何 碩 李 剛 宋 樂 王 添 周 豐

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

循環(huán)式索道的制動(dòng)是保證索道運(yùn)行安全的關(guān)鍵。慣性力在此過程中不可避免，且在不同荷載和工況的運(yùn)行過程中呈現(xiàn)出的慣性力大小不同，其對(duì)循環(huán)式索道的啟動(dòng)和制動(dòng)具有重要影響。如設(shè)計(jì)人員忽視慣性力的影響，不能合理控制和消除慣性力，會(huì)導(dǎo)致循環(huán)式索道的制動(dòng)位置與預(yù)估安全位置之間存在偏差，從而帶來一定的安全隱患和風(fēng)險(xiǎn)。因此，在設(shè)計(jì)過程中需要根據(jù)具體的線路地形和運(yùn)量要求，在綜合考慮索道運(yùn)行過程中各慣性力對(duì)索道啟動(dòng)和制動(dòng)影響的基礎(chǔ)上，對(duì)循環(huán)式索道進(jìn)行總體工藝設(shè)計(jì)[1]。

1 慣性力和循環(huán)式索道

慣性力是生活中常見的一種假想力，是指在給物體一定的加速度時(shí)，由于物體原有的慣性會(huì)使物體繼續(xù)保持原有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，再隨著加速度等外力的作用而發(fā)生相應(yīng)的位移，但是慣性力在現(xiàn)實(shí)生活中并不是客觀存在的。

循環(huán)式索道主要是采用首尾相接的環(huán)形鋼絲繩、驅(qū)動(dòng)輪、迂回輪、托壓索輪組以及張緊裝置等必要的設(shè)施設(shè)備，利用摩擦原理使索道保持一定的初張力和產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到循環(huán)運(yùn)行的目的。循環(huán)式索道受地形限制和氣候影響較小，且能源消耗較少，維修成本較低，可按照事先設(shè)定的固定速度運(yùn)行，但其運(yùn)載能力有限，當(dāng)前主要被用在林業(yè)懸吊木材、解決城市鄉(xiāng)村的交通難題以及景區(qū)游客輸送等問題的過程中。

2 循環(huán)式索道啟動(dòng)和制動(dòng)過程中慣性力產(chǎn)生的影響

2.1 循環(huán)式索道慣性力的計(jì)算

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，有關(guān)索道啟動(dòng)和制動(dòng)等運(yùn)行安全的文件中明確規(guī)定：0.15 m/s2是循環(huán)式索道的最小啟動(dòng)加速度，其中又細(xì)分循環(huán)固定抱索器和脫掛抱索器2種模式，只有確保啟動(dòng)和制動(dòng)加速度在有關(guān)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，才能保證索道運(yùn)行過程中出現(xiàn)緊急情況時(shí)可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)制動(dòng)[2]。

常見的循環(huán)式索道在啟動(dòng)和制動(dòng)中慣性力計(jì)算中需考慮各部件的慣性力，主要包含5種：運(yùn)載索自身的慣性力；線路托壓索輪組產(chǎn)生的慣性力；運(yùn)載工具、乘客產(chǎn)生的慣性力；驅(qū)動(dòng)輪、迂回輪、導(dǎo)向輪產(chǎn)生的慣性力；電機(jī)、聯(lián)軸器、飛輪、減速器等產(chǎn)生的慣性力。通常情況下，選擇將5種慣性力合并為驅(qū)動(dòng)輪處的慣性力以便在一定程度上簡(jiǎn)化計(jì)算過程。以上各運(yùn)動(dòng)部件折合到鋼絲繩上的慣性力計(jì)算方式為

1）鋼絲繩

2）運(yùn)載工具和乘客

3）托壓索輪

4）驅(qū)動(dòng)輪、迂回輪、導(dǎo)向輪

5）電機(jī)、聯(lián)軸器、飛輪、減速機(jī)

式中：Ls為無極鋼絲繩長(zhǎng)度，q為鋼絲繩單位質(zhì)量，K為運(yùn)載工具數(shù)量，W為運(yùn)載工具質(zhì)量，N為每個(gè)運(yùn)載工具的乘客數(shù)，P為每個(gè)乘客質(zhì)量，Jsheave為單個(gè)托壓索輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，N為托壓索輪數(shù)量，d為托壓索輪直徑，Jwheel為驅(qū)動(dòng)輪、迂回輪、導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，D為驅(qū)動(dòng)輪、迂回輪、導(dǎo)向輪直徑，Jdrive為電機(jī)、聯(lián)軸器、制動(dòng)盤、減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，i為減速器速比，η為傳動(dòng)效率，DQ為驅(qū)動(dòng)輪直徑，a為啟動(dòng)或制動(dòng)加速度。

