供稿/何 碩 采編/馬 晨

作為現(xiàn)代旅游業(yè)和滑雪運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)裝備的客運(yùn)索道,已納入國(guó)家鼓勵(lì)類產(chǎn)業(yè)目錄，目前進(jìn)入建設(shè)快速增長(zhǎng)期。截止目前，北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司(以下簡(jiǎn)稱北起院)已經(jīng)建成驗(yàn)收了118 條脫掛索道。

我國(guó)現(xiàn)有客運(yùn)索道中絕大部分為線路長(zhǎng)度3 000 m 以內(nèi)，最大跨距400 m 以下，具有線路簡(jiǎn)單，地形適應(yīng)性差，只能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)輸送游客的局限性。隨著近年來(lái)各大景區(qū)、滑雪場(chǎng)等對(duì)環(huán)保要求的提高，由于修建景區(qū)內(nèi)部公路對(duì)環(huán)境破壞較大，環(huán)境污染較大，索道需求呈現(xiàn)出超長(zhǎng)距離（景區(qū)大門或市區(qū)乘索道直達(dá)各個(gè)景點(diǎn)），超大跨距（支架少，跨越溝壑，跨越保護(hù)區(qū)），多站點(diǎn)乘降的特點(diǎn)，因此迫切需求一種“超長(zhǎng)距離（可達(dá)8 km 甚至更長(zhǎng)），大跨距（可達(dá)800 m），帶有中間轉(zhuǎn)角站”的客運(yùn)脫掛索道。但是這種較大型的客運(yùn)脫掛索道，一直被奧地利Doppelmayr、法國(guó)POMA 兩家公司壟斷，產(chǎn)品完全依賴進(jìn)口。

北起院為了積極響應(yīng)全面推進(jìn)裝備國(guó)產(chǎn)化的國(guó)家戰(zhàn)略，急需開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超長(zhǎng)距離大跨距脫掛式客運(yùn)索道，滿足游客空中長(zhǎng)距離乘坐，多站點(diǎn)乘降的要求。開(kāi)發(fā)該類型索道存在著線路總體設(shè)計(jì)計(jì)算方法（定索長(zhǎng)）難以突破、中間轉(zhuǎn)角站切換系統(tǒng)復(fù)雜、基礎(chǔ)支架設(shè)計(jì)工作量大設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)三大難題。北起院圍繞三大難題，攻克了超長(zhǎng)距離大跨距脫掛式客運(yùn)索道關(guān)鍵技術(shù)，成功研發(fā)并推廣應(yīng)用了十余個(gè)該類索道項(xiàng)目，形成了自主設(shè)計(jì)制造能力，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。

基于定索長(zhǎng)理論的單線循環(huán)脫掛式索道的總體計(jì)算方法

傳統(tǒng)的單線循環(huán)脫掛式索道的總體計(jì)算方法是基于定張力理論，即在索道的一端設(shè)置油缸或者重錘張緊小車裝置來(lái)提供索道張緊端的恒定張力，線路上負(fù)載工況的變化會(huì)使得張緊小車前后移動(dòng)。國(guó)內(nèi)外的脫掛索道產(chǎn)品，張緊行程基本都在7 m 左右。隨著超長(zhǎng)距離大跨距脫掛索道的逐漸增加，對(duì)張緊行程的要求不斷提高。在有限的設(shè)備行程內(nèi)，傳統(tǒng)索道設(shè)計(jì)方案無(wú)法達(dá)到《客運(yùn)架空索道安全規(guī)范（GB12352—2018）》要求。

定索長(zhǎng)理論可以成功解決大張緊行程的脫掛索道張緊裝置不能滿足安全規(guī)范要求的難題。定索長(zhǎng)理論，即在索道的某一工況（一般為空繩工況）設(shè)定張緊端初張力，油缸鎖定，保持小車位置不動(dòng)。張緊裝置隨著各工況負(fù)載的變化，張緊力也同時(shí)發(fā)生變化。定索長(zhǎng)理論的特點(diǎn)即張緊裝置的位置在運(yùn)行時(shí)保持不變，只需考慮溫度變化和鋼絲繩永久伸長(zhǎng)對(duì)行程的影響，這樣就使得超長(zhǎng)距離大跨距脫掛索道的建設(shè)在保持原有站房長(zhǎng)度不變的情況下成為可能，是超長(zhǎng)距離大跨距脫掛式索道方案設(shè)計(jì)階段的關(guān)鍵技術(shù)。

