呂月月 張恒宇 孫安國(guó) 閆登華 劉 佳

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

客運(yùn)架空索道是利用架空繩索支承和載人工具運(yùn)送乘客的一種機(jī)械運(yùn)輸設(shè)備，是在復(fù)雜地形條件下運(yùn)送乘客的一種最優(yōu)運(yùn)輸方式[1]。作為一種特種設(shè)備，客運(yùn)索道一旦發(fā)生事故，將造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，社會(huì)影響惡劣。索道制動(dòng)器是保障索道安全運(yùn)行的重要安全裝置，實(shí)現(xiàn)索道的停車、保持以及減速動(dòng)作。

1 客運(yùn)架空索道的制動(dòng)方式

為使架空客運(yùn)索道的運(yùn)行更加安全可靠，索道應(yīng)設(shè)置兩套制動(dòng)器：工作制動(dòng)器和緊急制動(dòng)器。2種制動(dòng)器都屬于機(jī)械摩擦式制動(dòng)器，以摩擦阻力作為制動(dòng)力使索道停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

工作制動(dòng)器又被稱為高速制動(dòng)器，安裝在高速制動(dòng)盤上。工作制動(dòng)器的作用主要有：

1）停車 按下控制面板上的停車按鈕或接收到系統(tǒng)發(fā)出的停車信號(hào)之后，實(shí)現(xiàn)索道停車；

2）保持 使索道停車之后保持靜止?fàn)顟B(tài)；

3）減速 用救援驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)手動(dòng)操縱索道工作過程中，對(duì)索道速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。工作制動(dòng)器制動(dòng)力矩的85%應(yīng)仍大于負(fù)載端轉(zhuǎn)矩。

如圖1所示，緊急制動(dòng)器又被稱為低速制動(dòng)器，安裝在驅(qū)動(dòng)輪輪緣處。緊急制動(dòng)器的作用主要有：

圖1 緊急制動(dòng)器

1）停車 按下控制面板上的緊急停車按鈕后、系統(tǒng)發(fā)出緊急停車信號(hào)后或緊急制動(dòng)器手動(dòng)閥動(dòng)作時(shí)，都可實(shí)現(xiàn)索道停車；

2）保持 使索道停車之后保持靜止?fàn)顟B(tài)。緊急制動(dòng)器制動(dòng)力矩的85%應(yīng)仍大于系統(tǒng)最大扭矩。

依據(jù)控制形式不同，可將客運(yùn)架空索道的制動(dòng)方式分為3種：工作制動(dòng)、安全制動(dòng)、緊急制動(dòng)，這3種制動(dòng)方式的制動(dòng)加速度大小及功能如表1所示。制動(dòng)加速度：工作制動(dòng)＜安全制動(dòng)＜緊急制動(dòng)，使用頻率：工作制動(dòng)＞安全制動(dòng)＞緊急制動(dòng)。

表1 索道制動(dòng)方式

2種制動(dòng)器的制動(dòng)原則為：工作制動(dòng)器與緊急制動(dòng)器在結(jié)構(gòu)上相互獨(dú)立，互不干涉；在功能上相互配合，以實(shí)現(xiàn)索道的安全有效制動(dòng)。其中，正常停車和安全停車通過工作制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，緊急停車通過工作制動(dòng)器和緊急制動(dòng)器配合使用來實(shí)現(xiàn)索道停車。緊急停車過程中，工作制動(dòng)器和緊急制動(dòng)器的落閘順序如表2所示[2]。

表2 緊急停車制動(dòng)器落閘順序

2 制動(dòng)力的傳遞與計(jì)算

制動(dòng)力通過驅(qū)動(dòng)輪以摩擦力的形式傳遞給運(yùn)載索。根據(jù)歐拉方程可以看出，傳遞的制動(dòng)力大小受以下幾個(gè)因素的影響

式中：S2為基本張力，μ為鋼絲繩與輪襯摩擦系數(shù)，α為圍包角。

其中，μ隨輪襯表面壓力的增大而減小，故傳遞制動(dòng)力的大小也取決于驅(qū)動(dòng)輪直徑、驅(qū)動(dòng)輪槽形以及鋼絲繩結(jié)構(gòu)等因素。

