黃 山 李 剛 閆登華 李 村 馬 胤

北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100007

0 引言

當(dāng)前，客運(yùn)索道正在朝著高速度、高運(yùn)量、高舒適性以及高可靠性的方向快速發(fā)展，同時(shí)對(duì)鋼絲繩的要求也越來(lái)越高。與輪組的大量接觸、更高的破斷力、靜音運(yùn)行、可控應(yīng)變下的耐久性等，都對(duì)鋼絲繩的質(zhì)量特性提出了更高的要求。為達(dá)到這些要求，需要鋼絲繩的直徑更大，運(yùn)行速度更快，承受載荷更大。與此同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，相關(guān)部件的制造也需要采取措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕量化。

在索道上下站之間張緊的鋼絲繩將增加整個(gè)索道系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)的可能性。上、下站和線路上的振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響乘客乘坐索道時(shí)的安全性和舒適性。在極端情況下，振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致支架焊縫開(kāi)裂，欄桿或爬梯松動(dòng)失效，某些頻率的振動(dòng)甚至?xí)鸪丝蜕眢w不適[1]。

捻制成股的鋼絲繩表面輪廓不平整，經(jīng)過(guò)托壓索輪時(shí)很容易誘發(fā)振動(dòng)。由于鋼絲繩運(yùn)行速度的增加以及索輪直徑并未隨鋼絲繩直徑增加而成比例增加，將導(dǎo)致振動(dòng)現(xiàn)象更加嚴(yán)重。在考慮組件的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，不僅要考慮單個(gè)部件，更重要的是從系統(tǒng)的角度出發(fā)對(duì)整體進(jìn)行考慮。誘發(fā)振動(dòng)的因素和部件之間的相互作用決定了系統(tǒng)的振動(dòng)特性。

1 鋼絲繩捻距

GB 26722—2011《索道用鋼絲繩》對(duì)鋼絲繩捻制有如下要求[2]：圓股鋼絲繩、壓實(shí)股鋼絲繩的捻距應(yīng)在鋼絲繩直徑的6.7～7.5倍之間；密封鋼絲繩及線接觸圓股芯的捻距不應(yīng)超過(guò)其直徑的10倍、點(diǎn)接觸圓股芯的捻距不應(yīng)超過(guò)其直徑的11倍。鋼絲繩捻距示意如圖1所示，一般情況下鋼絲繩的捻距是指繩的捻距。捻距大小對(duì)鋼絲繩的性能有直接的影響[3]。

圖1 鋼絲繩捻距

1）鋼絲繩捻距越短，彈性伸長(zhǎng)率也越大，對(duì)承受沖擊載荷是有利的。

2）鋼絲繩承受很大的擠壓應(yīng)力時(shí)，捻距短的鋼絲繩更為合適，壽命有所提高。

3）短捻距鋼絲繩柔性大，繩股間保持適當(dāng)?shù)幕顒?dòng)間隙可使柔性提高，也可增加一定的耐磨性。

4）鋼絲繩的捻距越短，旋轉(zhuǎn)性也越大，同時(shí)鋼絲繩的抗拉強(qiáng)度也隨之減小。

某高速運(yùn)行的單線循環(huán)帶防護(hù)罩索道的平臺(tái)、欄桿和支架構(gòu)件斷裂事故不斷增多，且在索道運(yùn)行中存在振動(dòng)和噪聲。經(jīng)檢查分析，損壞是由于鋼絲繩繩股引起振動(dòng)而造成的，若鋼絲繩與兩索輪接觸點(diǎn)之間的距離是繩股中心距的倍數(shù)，將引發(fā)強(qiáng)烈的振動(dòng)。在這種情況下，索輪同時(shí)接觸鋼絲繩的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，使振幅擴(kuò)展到最大。這種現(xiàn)象隨著鋼絲繩直徑和索輪載荷的增加而加劇。

