手搖式脫掛抱索器防滑力檢測裝置

王小龍 羅原 任 帥 李 偉

1 北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100007 2 機(jī)械工業(yè)物料搬運(yùn)工程技術(shù)研究中心 北京 100007

0 引言

隨著旅游業(yè)的蓬勃發(fā)展，客運(yùn)架空索道設(shè)備已廣泛應(yīng)用于各個(gè)景區(qū)。國內(nèi)現(xiàn)有索道設(shè)備中，單線連續(xù)循環(huán)式脫掛抱索器吊廂（吊椅）索道以其運(yùn)量大、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、操作簡單和便于維護(hù)保養(yǎng)等特點(diǎn)，成為各大景區(qū)配套的首選產(chǎn)品。

索道抱索器在運(yùn)行中，防止載客吊具因?yàn)榫€路坡度、吊具搖擺和啟制動(dòng)慣性等因素發(fā)生滑動(dòng)的力稱作防滑力，是索道運(yùn)行過程中一項(xiàng)重要數(shù)據(jù)，是檢驗(yàn)維護(hù)中必須檢查的項(xiàng)目之一。脫掛抱索器由于承載人數(shù)較多、載重較大，防滑力也很大，通常為2 ～3 t，其防滑力測量裝置要精心設(shè)計(jì)滿足方便使用、測量準(zhǔn)確等要求。

目前，脫掛索道設(shè)備防滑力檢測方法分為2 類，其一借用鋼絲繩張緊力的方式完成防滑力測試。該方法安裝繁瑣，測量時(shí)若吊具停靠位置距離檢測裝置較遠(yuǎn)則需要過多卸掉系統(tǒng)壓力，對(duì)于線路復(fù)雜且受力較大的索道張緊系統(tǒng)，測量完成后不易拆卸，測量時(shí)間較長。其二采用小型手動(dòng)液壓油泵打壓的方式進(jìn)行防滑力測試，手動(dòng)泵打壓對(duì)鉗口產(chǎn)生的推力通過杠桿轉(zhuǎn)換為夾緊力，并將檢測裝置上液壓表顯示的壓力數(shù)值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的防滑力數(shù)值。該方法對(duì)于安裝操作人員熟練程度要求較高，若操作不當(dāng)，經(jīng)常發(fā)生夾緊塊被完全卡死、檢測裝置裝不上拆不下以及手動(dòng)泵液壓缸油量不足等情況發(fā)生。為避免上述情況發(fā)生，本文設(shè)計(jì)了一款可快速裝卸、不卡阻和不影響索道設(shè)備使用的手搖式脫掛抱索器防滑力檢測裝置，該裝置操作簡單方便適用于多種脫掛索道設(shè)備。

1 整體結(jié)構(gòu)

國內(nèi)各脫掛索道設(shè)計(jì)制造單位的脫掛抱索器各有特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)均不一致。各設(shè)計(jì)單位也設(shè)計(jì)了適用于自己脫掛抱索器產(chǎn)品的防滑力測試工具，互相之間難以通用。本文通過觀察、測量、比對(duì)不同設(shè)計(jì)單位的脫掛抱索器的結(jié)構(gòu)，分析得出一些相近的尺寸數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)脫掛索道設(shè)備通用的手搖式脫掛抱索器防滑力檢測工具，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由防滑力檢測機(jī)構(gòu)、測力連桿機(jī)構(gòu)、夾緊固定端機(jī)構(gòu)和手動(dòng)液壓連桿機(jī)構(gòu)4 部分組成。該裝置使用時(shí)無需泄張緊系統(tǒng)壓力、無需拆卸導(dǎo)向翼，且不需要站臺(tái)作為固定端進(jìn)行測量，操作方便快捷。

圖1 手搖式防滑力檢測裝置裝配圖

2 裝置結(jié)構(gòu)動(dòng)作運(yùn)動(dòng)分析

2.1 防滑力檢測機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

防滑力檢測機(jī)構(gòu)在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要功能是采集脫掛抱索器鉗口承受的拉力并讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。機(jī)構(gòu)三維建模如圖2 所示，由短測力連桿、測力計(jì)測量平臺(tái)、測力計(jì)安裝架等組成。該機(jī)構(gòu)在內(nèi)外兩側(cè)的測力計(jì)測量平臺(tái)內(nèi)部均安裝了測力計(jì)（單個(gè)測力計(jì)最大可承載3.5 t）。測量時(shí)，該防滑力檢測機(jī)構(gòu)安裝在脫掛抱索器鉗口內(nèi)、外表面和行走輪之間，無需拆下導(dǎo)向翼，具有安裝便捷，測量精準(zhǔn)等特點(diǎn)；2 測力計(jì)同時(shí)測量，形成數(shù)據(jù)對(duì)比，能更好地反映出脫掛抱索器外抱卡兩側(cè)的受力情況。測力計(jì)安裝架不僅保證了測力裝置的受力方向平行于鋼絲繩，還可根據(jù)脫掛抱索器外抱卡形狀進(jìn)行調(diào)整，保證適合所有脫掛抱索器防滑力測量。

