脫掛索道取力裝置的研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭元兆

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

隨著旅游產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,客運(yùn)索道在解決景區(qū)內(nèi)部交通方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。脫掛抱索器客運(yùn)索道作為一種技術(shù)含量高、運(yùn)量大、乘坐舒適、上下車廂方便的索道系統(tǒng),逐漸成為客運(yùn)索道行業(yè)的主流產(chǎn)品,在國(guó)內(nèi)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

加減速系統(tǒng)是保證脫掛抱索器在站內(nèi)按照既定速度曲線運(yùn)行的部件,其主要作用是通過(guò)充氣輪胎與抱索器摩擦板之間的摩擦力,對(duì)抱索器進(jìn)行站內(nèi)加減速控制,取力裝置是為加減速系統(tǒng)提供動(dòng)力的部件。在脫掛索道技術(shù)發(fā)展過(guò)程中,出現(xiàn)過(guò)多種類型的取力裝置,本文提出了一種新型取力裝置,并進(jìn)行了三維建模及有限元分析。

1 取力裝置取力原理分析

吊箱在站內(nèi)運(yùn)行是通過(guò)加減速系統(tǒng)的充氣輪胎和抱索器摩擦板的摩擦來(lái)實(shí)現(xiàn)的,而抱索器脫開掛接過(guò)程中,抱索器與鋼絲繩的速度差不能超過(guò)0.3 m/s,故加減速裝置對(duì)動(dòng)力源的要求很高。目前加減速輪胎傳動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源主要有三種方式:

第一種是獨(dú)立的傳動(dòng)方式,可以在加減速某一個(gè)特定輪胎上加電機(jī),并通過(guò)電氣控制,利用測(cè)速裝置及反饋系統(tǒng),達(dá)到加減速速度控制的目的。實(shí)踐證明,這種方法故障較多,沒(méi)有機(jī)械同步方法可靠,目前這種獨(dú)立傳動(dòng)方法已逐漸被淘汰。隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展及控制技術(shù)水平的提高,這種方式在未來(lái)可能成為一種成熟技術(shù),但是在現(xiàn)在的水平條件下,受電氣控制水平等條件限制,很難保證抱索器在脫開掛接時(shí)與鋼絲繩的速度相匹配。

因此,為保證加減速裝置在抱索器脫開掛結(jié)時(shí)與抱索器的速度匹配,可采用機(jī)械聯(lián)鎖的方式從驅(qū)動(dòng)(迂回輪)或鋼絲繩上取力來(lái)為整個(gè)加減速裝置提供動(dòng)力,從而保證在脫開掛結(jié)時(shí),抱索器在脫開掛接時(shí)的鋼絲繩的速度相匹配,詳見(jiàn)第二種、第三種取力方式。

第二種是直接從驅(qū)動(dòng)輪(迂回輪)取力。由于驅(qū)動(dòng)(迂回)輪離脫開掛結(jié)的位置較遠(yuǎn),而且二者的傳動(dòng)軸線垂直,故需要在驅(qū)動(dòng)(迂回)輪輪軸頂端加裝錐齒輪箱,且需要用較長(zhǎng)的萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)將動(dòng)力傳遞到兩側(cè)的加減速裝置上,此方法可保證抱索器在脫開掛接時(shí)與鋼絲繩的速度相匹配。但驅(qū)動(dòng)設(shè)備的傳動(dòng)軸較長(zhǎng),且在張緊側(cè)需要與張緊缸行程相適應(yīng)的滑套裝置,存在故障點(diǎn)多、設(shè)備復(fù)雜、安裝維修不方便等缺點(diǎn)。

第三種是直接從鋼絲繩上取力,也是目前脫掛抱索器索道主流的設(shè)備傳動(dòng)形式。這種方式是通過(guò)站內(nèi)鋼絲繩壓緊取力輪,依靠鋼絲繩與取力輪之間的摩擦從運(yùn)行的鋼絲繩上取力。這種方式結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,設(shè)備占用空間較小,但是對(duì)安裝調(diào)整的要求較高。

取力裝置三種不同取力方式的對(duì)比分析表,如表1 所示。

表1 取力裝置三種不同取力方式分析對(duì)比表

通過(guò)以上分析對(duì)比,可知從鋼絲繩上取力是比較好的取力方式,也是目前市場(chǎng)上主流設(shè)備供應(yīng)商采取的取力方式。下文對(duì)該取力方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析,為取力裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

2 兩種常見(jiàn)取力裝置的對(duì)比研究

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的取力裝置主要有兩種類型(以下分別以A 型和B 型命名),均采用從鋼絲繩上取力的方式,下面對(duì)兩種取力裝置做對(duì)比分析。

A 型取力裝置是兩個(gè)取力輪通過(guò)鋼絲繩取力,中間帶一個(gè)皮帶輪,通過(guò)兩個(gè)張緊輪,使整個(gè)取力裝置系統(tǒng)的皮帶張緊,如圖1 所示。

