客運(yùn)索道抱索力檢測(cè)方法

姚文華 甄正義

1黃山玉屏客運(yùn)索道有限責(zé)任公司 黃山 245800 2中國(guó)索道協(xié)會(huì) 北京 100007

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)旅游業(yè)的發(fā)展，我國(guó)的客運(yùn)索道數(shù)量激增，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年底我國(guó)客運(yùn)索道工程數(shù)量為1 072條，其中往復(fù)式索道占比4.4%，地面纜車占比1.7%，循環(huán)式索道占比93.9%，循環(huán)式索道占比最大，是客運(yùn)索道的最主要形式。抱索器是循環(huán)式索道中將運(yùn)載工具與運(yùn)載索連接在一起的裝置，是循環(huán)式索道的核心部件?？瓦\(yùn)索道的抱索器一般使用彈簧力夾緊運(yùn)載索帶動(dòng)運(yùn)載工具運(yùn)行，通常將抱索器組件對(duì)運(yùn)載索的夾緊力稱為抱索力。抱索力的大小直接關(guān)系到運(yùn)載工具與運(yùn)載索之間連接的牢固程度，是索道運(yùn)營(yíng)安全的重要指標(biāo)，循環(huán)式客運(yùn)索道因抱索力缺失導(dǎo)致運(yùn)載工具在運(yùn)載索上滑移甚至運(yùn)載工具從運(yùn)載索上脫落的事故仍有發(fā)生，因此在提高抱索器材料強(qiáng)度和加工質(zhì)量基礎(chǔ)上，對(duì)抱索力進(jìn)行安全有效的檢測(cè)尤為關(guān)鍵。

1 測(cè)力方法概述

在工程領(lǐng)域，力是最基本的機(jī)械量之一，也是構(gòu)成其他一些物理量的基本要素，如壓力、彈力、轉(zhuǎn)矩、應(yīng)力等。因此，力的測(cè)量在機(jī)械量測(cè)量中占有重要地位。力的測(cè)量通常有2種方法，一種是根據(jù)力的平衡原理，將欲求的力與已知的標(biāo)準(zhǔn)力源相比較而定量（如砝碼，彈簧秤等）；另一種是采用力傳感器，通過某種物理效應(yīng)把力轉(zhuǎn)換成與其成正比的電信號(hào)，不僅適合靜態(tài)力測(cè)量，也適合動(dòng)態(tài)力測(cè)量，因此在力的測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用。力傳感器有彈性式力傳感器、壓磁式力傳感器、壓電式力傳感器等各種類型[1]?？瓦\(yùn)索道通常采用彈性式力傳感器來檢測(cè)抱索器中彈性裝置的受力情況，其力的大小與抱索器鉗口對(duì)運(yùn)載索的夾緊力呈線性關(guān)系。

2 客運(yùn)索道抱索力檢測(cè)方法

按照掛結(jié)方式分類，客運(yùn)索道抱索器可分為固定抱索器和脫掛抱索器：固定抱索器在索道運(yùn)行時(shí)始終抱住運(yùn)載索；脫掛抱索器則可自動(dòng)脫掛。抱索力是抱索器的重要性能指標(biāo)，GB12352—2018《客運(yùn)架空索道安全規(guī)范》對(duì)客運(yùn)索道的抱索力有明確規(guī)定：一個(gè)索道運(yùn)載工具上所有抱索器防滑力之和應(yīng)達(dá)到運(yùn)行時(shí)最大下滑力的3倍；一個(gè)索道運(yùn)載工具上所有抱索器防滑力之和應(yīng)至少等于運(yùn)載工具允許的最大總質(zhì)量；抱索器或抱索機(jī)構(gòu)在線路上不允許自動(dòng)脫開或因夾緊力不足而產(chǎn)生滑移[2]。循環(huán)式客運(yùn)索道對(duì)抱索器的防滑力要求嚴(yán)格，抱索力的大小直接關(guān)系到防滑力大小，對(duì)抱索力的檢測(cè)是索道最關(guān)鍵的安全技術(shù)手段之一。客運(yùn)索道的抱索力檢測(cè)方法目前主要有扭矩?fù)Q算法、位移傳感器間接測(cè)量法和力傳感器直接測(cè)量法3種。