圖2 防滑力檢測機(jī)構(gòu)

在測力計(jì)安裝架上方還設(shè)計(jì)了一個(gè)小圓柱體定位軸，該定位軸具備保證液壓缸產(chǎn)生的拉力始終垂直于測力連桿兩側(cè)、定位夾緊固定端機(jī)構(gòu)橫向移動(dòng)的功能。在使用安裝時(shí)，先安裝測力計(jì)測量機(jī)構(gòu)，再安裝夾緊固定端機(jī)構(gòu)（此時(shí)夾緊固定端機(jī)構(gòu)的橫向位置不能確定，不能搖動(dòng)手柄形成固定端），接著安裝測力連桿機(jī)構(gòu)上連桿，上連桿與短測力連桿、夾緊固定端上凹槽分別連接，然后調(diào)整測力連桿機(jī)構(gòu)的短測力連桿與定位軸緊密貼合，此時(shí)短測力連桿垂直于鋼絲繩，橫向定位夾緊固定端，搖動(dòng)夾緊固定端手柄形成測力固定端。

脫掛抱索器外抱卡內(nèi)外兩側(cè)分別安裝小型測力計(jì)同時(shí)測量，在測量時(shí)2 組測量數(shù)據(jù)接近，互相參照對(duì)比。當(dāng)一端測力計(jì)出現(xiàn)損壞時(shí)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)，且不影響本次測量數(shù)據(jù)結(jié)果。

2.2 夾緊固定端的運(yùn)動(dòng)分析

夾緊固定端的主要功能是為防滑力檢測時(shí)提供一個(gè)不發(fā)生移動(dòng)的固定端，該固定端能夠承受的防滑力大于脫掛抱索器鉗口的最大防滑力，其三維建模如圖3 所示。

圖3 夾緊固定端機(jī)構(gòu)

鋼絲繩表面固定的方式分為機(jī)械夾持式和澆鑄套接式[1]。該防滑力檢測裝置使用機(jī)械夾持的方式夾緊鋼絲繩，通過螺栓把接的形式對(duì)弧形夾緊塊施壓，形成測量固定端。與傳統(tǒng)螺栓把接方式不同，操作過程中并不使用扭矩扳手直接旋緊螺栓，而是利用減速器的多級(jí)減速、增加扭矩功能，將大直徑螺栓旋緊時(shí)需要的大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成人力可實(shí)現(xiàn)的小轉(zhuǎn)矩，完成測量固定端與鋼絲繩的夾緊或松開。

該夾緊固定端機(jī)構(gòu)的減速器采用三級(jí)齒輪減速，將輸入手柄端人力產(chǎn)生的小轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成螺桿齒輪輸出端的大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速，完成固定端的夾緊。該機(jī)構(gòu)使用時(shí)減速器內(nèi)部齒輪不會(huì)周期運(yùn)行，僅將輸入端的搖柄將產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩通過多極齒輪傳動(dòng)，傳遞給輸出端的2根螺桿齒輪，完成螺桿齒輪的旋進(jìn)和旋出。減速器內(nèi)部由滾動(dòng)軸承、漸開線直齒圓柱齒輪、直齒錐齒輪組成，內(nèi)部齒輪嚙合簡圖如圖4 所示。

圖4 齒輪減速器內(nèi)部嚙合運(yùn)動(dòng)簡圖

夾緊裝置的上弧形夾塊中有彈簧定位銷（見圖5），安裝時(shí)需沿著滑道將上弧形夾塊滑進(jìn)定位銷內(nèi)側(cè)完成夾緊固定端的縱向定位。若定位銷下半部分圓弧直徑大于夾塊側(cè)面滑動(dòng)桿的直徑，則接觸方式為圓弧曲面線接觸，無需人為操作定位銷把手，上弧形夾緊塊經(jīng)過彈簧定位銷時(shí)可使定位銷自動(dòng)彈起，到位后彈簧銷自動(dòng)復(fù)位并利用定位銷左側(cè)平面卡住夾塊，防止夾塊在測量時(shí)出現(xiàn)滑動(dòng)、松脫等現(xiàn)象。在拆除固定端時(shí)，先操作減速器外側(cè)手柄旋松弧形夾塊，然后直接操作彈簧銷把手，向上滑開彈簧銷的同時(shí)向后滑出上夾塊，即可完成固定端的拆卸。