索道總體計(jì)算程序是索道設(shè)計(jì)的最根本依據(jù)，其模型的準(zhǔn)確性，算法的科學(xué)性，以及對(duì)索道線路的適應(yīng)范圍都是考察總體計(jì)算程序優(yōu)劣的重要指標(biāo)。國(guó)外索道公司將總體計(jì)算程序視為索道技術(shù)核心中的核心，完全不對(duì)外開(kāi)放。很多超長(zhǎng)距離大跨距脫掛索道就是因?yàn)閲?guó)內(nèi)不具有定索長(zhǎng)理論計(jì)算程序，只能選用國(guó)外設(shè)備，如張家界天門山索道，全線長(zhǎng)7.5 km，為法國(guó)POMA公司設(shè)備。

基于定索長(zhǎng)理論的單線循環(huán)脫掛式索道的總體計(jì)算方法可用于計(jì)算單線連續(xù)循環(huán)式脫掛索道的線路工藝參數(shù)。其數(shù)學(xué)模型是根據(jù)車輛在線路上的實(shí)際布置，按集中載荷計(jì)算的，它考慮了比傳統(tǒng)計(jì)算法更多的影響因素，并統(tǒng)一在計(jì)算式中。

北起院開(kāi)發(fā)了基于定索長(zhǎng)理論的單線循環(huán)脫掛式索道的總體計(jì)算程序，該程序在基于張緊行程為0的條件下，計(jì)算脫掛索道各受力、幾何的參數(shù)。主要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

1) 計(jì)算運(yùn)載索最大、最小的拉力，驗(yàn)算運(yùn)載索的安全系數(shù)是否符合要求。

2) 計(jì)算運(yùn)載索在支架上的最小折角，用以檢驗(yàn)運(yùn)載索支架上的靠貼情況。

3) 計(jì)算運(yùn)載工具緊靠支架時(shí)運(yùn)載索的最大傾角和最小傾角，用以檢查運(yùn)載工具的爬坡角是否在允許范圍內(nèi)并求出支架上的垂直、水平載荷，以便進(jìn)行支架的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

4) 計(jì)算運(yùn)載索在支架上的最大折角，用以檢驗(yàn)是否超出托索輪的許用范圍和各支架上的承受力是否均勻。

5) 計(jì)算各跨間的垂度，用以檢驗(yàn)索道線路下方的安全距離是否符合要求。

6) 計(jì)算出各種情況下的受力狀況、運(yùn)行功率、防滑系數(shù)等。

可切換中間站系統(tǒng)

超長(zhǎng)距離大跨距脫掛式索道往往需要設(shè)置中間站，一方面提供落客點(diǎn)，另一方面實(shí)現(xiàn)索道線路方向調(diào)整。傳統(tǒng)的中間站系統(tǒng)雖然由兩條索道組成，但是不具備切換功能，即兩條索道只能整體運(yùn)行，無(wú)法分段獨(dú)立運(yùn)行。一旦一條索道發(fā)生故障，索道需要全線停運(yùn)以開(kāi)展線路救援，壓力巨大；同時(shí)導(dǎo)致索道運(yùn)營(yíng)不具備靈活性?？汕袚Q中間站系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了兩條索道的整體、獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)其中一條索道發(fā)生故障時(shí)，另一條可正常運(yùn)行，將乘客運(yùn)回站內(nèi)，大大降低了救援和運(yùn)營(yíng)壓力。同時(shí)可切換中間站系統(tǒng)滿足了用戶的定制化需求，用戶可根據(jù)需要隨時(shí)選擇兩條索道分段獨(dú)立運(yùn)行或整體運(yùn)行。

可切換中間站系統(tǒng)的主要研發(fā)內(nèi)容包括可切換的加減速推車系統(tǒng)、可切換的軌道系統(tǒng)、可切換的地面導(dǎo)向及升降平臺(tái)系統(tǒng)，以及“一鍵切換”自動(dòng)控制系統(tǒng)等四個(gè)方面。

