雙承載貨運索道跑車結構分析與優化

曾浩，周成軍，周新年，鄭麗鳳，巫志龍

(福建農林大學 交通與土木工程學院，福州 350108)

0 引言

索道作為一種可靠、便捷的運輸方式，能適應復雜地形，跨越山川，克服惡劣條件，運距短[1]，具有不可比擬的優越性，廣泛應用于風景區[2]、林業、礦業生產和電力系統。相比單承載索的索道系統，雙承載貨運索道承載索張緊難度小，受氣候影響小，索道安裝架設方便快捷，安全性高，適應大跨度、大載重量，貨物運輸穩定性高。

廈門健康步道工程采用雙承載貨運索道作為鋼構件的主要運輸方式[1]，雖然現有索道理論[3-6]和動力學方法[7-10]較為豐富，但雙承載跑車結構欠佳且材料冗余，安裝調試時需工人反復使用扳手松開或擰緊預緊螺栓，使抱索塊壓緊或松開閉式循環牽引索，勞動強度大。因此，需在原有基礎上改進抱索塊結構，降低勞動強度，并對跑車進行性能分析和結構優化，提高其使用壽命。本研究以廈門健康步道工程鋼構吊裝所用雙承載貨運索道為例，對現有雙承載閉式牽引多跨索道跑車進行結構分析，設計一種快速脫掛索裝置，并對跑車進行有限元分析和部件結構優化。

1 跑車結構屬性

雙承載循環牽引多跨索道跑車多與相應的中間支架鞍座配套，鞍座形式決定跑車整體結構。福建農林大學自主設計的雙承載閉式牽引貨運索道中間支架組合鞍座及配套跑車如圖1(a)所示。組合鞍座不僅需要支承承載索、跑車和重物，還需托承閉式牽引索。兩側平曲鞍座的繩槽起支承作用，承載索可在槽內發生竄移，平曲鞍座頂部可供跑車行走通過；閉式牽引索則由懸臂形式的托索輪進行托承，因此抱索器以下部分結構必須偏置跑車才能通過組合鞍座，這使得跑車重載運行時豎板承受較大彎矩，其結構性能有待改進。

雙承載閉式牽引貨運索道跑車由行走機構、載物機構、牽引機構和車身4部分組成。

(1)行走機構：采用雙側對稱四輪支承形式，主要功能是保持跑車懸掛并穩定運行在雙承載索上，使其支承跑車自重及運載貨物的重量[11]，由行走輪、側擋板、行走輪軸和螺母組成。

(2)載物機構：位于跑車底部采用板孔形式，用于安裝載物吊鉤與承托貨物質量，使用單塊豎板挖孔制成。

(3)牽引機構：將跑車固連在閉式循環牽引索上，通過控制絞盤機，可實現跑車在線路上的運行和止動，由固定抱索塊、活動抱索塊、螺栓和螺母組成。

(4)車身：跑車的本體，主要用于連接上述機構，包括長軸、短軸、側短板、車身豎板、螺母，車身豎板與載物機構通過多塊鋼板焊接成一體，如圖1(b)和圖1(c)所示。

1.行走輪；2.行走輪軸；3.長軸及其上套筒；4.側擋板；5.載物機構；6.抱索器；7.車身豎板。

2 快速脫掛索裝置設計

現有跑車的抱索裝置無法使牽引索完全居中，對于公稱尺寸不同的鋼絲繩其偏移量不同，適應性差，導致跑車受牽引時產生偏心力；臨時用貨運索道需要進行反復調整拆裝和轉移，跑車拖掛、脫離牽引索需工人完全拆裝抱索螺栓，過程繁瑣、勞動強度大，不利于貨運索道發展。自行車坐管夾快拆裝置利用螺栓及扳把在鉸鏈端的凸輪結構實現對坐管夾的快速松緊，因此可結合活頁鉸鏈，設計一種牽引索快速夾緊裝置用于索道跑車，并根據實際工況進行關鍵零件的選型和計算校核。

2.1 工況分析與裝置設計

因左右布置的抱索塊無法保證鋼絲繩完全居中，故將其布置為上下。將活頁鉸鏈焊接于活動抱索塊、固定抱索塊同側，承受夾緊反力的同時防止活動抱索塊遺失。快拆扳把轉動副端的圓弧表面是凸輪面，當接觸面位于基圓時，適當旋緊快拆裝置、轉動扳把，使得凸輪處于遠停狀態，完成鎖緊過程。安裝跑車時，工人將牽引索放置到繩槽中，合上活動抱索塊，通過端部槽安裝快拆螺絲，作小幅調整并鎖緊；跑車脫離牽引索時，工人只需將扳把撥起，取出快拆螺絲即可卸下跑車。考慮到跑車運行發生震動，設置彈簧、擋片結構防止扳把松動。該裝置簡易快捷，不大幅改變原有抱索器結構下能夠充分利用現有部件，設計和制造成本低，設計前后抱索裝置對比如圖2所示。