圖5 彈簧定位銷

夾緊固定端機(jī)構(gòu)的主要運(yùn)動(dòng)方式是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)，人力搖動(dòng)輸入端搖柄旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過齒輪減速器的減速、換向和提升轉(zhuǎn)矩后，將搖柄縱向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)辇X輪螺桿的橫向旋轉(zhuǎn)。通過與固定端安裝架的螺紋連接，將螺桿齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向移動(dòng)，完成鋼絲繩的夾緊和松開。

2.3 測力連桿機(jī)構(gòu)、手動(dòng)液壓連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

防滑力檢測裝置的測力位置選取很重要，測力位置選擇錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致測出的結(jié)果與實(shí)際脫掛抱索器鉗口承受的拉力不一致，測量數(shù)據(jù)不正確。該裝置選用的測量位置在脫掛抱索器鉗口表面，該位置能夠真實(shí)反映出鉗口承受的防滑力數(shù)值。

測力連桿機(jī)構(gòu)通過下方液壓缸的回縮對(duì)脫掛抱索器外抱卡產(chǎn)生拉力，為防止檢測平面在測量時(shí)上下受力不對(duì)稱發(fā)生偏斜現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)防滑力檢測機(jī)構(gòu)時(shí)充分考慮該問題，通過圖1 中的測力計(jì)安裝架保持測量平面始終與外抱卡外側(cè)平面緊密接觸。測力連桿機(jī)構(gòu)將下側(cè)小型液壓缸產(chǎn)生的拉力轉(zhuǎn)換成上下兩側(cè)同時(shí)受力，且測力位置是短測力連桿桿件中心。該設(shè)計(jì)既能保證測力裝置測量時(shí)不發(fā)生偏斜，受力方向與測量平面垂直，還能減小液壓缸的拉力，縮小液壓缸體積，降低裝置整體質(zhì)量，三維建模仿真如圖6 所示。

圖6 測力連桿機(jī)構(gòu)

該脫掛抱索器防滑力檢測裝置安裝方便快捷，且每個(gè)部分均有把手，方便拿取；操作人員使用時(shí)可站在吊廂頂部或支架操作平臺(tái)上將各部分與脫掛抱索器鉗口、鋼絲繩安裝，操作更具安全性。測量裝置不使用時(shí)可將各部分拆開放置，減小占地面積。

3 夾緊固定端機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

夾緊固定端機(jī)構(gòu)在手搖式脫掛抱索器防滑力檢測裝置中是復(fù)雜、且最重要的機(jī)構(gòu)，其存在使得裝置無需靠站內(nèi)設(shè)施來抵抗脫掛抱索器防滑力測量時(shí)對(duì)檢測裝置的反作用力，是該裝置區(qū)別于其他防滑力檢測設(shè)備的重要結(jié)構(gòu)。主要功能是形成一個(gè)測量固定端，防止測量裝置在測量時(shí)發(fā)生移動(dòng)。使用過程中該機(jī)構(gòu)的受力最大，且有諸多細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，故此對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算便可得到該防滑力檢測裝置的設(shè)計(jì)可行性。

3.1 弧形夾緊塊最大夾緊力計(jì)算

GB 12352—2018《客運(yùn)索道安裝規(guī)范》規(guī)定單個(gè)抱索器最小防滑力計(jì)算公式為

式中：n為抱索器數(shù)量，n≤10。

鋼絲繩夾緊固定端采用上下2 個(gè)圓弧形鉗口對(duì)鋼絲繩產(chǎn)生壓緊力，2 夾塊抱緊鋼絲繩后有10 mm 間隙，夾緊后截面如圖7 所示。

圖7 夾塊與鋼絲繩橫截面示意圖

夾塊弧形內(nèi)表面與鋼絲繩外表面接觸面積計(jì)算公式為[2]

式中：l為夾塊與鋼絲繩接觸區(qū)域長度，l=200 mm；d為鋼絲繩直徑，d=60mm。

使用CAD 制圖軟件繪圖測量得出α/2=161.08，代入式（2）得出夾塊與鋼絲繩接觸面積S為0.033 7 m2。

鉗口與鋼絲繩接觸面為圓弧面時(shí)，防滑力F與夾緊力PK的關(guān)系為

當(dāng)前，脫掛索道設(shè)備的防滑力F取值為26 ～29 kN，為保證測量時(shí)弧形夾塊不會(huì)發(fā)生移動(dòng)影響防滑力測量，選取F1≥3PA=2μPK=35 kN。

