陳子龍, 景文川, 余　容, 何朝明

(1.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031; 2.四川電力送變電建設(shè)公司，四川 成都 610051)

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基于杠桿增力機(jī)構(gòu)的貨運(yùn)索道小車(chē)研究

陳子龍1, 景文川2, 余容1, 何朝明1

(1.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031; 2.四川電力送變電建設(shè)公司，四川 成都 610051)

隨著我國(guó)電力建設(shè)的不斷發(fā)展,輸電線路施工過(guò)程中的貨物運(yùn)輸越來(lái)越受到重視.索道運(yùn)輸作為一種新的運(yùn)輸方式,擁有成本低、施工方便并不受氣候影響等諸多優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用.國(guó)內(nèi)貨運(yùn)索道大多數(shù)采用基于螺栓的固定式抱索器,而且多采用人工進(jìn)行行走小車(chē)的脫掛索動(dòng)作,因此工作效率較低,經(jīng)濟(jì)效益不高.對(duì)行走小車(chē)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,將杠桿增力機(jī)構(gòu)應(yīng)用于小車(chē)結(jié)構(gòu)中,使得小車(chē)的掛重車(chē)體自身重量放大,實(shí)現(xiàn)行走小車(chē)的自動(dòng)掛索;在抱索車(chē)體的自重下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫索.經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,優(yōu)化后的行走小車(chē)能夠應(yīng)用于環(huán)境復(fù)雜的工作場(chǎng)所,并且能夠進(jìn)一步降低成本.

貨運(yùn)索道; 小車(chē); 抱索器; 杠桿增力機(jī)構(gòu); 經(jīng)濟(jì)效益

隨著我國(guó)電力建設(shè)的不斷發(fā)展,對(duì)電力系統(tǒng)的要求越來(lái)越高,因此,對(duì)輸電線路中物資運(yùn)輸中存在的問(wèn)題進(jìn)行有效解決已經(jīng)成為我國(guó)電力系統(tǒng)的首要工作之一.架空索道是一種新的運(yùn)輸工具,在輸電線路施工中物資運(yùn)輸方面得到了廣泛的應(yīng)用[1].在初始階段，索道的發(fā)展推動(dòng)著抱索器的革新,自從動(dòng)力無(wú)極繩索的問(wèn)世,索道技術(shù)的發(fā)展就完全歸結(jié)為抱索器的技術(shù)創(chuàng)新[2].

抱索器是索道系統(tǒng)中的核心部分,也是索道技術(shù)的關(guān)鍵所在.目前,國(guó)外常用的脫掛式抱索器主要有以下幾種:法國(guó)Poma公司研發(fā)的搖桿式抱索器;意大利Leitner公司研發(fā)的搖塊式抱索器;奧地利Girak公司20世紀(jì)60年代初期研發(fā)的鏈輪式抱索器[3].綜上所述,國(guó)外脫掛式抱索器大致可分為凸輪式脫掛抱索器和連桿式脫掛抱索器,脫掛抱索器鉗口夾緊力源主要由金屬?gòu)椈蓙?lái)提供,而且脫掛抱索器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單.國(guó)內(nèi)脫掛索抱索器發(fā)展非常緩慢,主要依靠國(guó)外技術(shù)引進(jìn),自行研發(fā)的只有昆明的一家研究院為廣州白云山旅游索道設(shè)計(jì)的脫掛式旅游索道[4].

目前載人索道的可摘掛式抱索器為搖桿滑塊四桿機(jī)構(gòu),主要是利用四桿機(jī)構(gòu)的增力原理,將人體重量以杠桿比的量級(jí)放大,以活動(dòng)抱卡抱緊力的形式抱緊牽引鋼絲繩.在上述成果基礎(chǔ)上,通過(guò)在上站、下站增加卸貨結(jié)構(gòu),將行走小車(chē)及其貨物重量承載在上站、下站的門(mén)柱支架上,利用杠桿增力原理實(shí)現(xiàn)可靠的自動(dòng)脫索，即：將杠桿增力機(jī)構(gòu)應(yīng)用于行走小車(chē)抱索器結(jié)構(gòu)上,使得小車(chē)能夠在掛重車(chē)體的自重下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掛索,在抱索車(chē)體的自重下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫索.此舉解放了勞動(dòng)力,提高了工作效率以及經(jīng)濟(jì)效益.