如圖2所示，在一套索輪組裝置中，通常有兩個(gè)不同的鋼絲繩接觸點(diǎn)間距，其隨鋼絲繩的折角而變化，而且不等同于索輪中心距，即b≠a。

圖2 鋼絲繩接觸點(diǎn)間距和索輪中心距

使索輪間距適應(yīng)繩股中心距在理論上是可能的，但由于設(shè)計(jì)一套索輪裝置使之適合每一種捻距，在經(jīng)濟(jì)上并不可行，故應(yīng)由鋼絲繩制造商控制其產(chǎn)品的捻距適應(yīng)索輪組。

2 鋼絲繩引起的振動(dòng)

客運(yùn)索道在運(yùn)行過(guò)程中受到鋼絲繩的影響。通常情況下，鋼絲繩引起平穩(wěn)運(yùn)行系統(tǒng)振動(dòng)的原因有兩個(gè)：捻制鋼絲繩外表面輪廓不平，繩股通過(guò)輪組時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)；鋼絲繩自身不平整導(dǎo)致捻距引起的振動(dòng)。上述導(dǎo)致振動(dòng)的兩種情況的運(yùn)動(dòng)特性如圖3所示。

在圖3a中，輪距與鋼絲繩捻距比例為1：n，兩個(gè)索輪同時(shí)落在繩股最高點(diǎn)或最低點(diǎn)，導(dǎo)致?lián)u臂將與索輪相同頻率的振動(dòng)傳遞到支架上。

在圖3b中，輪距與鋼絲繩捻距比例為1:（n+0.5），一個(gè)輪子在繩股最高點(diǎn)，一個(gè)輪子在繩股最低點(diǎn)，導(dǎo)致?lián)u臂將低振幅的周期振動(dòng)傳遞到支架上。

在圖3c中，輪距與鋼絲繩捻距比例重新回到1：n，即兩個(gè)索輪同時(shí)落在繩股最高點(diǎn)或最低點(diǎn)，導(dǎo)致?lián)u臂將與索輪相同頻率的振動(dòng)傳遞到支架上。

圖3 兩輪組振動(dòng)

2.1 繩股引起的振動(dòng)

繩股會(huì)在系統(tǒng)中引起振動(dòng)，是因?yàn)楫?dāng)鋼絲繩在托壓索輪上運(yùn)行時(shí)，鋼絲繩表面不平整，索輪會(huì)不停地從一根繩股跳到另一個(gè)繩股，產(chǎn)生振動(dòng)。

索輪組中的兩輪間距是固定的，以一定的幾何序列在支撐結(jié)構(gòu)上進(jìn)行裝配。這確保了載荷在輪組中均勻分配，并使抱索器能夠平穩(wěn)地通過(guò)托壓索輪組。

索輪組的懸吊結(jié)構(gòu)也應(yīng)能夠減輕繩股引發(fā)的振動(dòng)，可通過(guò)協(xié)調(diào)鋼絲繩捻距和索輪的間距來(lái)實(shí)現(xiàn)。這兩個(gè)數(shù)值的匹配指當(dāng)一個(gè)索輪通過(guò)鋼絲繩繩股的最高點(diǎn)時(shí)，相鄰索輪正在通過(guò)兩個(gè)繩股間的最低點(diǎn)。繩股引起的上下運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)頻率為

式中：n為鋼絲繩股數(shù)，v為鋼絲繩速度，λ為鋼絲繩捻距。

2.2 捻距引起的振動(dòng)

繩索表面因繩股的高低不平而不均勻，導(dǎo)致鋼絲繩表面周期性的出現(xiàn)波峰和波谷。為防止因這種情況引起振動(dòng)，索輪的間距應(yīng)使得兩個(gè)相鄰的輪子不同時(shí)接觸同一個(gè)繩股。鋼絲繩不均勻引起的振動(dòng)頻率為