2.1 扭矩?fù)Q算法

客運(yùn)索道固定抱索器通常采用鎖緊螺栓上緊扭矩值來估算抱索力。圖1為固定抱索器結(jié)構(gòu)示意圖，通過扭轉(zhuǎn)鎖緊螺栓6，推動(dòng)壓板4壓縮蝶形彈簧3蓄能并推動(dòng)內(nèi)抱卡2配合外抱卡1抱緊由內(nèi)、外抱卡形成的鉗口內(nèi)的運(yùn)載索。GB/T 24729—2009《客運(yùn)索道固定抱索器通用技術(shù)條件》中對(duì)運(yùn)載索直徑變細(xì)后抱索力值也有具體規(guī)定：當(dāng)運(yùn)載索公稱直徑減少10%時(shí)，鉗口夾緊力減少應(yīng)不大于25%[3]?？瓦\(yùn)索道固定抱索器采用一組蝶形彈簧來調(diào)整抱索力，蝶形彈簧蓄能后可自動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)載索直徑的變化，保持對(duì)運(yùn)載索相對(duì)穩(wěn)定的抱索力。安裝固定抱索器時(shí)通常依據(jù)索道廠家給定的抱索力數(shù)據(jù)要求，或者給定抱索器鎖緊螺栓6的上緊扭矩值。上緊扭矩值通過經(jīng)驗(yàn)公式（1）可換算出抱索力的數(shù)值。

圖1 固定抱索器結(jié)構(gòu)示意圖

螺栓鎖緊的固定式抱索器抱索力為

式中：Fa為產(chǎn)生的推力（抱索力），η1為進(jìn)給絲桿螺紋副正效率，T為進(jìn)給絲桿扭矩，ι為進(jìn)給絲桿的導(dǎo)程。

通過扭矩間接測(cè)算抱索力的方法在間接推導(dǎo)過程中存在螺紋副正效率、活動(dòng)部件阻力、力矩扳手誤差等諸多干擾因素，估算出的抱索力值的準(zhǔn)確性會(huì)受影響。故在實(shí)際應(yīng)用中可能造成實(shí)際抱索力偏差：當(dāng)抱索力過大時(shí)，運(yùn)載索容易被夾傷，影響運(yùn)載索的使用壽命；當(dāng)抱索力過小時(shí)，一旦出現(xiàn)緊急制動(dòng)或重載爬坡的情況，抱索器與運(yùn)載索之間可能會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)甚至溜車，可能導(dǎo)致重大安全事故。固定抱索器索道目前還無法獲取運(yùn)行中的實(shí)時(shí)抱索力，故在索道檢修或設(shè)備驗(yàn)收時(shí)往往需要在測(cè)試棒和運(yùn)載索上做防滑力的靜態(tài)測(cè)試來驗(yàn)證抱索力是否滿足要求。當(dāng)然扭矩?fù)Q算法的優(yōu)點(diǎn)也是相當(dāng)明顯的，它沒有增加任何設(shè)備，使固定抱索器的結(jié)構(gòu)保持簡(jiǎn)單，抱索器的拆檢安裝較簡(jiǎn)便，制造維護(hù)成本低，目前在我國(guó)客運(yùn)索道有大量應(yīng)用，日常須嚴(yán)格按照要求進(jìn)行固定抱索器的維修保養(yǎng)和定期檢驗(yàn)。