1　小車(chē)整體結(jié)構(gòu)

小車(chē)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

1—承載輪; 2—滑動(dòng)軸承; 3—抱索車(chē)體; 4—轉(zhuǎn)向輪; 5—掛重車(chē)體; 6—杠桿增力機(jī)構(gòu); 7—掛鉤.圖1　小車(chē)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Trolley structure diagram

小車(chē)由以前的單輪結(jié)構(gòu)改進(jìn)為雙輪結(jié)構(gòu),兩輪分別屬于可相對(duì)滑動(dòng)的車(chē)體:抱索車(chē)體和掛重車(chē)體.抱索車(chē)體,負(fù)責(zé)在運(yùn)輸過(guò)程中使整個(gè)小車(chē)掛在承載索上,抱索器咬緊牽引索,順利運(yùn)送貨物;掛重車(chē)體,負(fù)責(zé)承載重物,在掛重時(shí)提供抱索器的抱緊力,并由杠桿機(jī)構(gòu)按杠桿比成倍放大,抱緊牽引索.在需要卸貨端松開(kāi)牽引索時(shí),掛重車(chē)體與抱索車(chē)體發(fā)生相對(duì)移動(dòng),兩者高度差減小,使得抱索器松開(kāi)牽引索,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫索.在掛貨端需要抱緊牽引索時(shí),掛重車(chē)體與抱索車(chē)體發(fā)生相對(duì)移動(dòng),兩者高度差增大,使得抱索器抱緊牽引索,實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)抱索.在兩部分車(chē)體相對(duì)移動(dòng)過(guò)程中,由車(chē)體連接部分的滑槽及其內(nèi)的滑動(dòng)軸承進(jìn)行限位.

2　抱索器功能分析及設(shè)計(jì)要求

2.1抱索器功能分析

抱索器的作用主要是在一定的承載能力范圍內(nèi)能夠安全可靠實(shí)現(xiàn)行走小車(chē)的脫掛索.分析索道系統(tǒng)可以得到抱索器的功能主要為[5]:

1)進(jìn)站脫索;

2)出站掛索并隨牽引繩運(yùn)行;

3)通過(guò)杠桿增力機(jī)構(gòu)夾緊牽引繩,達(dá)到自鎖目的;

4)可靠實(shí)現(xiàn)索道的加/減速運(yùn)行.

2.2抱索器設(shè)計(jì)要求

1)抱索器鉗口與牽引繩之間應(yīng)有足夠大的夾持力,避免產(chǎn)生滑動(dòng).應(yīng)該保證抱索器的抗滑力不小于貨物重力在索道最大傾角處沿牽引繩切向方向上分力的3倍.

2)抱索器受力零件的安全系數(shù)不小于6.

3)抱索器夾緊力應(yīng)保持穩(wěn)定,不受索道傾角變化的影響；抱索器安全可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作精確.

3　抱索器受力分析及鉗口形狀

3.1抱索器鉗口形狀選擇

通常采用的鉗口包括平鉗口、圓弧形鉗口以及槽形鉗口三種類(lèi)型.在抱索時(shí),不同類(lèi)型鉗口對(duì)鋼絲繩的圍包角最大值以及槽心角大小如圖2所示.

圖2　鉗口對(duì)牽引繩圍包角示意圖Fig.2　Schematic diagram of the round angle between traction and rope

瑞士的M.Roth提出了鉗口形狀系數(shù)公式,將不同類(lèi)型鉗口的摩擦系數(shù)進(jìn)行區(qū)分,從而得到不同鉗口抱緊牽引鋼絲繩的夾緊力不同.

鉗口形狀系數(shù)公式:

ξ=4(sinφmax-sinφmin)×(sin2φmax-sin2φmin)+2(φmax-φmin)-1,

其中φmax為1/4鉗口對(duì)牽引繩圍包角的最大值:平鉗口中 φmax=0,圓弧形鉗口與槽形鉗口中φmax=30°～35°;φmin為1/4鉗口對(duì)牽引繩的槽心角:平鉗口與圓弧形鉗口中φmin=0,槽形鉗口中φmin=8°～12°;ξ為鉗口形狀系數(shù).

