脈動索道混凝土基礎鋼結構載荷分析

北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007

0 引言

在脈動索道工作過程中，受線路地形、載客在線路上分布等因素的影響，為了保持鋼絲繩的恒定張力，液壓系統(tǒng)會使驅動小車在鋼結構上的不同位置保持平衡。鋼結構在索道工作過程受到的載荷工況復雜、受力頻繁，長時間作用下鋼結構會在應力集中部位以及應力幅較大部位開裂或開焊，導致結構失效[1]。但在實際的工作中，對于鋼結構載荷的準確確定，危險工況的界定及其對鋼結構影響的文獻很少。本文以脈動索道混凝土基礎鋼結構為例，對鋼結構所受的載荷進行分析，進而統(tǒng)計鋼結構所有載荷工況，通過分析比較得到鋼結構的危險工況，為脈動索道混凝土基礎鋼結構進行下一步的強度分析和優(yōu)化提供便利和重要依據(jù)。

1 脈動索道鋼結構

脈動索道鋼結構有混凝土基礎鋼結構和傾斜圓筒支撐鋼結構兩種形式。混凝土基礎鋼結構是由鋼結構底座和混凝土基礎連接在一起的結構；傾斜圓筒支撐鋼結構是鋼結構和傾斜圓筒靶接，傾斜圓筒和地面基礎連接在一起的結構，兩種結構形式的選擇跟張力大小息息相關。

混凝土基礎鋼結構主要由圓筒、軌道、油缸拉板、雙層擋塊插板、底座和拉桿等組成，軌道、油缸拉板、雙層擋塊插板和底座按照一定的位置關系焊接在圓筒上，并通過拉桿將兩個圓筒連接起來，如圖1所示。

圖 1 混凝土基礎鋼結構

為了確定鋼結構的受力情況，須了解施力部件結構以及和鋼結構的連接方式。在索道運行過程中，鋼結構的受力全部來自于驅動裝置，主要受力為:

1）驅動裝置的液壓油缸掛接在鋼結構油缸拉板上，承受的鋼絲繩張力和；

2）索道起動、運行和制動過程中驅動裝置的驅動輪有效拉力引起的水平力作用在鋼結構上；

3）驅動裝置的驅動車架搭在鋼結構軌道上，承受的驅動車架以及車架上所有裝置的質(zhì)量；

4）滿載吊廂作用的力。

2 鋼結構受力分析

2.1 驅動站鋼絲繩張力和

鋼絲繩張力和為恒定值，受線路地形、載客人數(shù)等因素影響，不同索道鋼絲繩張力和也不同。載荷通過鋼絲繩作用在驅動裝置，驅動裝置和液壓缸固定在一起，液壓缸掛接在鋼結構上，因此載荷可以傳遞到鋼結構上。驅動鋼結構是由兩個對稱結構組成，鋼絲繩張力和作用在鋼結構上，其相對位置如圖2所示，受力如圖3所示，則單側結構承受張力為

圖 2 鋼結構和驅動車架位置關系

圖 3 鋼結構和驅動車架受力關系

2.2 有效拉力引起的水平力

有效拉力是索道啟動、運行和制動時驅動輪鋼絲繩出繩端及入繩端的拉力差值。即

當鋼絲繩在驅動輪上即將打滑時，F(xiàn)入和F出撓性體摩擦歐拉公式為[2]

式中：F入為驅動輪入繩端張力，F(xiàn)出為驅動輪出繩端張力，μ為鋼絲繩和驅動輪摩擦系數(shù)，α為鋼絲繩和驅動輪包角。

如果鋼絲繩總長度不變時

由式（2）、式（3）式可得

有效拉力以力偶方式作用在驅動車架上，驅動車架通過兩側的尼龍輪作用在鋼結構軌道側面上，其相對位置如圖2所示，受力如圖3所示。

當索道順時針運行時，有效拉力引起的水平力

當索道逆時針運行時，有效拉力引起的水平力

式中：d為索距，e為兩個尼龍輪間的距離。

當索道順時針轉動時，有效拉力引起的水平力在索道起動、運行和制動時均不相同，現(xiàn)用Fs、Fr、Fb分別表示索道起動、運行和制動時有效拉力引起的水平力，歸納如表1所示。

