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)

?

基于杠桿增力機(jī)構(gòu)的貨運(yùn)索道小車研究

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)

隨著我國電力建設(shè)的不斷發(fā)展,輸電線路施工過程中的貨物運(yùn)輸越來越受到重視.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)行行走小車的脫掛索動作,因此工作效率較低,經(jīng)濟(jì)效益不高.對行走小車結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,將杠桿增力機(jī)構(gòu)應(yīng)用于小車結(jié)構(gòu)中,使得小車的掛重車體自身重量放大,實(shí)現(xiàn)行走小車的自動掛索;在抱索車體的自重下實(shí)現(xiàn)自動脫索.經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,優(yōu)化后的行走小車能夠應(yīng)用于環(huán)境復(fù)雜的工作場所,并且能夠進(jìn)一步降低成本.

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

隨著我國電力建設(shè)的不斷發(fā)展,對電力系統(tǒng)的要求越來越高,因此,對輸電線路中物資運(yùn)輸中存在的問題進(jìn)行有效解決已經(jīng)成為我國電力系統(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)展推動著抱索器的革新,自從動力無極繩索的問世,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,國外常用的脫掛式抱索器主要有以下幾種:法國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彈簧來提供,而且脫掛抱索器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較簡單.國內(nèi)脫掛索抱索器發(fā)展非常緩慢,主要依靠國外技術(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放大,以活動抱卡抱緊力的形式抱緊牽引鋼絲繩.在上述成果基礎(chǔ)上,通過在上站、下站增加卸貨結(jié)構(gòu),將行走小車及其貨物重量承載在上站、下站的門柱支架上,利用杠桿增力原理實(shí)現(xiàn)可靠的自動脫索，即：將杠桿增力機(jī)構(gòu)應(yīng)用于行走小車抱索器結(jié)構(gòu)上,使得小車能夠在掛重車體的自重下實(shí)現(xiàn)自動掛索,在抱索車體的自重下實(shí)現(xiàn)自動脫索.此舉解放了勞動力,提高了工作效率以及經(jīng)濟(jì)效益.

1　小車整體結(jié)構(gòu)

小車結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

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

小車由以前的單輪結(jié)構(gòu)改進(jìn)為雙輪結(jié)構(gòu),兩輪分別屬于可相對滑動的車體:抱索車體和掛重車體.抱索車體,負(fù)責(zé)在運(yùn)輸過程中使整個(gè)小車掛在承載索上,抱索器咬緊牽引索,順利運(yùn)送貨物;掛重車體,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.在需要卸貨端松開牽引索時(shí),掛重車體與抱索車體發(fā)生相對移動,兩者高度差減小,使得抱索器松開牽引索,實(shí)現(xiàn)自動脫索.在掛貨端需要抱緊牽引索時(shí),掛重車體與抱索車體發(fā)生相對移動,兩者高度差增大,使得抱索器抱緊牽引索,實(shí)現(xiàn)半自動抱索.在兩部分車體相對移動過程中,由車體連接部分的滑槽及其內(nèi)的滑動軸承進(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.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)簡單、動作精確.

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型.在抱索時(shí),不同類型鉗口對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)小車滿載時(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為行走小車的下滑力.對其進(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),行走小車脫索的靈活性就會變得很差.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為抱索車體對抱索器作用力的水平分量和垂直分量；P為掛重車體重量.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)的是掛重車體的重力通過杠桿增力機(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體重量,使得抱索器將牽引索抱緊,又能在脫掛索時(shí)動作靈便.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)小車抱索器的設(shè)計(jì)中,并且將小車車體分為抱索車體與掛重車體兩部分,既能使得小車重心不會偏移,又能使得掛重車體的重量經(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,行走小車能夠安全可靠地平穩(wěn)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)自動脫掛索,從而解放了勞動力,提高經(jīng)濟(jì)效益.

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

[1] 胡亮,黃濤濤,關(guān)紹峰.探討輸電線路施工中索道的應(yīng)用[J].廣東科技,2012,12(24):53-54．

HU Liang,HUANG Tao-tao,GUAN Shao-feng.Discussing the application of the ropeway in the transmission line construction[J].Guanngdong Science and Technology,2012,12(24):53-54．

[2] 李恒斌.可摘掛式抱索器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化研究[D].長沙：中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,2011：8-12．

LI Heng-bin.The removable hanging rope clips structure design and performance optimization research [D].Changsha:Central South University,College of Mechanical and Electrical Engineering,2011:8-12．