2.2 位移傳感器間接測(cè)量法

示例索道為2014年從國(guó)外引進(jìn)的單線循環(huán)脫掛抱索器客運(yùn)索道，采用DT108型抱索器，通過位移傳感器測(cè)量彈性軌道變形得到抱索力值。圖2為示例索道運(yùn)行中使用的抱索器脫掛軌道裝置結(jié)構(gòu)圖，在索道站內(nèi)采用不同厚度的鋼板焊接成整體的抱索器脫掛軌道，在脫掛軌道的壓軌上形成一定長(zhǎng)度的彈性鋼板2（見圖3），當(dāng)抱索器的操作桿上滾輪3通過彈力鋼板時(shí)，蓄能扭力桿的彈簧力通過操作桿上滾輪3對(duì)彈力鋼板產(chǎn)生相應(yīng)的壓力，使彈力鋼板發(fā)生變形，通過位移傳感器1及PLC系統(tǒng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為抱索力值并通過顯示屏輸出。由于采用焊接方式進(jìn)行測(cè)力鋼板的固定，易造成焊接應(yīng)力對(duì)測(cè)力鋼板彈性的不良影響，使得測(cè)力鋼板的測(cè)力參數(shù)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度下降，脫掛抱索器抱索力的在線測(cè)量精度和一致性受到了限制，同時(shí)抱索力測(cè)量值受環(huán)境溫度、軌道潤(rùn)滑、操作輪磨損等干擾因素誤差明顯。圖4為示例索道30號(hào)車抱索器的2020年運(yùn)行抱索力檢測(cè)變化趨勢(shì)圖，圖中僅取樣了每月運(yùn)行抱索力檢測(cè)數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，可見抱索力測(cè)量值受溫度影響較為明顯，當(dāng)環(huán)境溫度過低（≤-5°）時(shí)，抱索力測(cè)量值會(huì)明顯變小，有時(shí)甚至低于抱索力下限閾值（額定值的70%），影響索道的正常運(yùn)行。示例索道的制造商將運(yùn)行抱索力檢測(cè)改成了雙傳感器，把2個(gè)傳感器檢測(cè)的數(shù)值進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)2個(gè)傳感器測(cè)量值偏差大于或等于10%時(shí)會(huì)發(fā)出停車信號(hào)，提高了抱索力檢測(cè)的可靠性。每年換季溫差變化大時(shí)對(duì)抱索力檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行重新標(biāo)定，以盡量減少環(huán)境溫度帶來的影響。定期對(duì)抱索器進(jìn)行無損探傷和防滑力測(cè)試，每2年由權(quán)威機(jī)構(gòu)對(duì)抱索力標(biāo)定和防滑力測(cè)試設(shè)備自身的精度進(jìn)行校驗(yàn)。位移傳感器間接測(cè)量法由于傳感器沒有直接受力，傳感器的使用壽命長(zhǎng)，適合在索道運(yùn)行中動(dòng)態(tài)測(cè)量抱索力時(shí)使用，目前在脫掛抱索器式索道中應(yīng)用最為普遍。

圖2 DT108抱索器脫掛裝置示意圖

圖3 索道抱索力檢測(cè)裝置

圖4 30號(hào)車抱索口器全年運(yùn)行抱索力變化趨勢(shì)圖

2.3 力傳感器直接測(cè)量法

力傳感器直接測(cè)量法是指采用力傳感器放置在抱索器鉗口等受力部位直接測(cè)量抱索力的方法，相比間接測(cè)量方式少了彈性鋼板、位移傳感器等中間環(huán)節(jié)，其檢測(cè)精度相對(duì)可以做得更高，本文重點(diǎn)介紹用力傳感器制作的抱索力直接測(cè)量裝置。