圖1 A 型取力裝置

下面的兩個(gè)取力輪,可分別通過(guò)螺栓調(diào)整高度,調(diào)整過(guò)程可實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)整。上面的兩個(gè)張緊輪可通過(guò)調(diào)整螺栓完成雙面V 帶的張緊,帶輪相當(dāng)于出口(入口)加減速段的原動(dòng)機(jī)。由于取力輪的線速度與鋼絲繩的線速度在不考慮打滑的情況下是一致的,可通過(guò)合理布置加減速皮帶輪輪徑,來(lái)達(dá)到脫開掛接時(shí),抱索器的速度與鋼絲繩速度的一致。

B 型取力裝置也有兩個(gè)取力輪,與A 型取力裝置不同的是,B 型取力裝置是每個(gè)取力輪帶一個(gè)皮帶輪,且每個(gè)皮帶輪都是通過(guò)兩個(gè)張緊輪張緊的,如圖2 所示。

圖2 B 型取力裝置

B 型取力裝置下面的兩個(gè)取力輪通過(guò)偏心套裝置來(lái)調(diào)節(jié)高度,也是分別調(diào)整,但由于偏心套取力輪的調(diào)整是通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸和軸套之間的相對(duì)關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)的,故調(diào)整時(shí)不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)整。而兩取力輪分別帶動(dòng)一個(gè)皮帶輪,故每個(gè)皮帶輪都相當(dāng)于一個(gè)原動(dòng)機(jī),其取力輪的線速度與鋼絲繩線速度在不考慮打滑的情況下也是一致的。通過(guò)合理布置加減速皮帶輪輪徑,也可以達(dá)到脫開掛接時(shí),抱索器的速度與鋼絲繩速度的一致。兩個(gè)原動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì),雖然B 型結(jié)構(gòu)相對(duì)于A 型較復(fù)雜,但兩個(gè)原動(dòng)機(jī)互為冗余,在一個(gè)皮帶輪出現(xiàn)取力故障的情況下,另一個(gè)皮帶輪還可以繼續(xù)保證加減速系統(tǒng)運(yùn)行。

對(duì)A 型、B 型取力裝置從多個(gè)維度對(duì)比分析,如表2 所示。

表2 A 型、B 型取力裝置的對(duì)比分析

通過(guò)表2 可以看出,兩取力裝置的結(jié)構(gòu)有所差別,但設(shè)計(jì)理念相同,相對(duì)來(lái)說(shuō)B 型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,但考慮了冗余。兩取力裝置均可實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)。

3 新型取力裝置的設(shè)計(jì)及solidworks 建模

通過(guò)對(duì)取力裝置的研究,在設(shè)計(jì)過(guò)程中我們參考了兩種取力裝置的設(shè)計(jì)理念,經(jīng)過(guò)綜合分析,為了使整體設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔,提高設(shè)備的可操作性,我們采用兩取力輪帶一個(gè)皮帶輪的方案。為了使設(shè)備調(diào)整更加方便,將兩個(gè)取力輪安裝在同一個(gè)機(jī)架上,通過(guò)上下調(diào)整機(jī)架的高度來(lái)調(diào)整取力輪的高度,通過(guò)調(diào)整機(jī)架的擺動(dòng)角度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)取力輪相對(duì)關(guān)系的調(diào)整,如圖3 所示。

圖3 新型取力裝置軸測(cè)圖、后視圖、前視圖

兩取力輪是通過(guò)連接架連接到一起的,連接架通過(guò)銷軸與上下移動(dòng)導(dǎo)板相連。兩取力輪的上下調(diào)整通過(guò)螺栓(二)的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn),兩取力輪的上下關(guān)系可通過(guò)螺栓(一)微調(diào),使連接架擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩取力輪關(guān)系的調(diào)整。其中皮帶輪相當(dāng)于加減速系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī),皮帶輪通過(guò)雙面V 帶與取力輪及張緊輪連接,皮帶輪的張緊通過(guò)螺栓(四)的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)取力裝置固定在機(jī)架上,取力裝置的左右調(diào)整通過(guò)螺栓(三)的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)。

如前所述,取力輪可實(shí)現(xiàn)上下左右的調(diào)整,且自身可通過(guò)微調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自適應(yīng)。張緊螺栓的調(diào)整可實(shí)現(xiàn)皮帶輪的張緊,使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)取力功能并將力、轉(zhuǎn)速傳遞到皮帶輪上,皮帶依次連接將力傳遞到整個(gè)加減速系統(tǒng)中,從而實(shí)現(xiàn)其功能。

4 新型取力裝置關(guān)鍵零部件有限元分析

通過(guò)取力裝置的載荷分析,可知取力裝置的關(guān)鍵受力件為取力輪軸、連接機(jī)架與上下移動(dòng)導(dǎo)板的銷軸、連接機(jī)架、上下移動(dòng)導(dǎo)板等。下面分別對(duì)這四個(gè)零件使用Ansys 軟件進(jìn)行有限元分析,驗(yàn)證新型取力裝置設(shè)計(jì)的合理性。

