周朝朋

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

纜車也稱空中索道,主要用途為輸送游客與運輸貨物[1]。它憑借獨特的優(yōu)勢，在運輸市場占有一定份額，2000 年，貴州云馬索道纜車公司為四川西陵雪山風(fēng)景區(qū)設(shè)計了8 人纜車，這一設(shè)計標(biāo)志著我國在纜車設(shè)計方面的技術(shù)已初步成熟，雖然實現(xiàn)了纜車技術(shù)方面的突破，但是與國外成熟的纜車技術(shù)相比，中國的纜車技術(shù)還有很長一段路要走。為了加速我國在纜車行業(yè)的發(fā)展，本文基于UG 軟件分析8 人吊籃的靜態(tài)性能。為今后纜車的設(shè)計提供理論和數(shù)據(jù)支持。

吊籃主要由承重梁連接件、底板梁、下橫梁、立柱、上橫梁、頂梁連接件、承重頂梁等組成，主要利用鋼絲牽引實現(xiàn)游客目的地的傳送，其中，吊籃主要的受力部件為立柱、上下橫梁。

未來纜車的發(fā)展趨勢主要有2 個方面：（1）對驅(qū)動裝置進(jìn)行簡化，從而提高可靠性。這一優(yōu)化目前已經(jīng)被市場所認(rèn)可；（2）考慮使用新型材料來減輕吊籃的整體質(zhì)量。隨著科技的發(fā)展，出現(xiàn)了更加優(yōu)質(zhì)的材料，比如生物材料、納米材料、新型鋼鐵材料。有些材料的剛度和強(qiáng)度大而自身質(zhì)量卻很輕，在保證纜車質(zhì)量的情況下，也實現(xiàn)了纜車的輕量化設(shè)計[1]。

1 吊籃的有限元模型

1.1 研究方法

8M 纜車的吊籃的結(jié)構(gòu)為箱體結(jié)構(gòu)，其立柱、下橫梁、上橫梁為等截面梁。在纜車實際的工作中，立柱會承受拉伸、拉彎等工況，故本文在UG 軟件高級仿真模塊中，立柱、上橫梁、下橫梁采用3D 掃略網(wǎng)格[2,3]，來模擬吊籃在實際工作中各個結(jié)構(gòu)在各種工況中承受的拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)以及在受力情況下的應(yīng)力、應(yīng)變等情況。在建模過程中，三維數(shù)字模型采用自上而下的建模方式，通過建立點、線對模型進(jìn)行定位然后建立模型[4]，而后對模型進(jìn)行幾何、位置分析，確定模型以及裝配誤差是否滿足設(shè)計要求，通過對模型形狀分析，采用不同的網(wǎng)格類型對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了使分析結(jié)果更加精確，應(yīng)盡量使網(wǎng)格細(xì)化。賦予材料屬性，根據(jù)不同的工況分別定義約束、受力，進(jìn)而求解結(jié)果。

1.2 工況分析

根據(jù)纜車實際工作情況，設(shè)定運行風(fēng)壓0.25 kN/m2，停運風(fēng)壓0.8 kN/m2，啟動加速度最小為0.15 m/s2，工作最小制動減速度0.4 m/s2，最大緊急制動減速度1.5 m/s2。根據(jù)設(shè)定的工作狀態(tài)不同，共有7 種工況：

工況1：纜車正常運行（有運行風(fēng)壓），受吊籃自重G，有效載荷Q（Q 指的是滿負(fù)荷運行所承載的人員的總重量），運行中受到的風(fēng)載荷Fwy(橫向風(fēng)載荷)或者Fwx(縱向風(fēng)載荷)；

工況2：停運大雪（吊廂內(nèi)無負(fù)荷，頂部有雪），受吊籃自重G，吊籃頂部所承受的雪載荷Ws；

工況3：停運大風(fēng)（吊廂內(nèi)無負(fù)荷），受吊籃自重G，運行中受到的風(fēng)載荷Fwy和Fwx；

工況4：線路制動（有載有風(fēng)）只用于驗算吊桿吊架以及吊點連接螺栓），受吊籃自重G，有效載荷Q，運行中受到的風(fēng)載荷Fwy和Fwx，人的沖擊載荷H，慣性力Fa；