1.固定抱索塊；2.活動抱索塊；3.螺栓；4.螺母；5.固定抱索塊(含內襯)；6.快拆螺母；7.擋片；8.活動抱索塊(含內襯)；9.活頁鉸鏈；10.壓縮彈簧；11.快拆扳把。

為保護鋼絲繩夾緊部分并保證接觸，在抱索塊夾緊內側增加摩擦襯墊。接觸內襯對鋼絲繩的鎖緊至關重要，襯墊的摩擦系數是保證運作與安全的關鍵參數。國內外研究表明，摩擦襯墊的摩擦系數受材料本身影響最為明顯；鋼繩襯墊材料以橡膠為主。

選擇摩擦系數最大的高硬丁晴橡膠作為內襯材料[12]，其摩擦系數μ=0.282。摩擦襯墊與抱索塊接觸部分使用黏結劑聯接，伸出部分錨于抱索塊端面。

對活動抱索塊進行受力分析，如圖3所示，其中y=25 mm，l=30 mm。快速脫掛索裝置關鍵零件設計參數見表1，其中鉸鏈軸主要承受剪切力，快拆螺母主要承受軸向拉力。

圖3 活動抱索塊結構及受力情況Fig.3 Structure and force conditions of moveable cable holding block

2.2 選型與計算校核

(1)設計荷重(P)

(1)

式中：P1為物料重量，N，最大物料重35 000 N；P2為跑車重量，N，雙線雙索采用雙跑車形式，單跑車自重340 N；G為沖擊系數，G= 6S0M=6×0.02=0.12；WQ為循環牽引索自重，N，WQ=QQL0M=608.05 N(QQ為循環牽引索單位長度重力，雙承載貨運索道計算選用6×19 M FCΦ12 mm鋼絲繩，根據《鋼絲繩通用技術條件》(GB/T 20118—2017)[13]，QQ=5.05 N/m；L0M為計算跨的無荷索長，L0M=120.5 m)。

(2)跑車最大升角

(2)

式中：α為弦傾角，(°)，該索道計算跨弦傾角α=0.209°；l0為計算跨距，m，計算跨為第6跨，l0=120.4 m；Hmax為有荷水平最大拉力，N，Hmax=9 169 4 N；q為承載索單位荷重，N/m，對于6×19-WSCΦ20 mm鋼絲繩，q=16 N/m。

(3)牽引索最大牽引力

(3)

將γmax=13.15°代入上式，得TQmax=17 871 N。

(4)關鍵部件校核。快拆螺栓桿主要承受軸向拉力，根據拉伸破壞強度準則[14]，單個螺栓

(4)

式中：n1為快拆螺栓個數；[σ]為材料許用拉應力，[σ]=σs/n，σs為材料屈服極限，n為安全系數，取n=1.5;d1為螺栓公稱直徑。

鉸鏈軸主要承受剪切，根據剪切強度條件[14]

(5)

式中：n2為鉸鏈軸剪切面個數；[τ]為材料的許用剪應力，[τ] =σs/s，s為安全系數，取s=3.5；d2為鉸鏈軸直徑。

(5)校核結果。計算參數和校核結果見表1，所選參數滿足實際工況和設計要求。

表1 快速脫掛索裝置校核結果

3 跑車結構優化

3.1 優化方案

力學分析和有限元分析結果可為結構優化設計提供一定參考依據[15-17]。利用Solidworks軟件建立跑車1∶1三維實體模型，使用Simulation插件對跑車進行應力應變和位移分析。

(1)材料及載荷工況。跑車行走輪、行走輪軸、輪側擋板、豎短板、長軸與短軸材料為45鋼，車身豎板和載物機構材料為60 Mn，除抱索裝置丁晴橡膠及不銹鋼合頁外，其余部件材料為Q235-A。

索道運行時跑車在線路任意點作瞬時平動，該貨運索道工程最大運輸載荷為3.5 t，故單跑車載重為 1.75 t。假設承載索靜止，跑車懸掛其上重載運行，以最大運載量對跑車進行有限元分析。因此，應對4個行走輪底部添加固定約束，對載物機構內壁底部施加載荷(P)，P=17 500 N。

(2)有限元分析結果：劃分網格，運行算例，得到跑車的應力應變和位移云圖，如圖4所示。

圖4 現有跑車有限元分析結果

3.1.1 結果分析

由表2可知，結構不對稱性使得車身豎板承受較大應力；跑車載物機構底部產生較大位移，同時由于多板材焊接使其材料冗余嚴重；抱索裝置及短軸以上部分受力變形情況良好，具有較大優化空間。結合有限元分析結果和跑車的受力變形情況，對跑車部件形狀、尺寸和結構進行優化，在保證應力滿足材料的強度條件下，減輕跑車整機質量，提高跑車整體使用壽命。