2.2 啟動(dòng)功率的計(jì)算

循環(huán)式索道分為固定抱索器循環(huán)式索道和脫掛抱索器循環(huán)式索道2種，其索道水平長(zhǎng)度、運(yùn)行速度、吊具數(shù)量、上下站高差、單向運(yùn)量和平均坡度等參數(shù)存在不同。通過明確索道各部件的精確轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，對(duì)空車、重車以及上下運(yùn)行等幾種極端工況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，在考慮慣性力和不考慮慣性力2種情況下進(jìn)行最大功率計(jì)算，并對(duì)比實(shí)際最大功率，分析啟動(dòng)慣性力在啟動(dòng)功率中的占比，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果判斷是否需要增加飛輪數(shù)量來減小變化慣性矩與系統(tǒng)慣性矩之間的比，以確保各種工況都可以在加速度范圍內(nèi)安全啟動(dòng)和制動(dòng)。假設(shè)索道在某工況下的運(yùn)行功率為P，則該索道在該工況下的啟動(dòng)功率為

式中：F為啟動(dòng)時(shí)慣性力，V為索道額定運(yùn)行速度，η為傳動(dòng)效率。

根據(jù)式（6）和式（7）可分別得出索道的勻速功率、慣性功率和啟動(dòng)功率，通過分析計(jì)算結(jié)果可知，循環(huán)式索道的啟動(dòng)功率中，啟動(dòng)時(shí)的慣性功率占比最大，由此可見慣性力在循環(huán)索道的啟動(dòng)過程中必須得到充分考慮，才能保證索道的有效啟動(dòng)。為了有效保證循環(huán)式索道啟動(dòng)慣性功率，需優(yōu)先考慮電機(jī)型號(hào)的選擇，以最大限度減輕慣性力對(duì)循環(huán)式索道啟動(dòng)的影響。故循環(huán)式索道的啟動(dòng)功率是選擇合適驅(qū)動(dòng)電機(jī)的重要理論基礎(chǔ)。

2.3 制動(dòng)力的計(jì)算

根據(jù)之前的計(jì)算，當(dāng)慣性功率大于運(yùn)行功率時(shí)，說明制動(dòng)器在索道制動(dòng)過程中發(fā)揮作用，當(dāng)慣性功率小于運(yùn)行功率時(shí)，說明是電機(jī)在索道制動(dòng)過程中起主要作用。

由于制動(dòng)器給定的制動(dòng)力固定不變，當(dāng)保持運(yùn)動(dòng)速度1 m/s不變，通過合理調(diào)整制動(dòng)力，保證索道的高速制動(dòng)力為2 000～7 500 N時(shí)，均能確保不同運(yùn)行工況索道的制動(dòng)加速度在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)加速度范圍內(nèi)，且保證其可在規(guī)定范圍內(nèi)制動(dòng)停車；而保持運(yùn)動(dòng)速度5 m/s，給定高速制動(dòng)力為5 000 N時(shí)，則無法通過調(diào)整不同工況的給定高速制動(dòng)力來確保所有工況的制動(dòng)加速度都在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)[3]。因此，通過對(duì)空車和重車上下途中勻速、慣性和制動(dòng)功率的計(jì)算驗(yàn)證，當(dāng)出現(xiàn)給定制動(dòng)力無法滿足索道不同工況加速度情況時(shí)，需采用其他有效方式增加索道的系統(tǒng)慣性，以保證有效控制不同工況的索道制動(dòng)加速度，使其在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，確保制動(dòng)安全平穩(wěn)。由此可見，慣性力在循環(huán)式索道的制動(dòng)過程中對(duì)控制制動(dòng)加速度起著重要作用。

2.4 多條索道慣性力計(jì)算分析

載荷試驗(yàn)是索道調(diào)試的重要環(huán)節(jié)，計(jì)算固定和脫掛等多條索道形式的慣性力，忽略坡度等誤差的影響，通過統(tǒng)計(jì)和分析制動(dòng)加速度標(biāo)準(zhǔn)差，明確每條索道在不同荷載等工況下的離散分布情況。然后根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)調(diào)查得出的結(jié)果，明確乘客載荷所引起的慣性矩在系統(tǒng)慣性矩中的占比越高，索道制動(dòng)加速度的離散程度也就越高，即兩者之間呈現(xiàn)正比例的正向相關(guān)關(guān)系。如制動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差和離散程度越大，需要增加飛輪以加強(qiáng)循環(huán)索道系統(tǒng)慣性，縮小索道實(shí)際運(yùn)行過程中的制動(dòng)加速度與標(biāo)準(zhǔn)范圍之間的差距，保證索道制動(dòng)安全。

