手搖式脫掛抱索器防滑力檢測裝置

王小龍 羅原 任 帥 李 偉

1 北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007 2 機械工業物料搬運工程技術研究中心 北京 100007

0 引言

隨著旅游業的蓬勃發展，客運架空索道設備已廣泛應用于各個景區。國內現有索道設備中，單線連續循環式脫掛抱索器吊廂（吊椅）索道以其運量大、運轉平穩、操作簡單和便于維護保養等特點，成為各大景區配套的首選產品。

索道抱索器在運行中，防止載客吊具因為線路坡度、吊具搖擺和啟制動慣性等因素發生滑動的力稱作防滑力，是索道運行過程中一項重要數據，是檢驗維護中必須檢查的項目之一。脫掛抱索器由于承載人數較多、載重較大，防滑力也很大，通常為2 ～3 t，其防滑力測量裝置要精心設計滿足方便使用、測量準確等要求。

目前，脫掛索道設備防滑力檢測方法分為2 類，其一借用鋼絲繩張緊力的方式完成防滑力測試。該方法安裝繁瑣，測量時若吊具停靠位置距離檢測裝置較遠則需要過多卸掉系統壓力，對于線路復雜且受力較大的索道張緊系統，測量完成后不易拆卸，測量時間較長。其二采用小型手動液壓油泵打壓的方式進行防滑力測試，手動泵打壓對鉗口產生的推力通過杠桿轉換為夾緊力，并將檢測裝置上液壓表顯示的壓力數值轉換為對應的防滑力數值。該方法對于安裝操作人員熟練程度要求較高，若操作不當，經常發生夾緊塊被完全卡死、檢測裝置裝不上拆不下以及手動泵液壓缸油量不足等情況發生。為避免上述情況發生，本文設計了一款可快速裝卸、不卡阻和不影響索道設備使用的手搖式脫掛抱索器防滑力檢測裝置，該裝置操作簡單方便適用于多種脫掛索道設備。

1 整體結構

國內各脫掛索道設計制造單位的脫掛抱索器各有特點，結構均不一致。各設計單位也設計了適用于自己脫掛抱索器產品的防滑力測試工具，互相之間難以通用。本文通過觀察、測量、比對不同設計單位的脫掛抱索器的結構，分析得出一些相近的尺寸數據，設計脫掛索道設備通用的手搖式脫掛抱索器防滑力檢測工具，其結構如圖1 所示，由防滑力檢測機構、測力連桿機構、夾緊固定端機構和手動液壓連桿機構4 部分組成。該裝置使用時無需泄張緊系統壓力、無需拆卸導向翼，且不需要站臺作為固定端進行測量，操作方便快捷。

圖1 手搖式防滑力檢測裝置裝配圖

2 裝置結構動作運動分析

2.1 防滑力檢測機構運動分析

防滑力檢測機構在整體結構設計中的主要功能是采集脫掛抱索器鉗口承受的拉力并讀取實時數據。機構三維建模如圖2 所示，由短測力連桿、測力計測量平臺、測力計安裝架等組成。該機構在內外兩側的測力計測量平臺內部均安裝了測力計（單個測力計最大可承載3.5 t）。測量時，該防滑力檢測機構安裝在脫掛抱索器鉗口內、外表面和行走輪之間，無需拆下導向翼，具有安裝便捷，測量精準等特點；2 測力計同時測量，形成數據對比，能更好地反映出脫掛抱索器外抱卡兩側的受力情況。測力計安裝架不僅保證了測力裝置的受力方向平行于鋼絲繩，還可根據脫掛抱索器外抱卡形狀進行調整，保證適合所有脫掛抱索器防滑力測量。

圖2 防滑力檢測機構

在測力計安裝架上方還設計了一個小圓柱體定位軸，該定位軸具備保證液壓缸產生的拉力始終垂直于測力連桿兩側、定位夾緊固定端機構橫向移動的功能。在使用安裝時，先安裝測力計測量機構，再安裝夾緊固定端機構（此時夾緊固定端機構的橫向位置不能確定，不能搖動手柄形成固定端），接著安裝測力連桿機構上連桿，上連桿與短測力連桿、夾緊固定端上凹槽分別連接，然后調整測力連桿機構的短測力連桿與定位軸緊密貼合，此時短測力連桿垂直于鋼絲繩，橫向定位夾緊固定端，搖動夾緊固定端手柄形成測力固定端。