上站基本張力＝下站基本張力+垂直張力，可以看出驅(qū)動(dòng)裝置放置在上站比驅(qū)動(dòng)裝置放置在下站對(duì)制動(dòng)力的傳遞更有利，但由于安裝方便、供電便利等原因有時(shí)也將驅(qū)動(dòng)裝置放在下站。

增大鋼絲繩與輪襯摩擦系數(shù)μ以及圍包角α都有利于制動(dòng)力有效地傳遞給鋼絲繩。對(duì)于摩擦系數(shù)μ，選擇正確的輪襯材料以及適當(dāng)減少鋼絲繩上潤(rùn)滑脂的使用量都可以增大摩擦系數(shù)。此外，對(duì)于架設(shè)在易結(jié)冰地區(qū)的客運(yùn)架空索道應(yīng)正確安裝除冰器，以防止結(jié)冰導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低。圍包角α一般為150°～180°，若繼續(xù)增大會(huì)使鋼絲繩繞過多個(gè)大輪，結(jié)構(gòu)將更復(fù)雜，鋼絲繩所受的彎曲張力也大大增加，應(yīng)該盡量避免這種做法。

制動(dòng)功率Pb的大小可以通過索道勻速運(yùn)動(dòng)的功率以及索道的慣性功率求得

式中：PV為索道勻速運(yùn)動(dòng)的功率，F(xiàn)為驅(qū)動(dòng)輪張力差；V為索道勻速運(yùn)行速度，PJ為索道的慣性功率，T為索道啟動(dòng)的慣性矩，ω為索道運(yùn)行的角速度。

3 制動(dòng)方法優(yōu)化措施

架空客運(yùn)索道的制動(dòng)既要響應(yīng)迅速，同時(shí)加速度不能太快，否則會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊。這就要求制動(dòng)加速度必須保持在一定范圍內(nèi)，GB 12352—2018《客運(yùn)架空索道安全規(guī)范》中對(duì)不同類型索道的制動(dòng)加速度做出了相應(yīng)規(guī)定[3]。

索道制動(dòng)時(shí)所需的制動(dòng)力大小與系統(tǒng)慣性力有關(guān)，而不同工況下系統(tǒng)慣性力的大小是不同的，這導(dǎo)致了不同工況下制動(dòng)加速度數(shù)值存在差異。為使每個(gè)工況下制動(dòng)加速度的大小均滿足，GB 12352—2018《客運(yùn)架空索道安全規(guī)范》中的要求，需要對(duì)制動(dòng)方法進(jìn)行優(yōu)化。

目前，制動(dòng)方法優(yōu)化措施有：制動(dòng)器液壓系統(tǒng)二次制動(dòng)、節(jié)流閥節(jié)流控制、液壓?jiǎn)卧K化調(diào)節(jié)等[4]。

3.1 制動(dòng)器液壓系統(tǒng)二次制動(dòng)

液壓站泄油時(shí)制動(dòng)器抱閘制動(dòng)，圖2為制動(dòng)器液壓系統(tǒng)二次制動(dòng)過程。當(dāng)液壓缸泄油時(shí)，電磁鐵1CT首先得電換向，此時(shí)壓力油經(jīng)過換向閥11a和溢流閥7b回油箱。在這個(gè)過程中，7b相當(dāng)于一個(gè)背壓閥，通過設(shè)置7b的壓力值來控制制動(dòng)力的大小。此時(shí)G1、G2沒有完全泄壓，故制動(dòng)力只有一部分作用在制動(dòng)面上，制動(dòng)加速度比較小。設(shè)置的延時(shí)結(jié)束之后，電磁鐵2CT得電換向，壓力油通過換向閥12直接回油箱，液壓缸實(shí)現(xiàn)完全泄油。此時(shí)制動(dòng)力完全作用在制動(dòng)面上，制動(dòng)加速度增大。液壓系統(tǒng)二次制動(dòng)過程中制動(dòng)壓力逐次增大，使制動(dòng)過程更加平穩(wěn)，是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的控制方法。

