 按下控制面板上的停車按鈕或接收到系統發出的停車信號之后，實現索道停車；

2）保持 使索道停車之后保持靜止狀態；

3）減速 用救援驅動系統手動操縱索道工作過程中，對索道速度進行調節。工作制動器制動力矩的85%應仍大于負載端轉矩。

如圖1所示，緊急制動器又被稱為低速制動器，安裝在驅動輪輪緣處。緊急制動器的作用主要有：

圖1 緊急制動器

1）停車 按下控制面板上的緊急停車按鈕后、系統發出緊急停車信號后或緊急制動器手動閥動作時，都可實現索道停車；

2）保持 使索道停車之后保持靜止狀態。緊急制動器制動力矩的85%應仍大于系統最大扭矩。

依據控制形式不同，可將客運架空索道的制動方式分為3種：工作制動、安全制動、緊急制動，這3種制動方式的制動加速度大小及功能如表1所示。制動加速度：工作制動＜安全制動＜緊急制動，使用頻率：工作制動＞安全制動＞緊急制動。

表1 索道制動方式

2種制動器的制動原則為：工作制動器與緊急制動器在結構上相互獨立，互不干涉；在功能上相互配合，以實現索道的安全有效制動。其中，正常停車和安全停車通過工作制動器實現，緊急停車通過工作制動器和緊急制動器配合使用來實現索道停車。緊急停車過程中，工作制動器和緊急制動器的落閘順序如表2所示[2]。

表2 緊急停車制動器落閘順序

2 制動力的傳遞與計算

制動力通過驅動輪以摩擦力的形式傳遞給運載索。根據歐拉方程可以看出，傳遞的制動力大小受以下幾個因素的影響

式中：S2為基本張力，μ為鋼絲繩與輪襯摩擦系數，α為圍包角。

其中，μ隨輪襯表面壓力的增大而減小，故傳遞制動力的大小也取決于驅動輪直徑、驅動輪槽形以及鋼絲繩結構等因素。

上站基本張力＝下站基本張力+垂直張力，可以看出驅動裝置放置在上站比驅動裝置放置在下站對制動力的傳遞更有利，但由于安裝方便、供電便利等原因有時也將驅動裝置放在下站。

增大鋼絲繩與輪襯摩擦系數μ以及圍包角α都有利于制動力有效地傳遞給鋼絲繩。對于摩擦系數μ，選擇正確的輪襯材料以及適當減少鋼絲繩上潤滑脂的使用量都可以增大摩擦系數。此外，對于架設在易結冰地區的客運架空索道應正確安裝除冰器，以防止結冰導致摩擦系數降低。圍包角α一般為150°～180°，若繼續增大會使鋼絲繩繞過多個大輪，結構將更復雜，鋼絲繩所受的彎曲張力也大大增加，應該盡量避免這種做法。

制動功率Pb的大小可以通過索道勻速運動的功率以及索道的慣性功率求得

式中：PV為索道勻速運動的功率，F為驅動輪張力差；V為索道勻速運行速度，PJ為索道的慣性功率，T為索道啟動的慣性矩，ω為索道運行的角速度。

3 制動方法優化措施

架空客運索道的制動既要響應迅速，同時加速度不能太快，否則會產生很大的沖擊。這就要求制動加速度必須保持在一定范圍內，GB 12352—2018《客運架空索道安全規范》中對不同類型索道的制動加速度做出了相應規定[3]。

索道制動時所需的制動力大小與系統慣性力有關，而不同工況下系統慣性力的大小是不同的，這導致了不同工況下制動加速度數值存在差異。為使每個工況下制動加速度的大小均滿足，GB 12352—2018《客運架空索道安全規范》中的要求，需要對制動方法進行優化。

目前，制動方法優化措施有：制動器液壓系統二次制動、節流閥節流控制、液壓單元模塊化調節等[4]。

3.1 制動器液壓系統二次制動

液壓站泄油時制動器抱閘制動，圖2為制動器液壓系統二次制動過程。當液壓缸泄油時，電磁鐵1CT首先得電換向，此時壓力油經過換向閥11a和溢流閥7b回油箱。在這個過程中，7b相當于一個背壓閥，通過設置7b的壓力值來控制制動力的大小。此時G1、G2沒有完全泄壓，故制動力只有一部分作用在制動面上，制動加速度比較小。設置的延時結束之后，電磁鐵2CT得電換向，壓力油通過換向閥12直接回油箱，液壓缸實現完全泄油。此時制動力完全作用在制動面上，制動加速度增大。液壓系統二次制動過程中制動壓力逐次增大，使制動過程更加平穩，是一種簡單實用的控制方法。

圖2 液壓系統二次制動過程

3.2 節流閥節流控制

單向節流閥（17a、17b、17c、17d）可以通過控制液壓油流量來實現對制動力大小的控制，節流閥可以單獨進行控制，也可以與二次制動過程配合使用，使制動效果更為理想。

3.3 液壓單元模塊化調節

液壓單元模塊化調節有2種情況：1）2個制動器分別采用2個相互獨立的相同液壓單元進行控制；2）緊急制動器采用液壓單元進行控制，工作制動器采用PLC進行控制。

圖3為上述情況①制動時液壓單元中液壓油的流動情況。由于此時工作制動器和緊急制動器液壓控制單元完全相同，且緊急制動器使用頻率很低，所以僅對工作制動器的液壓控制單元進行介紹。系統發出工作制動信號之后，隔離閥16打開，液壓缸開始泄油，制動器壓力逐漸下降至傳感器14顯示的接觸壓力。

圖3 調節制動

第一次泄壓完成之后，工作制動器繼續按照系統預先設定的減速曲線進行動作。控制閥11、12交替開啟、關閉，對液壓單元中的壓力進行調節，使制動器根據需要的力度抱閘制動。同時方向控制閥12、13得電，液壓油可通過方向控制閥11流入油箱，完成整個制動過程。

圖4為液壓單元對緊急制動器進行控制的情況。系統發出緊急制動信號，方向控制閥10、12、13失電，方向控制閥11得電，液壓油全部流回油箱，制動器抱閘制動。

圖4 緊急制動

4 結語

隨著旅游業的發展，客運架空索道的建設規模越來越大。在客運架空索道的運行中，安全平穩制動是至關重要的一環。安全制動通過工作制動器和緊急制動器配合作用來實現，工作制動器和緊急制動器在結構上各自獨立，在功能上相輔相成。

制動力以摩擦力的形式傳遞到鋼絲繩上，傳遞的效率取決于基本張力、鋼絲繩與輪襯摩擦系數、圍包角，同時也間接受驅動輪直徑、驅動輪槽形、鋼絲繩結構的影響。驅動裝置放置在上站對制動力的傳遞更為有利，同樣的，增大鋼絲繩與輪襯摩擦系數以及圍包角也有利于制動力的傳遞。但是，增大圍包角會使結構變得復雜，也會縮短鋼絲繩的壽命，所以增大圍包角這種做法不可取。

為使不同工況下的制動加速度均滿足要求，對制動方法進行了優化改進。每個優化措施都各有利弊，可根據實際情況選擇恰當的優化方法。