表2 跑車有限元分析結果Tab.2 Results of the calculation example of original carriage

3.1.2 行走機構優化

(1)長軸：對長軸進行靜力分析可知，兩豎板間不受剪力和彎矩影響。考慮到裝配性，不改變長軸和軸上零件結構，因此可減小兩豎板間套筒厚度，將套筒厚度減半至4 mm。

(2)輪側鋼板：輪側鋼板用于連接行走輪軸和長軸，其受力情況如圖5(a)所示(其中F=P/4)。根據輪側鋼板的受力和變形情況，對其進行形狀優化以改善其受力和變形條件，擬訂方案如圖5(b)所示。

(a) 輪側鋼板受力情況

拓撲優化以材料分布為優化對象，可在均勻分布材料的設計空間中找到最佳分布方案。擬定輪側鋼板優化方案后，對結構進行拓撲優化，再結合實際工況得出最終優化方案。

利用Inspire軟件，基于拓撲優化變密度法中的SIMP法，以結構的最大靜力剛度為優化目標，以其設計空間的體積分數為約束條件，對輪側鋼板進行拓撲分析，為優化方案的確定提供依據[18]，其數學模型為

式中：X為設計變量，即單元相對密度；Ω為優化設計變量集合；C為柔度；U、K、F分別為結構位移、整體剛度和荷載矩陣；V(x) 為體積約束函數;V*為體積限制分數值；i為單元數量；xmin、xmax為設計變量的下限和上限值[19]。

以輪側鋼板受靜力作用工況進行分析[20]，質量目標為原有設計空間總體積的50%進行運算，運算結果如圖6(a)所示。

根據拓撲優化分析的材料分布，以去除5%質量為拓撲優化方案，在對應位置挖去形狀相似的材料。此外，考慮到索道運行時跑車在承載索上振動、偏轉，側板應有低于行走輪一部分的結構，防止跑車行走輪脫離承載索。因此，結合拓撲優化和實際工況得出輪側鋼板最終優化方案，如圖6(b)所示。

(a) 拓撲分析結果

3.1.3 豎板與載物機構優化

原車身豎板短軸以下部分所受應力較大，由于鞍座結構的特殊性無法將跑車對稱設計，考慮到角鋼的抗彎特性較好，小幅降低豎板厚度并在車身豎板兩側增加鋼材；原跑車載物機構由多板材結構，并與車身豎板焊接為一體，造成大量材料冗余，故將車身豎板設計成Z字形一體式結構，同時增加肋板結構，優化方案如圖7所示。

圖7 輪側鋼板拓撲結果及優化方案Fig.7 Topology results and optimization scheme of the wheel side steel plate

3.2 優化結果分析與調整

3.2.1 優化結果分析

對優化后的跑車模型適當簡化，劃分網格并運行算例，如圖8所示。

圖8 優化后跑車應力云圖Fig.8 Stress cloud diagram of the optimized carriage

圖8有限元分析結果表明，優化后的跑車車身豎板應力應變分布整體降低，原跑車最大應力值2.677×108N/m2從車身豎板轉移至肋板，大小為2.557×108N/m2。車身豎板整體應力主要集中在兩側加勁板上，優化后的跑車壽命得到改善。

由表3可知，原跑車三維建模和定義材料后所測的質量為35.824 kg，將優化后的跑車與快速脫掛索裝置進行裝配后測得質量32.556 kg，跑車整機質量減少，優化結果表明設計方案在保證跑車安全運行的情況下，跑車整機質量降低，應力集中轉移至肋板，跑車整體壽命提高。

表3 優化前后跑車質量對比

3.2.2 鞍座調整

跑車優化設計后，需要將配套鞍座調整，以便于跑車通過鞍座。優化后的跑車行走輪底部相對行走輪軸軸線有偏移、快速脫掛索裝置進行居中處理且底部相對車身的高度發生了變化、車身豎板處肋板可能與托索輪發生干涉。建立優化跑車與鞍座的裝配圖，分別調整鞍座懸臂軸與托索輪懸臂軸間的高差、托索輪的水平位置和輪寬。裝配分析結果可知，跑車能安全可靠地通過中間支架鞍座，如圖9所示。

圖9 優化跑車過鞍座示意Fig.9 Diagram of the optimized carriage crossing over the saddle

4 結論

本研究以廈門健康步道工程鋼構吊裝所用雙承載閉式牽引貨運索道為例，根據實際工況對跑車進行優化，設計一種快速脫掛索裝置，并根據受力情況和SolidWorks有限元分析結果對跑車部件的尺寸與結構形式進行優化。計算與分析結果表明，快速脫掛索裝置能夠較好減少工人脫掛勞動強度；優化后的結果表明，優化方案提高了跑車整體壽命，優化后跑車材料質量減少3.268 kg，相比原跑車減少9.122%，可為同類跑車的設計與優化提供思路。