圖2 液壓系統(tǒng)二次制動(dòng)過程

3.2 節(jié)流閥節(jié)流控制

單向節(jié)流閥（17a、17b、17c、17d）可以通過控制液壓油流量來實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)力大小的控制，節(jié)流閥可以單獨(dú)進(jìn)行控制，也可以與二次制動(dòng)過程配合使用，使制動(dòng)效果更為理想。

3.3 液壓?jiǎn)卧K化調(diào)節(jié)

液壓?jiǎn)卧K化調(diào)節(jié)有2種情況：1）2個(gè)制動(dòng)器分別采用2個(gè)相互獨(dú)立的相同液壓?jiǎn)卧M(jìn)行控制；2）緊急制動(dòng)器采用液壓?jiǎn)卧M(jìn)行控制，工作制動(dòng)器采用PLC進(jìn)行控制。

圖3為上述情況①制動(dòng)時(shí)液壓?jiǎn)卧幸簤河偷牧鲃?dòng)情況。由于此時(shí)工作制動(dòng)器和緊急制動(dòng)器液壓控制單元完全相同，且緊急制動(dòng)器使用頻率很低，所以僅對(duì)工作制動(dòng)器的液壓控制單元進(jìn)行介紹。系統(tǒng)發(fā)出工作制動(dòng)信號(hào)之后，隔離閥16打開，液壓缸開始泄油，制動(dòng)器壓力逐漸下降至傳感器14顯示的接觸壓力。

圖3 調(diào)節(jié)制動(dòng)

第一次泄壓完成之后，工作制動(dòng)器繼續(xù)按照系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的減速曲線進(jìn)行動(dòng)作?？刂崎y11、12交替開啟、關(guān)閉，對(duì)液壓?jiǎn)卧械膲毫M(jìn)行調(diào)節(jié)，使制動(dòng)器根據(jù)需要的力度抱閘制動(dòng)。同時(shí)方向控制閥12、13得電，液壓油可通過方向控制閥11流入油箱，完成整個(gè)制動(dòng)過程。

圖4為液壓?jiǎn)卧獙?duì)緊急制動(dòng)器進(jìn)行控制的情況。系統(tǒng)發(fā)出緊急制動(dòng)信號(hào)，方向控制閥10、12、13失電，方向控制閥11得電，液壓油全部流回油箱，制動(dòng)器抱閘制動(dòng)。

圖4 緊急制動(dòng)

4 結(jié)語

隨著旅游業(yè)的發(fā)展，客運(yùn)架空索道的建設(shè)規(guī)模越來越大。在客運(yùn)架空索道的運(yùn)行中，安全平穩(wěn)制動(dòng)是至關(guān)重要的一環(huán)。安全制動(dòng)通過工作制動(dòng)器和緊急制動(dòng)器配合作用來實(shí)現(xiàn)，工作制動(dòng)器和緊急制動(dòng)器在結(jié)構(gòu)上各自獨(dú)立，在功能上相輔相成。

制動(dòng)力以摩擦力的形式傳遞到鋼絲繩上，傳遞的效率取決于基本張力、鋼絲繩與輪襯摩擦系數(shù)、圍包角，同時(shí)也間接受驅(qū)動(dòng)輪直徑、驅(qū)動(dòng)輪槽形、鋼絲繩結(jié)構(gòu)的影響。驅(qū)動(dòng)裝置放置在上站對(duì)制動(dòng)力的傳遞更為有利，同樣的，增大鋼絲繩與輪襯摩擦系數(shù)以及圍包角也有利于制動(dòng)力的傳遞。但是，增大圍包角會(huì)使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，也會(huì)縮短鋼絲繩的壽命，所以增大圍包角這種做法不可取。

為使不同工況下的制動(dòng)加速度均滿足要求，對(duì)制動(dòng)方法進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。每個(gè)優(yōu)化措施都各有利弊，可根據(jù)實(shí)際情況選擇恰當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法。