循環(huán)式索道的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)慣性矩占比越大，減速器速比也就越高，在沒有飛輪作用和1個(gè)飛輪的情況下，索道系統(tǒng)各工況的最大和最小制動(dòng)加速度差值能從0.5縮短到0.3左右。由此可見，減速器速比對(duì)循環(huán)式索道系統(tǒng)慣性有影響。因此，在保持飛輪數(shù)量穩(wěn)定的前提下增加減速器速比，會(huì)加大對(duì)系統(tǒng)慣性矩的增量貢獻(xiàn)。通過上述分析可以看出，固定抱索器索道和脫掛抱索器索道使用的減速器速比不同，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中增加飛輪產(chǎn)生的系統(tǒng)慣性矩增幅也不同，故導(dǎo)致慣性力在循環(huán)式索道制動(dòng)過程中產(chǎn)生的效果也不同。

2.5 增加飛輪的情況

循環(huán)式索道運(yùn)行的荷載不同，工況亦不同。在保持恒定制動(dòng)力的前提下，循環(huán)式索道出現(xiàn)較大的制動(dòng)加速度，即表明其離散程度較高，離散程度較大會(huì)加大索道不同工況運(yùn)行過程中制動(dòng)加速度的管理難度，也就意味著在循環(huán)式索道在運(yùn)行過程中總會(huì)出現(xiàn)部分工況情況無法滿足標(biāo)準(zhǔn)條件，從而存在一定的安全隱患。因此，為減少載荷變化對(duì)系統(tǒng)慣性的影響，需通過增加索道系統(tǒng)慣性矩的方式，減少變化慣性矩與系統(tǒng)慣性矩的比，確保在空車或者重車上下行等各種工況的運(yùn)行過程中，實(shí)現(xiàn)滿足規(guī)范要求的制動(dòng)加速度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試是在理想情況下進(jìn)行的，但在循環(huán)式索道的實(shí)際運(yùn)行過程中很難通過增加數(shù)十個(gè)飛輪來增加系統(tǒng)慣性矩，從而有效控制制定加速度。因此，需要明確減速器速比對(duì)系統(tǒng)慣性的影響，從而選擇速比較大的減速器來滿足循環(huán)式索道的實(shí)際運(yùn)行需求。

當(dāng)系統(tǒng)阻力較大時(shí)，雖然變化慣性矩與系統(tǒng)慣性矩之間的比值較小，但依然會(huì)出現(xiàn)循環(huán)式索道各種工況的制動(dòng)加速度超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍的情況，隨即需要通過增加飛輪，來增加系統(tǒng)慣性矩，以有效降低索道的制動(dòng)加速度，使其滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范需求，但該情況在循環(huán)式索道的實(shí)際運(yùn)行過程中很少出現(xiàn)。

2.6 緊急制動(dòng)調(diào)整方法

循環(huán)式索道制動(dòng)安全級(jí)別分為正常、安全和緊急停車3種，其制動(dòng)加速度為小、中、大，分別通過電制動(dòng)和零速落閘、電制動(dòng)和零速落閘以及高速閘分級(jí)制動(dòng)和零速落低速閘的制動(dòng)方式，來實(shí)現(xiàn)正常使用、一般功能的安全保護(hù)以及重要功能電的安全保護(hù)3種功能[4]。

當(dāng)前主要討論落閘順序和緊急制動(dòng)設(shè)置順序，如制動(dòng)落閘順序包括：高速閘一級(jí)落閘、高速閘二級(jí)落閘以及低速落閘3步，以確保制動(dòng)加速度在規(guī)范要求范圍內(nèi)減速后，能實(shí)現(xiàn)索道速度減速到接近零速時(shí)保證索道完全停止運(yùn)行，最終確保索道安全保護(hù)性落閘，以實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)停車；緊急制動(dòng)設(shè)置順序的落閘動(dòng)作分為：高速閘一級(jí)落閘、高速閘二級(jí)落閘以及低速閘落閘，能有效防止索道停運(yùn)后出現(xiàn)逆行或跑車現(xiàn)象，以最大限度保證循環(huán)式索道制動(dòng)安全。

3 總結(jié)

循環(huán)式索道系統(tǒng)的各慣性在很大程度上直接決定了循環(huán)式索道能否在各種工況條件下實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定地啟動(dòng)和緊急制動(dòng)停車。因此，只有通過對(duì)循環(huán)式索道的慣性力、啟動(dòng)功率、制動(dòng)力以及多條索道慣性力進(jìn)行計(jì)算分析，明確循環(huán)式索道啟動(dòng)和制動(dòng)過程中慣性力產(chǎn)生的影響，全面考慮、綜合分析循環(huán)式索道中的各慣性力，更加精確地計(jì)算每個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)量，從實(shí)驗(yàn)出發(fā)，根據(jù)循環(huán)式索道運(yùn)行的實(shí)際情況科學(xué)設(shè)置高速閘，采用適當(dāng)?shù)男拚绞剑_保索道電機(jī)啟動(dòng)正常，才能保證循環(huán)式索道在安全的制動(dòng)加速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定制動(dòng)停車，才能最大限度保證索道運(yùn)行過程中的設(shè)施和乘客人員安全。