經(jīng)過(guò)計(jì)算,平鉗口ξ=1,圓弧形鉗口ξ=1.04～1.06,槽形鉗口ξ=1.06～1.08[6-8].選取圓弧形鉗口進(jìn)行抱索器的設(shè)計(jì).

3.2抱索器受力分析

抱索器將貨運(yùn)索道行走小車(chē)與貨物進(jìn)行連接,隨牽引索運(yùn)行,主要是依靠抱索器與牽引繩之間的摩擦力進(jìn)行工作.抱索器在索道中受力分析圖如圖3所示.

圖3　抱索器受力分析圖Fig.3　Stress analysis diagram of the rope clip

其中：Q為貨運(yùn)小車(chē)滿(mǎn)載時(shí)重力,α為索道牽引索傾角,N為抱索器的抱口受到的正壓力,F0為行走小車(chē)的下滑力.對(duì)其進(jìn)行受力分析，得

F0=Qsinα，

N=Qcosα.

因此,抱索器在索道傾角最大時(shí)其下滑力F0最大.根據(jù)力平衡條件可以知道,抱索器所受的下滑力應(yīng)該由抱索器受到的摩擦力來(lái)平衡.根據(jù)文獻(xiàn)[9]，選取牽引索與抱索器之間的摩擦系數(shù)μ=0.13.

牽引索受力分析如圖4所示.抱索器與牽引索之間的正壓力由兩部分組成,一部分是行走小車(chē)的重力分力,另一部分是抱索器鉗口力F1，則有

F0=μ(N+2F1).

圖4　牽引索受力分析圖Fig.4　Stress analysis diagram of the rope

K為安全系數(shù),相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB 21008—2007)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(MT/T 873—2000、MT/T 1117—2011)、安全標(biāo)準(zhǔn)(AQ 1038—2007)對(duì)其數(shù)值都有嚴(yán)格規(guī)定,這里選擇K=2[10].因此,抱索器的鉗口力F為

4　抱索器包絡(luò)角及杠桿比設(shè)計(jì)

4.1抱索器包絡(luò)角設(shè)計(jì)

包絡(luò)角就是抱索器鉗口部分包絡(luò)牽引繩的角度.包絡(luò)角越大,抱索器夾緊牽引索的力量就越大,最為特殊的例子就是固定式抱索器,它的脫掛活動(dòng)塊將牽引繩完全包絡(luò).而當(dāng)包絡(luò)角不斷增大時(shí),行走小車(chē)脫索的靈活性就會(huì)變得很差.因此,固定式抱索器在脫索時(shí)就要依靠人力進(jìn)行,這很大程度上限制了應(yīng)用的靈活性[11].因此設(shè)計(jì)抱索器的包絡(luò)角時(shí),既要保證夾緊牽引索,又要滿(mǎn)足脫索時(shí)的靈活要求.

抱索器的鉗口是圓弧形,能夠與牽引繩外表相吻合.其包絡(luò)角的大小可以根據(jù)包絡(luò)系數(shù)K0來(lái)確定,根據(jù)工程實(shí)踐上的經(jīng)驗(yàn),合適的取值范圍是1≤K0≤2.當(dāng)夾緊力F通過(guò)牽引繩橫截面中心沿著水平方向X軸作用時(shí),可以將F分解成沿抱索器鉗口的無(wú)數(shù)個(gè)小徑向壓力q,q的大小各不相同,離原點(diǎn)的距離越大，q值越小,最大值qmax在F的作用軸線上.將這些徑向力進(jìn)行代數(shù)求和∑q,其值大于幾何求和F,即:∑q=K0F.

圖5　抱索器鉗口包絡(luò)分析圖Fig.5　The envelope analysis diagram of rope-grip

將q=qmaxcosβ代入并積分計(jì)算求得

∑q=RBqmax(sinβ2-sinβ1).