表1 索道起動、運行和制動時有效拉力引起的水平力

2.3 驅動車架輪壓

驅動裝置主要由驅動車架、驅動主電機、主減速器、輔助電機、輔助減速器、驅動輪組成。驅動車架輪壓是由驅動裝置的自重作用在驅動車架4個滾輪產(chǎn)生。驅動車架由四個滾輪支撐在鋼結構上，4個滾輪對鋼結構的力根據(jù)實際情況考慮。在實際運行環(huán)境中，由于和驅動車架滾輪接觸的鋼結構軌道在沿著索道中心線方向不能保證在同一平面，故會出現(xiàn)3個滾輪受力，1個滾輪不受力的情形（簡稱三點支撐），現(xiàn)計算三點支撐情況下3個滾輪的受力，驅動車架4個滾輪受力相對位置如圖2所示，受力如圖3所示。

對驅動裝置列平衡方程得

式中：F6、F7、F8、F9為四個滾輪的反力，方向垂直紙面向上；M為驅動裝置重量，方向垂直紙面向下；b為滾輪到x軸（小車中心）距離；a為滾輪到y(tǒng)軸（小車中心）距離。

當有1個滾輪離地，F(xiàn)6=0時，

由于F6和F7關于X軸對稱，當F7=0時，結果與當F6=0時一致。

當有1個滾輪離地，F(xiàn)8=0時，

由于F8和F9關于X軸對稱，當F9=0時，結果與當F8=0時一致。

由于驅動支架4個滾輪沒有固定在軌道上，故反力沒有相反的情況，符合實際情況的滾輪反力為

2.4 滿載吊廂載荷作用的力

在進站或出站過程中，滿載吊廂依次經(jīng)過鋼結構上的兩輪托索輪和驅動小車上的兩輪托索輪，作為集中載荷通過兩輪托索輪作用在鋼結構上，之后滿載吊廂作用力作用在行走平臺的行走軌上，和鋼結構并非一體?？紤]到鋼絲繩一直處于張緊狀態(tài)及兩輪托索輪能夠承受的最大質(zhì)量，取

3 工況分析

根據(jù)運載工具運載量和在鋼絲繩上的位置可以分為5種工況，分別為重上重下（滿載上行，滿載下行）、重上空下（滿載上行，空載下行）、空上重下（空載上行，滿載下行）、空上空下（空載上行，空載下行）、空繩狀態(tài)。根據(jù)鋼結構的載荷分析，現(xiàn)統(tǒng)計5種工況下索道順時針轉動，索道起動、運行和制動時鋼結構的受力情況，如表2所示。其中Fs51為索道順時針轉動、索道起動時，運載工具重上重下時鋼結構受的有效拉力引起的水平力，其他以此類推。

表2 5種工況下索道順時針轉動，索道起動、運行和制動時鋼結構受力

在這5種工況中，可知張力和、驅動車架輪壓和滿載吊廂作用兩輪托索輪的力不隨工況變化，但驅動車架輪壓會受到鋼結構軌道加工精度的影響，滿載吊廂作用力作用位置是隨著索道運轉時滿載吊廂進站和出站位置變化而變化的。

有效拉力引起的水平力是隨著工況變化而變化的，載荷分析可知，F(xiàn)入和F出決定了有效拉力引起的水平力，而重上空下工況要克服全部滿載吊具重力，其余4種工況只需克服部分或不需克服滿載吊具重力，則表明F入和F出差值在5種工況中是最大的，且索道起動時，由于運載工具質(zhì)量、人員或載荷質(zhì)量和由鋼絲繩帶動的轉動質(zhì)量引起的慣性力的影響[3]，有效拉力引起的水平力比運行和制動時還要大，即Fs＞Fr且Fs＞Fb。則重上空下索道起動時是鋼結構受力最危險的工況。由于鋼結構是對稱結構，故只需要分析受力嚴重的一側即可。具體受力如表3所示。

表3 索道順時針轉動、重上空下，索道起動時鋼結構受力

4 結論

本文通過對脈動索道混凝土基礎鋼結構的詳細的載荷分析和工況分析，得出以下結論：

1）通過對鋼結構的分析，明確了鋼結構的載荷種類并計算了各個載荷的大小。

2）統(tǒng)計鋼結構所有工況下所受載荷情況，并分析界定了鋼結構的危險工況及其所受載荷，為脈動索道混凝土基礎鋼結構進行準確的強度分析和結構優(yōu)化提供了便利和重要依據(jù)。