圖1 可切換中間站布置

北起院圍繞“可獨(dú)立/整體運(yùn)行的中間站系統(tǒng)”的功能要求，首先針對(duì)可切換功能開(kāi)發(fā)了可切換的推車系統(tǒng)、可切換的軌道系統(tǒng)、可切換的地面導(dǎo)向系統(tǒng)（圖3，可切換中間站實(shí)景）。每一個(gè)切換裝置都需要精確定位，因此開(kāi)發(fā)了升降機(jī)構(gòu)精確定位裝置和軌道精確定位裝置，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。開(kāi)發(fā)了獨(dú)立推車裝置為切換部分的輪胎提供單獨(dú)的動(dòng)力源以實(shí)現(xiàn)“獨(dú)立/整體運(yùn)行”的切換功能。在系統(tǒng)冗余方面，開(kāi)發(fā)了應(yīng)急推車裝置，在獨(dú)立推車裝置發(fā)生故障時(shí)，可將切換部分的輪胎和直段輪胎連接，從而保證索道的正常運(yùn)行。

圖2 可切換中間站裝配圖

圖3 可切換中間站實(shí)景

圖4 可切換中間站監(jiān)控系統(tǒng)

針對(duì)可切換中間站技術(shù)，研發(fā)了以下6 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵裝置。

1）可切換中間站總體布置方法

可切換中間站系統(tǒng)，可以根據(jù)需要，將索道切換為整體運(yùn)行或者獨(dú)立運(yùn)行。根據(jù)索道線路的特點(diǎn)，每一個(gè)中間站的角度都是不同的。這就需要在任意角度的中間站運(yùn)用“可切換中間站技術(shù)”，同時(shí)還要考慮站房建設(shè)規(guī)模，和站房分流區(qū)域規(guī)劃等因素影響，合理布置中間站。

2）支撐梁切換裝置和銷軸定位裝置

為適應(yīng)兩條索道既能獨(dú)立運(yùn)行又能整體運(yùn)行的工況，北起院研發(fā)了可切換的直線段和彎段翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。國(guó)外同類產(chǎn)品的方案一般為直線段和彎段分別設(shè)置了不同的連接點(diǎn)，每次切換均要對(duì)定位精度進(jìn)行調(diào)整，且由于空間狹小，整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。北起院開(kāi)發(fā)了插銷共用技術(shù)，整體運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行的定位通過(guò)同一個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了設(shè)備布置，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確快速切換。銷軸定位裝置通過(guò)加工精度控制，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確定位。

3）加減速抬升裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

可獨(dú)立、整體運(yùn)行的中間站系統(tǒng)站內(nèi)設(shè)置有可切換的直線段和彎段，在切換過(guò)程中，需要將直線段或彎段輪胎梁抬起或放下。現(xiàn)有輪胎梁提升機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)一般都比較復(fù)雜，需要額外增加直線段或彎段輪胎梁可繞旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)一方面不夠緊湊，占用空間大，另一方面由于旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)偏心嚴(yán)重，惡化了旋轉(zhuǎn)軸的受力。將皮帶輪組支座分割為旋轉(zhuǎn)支座和固定支座，使輪胎梁可繞固定支座旋轉(zhuǎn)，無(wú)需增加其他結(jié)構(gòu)。整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，旋轉(zhuǎn)中心偏心較小，整體受力情況較好。

4）推桿電機(jī)防堵轉(zhuǎn)裝置

該裝置用于可切換的中間站系統(tǒng)中直線段翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的提升機(jī)構(gòu)，以防止其推桿電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)。通常情況下，當(dāng)推桿到達(dá)指定位置，與作用面接觸后，推桿運(yùn)動(dòng)受阻，由于電機(jī)的延時(shí)操作，在此期間電機(jī)容易發(fā)生堵轉(zhuǎn)，甚至導(dǎo)致電機(jī)燒壞。北起院研發(fā)的推桿電機(jī)防堵轉(zhuǎn)裝置在電機(jī)有延時(shí)操作的情況下，保證翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與作用面接觸。電機(jī)和推桿由鉸制孔螺栓帶動(dòng)在長(zhǎng)孔內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從而保證電機(jī)不會(huì)發(fā)生堵轉(zhuǎn)。