工況5：站內(nèi)運行偏載（一半的人，作用于車廂一側(cè)的面積），受吊籃自重G，0.5 倍的有效載荷，進(jìn)站導(dǎo)向裝置受水平力：R；

工況6：正常運行廂內(nèi)沖擊力（橫向和縱向），受吊籃自重G，有效載荷Q，人的沖擊載荷H；

工況7：1.5 倍廂體重量和人重（用于疲勞計算），受吊籃自重G，1.5 倍有效載荷。在此不作計算。

由GB 12352-2018 《客運架空索道安全規(guī)范》，力的計算公式為

2 吊籃靜態(tài)性能分析

2.1 靜強(qiáng)度分析

吊籃材料采用AL6061，許用應(yīng)力[σ]=265 MPa，CAE 模型網(wǎng)格圖如圖1 所示，在結(jié)果圖片中，參考第四強(qiáng)度理論[5-6]，顯示的應(yīng)力為 Von mises，在不同的工況下的不同應(yīng)力如圖2—圖7 所示。

（1）吊籃在正常運行過程中，受到最大應(yīng)力為59.56 MPa，最大應(yīng)力位置在門框邊架和上橫梁連接處。由圖2 中可以看出，應(yīng)力集中在邊框處，其他位置的應(yīng)力較小。

（2）吊籃在停運大雪工況下，最大應(yīng)力為4.525 MPa，最大應(yīng)力處立柱和橫梁連接處，從圖3 可以看出，應(yīng)力集中在橫梁位置。

（3）吊籃在停運大風(fēng)工況下，最大應(yīng)力52.22 MPa,最大應(yīng)力位置門框和上橫梁連接處。在立柱的上端有應(yīng)力。

（4）吊籃在緊急制動的工況下，最大應(yīng)力109.13 MPa，最大受力位于門框與上橫梁連接處。

圖1 吊籃網(wǎng)格圖Fig.1 Basket grid

圖2 正常運行吊籃應(yīng)力云圖Fig.2 Stress nephogram of basket in normal operation

圖3 停運大雪吊籃應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram of suspended snow basket

圖4 停運大風(fēng)吊籃應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephogram of suspended high winds crane basket

圖5 線路制動吊籃應(yīng)力云圖Fig.5 Stress nephogram of line brake basket

（5）吊籃在站內(nèi)偏載運行中，最大應(yīng)力36.58 MPa，最大應(yīng)力位置與緊急制動相同。（6）吊籃在1.5 倍箱內(nèi)沖擊，最大應(yīng)力109.74 MPa，最大位置門框與上橫梁連接處。

2.2 吊籃受載剛度分析

吊籃的強(qiáng)度分析目的主要是吊籃在工作中承受的應(yīng)力，以便在之后的設(shè)計中在關(guān)鍵位置采取合理的設(shè)計方式，同時兼顧吊籃的質(zhì)量和生產(chǎn)效益[7,8]。在吊籃的實際工作中，吊籃的變形也是不可忽視的部分，當(dāng)變形量超過許用變形時，吊籃結(jié)構(gòu)被破壞，造成不可挽回的后果。吊籃在各工況下的位移云圖如圖8—圖13 所示。

圖6 站內(nèi)偏載吊籃應(yīng)力云圖Fig.6 Stress nephogram of off-load basket in the station

圖7 箱體沖擊吊籃應(yīng)力圖Fig.7 Stress diagram of box impact basket

由圖8—圖13 可知，在各工況下位移分別為：2.616，0.052 1，4.832，5.568，1.342，4.308 mm。發(fā)生最大偏移的位置大多集中在門框架的中部。考慮安全因素，實際位移要小于理論計算的位移。

由吊籃的有限元計算結(jié)果可以看出，在吊籃緊急制動工況下，最大應(yīng)力109.13 MPa，最大受力位于門框與上橫梁連接處。材料的許用應(yīng)力[σ]=265 MPa，所以結(jié)構(gòu)滿足靜強(qiáng)度的設(shè)計要求。各工況下吊籃最大位移量為5.568 mm，許用位移量6 mm。故靜剛度的設(shè)計滿足要求。

圖8 正常運行吊籃位移云圖Fig.8 Displacement nephogram of normal operation basket

圖9 停運大雪吊籃位移云圖Fig.9 Displacement nephogram of suspended snow basket

圖10 停運大風(fēng)吊籃位移云圖Fig.10 Displacement nephogram of suspended gale basket

圖12 站內(nèi)偏載吊籃位移云圖Fig.12 Displacement nephogram of off load basket in the station

圖13 1.5 倍箱體沖擊吊籃位移云圖Fig.13 Displacement nephogram of 1.5 times box impact basket

3 結(jié)論

通過對吊籃的有限元分析，得到各工況下受到的最大應(yīng)力值和最大應(yīng)力值的位置，以及吊籃最大位移和最大位移的位置。由仿真結(jié)果可以看出，最大應(yīng)力發(fā)生在門框架和上橫梁的連接處，所以設(shè)計電纜結(jié)構(gòu)時可以考慮多鉚釘連接，這樣既可以保證吊籃結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，也不會破壞吊籃的整體結(jié)構(gòu)。通過計算表明，該設(shè)計滿足設(shè)計要求。