不斷創新，提升核心競爭力
—超長距離大跨距脫掛

供稿/何 碩 采編/馬 晨

作為現代旅游業和滑雪運動基礎裝備的客運索道,已納入國家鼓勵類產業目錄，目前進入建設快速增長期。截止目前，北京起重運輸機械設計研究院有限公司(以下簡稱北起院)已經建成驗收了118 條脫掛索道。

我國現有客運索道中絕大部分為線路長度3 000 m 以內，最大跨距400 m 以下，具有線路簡單，地形適應性差，只能點對點輸送游客的局限性。隨著近年來各大景區、滑雪場等對環保要求的提高，由于修建景區內部公路對環境破壞較大，環境污染較大，索道需求呈現出超長距離（景區大門或市區乘索道直達各個景點），超大跨距（支架少，跨越溝壑，跨越保護區），多站點乘降的特點，因此迫切需求一種“超長距離（可達8 km 甚至更長），大跨距（可達800 m），帶有中間轉角站”的客運脫掛索道。但是這種較大型的客運脫掛索道，一直被奧地利Doppelmayr、法國POMA 兩家公司壟斷，產品完全依賴進口。

北起院為了積極響應全面推進裝備國產化的國家戰略，急需開發具有自主知識產權的超長距離大跨距脫掛式客運索道，滿足游客空中長距離乘坐，多站點乘降的要求。開發該類型索道存在著線路總體設計計算方法（定索長）難以突破、中間轉角站切換系統復雜、基礎支架設計工作量大設計周期長三大難題。北起院圍繞三大難題，攻克了超長距離大跨距脫掛式客運索道關鍵技術，成功研發并推廣應用了十余個該類索道項目，形成了自主設計制造能力，實現了產業化。

基于定索長理論的單線循環脫掛式索道的總體計算方法

傳統的單線循環脫掛式索道的總體計算方法是基于定張力理論，即在索道的一端設置油缸或者重錘張緊小車裝置來提供索道張緊端的恒定張力，線路上負載工況的變化會使得張緊小車前后移動。國內外的脫掛索道產品，張緊行程基本都在7 m 左右。隨著超長距離大跨距脫掛索道的逐漸增加，對張緊行程的要求不斷提高。在有限的設備行程內，傳統索道設計方案無法達到《客運架空索道安全規范（GB12352—2018）》要求。

定索長理論可以成功解決大張緊行程的脫掛索道張緊裝置不能滿足安全規范要求的難題。定索長理論，即在索道的某一工況（一般為空繩工況）設定張緊端初張力，油缸鎖定，保持小車位置不動。張緊裝置隨著各工況負載的變化，張緊力也同時發生變化。定索長理論的特點即張緊裝置的位置在運行時保持不變，只需考慮溫度變化和鋼絲繩永久伸長對行程的影響，這樣就使得超長距離大跨距脫掛索道的建設在保持原有站房長度不變的情況下成為可能，是超長距離大跨距脫掛式索道方案設計階段的關鍵技術。

索道總體計算程序是索道設計的最根本依據，其模型的準確性，算法的科學性，以及對索道線路的適應范圍都是考察總體計算程序優劣的重要指標。國外索道公司將總體計算程序視為索道技術核心中的核心，完全不對外開放。很多超長距離大跨距脫掛索道就是因為國內不具有定索長理論計算程序，只能選用國外設備，如張家界天門山索道，全線長7.5 km，為法國POMA公司設備。

基于定索長理論的單線循環脫掛式索道的總體計算方法可用于計算單線連續循環式脫掛索道的線路工藝參數。其數學模型是根據車輛在線路上的實際布置，按集中載荷計算的，它考慮了比傳統計算法更多的影響因素，并統一在計算式中。

北起院開發了基于定索長理論的單線循環脫掛式索道的總體計算程序，該程序在基于張緊行程為0的條件下，計算脫掛索道各受力、幾何的參數。主要實現的功能如下：

1) 計算運載索最大、最小的拉力，驗算運載索的安全系數是否符合要求。

2) 計算運載索在支架上的最小折角，用以檢驗運載索支架上的靠貼情況。

3) 計算運載工具緊靠支架時運載索的最大傾角和最小傾角，用以檢查運載工具的爬坡角是否在允許范圍內并求出支架上的垂直、水平載荷，以便進行支架的強度設計。

4) 計算運載索在支架上的最大折角，用以檢驗是否超出托索輪的許用范圍和各支架上的承受力是否均勻。

5) 計算各跨間的垂度，用以檢驗索道線路下方的安全距離是否符合要求。

6) 計算出各種情況下的受力狀況、運行功率、防滑系數等。

可切換中間站系統

超長距離大跨距脫掛式索道往往需要設置中間站，一方面提供落客點，另一方面實現索道線路方向調整。傳統的中間站系統雖然由兩條索道組成，但是不具備切換功能，即兩條索道只能整體運行，無法分段獨立運行。一旦一條索道發生故障，索道需要全線停運以開展線路救援，壓力巨大；同時導致索道運營不具備靈活性。可切換中間站系統關鍵技術的研發及應用，實現了兩條索道的整體、獨立運行，當其中一條索道發生故障時，另一條可正常運行，將乘客運回站內，大大降低了救援和運營壓力。同時可切換中間站系統滿足了用戶的定制化需求，用戶可根據需要隨時選擇兩條索道分段獨立運行或整體運行。