2.3.1 抱索力測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)原理

抱索力測(cè)量?jī)x為一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖5所示，將傳感器和顯示儀表組裝在一起。傳感器采用電阻應(yīng)變的測(cè)量原理，彈性受力部件設(shè)計(jì)成2組工字梁，似一座橋梁，全稱為雙剪切梁橋式電阻應(yīng)變傳感器。傳感器的外形模擬運(yùn)載索做成圓柱形狀，并可根據(jù)索道運(yùn)載索的不同直徑配置多種尺寸的壓頭，以契合不同的抱索器鉗口尺寸。測(cè)量抱索力時(shí)傳感器的3個(gè)壓頭分別頂在抱索器的內(nèi)抱卡和外抱卡上（見圖5），傳感器3點(diǎn)受力（見圖5、圖6），4個(gè)應(yīng)變片以45e角分別粘貼在工字梁上的4個(gè)盲孔的底部（見圖7），以測(cè)量工字梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部的剪切應(yīng)力的變化。4個(gè)應(yīng)變片接線組成惠斯頓電橋（見圖7），以消除受環(huán)境溫度等影響的共模誤差。抱索力測(cè)量?jī)x電路和數(shù)字顯示部分采用高集成度的電路設(shè)計(jì)，將除應(yīng)變片外的所有電子元器件都集成在顯示儀表的一端（非受力部分），在頂端還設(shè)置了3個(gè)操作按鍵：開機(jī)鍵、數(shù)據(jù)保持鍵和測(cè)量單位切換鍵，以方便測(cè)量數(shù)據(jù)的采集和讀取，實(shí)物如圖6所示。利用電阻應(yīng)變片受力后電阻值的線性變化來反映傳感器受力大小，經(jīng)過一系列的計(jì)算和轉(zhuǎn)換，最后通過液晶顯示屏輸出測(cè)量數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)單位可切換為千克(kg)或牛（N）[4]。

圖5 抱索力測(cè)量?jī)x示意圖

圖6 抱索力測(cè)量?jī)x實(shí)物圖

圖7 應(yīng)變片安裝、接線示意圖

2.3.2 抱索力測(cè)量?jī)x的應(yīng)用

出于安全考慮，示例索道每個(gè)站內(nèi)各設(shè)置了3套抱索器脫掛裝置，索道運(yùn)行時(shí)抱索器在每個(gè)站內(nèi)要脫掛2次，相比傳統(tǒng)的2套脫掛裝置的索道其抱索器脫掛次數(shù)增加了一倍。如2019年，平均每個(gè)抱索器脫掛了33 382次，亦是抱索器扭力桿彈簧的扭轉(zhuǎn)次數(shù)。為此加強(qiáng)了對(duì)抱索器的檢修力度，2020年12月使用本文所述的抱索力測(cè)量?jī)x對(duì)所有抱索器進(jìn)行抱索力測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。抱索力測(cè)量?jī)x操作相對(duì)簡(jiǎn)便，只需將測(cè)量?jī)x抱在抱索器的鉗口上即可直接讀取抱索力數(shù)值。為了降低操作帶來的誤差，在鉗口抱索力的測(cè)量中，規(guī)定只取鉗口中心水平方向上測(cè)量的抱索力數(shù)據(jù)，即將3個(gè)受力點(diǎn)放置于鉗口中心同一水平面，并在相同位置測(cè)量3次取其平均值。同時(shí)通過更換抱索力測(cè)量?jī)x壓頭尺寸，模擬測(cè)量運(yùn)載索直徑變化f10%的鉗口抱索力數(shù)據(jù)，為后期索道運(yùn)行提供了科學(xué)依據(jù)。

表1 示例索道抱索力測(cè)試對(duì)比表

3 抱索器的防滑力測(cè)量

抱索器的防滑力與抱索力成正比例關(guān)系，防滑力是抱索器最重要的指標(biāo)，索道安全主管部門通過測(cè)試防滑力來評(píng)判抱索器的抱索力等性能是否滿足安全要求，防滑力測(cè)試是索道安全檢驗(yàn)的必查項(xiàng)目。抱索器的防滑力測(cè)試也是抱索器拆解大修后最常見的檢驗(yàn)方法，一般由索道生產(chǎn)廠家提供專用工具，需要進(jìn)行定期測(cè)量。圖8為示例索道使用的DT108型抱索器的防滑力測(cè)試工具，可以在測(cè)試棒或運(yùn)載索上測(cè)量抱索器的防滑力，驗(yàn)證抱索器與測(cè)試棒（或運(yùn)載索）之間的防滑力是否達(dá)到安全值。