[3] 稽煥章.國外幾種貨運(yùn)施工索道懸索理論計(jì)算模型研究[J].起重運(yùn)輸,1988(3):13-17．

JI Huan-zhang.Study on the theoretical models of the foreign several freight construction cableway suspension cable[J].Lifting Transportation,1988(3):13-17．

[4] 楊義勇,江擒虎.新型架空索道脫掛式抱索器的研究設(shè)計(jì)[J].新技術(shù) 新工藝,2000(8):21-23．

YANG Yi-yong,JIANG Qin-hu.Study on new type of aerial ropeway hanging rope clips off[J].Journal of New Technology and New Process,2000(8):21-23．

[5] 牛國棟.電網(wǎng)施工索道運(yùn)輸技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用[J].科技興電,2010(6):37-38．

NIU Guo-dong.Cableway transportation technology research and development and application of power grid construction [J].Electric Science and Technology,2010(6):37-38．

[6] 聞邦椿,陳良玉,鞏云鵬.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊:第2卷 機(jī)械零部件設(shè)計(jì)(連接、緊固與傳動)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010:(5-16)-(5-17)．

WEN Bang-chun,CHEN Liang-yu,GONG Yun-peng.Mechanical design manual:volumn 2,mechanical parts design (connection,fastening and drive) [M].Beijing:China Machine Press,2010:(5-16)-(5-17)．

[7] 李靖.貨運(yùn)索道自動化關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[D].成都：西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,2014：18-22．

LI Jing.Freight ropeway automation key technology research and application[D].Chengdu:Southwest Jiaotong University,College of Mechanical Engineering,2014:18-22．

[8] 鄧戰(zhàn)光,蔡敢為,李兆軍.含螺栓預(yù)緊力的汽車鋼圈強(qiáng)度分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2009(8):219-220．

DENG Zhan-guang,CAI Gan-wei,LI Zhao-jun.The car rims strength analysis with bolt pre-tightening force[J].Machinery Design and Manufacture,2009(8):219-220．

[9] 稽煥章.抱索器鉗口與牽引索之間摩擦系數(shù)的研究[J].化工礦山技術(shù),1989,18(5):41-43．

JI Huan-zhang.The research of the coefficient of friction between the rope-grip and the traction rope[J].Journal of Chemical Mining Technology,1989,18(5):41-43．

[10] 湖南省煤炭科學(xué)研究所.煤礦固定抱索器架空乘人裝置技術(shù)條件：MT/T 873—2000[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000:1-4.

Hunan Coal Science Research Institute.General specifications for the aerial passenger device with fixed grip in coal mining：MT/T 873—2000[S].Beijing：China Coal Industry Publishing Home，2000:1-4.

[11] 稽煥章.客運(yùn)索道脫掛式抱索器的剖析與計(jì)算[J].中國索道,2002,2(4):23-29．

JI Huan-zhang.The analysis and calculation of the hanging rope clips off of the passenger ropeway[J].Journal of China Cableway,2002,2(4):23-29．

[12] SUN Yu-jun,HAN Yi-shi,PENG Shao-bing.Environmental impact of ropeway on tourist resorts and its management[J].Journal of Beijing Forestry University,2001,23(3):97-100．

[13] 程軍,寫義明,王宇.礦用索道固定抱索器夾緊力與力矩確定[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013(10):102-104．

CHENG Jun,XIE Yi-ming,WANG Yu.Mine cableway fixed rope clips clamping force and moment[J].Coal Science and Technology,2013(10):102-104．

[14] 王素芬.對螺栓擰緊方法的探討[J].安裝,1997(6):1-2．

WANG Su-fen.Discussing the bolt tightening method[J].Installation,1997(6):1-2．

[15] 汪華葆.螺紋聯(lián)接的擰緊力矩及預(yù)緊力控制[J].機(jī)械工程師,1997(5):6-7．

WANG Hua-bao.The tightening torque and pre-tightening force control of the threaded connection[J].Mechanical Engineers,1997(5):6-7．

[16] 郭瑞潔,鐘康民.基于鉸桿-杠桿串聯(lián)增力機(jī)構(gòu)的內(nèi)夾持氣動機(jī)械手[J].液壓與氣動，2009(1):55-56．

GUO Rui-jie,ZHONG Kang-min.The clamping pneumatic manipulator based on the hinge bar-leverage spries power agency[J].Chinese Hydraulics & Pneumatics,2009(1):55-56．

[17] 陳志嵩,鐘康民.鉸桿-杠桿串聯(lián)機(jī)構(gòu)分析及其應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2010(1):57-58．

CHEN Zhi-song,ZHONG Kang-min.The analysis and application of the hinge bar-leverage spries power agency[J].Journal of Machine Design,2009(1):57-58．

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