可切換中間站系統的主要研發內容包括可切換的加減速推車系統、可切換的軌道系統、可切換的地面導向及升降平臺系統，以及“一鍵切換”自動控制系統等四個方面。

圖1 可切換中間站布置

北起院圍繞“可獨立/整體運行的中間站系統”的功能要求，首先針對可切換功能開發了可切換的推車系統、可切換的軌道系統、可切換的地面導向系統（圖3，可切換中間站實景）。每一個切換裝置都需要精確定位，因此開發了升降機構精確定位裝置和軌道精確定位裝置，以保證系統的正常運行。開發了獨立推車裝置為切換部分的輪胎提供單獨的動力源以實現“獨立/整體運行”的切換功能。在系統冗余方面，開發了應急推車裝置，在獨立推車裝置發生故障時，可將切換部分的輪胎和直段輪胎連接，從而保證索道的正常運行。

圖2 可切換中間站裝配圖

圖3 可切換中間站實景

圖4 可切換中間站監控系統

針對可切換中間站技術，研發了以下6 項關鍵技術和關鍵裝置。

1）可切換中間站總體布置方法

可切換中間站系統，可以根據需要，將索道切換為整體運行或者獨立運行。根據索道線路的特點，每一個中間站的角度都是不同的。這就需要在任意角度的中間站運用“可切換中間站技術”，同時還要考慮站房建設規模，和站房分流區域規劃等因素影響，合理布置中間站。

2）支撐梁切換裝置和銷軸定位裝置

為適應兩條索道既能獨立運行又能整體運行的工況，北起院研發了可切換的直線段和彎段翻轉機構。國外同類產品的方案一般為直線段和彎段分別設置了不同的連接點，每次切換均要對定位精度進行調整，且由于空間狹小，整體結構比較復雜。北起院開發了插銷共用技術，整體運行和獨立運行的定位通過同一個裝置實現，簡化了設備布置，實現了準確快速切換。銷軸定位裝置通過加工精度控制，實現了準確定位。

3）加減速抬升裝置的優化設計

可獨立、整體運行的中間站系統站內設置有可切換的直線段和彎段，在切換過程中，需要將直線段或彎段輪胎梁抬起或放下。現有輪胎梁提升機構的結構一般都比較復雜，需要額外增加直線段或彎段輪胎梁可繞旋轉的結構，這種結構一方面不夠緊湊，占用空間大，另一方面由于旋轉結構偏心嚴重，惡化了旋轉軸的受力。將皮帶輪組支座分割為旋轉支座和固定支座，使輪胎梁可繞固定支座旋轉，無需增加其他結構。整個裝置結構緊湊，旋轉中心偏心較小，整體受力情況較好。

4）推桿電機防堵轉裝置

該裝置用于可切換的中間站系統中直線段翻轉機構的提升機構，以防止其推桿電機發生堵轉。通常情況下，當推桿到達指定位置，與作用面接觸后，推桿運動受阻，由于電機的延時操作，在此期間電機容易發生堵轉，甚至導致電機燒壞。北起院研發的推桿電機防堵轉裝置在電機有延時操作的情況下，保證翻轉機構與作用面接觸。電機和推桿由鉸制孔螺栓帶動在長孔內運動，從而保證電機不會發生堵轉。

5）應急皮帶裝置

可切換的中間站系統站內直線段和彎段與加減速段是分開的，需要獨立的電機驅動。一旦電機出現故障，直線段和彎段上的輪胎會停止轉動，導致索道停運。北起院開發了應急皮帶裝置，備用皮帶通過張緊裝置連接皮帶輪，從而避免由電機故障引起的索道停運。