4.1 取力輪軸的有限元分析

通過(guò)取力裝置的載荷分析可知:取力輪軸受力位置為兩個(gè)軸承位置,并通過(guò)加減速裝置功率計(jì)算可得,取力輪軸兩軸承位置受力分別為4 620 N,方向垂直向下。根據(jù)取力輪軸的固定及受力情況確定取力輪軸的固定方式,選取邊界條件如圖4 所示。

圖4 取力輪軸的邊界條件

對(duì)取力輪軸進(jìn)行有限元分析,其應(yīng)力云圖如圖5 所示。

圖5 取力輪軸應(yīng)力云圖

如圖5 所示,不考慮應(yīng)力集中區(qū)域,取力輪軸的應(yīng)力為78.9 MPa。

取力輪軸采用40Cr,σs=550 MPa,[σ]=σs==157.1 MPa。

78.9MPa<[σ]=157.1 MPa。

取力輪軸的屈服強(qiáng)度符合規(guī)范要求。

4.2 連接銷軸的有限元分析

通過(guò)取力裝置的載荷分析可知:連接銷軸受力18 480 N,方向垂直向下。根據(jù)取力輪軸的固定及受力情況確定取力輪軸的固定方式。選取邊界條件如圖6 所示。

圖6 連接銷軸的邊界條件

對(duì)連接銷軸進(jìn)行有限元分析,其應(yīng)力云圖如圖7 所示。

圖7 連接銷軸應(yīng)力云圖

如圖7 所示,在不考慮應(yīng)力集中的情況下,連接銷軸的受力為61.88 MPa。

連接銷軸采用40Cr,σs=550 MPa,[σ]=σs==157.1 MPa。

61.88MPa<[σ]=157.1 MPa。

連接銷軸的屈服強(qiáng)度符合規(guī)范要求。

4.3 連接架的有限元分析

通過(guò)取力裝置的載荷分析可知:連接機(jī)架在左右兩個(gè)軸孔位置受力9 240 N,方向垂直向下。固定位置在中心孔位置,根據(jù)連接機(jī)架的固定及受力情況確定連接機(jī)架的邊界條件。選取邊界條件如圖8 所示。

圖8 連接機(jī)架的負(fù)載及約束

對(duì)連接銷軸進(jìn)行有限元分析,其應(yīng)力云圖如圖9 所示。

圖9 連接機(jī)架應(yīng)力云圖

如圖9 所示,在不考慮應(yīng)力集中的情況下,連接機(jī)架的受力為21.03 MPa。

連接銷軸采用Q345B,σs=345 MPa,[σ]=σs==138 MPa

21.03MPa<[σ]=138 MPa

因此連接機(jī)架的屈服強(qiáng)度符合規(guī)范要求。

連接機(jī)架除受力滿足要求之外,其受力之后變不能太大,做有限元分析時(shí),對(duì)其進(jìn)行變形分析,如圖10 所示。

從圖10 可知,連接機(jī)架的最大位移為1.112 mm<1.5 mm(L/700),所以連接機(jī)架的變形符合規(guī)范要求。

圖10 連接機(jī)架變形云圖

4.4 上下移動(dòng)導(dǎo)板的有限元分析

通過(guò)取力裝置的載荷分析可知:上下移動(dòng)導(dǎo)板的受力為4 620 N,方向垂直向下。固定位置在兩個(gè)螺栓孔的位置,根據(jù)上下移動(dòng)導(dǎo)板的固定及受力情況確定上下移動(dòng)導(dǎo)板的邊界條件。選取邊界條件如圖11 所示。

圖11 上下移動(dòng)導(dǎo)板的負(fù)載及約束

對(duì)上下移動(dòng)導(dǎo)板進(jìn)行有限元分析,其應(yīng)力云圖如圖12 所示。

如圖12 所示,在不考慮應(yīng)力集中的情況下,上下移動(dòng)導(dǎo)板的受力為39.11 MPa。

圖12 上下移動(dòng)導(dǎo)板的應(yīng)力云圖

上下移動(dòng)導(dǎo)板采用Q345B,σs=345 MPa,[σ]=σs==138 MPa

39.11MPa<[σ]=138 MPa

因此上下移動(dòng)導(dǎo)板的屈服強(qiáng)度符合規(guī)范要求。

通過(guò)對(duì)取力裝置的關(guān)鍵受力件進(jìn)行有限元分析,均可滿足強(qiáng)度要求。

5 結(jié)論

本文首先分析了脫掛索道的加減速系統(tǒng)取力原理,并將國(guó)內(nèi)外常用的兩種取力裝置設(shè)計(jì)方案做對(duì)比分析,在此基礎(chǔ)上對(duì)取力裝置優(yōu)化設(shè)計(jì),并通過(guò)三維建模有限元分析等驗(yàn)證了取力裝置零件設(shè)計(jì)的安全性,優(yōu)化后的新型取力裝置可以滿足站內(nèi)加減速裝置的需要,與現(xiàn)有的取力裝置相比結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便,可為脫掛索道取力裝置的設(shè)計(jì)提供一定的參考。