鋼絲繩外表面摩擦系數(shù)較小，工業(yè)中的鋼絲繩表面摩擦系數(shù)一般選取為0.1 ～0.3 之間?？瓦\(yùn)架空索道作為特種設(shè)備，安全性能要求更高。國內(nèi)外為了確定鋼絲繩表面摩擦系數(shù)值，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)最終確定索道用鋼絲繩表面摩擦系數(shù)為0.16，該數(shù)值遠(yuǎn)低于礦用鋼絲繩和其他用途鋼絲繩表面摩擦系數(shù)。鋼絲繩表面能夠承受的最大夾緊壓力為50 MPa=49.98×106 N/m2[3]，將F1、μ代入式（3）可計(jì)算圓弧形夾塊對(duì)鋼絲繩產(chǎn)生的最大夾緊力PK=109 375 N。

鋼絲繩表面最大夾緊壓力為

將最大夾緊力PK和接觸面積S代入式（4）經(jīng)計(jì)算得出最大夾緊壓力P=6.49 MPa，符合鋼絲繩表面最大夾緊壓力使用要求。

3.2 齒輪螺桿最大扭矩計(jì)算

在使用過程中，上弧形夾塊的作用是限制夾緊固定端機(jī)構(gòu)縱向移動(dòng)，下弧形夾塊的作用是向上產(chǎn)生壓力形成夾緊固定端。下弧形夾塊使用2 根直徑為30 mm 的螺栓對(duì)其進(jìn)行向上緊固。夾緊過程中單個(gè)螺栓最大產(chǎn)生的安裝載荷為

將使用式（3）計(jì)算出的PK值代入式（5）計(jì)算得出W0=54 687.5 N。

根據(jù)GB/T38343—2019《法蘭接頭安裝技術(shù)規(guī)定》附錄E.1 中給出的單個(gè)螺栓安裝扭矩計(jì)算公式

式中：T為單個(gè)螺栓安裝扭矩；W0為螺栓安裝載荷；p為螺距；f1為螺紋嚙合面摩擦系數(shù)；d2為螺紋基本中徑，d2=d-0.649 5p；De為螺母承載面有效直徑，De=(d0+di)/2[4]。

其中，根據(jù)附錄E.1 中參數(shù)表得出，螺紋公稱直徑d=30 mm，螺距p=3 mm，牙型角為30°，高度為0.5 ，p=1.5 mm，采用均勻涂抹潤滑油進(jìn)行潤滑，f1=0.12；得出螺紋基本中徑d2=28.051 5；承載面有效直徑De=26.72；代入式（6），得出單個(gè)螺栓最大安裝轉(zhuǎn)矩為

下弧形夾緊塊通過螺栓聯(lián)接的方式對(duì)鋼絲繩進(jìn)行壓緊、松開，齒輪螺桿外表面螺紋和上下夾塊安裝架下側(cè)螺栓安裝孔的內(nèi)表面螺紋需具備牙根強(qiáng)度高，對(duì)中性好，不易松動(dòng)等特點(diǎn)，選擇梯形螺紋能夠滿足所有要求。弧形夾塊與鋼絲繩壓緊后，鋼絲繩受力會(huì)產(chǎn)生部分形變，對(duì)螺栓產(chǎn)生相應(yīng)的反作用力，形成防松墊圈的作用，且梯形螺紋具備不易松動(dòng)的特點(diǎn)，齒輪螺桿旋入后不會(huì)自行彈出，到位后無需設(shè)計(jì)自鎖裝置，改變旋向便可完成夾緊固定端的夾緊和松開動(dòng)作。

3.3 齒輪選型及校核計(jì)算

圖4 為減速減速器中各齒輪的嚙合情況，減速器通過三級(jí)減速、增加轉(zhuǎn)矩的功能，最終得到輸出端齒輪螺桿需要的轉(zhuǎn)矩。箱體中每個(gè)齒輪的受力均不相同，越靠近輸出端齒輪，承受的轉(zhuǎn)矩越大，轉(zhuǎn)速越慢。根據(jù)靜強(qiáng)度最大齒面應(yīng)力為