式中：V為鋼絲繩速度，λ為鋼絲繩捻距。

為避免上述兩種原因產(chǎn)生的振動(dòng)，需要對(duì)其尺寸和頻率范圍進(jìn)行估算，如圖4所示。

圖4 繩股和捻距引起的振動(dòng)頻率范圍

考慮鋼絲繩直徑和股數(shù)的影響，繩股引起的振動(dòng)頻率范圍約為30～150 Hz。這種激振是一直存在的。振動(dòng)能量會(huì)傳遞到結(jié)構(gòu)上，其大小取決于捻距和索輪幾何尺寸。支架受振動(dòng)的影響最大，尤其100 Hz左右的振動(dòng)是引起結(jié)構(gòu)破壞的主要原因，影響索道運(yùn)行安全。

捻距引起的振動(dòng)頻率約在5～30 Hz之間。因正常人體的共振頻率約為7.5 Hz左右且體內(nèi)各部位又有各自的共振頻率，如內(nèi)臟約為4～6 Hz，頭部約為8～12 Hz等，該區(qū)間的頻率將引起乘客的嚴(yán)重不適，若乘客在乘坐索道過(guò)程中遇到這種頻率的振動(dòng)，有可能引發(fā)難以忍受的頭痛等不適癥狀。這些振動(dòng)起源于索輪，通過(guò)鋼絲繩傳遞到吊具，影響乘坐的舒適性。

2.3 捻距的匹配

由于鋼絲繩表面不平整輪廓引起的振動(dòng)可通過(guò)匹配鋼絲繩捻距和索輪間距來(lái)降低，與繩股形式和鋼絲繩不規(guī)則鋪設(shè)等引起鋼絲繩表面不平整的因素?zé)o關(guān)。如圖5所示。

圖5 輪距與捻距的匹配

索道用鋼絲繩的繩股一般為6股，這導(dǎo)致鋼絲繩表面輪廓的不平整是不可避免的。若能將相鄰索輪間距與鋼絲繩不平整的輪廓進(jìn)行協(xié)調(diào)匹配，可以將振動(dòng)能量減弱到可以忽略的程度。

為了降低索輪在鋼絲繩上的振動(dòng)，需將鋼絲繩捻距與相鄰兩輪的間距進(jìn)行匹配。如圖5所示，當(dāng)輪1在繩股1上時(shí)，若輪2也落在繩股1上，振動(dòng)幅度最大，因此輪2需要落在兩個(gè)繩股之間。但不能為繩股1、6之間，也不能為繩股1、2之間。雖然這種方法不能估算所有此類型的振動(dòng)，但對(duì)托壓索輪間距與捻距的匹配關(guān)系具有重要的參考意義。

在高速大運(yùn)量的脫掛索道中，使用的12輪托索輪組和16輪壓索輪組很多，這在無(wú)形中增加了振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。輪距與捻距的匹配可降低振動(dòng)，同時(shí)也可降低因繩股產(chǎn)生的振動(dòng)，因?yàn)樗鬏喺駝?dòng)的頻率和幅度取決于索輪組中與鋼絲繩繩股最高點(diǎn)同時(shí)接觸的索輪數(shù)量，由于索輪數(shù)量眾多，若能將輪距與捻距進(jìn)行合理匹配，能很大程度上降低振動(dòng)的影響，確保索道的運(yùn)行安全和乘客乘坐的舒適性。

3 結(jié)論

1）托壓索輪輪距與鋼絲繩捻距不匹配會(huì)造成較大幅度的振動(dòng)，通過(guò)輪距與捻距的匹配，可避免產(chǎn)生較大幅度的振動(dòng)。

2）在向鋼絲繩廠訂貨時(shí)，需要向其提供托壓索輪組的有關(guān)數(shù)據(jù)，方便廠家確定合適的鋼絲繩捻距，或根據(jù)托壓索輪的結(jié)構(gòu)尺寸，通過(guò)計(jì)算得出合理的捻距，訂貨時(shí)提出捻距要求。

3）在鋼絲繩的使用和編接過(guò)程中要注意鋼絲繩捻距的變化，加強(qiáng)檢查，發(fā)生振動(dòng)問(wèn)題時(shí)及時(shí)處理。