5）應(yīng)急皮帶裝置

可切換的中間站系統(tǒng)站內(nèi)直線段和彎段與加減速段是分開(kāi)的，需要獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。一旦電機(jī)出現(xiàn)故障，直線段和彎段上的輪胎會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致索道停運(yùn)。北起院開(kāi)發(fā)了應(yīng)急皮帶裝置，備用皮帶通過(guò)張緊裝置連接皮帶輪，從而避免由電機(jī)故障引起的索道停運(yùn)。

6）自動(dòng)控制系統(tǒng)

“可獨(dú)立/整體運(yùn)行中間站”的自動(dòng)控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，通過(guò)以太網(wǎng)通訊，將12 個(gè)節(jié)點(diǎn)連接在一起協(xié)同工作。針對(duì)兼顧正常使用和方便維護(hù)的特殊要求，開(kāi)發(fā)了友好的人機(jī)界面，操作人員既可以“一鍵切換”，也可以單獨(dú)控制某一執(zhí)行機(jī)構(gòu)；人機(jī)界面可通過(guò)無(wú)線擴(kuò)展到平板電腦，由操作人員攜帶在切換機(jī)構(gòu)附近使用，極大提高了操作的便利性和安全性。每個(gè)切換機(jī)構(gòu)均獨(dú)立控制，“一鍵切換”既可4 個(gè)切換點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行，也可順序執(zhí)行。切換裝置通過(guò)變頻調(diào)速的方式，實(shí)時(shí)跟隨索道運(yùn)行速度，保證任意速度下索道運(yùn)行的同步；并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)索道的運(yùn)行狀態(tài)，以確保在安全的前提下，切換裝置才能啟動(dòng)運(yùn)行。此外，針對(duì)索道發(fā)車和收車工況的特殊性，設(shè)計(jì)了整套的解決不同收發(fā)車模式的方案。

土建結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)軟件

索道基礎(chǔ)和支架由于索道類型、高度、角度、荷載、地形地質(zhì)等條件具有隨機(jī)性，土建基礎(chǔ)及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作不能直接套用已有圖紙，對(duì)于每個(gè)工程項(xiàng)目必須重新單獨(dú)設(shè)計(jì)繪圖，因此設(shè)計(jì)工作量較大。特別是對(duì)于超長(zhǎng)距離大跨距脫掛式客運(yùn)索道，土建結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作量非常巨大，有的項(xiàng)目甚至超過(guò)六十個(gè)基礎(chǔ)和支架。傳統(tǒng)的索道土建基礎(chǔ)及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作由專業(yè)的工程設(shè)計(jì)人員人工完成，設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，占用大量的人力資源仍難以保證索道建設(shè)工期；同時(shí)，設(shè)計(jì)及繪圖缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，極易出錯(cuò)，圖紙質(zhì)量也有待提高。

北起院自主研發(fā)了土建結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)軟件，該軟件通過(guò)讀取索道支架及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù)據(jù)( 由前序索道支架及基礎(chǔ)計(jì)算程序生成) 和其它必要數(shù)據(jù)，模擬人工設(shè)計(jì)土建基礎(chǔ)及鋼結(jié)構(gòu)的全過(guò)程，對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和進(jìn)一步計(jì)算選型，確定索道基礎(chǔ)和支架各部件的具體規(guī)格和詳細(xì)尺寸，自動(dòng)完成詳細(xì)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，利用軟件后臺(tái)操控CAD 軟件自動(dòng)繪制索道土建基礎(chǔ)及鋼結(jié)構(gòu)支架所有標(biāo)準(zhǔn)化圖紙，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)替代人工進(jìn)行索道土建結(jié)構(gòu)常規(guī)設(shè)計(jì)工作。該軟件的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)“一分鐘”即可完成超長(zhǎng)距離大跨距脫掛式客運(yùn)索道全部基礎(chǔ)和支架的設(shè)計(jì)出圖工作，大大提高了基礎(chǔ)支架的設(shè)計(jì)效率和圖紙質(zhì)量，有效縮短了設(shè)計(jì)周期。