因此,可以得到包絡(luò)系數(shù)K0為

4.2抱索器杠桿比設(shè)計(jì)

對(duì)抱索器的杠桿增力機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析,示意圖如圖6所示，其中：Wx，Wy分別為牽引索對(duì)抱索器反作用力的水平分量和垂直分量；FBx，F(xiàn)By為抱索車(chē)體對(duì)抱索器作用力的水平分量和垂直分量；P為掛重車(chē)體重量.這些力共同形成一個(gè)平面力系,即∑Fx=0，∑Fy=0.則有:Wx=FBx，Wy=FBy+P.

圖6　杠桿增力機(jī)構(gòu)及其受力分析圖Fig.6　Lever reinforcement mechanism and its stress analysis diagram

根據(jù)鉸點(diǎn)B處力矩平衡即∑MB=0,則有:Wy×e=P×a.

杠桿比是杠桿機(jī)構(gòu)中所特有的增力效率因素,在該抱索器中,體現(xiàn)的是掛重車(chē)體的重力通過(guò)杠桿增力機(jī)構(gòu)抱緊牽引索的效果.在實(shí)際的應(yīng)用中存在摩擦等導(dǎo)致其效率降低的因素,根據(jù)工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn),一般選取有效杠桿比6∶8為宜.這樣就能夠保證既有效放大掛重車(chē)體重量,使得抱索器將牽引索抱緊,又能在脫掛索時(shí)動(dòng)作靈便.在設(shè)計(jì)杠桿比時(shí),只需要適當(dāng)改變e與a大小即可[14-17].

5　總結(jié)與展望

將杠桿增力機(jī)構(gòu)應(yīng)用到貨運(yùn)小車(chē)抱索器的設(shè)計(jì)中,并且將小車(chē)車(chē)體分為抱索車(chē)體與掛重車(chē)體兩部分,既能使得小車(chē)重心不會(huì)偏移,又能使得掛重車(chē)體的重量經(jīng)杠桿增力機(jī)構(gòu)放大,進(jìn)而使得抱索器能夠夾緊牽引索.將該小車(chē)在川藏電力聯(lián)網(wǎng)工程(巴塘段)中進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證,行走小車(chē)能夠安全可靠地平穩(wěn)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫掛索,從而解放了勞動(dòng)力,提高經(jīng)濟(jì)效益.

隨著索道技術(shù)的自動(dòng)化要求越來(lái)越迫切,推進(jìn)索道作業(yè)的自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)已迫在眉睫.需要進(jìn)一步研究索道運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的相關(guān)設(shè)施,使其向自動(dòng)化方向發(fā)展,并且保證運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程更加高效、可靠.

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Research of the freight ropeway trolley basedon the lever reinforcement mechanism

CHEN Zi-long1, JING Wen-chuan2, YU Rong1, HE Chao-ming1

(1. School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. Sichuan Electric Power Transmission Substation Construction Company, Chengdu 610051, China)

With the rapid development of power industry in our country, the material transportation in the process of the transmission line construction is getting more and more attention. As a new mode of transportation in transmission line, the freight ropeway has been widely used in the transmission line construction with its low cost, convenient construction and not being affected by the climate and other advantages. In the domestic freight ropeway, the fixed rope clips based on bolt is widely adapted, and the action of hanging or offing the cable is always realized by human. So the work efficiency and the economic efficiency are low. The structure of the trolley was optimized, lever reinforcement mechanism was applied to magnify the weight of the bearing body of the trolley which could realize the automatic hanging the cable and could realize the automatic offing the cable based on the weight of the fixed grip body of the trolley. The experiment shows that the optimized trolley can be applied in the complex environment of the workplace, and further reduce the cost.

freight ropeway; trolley; fastening rope clip; lever reinforcement mechanism; economic efficiency

2015-11-23.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275431)；四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014GZX0009).

陳子龍(1990—),男，河南長(zhǎng)葛人，碩士，從事智能控制研究，E-mail:perfext_czl@163.com.http://orcid.org//0000-0002-0079-2082.

何朝明(1972—)，男，重慶人，副教授,博士，從事CAD/CAM研究，E-mail：fly2005@126.com.

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.03.012

TH 235

A

1006-754X(2016)03-0271-05

本刊網(wǎng)址·在線期刊：http://www.journals.zju.edu.cn/gcsjxb