使用該公式校核設(shè)計(jì)齒輪的齒厚、分度圓直徑等數(shù)據(jù)。減速器的三維嚙合情況（隱藏減速器體）如圖8 所示。

圖8 減速器三維嚙合情況（隱藏減速器體）

可以看出，2 個(gè)齒輪Z1同時(shí)與齒輪Z2嚙合，齒輪Z2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，2 個(gè)齒輪Z1以相同旋向旋緊、旋松下弧形夾緊塊。齒輪Z3通過齒輪Z2將轉(zhuǎn)矩傳遞給2 個(gè)齒輪Z1，齒輪Z2和齒輪Z3在該減速器中承受最大轉(zhuǎn)矩，處于最危險(xiǎn)位置。齒輪Z2的分度圓直徑相比齒輪Z3較小，故此齒輪Z3承受的靜強(qiáng)度齒面應(yīng)力σHst是減速器中最大值，現(xiàn)以齒輪Z3為例進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。

齒輪螺桿Z1的螺桿直徑d=30 mm，齒輪Z1的分度圓直徑d1=50 mm，通過公式

將式（6）算出的單個(gè)螺栓最大安裝轉(zhuǎn)矩T=191 N·m代入式（8）得T1=229.2 N·m。查詢文獻(xiàn)[5]初步確定齒輪Z3部分參數(shù)，其中壓力角α=20°，材料為45 號(hào)鋼（調(diào)質(zhì)），齒面硬度240 HBW，7 級(jí)精度。

根據(jù)齒面接觸疲勞強(qiáng)度確定分度圓直徑d3，模數(shù)m和齒寬b為查詢文獻(xiàn)[5]得出面接觸疲勞強(qiáng)度參數(shù)，如表1所示。

表1 齒面接觸疲勞強(qiáng)度參數(shù)

接觸疲勞許用應(yīng)力[σH]為880 MPa，齒面接觸疲勞強(qiáng)度參數(shù)表安全系數(shù)S=1。

將表1 中數(shù)據(jù)代入式（9）～式（11）得

分度圓直徑

模數(shù)

齒寬

經(jīng)圓整后得到分度圓直徑d3=62 mm，模數(shù)m=2 mm，齒寬b3=19 mm。

工業(yè)傳動(dòng)中齒輪傳遞效率是最高的，在該齒輪減速器中選定滾動(dòng)軸承傳動(dòng)效率為0.99、漸開線直齒圓柱齒輪為0.97、錐齒輪0.95，整個(gè)減速器的傳動(dòng)效率η為

人工操作夾緊時(shí)，由于脫掛抱索器吊廂吊桿較長，若該索道站口沒有與支架連接的操作平臺(tái)，操作人員需站在吊廂頂部進(jìn)行操作，操作位置集中于人體肩膀以上，不易發(fā)力，故該位置單手能夠產(chǎn)生10 ～20 kg 的力。為了保證測量時(shí)最小的力也不發(fā)生滑動(dòng)，使用F=10 kg進(jìn)行力矩計(jì)算，力矩為

齒輪減速器中輸出轉(zhuǎn)矩、輸入轉(zhuǎn)矩、傳動(dòng)比和傳動(dòng)效率的關(guān)系為

根據(jù)輸入轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，將式（12）中計(jì)算出的最小力矩值M、齒輪減速器的傳動(dòng)效率η和式（6）中T總等數(shù)據(jù)代入式（13），計(jì)算得出

使用上述齒輪校核方法并考慮減速器的最小傳動(dòng)比，初步確定減速器中各齒輪參數(shù)，如表2 所示。使用上述方法得到的齒輪結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度均能滿足設(shè)計(jì)條件，能夠承受形成固定端時(shí)產(chǎn)生的扭矩。

表2 減速器中各齒輪參數(shù)

代入表2 中數(shù)據(jù)計(jì)算齒輪傳動(dòng)比i，得出減速器傳動(dòng)比i=19.98 ≥19.1，符合設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)證得出該裝置在實(shí)際使用中具有可行性，且適用設(shè)備廣泛。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的手搖式脫掛抱索器防滑力檢測裝置區(qū)別于其他設(shè)計(jì)制造單位使用的脫掛抱索器防滑力檢測設(shè)備，利用不同設(shè)計(jì)制造單位脫掛抱索器的相近結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，具備操作便捷、測量精準(zhǔn)和故障率低等特點(diǎn)，適用于多種脫掛抱索器索道設(shè)備，可廣泛應(yīng)用于索道行業(yè)。該裝置采用的鋼絲繩固定方式是該裝置的設(shè)計(jì)核心和設(shè)計(jì)亮點(diǎn)，夾緊固定端機(jī)構(gòu)采用的鋼絲繩固定、放松的方法未在工業(yè)中使用，具備獨(dú)特性。本文所設(shè)計(jì)的手搖式脫掛抱索器防滑力檢測裝置為脫掛抱索器防滑力檢測設(shè)備和鋼絲繩固定夾具的更新?lián)Q代提供了一個(gè)新思路、新方法。