脫掛抱索器外抱卡內外兩側分別安裝小型測力計同時測量，在測量時2 組測量數據接近，互相參照對比。當一端測力計出現損壞時可及時發現，且不影響本次測量數據結果。

2.2 夾緊固定端的運動分析

夾緊固定端的主要功能是為防滑力檢測時提供一個不發生移動的固定端，該固定端能夠承受的防滑力大于脫掛抱索器鉗口的最大防滑力，其三維建模如圖3 所示。

圖3 夾緊固定端機構

鋼絲繩表面固定的方式分為機械夾持式和澆鑄套接式[1]。該防滑力檢測裝置使用機械夾持的方式夾緊鋼絲繩，通過螺栓把接的形式對弧形夾緊塊施壓，形成測量固定端。與傳統螺栓把接方式不同，操作過程中并不使用扭矩扳手直接旋緊螺栓，而是利用減速器的多級減速、增加扭矩功能，將大直徑螺栓旋緊時需要的大轉矩轉換成人力可實現的小轉矩，完成測量固定端與鋼絲繩的夾緊或松開。

該夾緊固定端機構的減速器采用三級齒輪減速，將輸入手柄端人力產生的小轉矩、高轉速轉換成螺桿齒輪輸出端的大轉矩、低轉速，完成固定端的夾緊。該機構使用時減速器內部齒輪不會周期運行，僅將輸入端的搖柄將產生的轉矩通過多極齒輪傳動，傳遞給輸出端的2根螺桿齒輪，完成螺桿齒輪的旋進和旋出。減速器內部由滾動軸承、漸開線直齒圓柱齒輪、直齒錐齒輪組成，內部齒輪嚙合簡圖如圖4 所示。

圖4 齒輪減速器內部嚙合運動簡圖

夾緊裝置的上弧形夾塊中有彈簧定位銷（見圖5），安裝時需沿著滑道將上弧形夾塊滑進定位銷內側完成夾緊固定端的縱向定位。若定位銷下半部分圓弧直徑大于夾塊側面滑動桿的直徑，則接觸方式為圓弧曲面線接觸，無需人為操作定位銷把手，上弧形夾緊塊經過彈簧定位銷時可使定位銷自動彈起，到位后彈簧銷自動復位并利用定位銷左側平面卡住夾塊，防止夾塊在測量時出現滑動、松脫等現象。在拆除固定端時，先操作減速器外側手柄旋松弧形夾塊，然后直接操作彈簧銷把手，向上滑開彈簧銷的同時向后滑出上夾塊，即可完成固定端的拆卸。

圖5 彈簧定位銷

夾緊固定端機構的主要運動方式是旋轉運動和垂直運動，人力搖動輸入端搖柄旋轉，經過齒輪減速器的減速、換向和提升轉矩后，將搖柄縱向旋轉轉變為齒輪螺桿的橫向旋轉。通過與固定端安裝架的螺紋連接，將螺桿齒輪的旋轉運動轉變為縱向移動，完成鋼絲繩的夾緊和松開。

2.3 測力連桿機構、手動液壓連桿機構運動分析

防滑力檢測裝置的測力位置選取很重要，測力位置選擇錯誤會導致測出的結果與實際脫掛抱索器鉗口承受的拉力不一致，測量數據不正確。該裝置選用的測量位置在脫掛抱索器鉗口表面，該位置能夠真實反映出鉗口承受的防滑力數值。

測力連桿機構通過下方液壓缸的回縮對脫掛抱索器外抱卡產生拉力，為防止檢測平面在測量時上下受力不對稱發生偏斜現象，在設計防滑力檢測機構時充分考慮該問題，通過圖1 中的測力計安裝架保持測量平面始終與外抱卡外側平面緊密接觸。測力連桿機構將下側小型液壓缸產生的拉力轉換成上下兩側同時受力，且測力位置是短測力連桿桿件中心。該設計既能保證測力裝置測量時不發生偏斜，受力方向與測量平面垂直，還能減小液壓缸的拉力，縮小液壓缸體積，降低裝置整體質量，三維建模仿真如圖6 所示。

圖6 測力連桿機構

該脫掛抱索器防滑力檢測裝置安裝方便快捷，且每個部分均有把手，方便拿取；操作人員使用時可站在吊廂頂部或支架操作平臺上將各部分與脫掛抱索器鉗口、鋼絲繩安裝，操作更具安全性。測量裝置不使用時可將各部分拆開放置，減小占地面積。

