脉动索道混凝土基础钢结构载荷分析

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0 引言

在脉动索道工作过程中，受线路地形、载客在线路上分布等因素的影响，为了保持钢丝绳的恒定张力，液压系统会使驱动小车在钢结构上的不同位置保持平衡。钢结构在索道工作过程受到的载荷工况复杂、受力频繁，长时间作用下钢结构会在应力集中部位以及应力幅较大部位开裂或开焊，导致结构失效[1]。但在实际的工作中，对于钢结构载荷的准确确定，危险工况的界定及其对钢结构影响的文献很少。本文以脉动索道混凝土基础钢结构为例，对钢结构所受的载荷进行分析，进而统计钢结构所有载荷工况，通过分析比较得到钢结构的危险工况，为脉动索道混凝土基础钢结构进行下一步的强度分析和优化提供便利和重要依据。

1 脉动索道钢结构

脉动索道钢结构有混凝土基础钢结构和倾斜圆筒支撑钢结构两种形式。混凝土基础钢结构是由钢结构底座和混凝土基础连接在一起的结构；倾斜圆筒支撑钢结构是钢结构和倾斜圆筒靶接，倾斜圆筒和地面基础连接在一起的结构，两种结构形式的选择跟张力大小息息相关。

混凝土基础钢结构主要由圆筒、轨道、油缸拉板、双层挡块插板、底座和拉杆等组成，轨道、油缸拉板、双层挡块插板和底座按照一定的位置关系焊接在圆筒上，并通过拉杆将两个圆筒连接起来，如图1所示。

图 1 混凝土基础钢结构

为了确定钢结构的受力情况，须了解施力部件结构以及和钢结构的连接方式。在索道运行过程中，钢结构的受力全部来自于驱动装置，主要受力为:

1）驱动装置的液压油缸挂接在钢结构油缸拉板上，承受的钢丝绳张力和；

2）索道起动、运行和制动过程中驱动装置的驱动轮有效拉力引起的水平力作用在钢结构上；

3）驱动装置的驱动车架搭在钢结构轨道上，承受的驱动车架以及车架上所有装置的质量；

4）满载吊厢作用的力。

2 钢结构受力分析

2.1 驱动站钢丝绳张力和

钢丝绳张力和为恒定值，受线路地形、载客人数等因素影响，不同索道钢丝绳张力和也不同。载荷通过钢丝绳作用在驱动装置，驱动装置和液压缸固定在一起，液压缸挂接在钢结构上，因此载荷可以传递到钢结构上。驱动钢结构是由两个对称结构组成，钢丝绳张力和作用在钢结构上，其相对位置如图2所示，受力如图3所示，则单侧结构承受张力为

图 2 钢结构和驱动车架位置关系

图 3 钢结构和驱动车架受力关系

2.2 有效拉力引起的水平力

有效拉力是索道启动、运行和制动时驱动轮钢丝绳出绳端及入绳端的拉力差值。即

当钢丝绳在驱动轮上即将打滑时，F入和F出挠性体摩擦欧拉公式为[2]

式中：F入为驱动轮入绳端张力，F出为驱动轮出绳端张力，μ为钢丝绳和驱动轮摩擦系数，α为钢丝绳和驱动轮包角。

如果钢丝绳总长度不变时

由式（2）、式（3）式可得

有效拉力以力偶方式作用在驱动车架上，驱动车架通过两侧的尼龙轮作用在钢结构轨道侧面上，其相对位置如图2所示，受力如图3所示。

当索道顺时针运行时，有效拉力引起的水平力

当索道逆时针运行时，有效拉力引起的水平力

式中：d为索距，e为两个尼龙轮间的距离。

当索道顺时针转动时，有效拉力引起的水平力在索道起动、运行和制动时均不相同，现用Fs、Fr、Fb分别表示索道起动、运行和制动时有效拉力引起的水平力，归纳如表1所示。