6）自動控制系統

“可獨立/整體運行中間站”的自動控制系統采用模塊化設計方案，通過以太網通訊，將12 個節點連接在一起協同工作。針對兼顧正常使用和方便維護的特殊要求，開發了友好的人機界面，操作人員既可以“一鍵切換”，也可以單獨控制某一執行機構；人機界面可通過無線擴展到平板電腦，由操作人員攜帶在切換機構附近使用，極大提高了操作的便利性和安全性。每個切換機構均獨立控制，“一鍵切換”既可4 個切換點同時進行，也可順序執行。切換裝置通過變頻調速的方式，實時跟隨索道運行速度，保證任意速度下索道運行的同步；并實時監測索道的運行狀態，以確保在安全的前提下，切換裝置才能啟動運行。此外，針對索道發車和收車工況的特殊性，設計了整套的解決不同收發車模式的方案。

土建結構標準化設計軟件

索道基礎和支架由于索道類型、高度、角度、荷載、地形地質等條件具有隨機性，土建基礎及鋼結構設計工作不能直接套用已有圖紙，對于每個工程項目必須重新單獨設計繪圖，因此設計工作量較大。特別是對于超長距離大跨距脫掛式客運索道，土建結構的設計工作量非常巨大，有的項目甚至超過六十個基礎和支架。傳統的索道土建基礎及鋼結構設計工作由專業的工程設計人員人工完成，設計周期較長，占用大量的人力資源仍難以保證索道建設工期；同時，設計及繪圖缺乏統一標準，極易出錯，圖紙質量也有待提高。

北起院自主研發了土建結構標準化設計軟件，該軟件通過讀取索道支架及基礎結構計算數據( 由前序索道支架及基礎計算程序生成) 和其它必要數據，模擬人工設計土建基礎及鋼結構的全過程，對上述數據進行分析和進一步計算選型，確定索道基礎和支架各部件的具體規格和詳細尺寸，自動完成詳細圖紙設計，利用軟件后臺操控CAD 軟件自動繪制索道土建基礎及鋼結構支架所有標準化圖紙，從而實現計算機替代人工進行索道土建結構常規設計工作。該軟件的應用，實現“一分鐘”即可完成超長距離大跨距脫掛式客運索道全部基礎和支架的設計出圖工作，大大提高了基礎支架的設計效率和圖紙質量，有效縮短了設計周期。

基礎的標準化設計程序可“一鍵”自動完成索道的基礎總圖、線路獨立基礎、線路桁架基礎、站內基礎、線路基礎預埋件、站內基礎預埋件、地錨基礎、標準件明細表、圖樣目錄等圖紙。

支架鋼結構的標準化設計程序可“一鍵”自動完成塔柱支架總圖、塔柱部件圖、桁架支架總圖、桁架部件圖、橫擔部件圖、走臺部件圖、支架梯子部件圖、走臺斜拉桿、防墜落裝置、通信線纜固定件、起吊架圖、標準件明細表、圖樣目錄等圖紙。

針對線路總體設計計算方法的難題，北起院在國內首次提出基于定索長理論的脫掛索道總體計算方法，打破了原有基于定張力的總體計算思路，另辟蹊徑，解決了長距離脫掛索道在原有定張力總體設計思路下的大張緊行程問題，將張緊行程幾乎縮小為0。解決了定索長總體計算中的幾何和力學模型算法問題，開發了該索道總體計算程序，該總體設計方法不但使得超長距離大跨距脫掛式客運索道的建設成為了可能，而且還充分利用了鋼絲繩張力隨載荷增加而增加的特點，降低了索道等效功率、總體張力、沿線支架載荷，節省了支架和托壓索輪，降低了索道使用企業的電能消耗，符合國家節能減排的可持續發展戰略，符合節能設計的理念，實現了節能節材。

針對中間轉角站“獨立/整體運行”切換的難題，北起院開發了可切換的推車系統、軌道系統、地面導向系統；開發了升降機構和軌道的精確定位裝置；開發了同步獨立推車裝置。實現了“獨立/整體運行”的全自動一鍵切換功能，從而兩段或多段索道即可以分段獨立運行也可以多段聯合運行，提高了索道的運行安全性和運營區段的靈活性，同時增加了索道站址選擇的靈活性（可以避開保護區）。

針對基礎支架設計工作量大設計周期長的難題，北起院基于對索道基礎和支架設計中的固有設計規律進行了總結和歸納，自主開發了CAD 自動繪圖軟件，實現了一個索道基礎和支架圖紙在幾分鐘內即可出圖完畢，大大節省了人力和時間成本，縮短了大型脫掛索道的設計和建設周期。

截止目前，北起院已在福建龍巖梅花山索道、新疆可可托海滑雪場索道、新疆吉克普林滑雪場索道等十幾個項目中成功應用了超長距離大跨距脫掛索道技術，經國家客運架空索道安全監督檢驗中心檢驗，指標符合國家等相關標準，實現了工業化應用和規模化生產，社會效益和經濟效益顯著。經中國機械工業聯合會專家組鑒定，該科技成果具有完全自主知識產權，填補了國內空白，總體技術達到國際先進水平。