3 夾緊固定端機構設計計算

夾緊固定端機構在手搖式脫掛抱索器防滑力檢測裝置中是復雜、且最重要的機構，其存在使得裝置無需靠站內設施來抵抗脫掛抱索器防滑力測量時對檢測裝置的反作用力，是該裝置區別于其他防滑力檢測設備的重要結構。主要功能是形成一個測量固定端，防止測量裝置在測量時發生移動。使用過程中該機構的受力最大，且有諸多細節設計，故此對該機構進行設計計算便可得到該防滑力檢測裝置的設計可行性。

3.1 弧形夾緊塊最大夾緊力計算

GB 12352—2018《客運索道安裝規范》規定單個抱索器最小防滑力計算公式為

式中：n為抱索器數量，n≤10。

鋼絲繩夾緊固定端采用上下2 個圓弧形鉗口對鋼絲繩產生壓緊力，2 夾塊抱緊鋼絲繩后有10 mm 間隙，夾緊后截面如圖7 所示。

圖7 夾塊與鋼絲繩橫截面示意圖

夾塊弧形內表面與鋼絲繩外表面接觸面積計算公式為[2]

式中：l為夾塊與鋼絲繩接觸區域長度，l=200 mm；d為鋼絲繩直徑，d=60mm。

使用CAD 制圖軟件繪圖測量得出α/2=161.08，代入式（2）得出夾塊與鋼絲繩接觸面積S為0.033 7 m2。

鉗口與鋼絲繩接觸面為圓弧面時，防滑力F與夾緊力PK的關系為

當前，脫掛索道設備的防滑力F取值為26 ～29 kN，為保證測量時弧形夾塊不會發生移動影響防滑力測量，選取F1≥3PA=2μPK=35 kN。

鋼絲繩外表面摩擦系數較小，工業中的鋼絲繩表面摩擦系數一般選取為0.1 ～0.3 之間。客運架空索道作為特種設備，安全性能要求更高。國內外為了確定鋼絲繩表面摩擦系數值，經過實驗最終確定索道用鋼絲繩表面摩擦系數為0.16，該數值遠低于礦用鋼絲繩和其他用途鋼絲繩表面摩擦系數。鋼絲繩表面能夠承受的最大夾緊壓力為50 MPa=49.98×106 N/m2[3]，將F1、μ代入式（3）可計算圓弧形夾塊對鋼絲繩產生的最大夾緊力PK=109 375 N。

鋼絲繩表面最大夾緊壓力為

將最大夾緊力PK和接觸面積S代入式（4）經計算得出最大夾緊壓力P=6.49 MPa，符合鋼絲繩表面最大夾緊壓力使用要求。

3.2 齒輪螺桿最大扭矩計算

在使用過程中，上弧形夾塊的作用是限制夾緊固定端機構縱向移動，下弧形夾塊的作用是向上產生壓力形成夾緊固定端。下弧形夾塊使用2 根直徑為30 mm 的螺栓對其進行向上緊固。夾緊過程中單個螺栓最大產生的安裝載荷為

將使用式（3）計算出的PK值代入式（5）計算得出W0=54 687.5 N。

根據GB/T38343—2019《法蘭接頭安裝技術規定》附錄E.1 中給出的單個螺栓安裝扭矩計算公式

式中：T為單個螺栓安裝扭矩；W0為螺栓安裝載荷；p為螺距；f1為螺紋嚙合面摩擦系數；d2為螺紋基本中徑，d2=d-0.649 5p；De為螺母承載面有效直徑，De=(d0+di)/2[4]。

其中，根據附錄E.1 中參數表得出，螺紋公稱直徑d=30 mm，螺距p=3 mm，牙型角為30°，高度為0.5 ，p=1.5 mm，采用均勻涂抹潤滑油進行潤滑，f1=0.12；得出螺紋基本中徑d2=28.051 5；承載面有效直徑De=26.72；代入式（6），得出單個螺栓最大安裝轉矩為

下弧形夾緊塊通過螺栓聯接的方式對鋼絲繩進行壓緊、松開，齒輪螺桿外表面螺紋和上下夾塊安裝架下側螺栓安裝孔的內表面螺紋需具備牙根強度高，對中性好，不易松動等特點，選擇梯形螺紋能夠滿足所有要求。弧形夾塊與鋼絲繩壓緊后，鋼絲繩受力會產生部分形變，對螺栓產生相應的反作用力，形成防松墊圈的作用，且梯形螺紋具備不易松動的特點，齒輪螺桿旋入后不會自行彈出，到位后無需設計自鎖裝置，改變旋向便可完成夾緊固定端的夾緊和松開動作。