基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)程序可“一鍵”自動(dòng)完成索道的基礎(chǔ)總圖、線路獨(dú)立基礎(chǔ)、線路桁架基礎(chǔ)、站內(nèi)基礎(chǔ)、線路基礎(chǔ)預(yù)埋件、站內(nèi)基礎(chǔ)預(yù)埋件、地錨基礎(chǔ)、標(biāo)準(zhǔn)件明細(xì)表、圖樣目錄等圖紙。

支架鋼結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)程序可“一鍵”自動(dòng)完成塔柱支架總圖、塔柱部件圖、桁架支架總圖、桁架部件圖、橫擔(dān)部件圖、走臺(tái)部件圖、支架梯子部件圖、走臺(tái)斜拉桿、防墜落裝置、通信線纜固定件、起吊架圖、標(biāo)準(zhǔn)件明細(xì)表、圖樣目錄等圖紙。

針對(duì)線路總體設(shè)計(jì)計(jì)算方法的難題，北起院在國(guó)內(nèi)首次提出基于定索長(zhǎng)理論的脫掛索道總體計(jì)算方法，打破了原有基于定張力的總體計(jì)算思路，另辟蹊徑，解決了長(zhǎng)距離脫掛索道在原有定張力總體設(shè)計(jì)思路下的大張緊行程問(wèn)題，將張緊行程幾乎縮小為0。解決了定索長(zhǎng)總體計(jì)算中的幾何和力學(xué)模型算法問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了該索道總體計(jì)算程序，該總體設(shè)計(jì)方法不但使得超長(zhǎng)距離大跨距脫掛式客運(yùn)索道的建設(shè)成為了可能，而且還充分利用了鋼絲繩張力隨載荷增加而增加的特點(diǎn)，降低了索道等效功率、總體張力、沿線支架載荷，節(jié)省了支架和托壓索輪，降低了索道使用企業(yè)的電能消耗，符合國(guó)家節(jié)能減排的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，符合節(jié)能設(shè)計(jì)的理念，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能節(jié)材。

針對(duì)中間轉(zhuǎn)角站“獨(dú)立/整體運(yùn)行”切換的難題，北起院開(kāi)發(fā)了可切換的推車系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)、地面導(dǎo)向系統(tǒng)；開(kāi)發(fā)了升降機(jī)構(gòu)和軌道的精確定位裝置；開(kāi)發(fā)了同步獨(dú)立推車裝置。實(shí)現(xiàn)了“獨(dú)立/整體運(yùn)行”的全自動(dòng)一鍵切換功能，從而兩段或多段索道即可以分段獨(dú)立運(yùn)行也可以多段聯(lián)合運(yùn)行，提高了索道的運(yùn)行安全性和運(yùn)營(yíng)區(qū)段的靈活性，同時(shí)增加了索道站址選擇的靈活性（可以避開(kāi)保護(hù)區(qū)）。

針對(duì)基礎(chǔ)支架設(shè)計(jì)工作量大設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)的難題，北起院基于對(duì)索道基礎(chǔ)和支架設(shè)計(jì)中的固有設(shè)計(jì)規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)和歸納，自主開(kāi)發(fā)了CAD 自動(dòng)繪圖軟件，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)索道基礎(chǔ)和支架圖紙?jiān)趲追昼妰?nèi)即可出圖完畢，大大節(jié)省了人力和時(shí)間成本，縮短了大型脫掛索道的設(shè)計(jì)和建設(shè)周期。

截止目前，北起院已在福建龍巖梅花山索道、新疆可可托?；﹫?chǎng)索道、新疆吉克普林滑雪場(chǎng)索道等十幾個(gè)項(xiàng)目中成功應(yīng)用了超長(zhǎng)距離大跨距脫掛索道技術(shù)，經(jīng)國(guó)家客運(yùn)架空索道安全監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)，指標(biāo)符合國(guó)家等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用和規(guī)?；a(chǎn)，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。經(jīng)中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)專家組鑒定，該科技成果具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，總體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。