表1 索道起动、运行和制动时有效拉力引起的水平力

2.3 驱动车架轮压

驱动装置主要由驱动车架、驱动主电机、主减速器、辅助电机、辅助减速器、驱动轮组成。驱动车架轮压是由驱动装置的自重作用在驱动车架4个滚轮产生。驱动车架由四个滚轮支撑在钢结构上，4个滚轮对钢结构的力根据实际情况考虑。在实际运行环境中，由于和驱动车架滚轮接触的钢结构轨道在沿着索道中心线方向不能保证在同一平面，故会出现3个滚轮受力，1个滚轮不受力的情形（简称三点支撑），现计算三点支撑情况下3个滚轮的受力，驱动车架4个滚轮受力相对位置如图2所示，受力如图3所示。

对驱动装置列平衡方程得

式中：F6、F7、F8、F9为四个滚轮的反力，方向垂直纸面向上；M为驱动装置重量，方向垂直纸面向下；b为滚轮到x轴（小车中心）距离；a为滚轮到y轴（小车中心）距离。

当有1个滚轮离地，F6=0时，

由于F6和F7关于X轴对称，当F7=0时，结果与当F6=0时一致。

当有1个滚轮离地，F8=0时，

由于F8和F9关于X轴对称，当F9=0时，结果与当F8=0时一致。

由于驱动支架4个滚轮没有固定在轨道上，故反力没有相反的情况，符合实际情况的滚轮反力为

2.4 满载吊厢载荷作用的力

在进站或出站过程中，满载吊厢依次经过钢结构上的两轮托索轮和驱动小车上的两轮托索轮，作为集中载荷通过两轮托索轮作用在钢结构上，之后满载吊厢作用力作用在行走平台的行走轨上，和钢结构并非一体。考虑到钢丝绳一直处于张紧状态及两轮托索轮能够承受的最大质量，取

3 工况分析

根据运载工具运载量和在钢丝绳上的位置可以分为5种工况，分别为重上重下（满载上行，满载下行）、重上空下（满载上行，空载下行）、空上重下（空载上行，满载下行）、空上空下（空载上行，空载下行）、空绳状态。根据钢结构的载荷分析，现统计5种工况下索道顺时针转动，索道起动、运行和制动时钢结构的受力情况，如表2所示。其中Fs51为索道顺时针转动、索道起动时，运载工具重上重下时钢结构受的有效拉力引起的水平力，其他以此类推。

表2 5种工况下索道顺时针转动，索道起动、运行和制动时钢结构受力

在这5种工况中，可知张力和、驱动车架轮压和满载吊厢作用两轮托索轮的力不随工况变化，但驱动车架轮压会受到钢结构轨道加工精度的影响，满载吊厢作用力作用位置是随着索道运转时满载吊厢进站和出站位置变化而变化的。

有效拉力引起的水平力是随着工况变化而变化的，载荷分析可知，F入和F出决定了有效拉力引起的水平力，而重上空下工况要克服全部满载吊具重力，其余4种工况只需克服部分或不需克服满载吊具重力，则表明F入和F出差值在5种工况中是最大的，且索道起动时，由于运载工具质量、人员或载荷质量和由钢丝绳带动的转动质量引起的惯性力的影响[3]，有效拉力引起的水平力比运行和制动时还要大，即Fs＞Fr且Fs＞Fb。则重上空下索道起动时是钢结构受力最危险的工况。由于钢结构是对称结构，故只需要分析受力严重的一侧即可。具体受力如表3所示。

表3 索道顺时针转动、重上空下，索道起动时钢结构受力

4 结论

本文通过对脉动索道混凝土基础钢结构的详细的载荷分析和工况分析，得出以下结论：

1）通过对钢结构的分析，明确了钢结构的载荷种类并计算了各个载荷的大小。

2）统计钢结构所有工况下所受载荷情况，并分析界定了钢结构的危险工况及其所受载荷，为脉动索道混凝土基础钢结构进行准确的强度分析和结构优化提供了便利和重要依据。