3.3 齒輪選型及校核計算

圖4 為減速減速器中各齒輪的嚙合情況，減速器通過三級減速、增加轉矩的功能，最終得到輸出端齒輪螺桿需要的轉矩。箱體中每個齒輪的受力均不相同，越靠近輸出端齒輪，承受的轉矩越大，轉速越慢。根據靜強度最大齒面應力為

使用該公式校核設計齒輪的齒厚、分度圓直徑等數據。減速器的三維嚙合情況（隱藏減速器體）如圖8 所示。

圖8 減速器三維嚙合情況（隱藏減速器體）

可以看出，2 個齒輪Z1同時與齒輪Z2嚙合，齒輪Z2轉動時，2 個齒輪Z1以相同旋向旋緊、旋松下弧形夾緊塊。齒輪Z3通過齒輪Z2將轉矩傳遞給2 個齒輪Z1，齒輪Z2和齒輪Z3在該減速器中承受最大轉矩，處于最危險位置。齒輪Z2的分度圓直徑相比齒輪Z3較小，故此齒輪Z3承受的靜強度齒面應力σHst是減速器中最大值，現以齒輪Z3為例進行設計校核。

齒輪螺桿Z1的螺桿直徑d=30 mm，齒輪Z1的分度圓直徑d1=50 mm，通過公式

將式（6）算出的單個螺栓最大安裝轉矩T=191 N·m代入式（8）得T1=229.2 N·m。查詢文獻[5]初步確定齒輪Z3部分參數，其中壓力角α=20°，材料為45 號鋼（調質），齒面硬度240 HBW，7 級精度。

根據齒面接觸疲勞強度確定分度圓直徑d3，模數m和齒寬b為查詢文獻[5]得出面接觸疲勞強度參數，如表1所示。

表1 齒面接觸疲勞強度參數

接觸疲勞許用應力[σH]為880 MPa，齒面接觸疲勞強度參數表安全系數S=1。

將表1 中數據代入式（9）～式（11）得

分度圓直徑

模數

齒寬

經圓整后得到分度圓直徑d3=62 mm，模數m=2 mm，齒寬b3=19 mm。

工業傳動中齒輪傳遞效率是最高的，在該齒輪減速器中選定滾動軸承傳動效率為0.99、漸開線直齒圓柱齒輪為0.97、錐齒輪0.95，整個減速器的傳動效率η為

人工操作夾緊時，由于脫掛抱索器吊廂吊桿較長，若該索道站口沒有與支架連接的操作平臺，操作人員需站在吊廂頂部進行操作，操作位置集中于人體肩膀以上，不易發力，故該位置單手能夠產生10 ～20 kg 的力。為了保證測量時最小的力也不發生滑動，使用F=10 kg進行力矩計算，力矩為

齒輪減速器中輸出轉矩、輸入轉矩、傳動比和傳動效率的關系為

根據輸入轉矩和輸出轉矩的關系，將式（12）中計算出的最小力矩值M、齒輪減速器的傳動效率η和式（6）中T總等數據代入式（13），計算得出

使用上述齒輪校核方法并考慮減速器的最小傳動比，初步確定減速器中各齒輪參數，如表2 所示。使用上述方法得到的齒輪結構、強度均能滿足設計條件，能夠承受形成固定端時產生的扭矩。

表2 減速器中各齒輪參數

代入表2 中數據計算齒輪傳動比i，得出減速器傳動比i=19.98 ≥19.1，符合設計要求。

經上述計算驗證得出該裝置在實際使用中具有可行性，且適用設備廣泛。

4 結語

本文設計的手搖式脫掛抱索器防滑力檢測裝置區別于其他設計制造單位使用的脫掛抱索器防滑力檢測設備，利用不同設計制造單位脫掛抱索器的相近結構尺寸進行整體設計，具備操作便捷、測量精準和故障率低等特點，適用于多種脫掛抱索器索道設備，可廣泛應用于索道行業。該裝置采用的鋼絲繩固定方式是該裝置的設計核心和設計亮點，夾緊固定端機構采用的鋼絲繩固定、放松的方法未在工業中使用，具備獨特性。本文所設計的手搖式脫掛抱索器防滑力檢測裝置為脫掛抱索器防滑力檢測設備和鋼絲繩固定夾具的更新換代提供了一個新思路、新方法。