圖8 防滑力測(cè)試專用工具

4 對(duì)比分析

表1中包含2020年12月示例索道鉗口抱索力、運(yùn)行時(shí)操作輪上測(cè)力、測(cè)試棒防滑力測(cè)量的數(shù)據(jù)。鉗口抱索力是用抱索力測(cè)量?jī)x在抱索器鉗口測(cè)量的數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果不受鉗口表面清潔度、環(huán)境溫度等影響，這種測(cè)量方法相對(duì)直接，操作也較為簡(jiǎn)便，目前只能在抱索器檢修中測(cè)量靜態(tài)抱索力時(shí)使用；運(yùn)行抱索力是在同月份索道運(yùn)行過程中記錄下來的，為了提高數(shù)據(jù)的代表性，表1中數(shù)據(jù)為當(dāng)月運(yùn)行抱索力測(cè)量記錄數(shù)據(jù)的平均值，是采用上述的位移傳感器間接測(cè)量抱索器操作輪上的彈簧力，是目前脫掛抱索器最常見的運(yùn)行抱索力檢測(cè)方式，為減少測(cè)量誤差，其測(cè)量裝置需要根據(jù)溫度變化適時(shí)標(biāo)定和定期進(jìn)行標(biāo)定，以滿足對(duì)運(yùn)行抱索力測(cè)量精度的要求，其測(cè)量精度受潤(rùn)滑、溫度等影響明顯；測(cè)試棒防滑力是用專用測(cè)量裝置測(cè)量的最小防滑力，防滑力更接近索道實(shí)際運(yùn)行工況，但其測(cè)量結(jié)果受測(cè)試棒和抱索器鉗口表面的清潔度、摩擦系數(shù)等影響明顯，測(cè)量操作相對(duì)復(fù)雜。鉗口抱索力、操作輪上測(cè)力、測(cè)試棒防滑力都與抱索器性能密切相關(guān)，對(duì)比鉗口抱索力與運(yùn)行抱索力的數(shù)據(jù)并不完全成固定的比例關(guān)系，說明間接測(cè)量的運(yùn)行抱索力數(shù)據(jù)存在著較大的離散性。

5 結(jié)語

扭矩?fù)Q算法、位移傳感器測(cè)量法、防滑力測(cè)試可以間接檢測(cè)抱索力是否符合運(yùn)行要求，是當(dāng)前循環(huán)式客運(yùn)索道抱索力檢測(cè)的主要手段。由于是間接測(cè)量，所以存在較多的干擾因素，而抱索力測(cè)量?jī)x是直接測(cè)量抱索器鉗口的抱索力，盡管現(xiàn)在只是檢修中的靜態(tài)測(cè)量，但仍提供了更準(zhǔn)確、更直觀的抱索力數(shù)據(jù)，使索道技術(shù)人員能夠更直觀地看見抱索力的大小，且操作簡(jiǎn)便。不僅如此，抱索力測(cè)量?jī)x通過更換不同尺寸的適配壓頭，可以很方便地模擬檢測(cè)到運(yùn)載索直徑變化后的抱索力數(shù)值，擴(kuò)展了抱索力測(cè)量范圍。隨著高端傳感技術(shù)和制造業(yè)的不斷發(fā)展，通過索道新技術(shù)的應(yīng)用，未來可以用更精確、更可靠的方式來測(cè)量索道抱索力，甚至實(shí)現(xiàn)索道抱索力的全過程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),不斷提升客運(yùn)索道抱索器的安全檢測(cè)水平。