貨運(yùn)索道自動化路徑選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

劉 晨，秦 劍，張飛凱，李其瑩

（1.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100055；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001）

1 引言

架空輸電線路施工專用貨運(yùn)索道（以下簡稱貨運(yùn)索道）具有結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、地形適應(yīng)能力強(qiáng)、運(yùn)輸工效高、受外部環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，對自然環(huán)境破壞小，是山區(qū)機(jī)械化物料運(yùn)輸施工的重要裝備［1-2］。

傳統(tǒng)索道路徑規(guī)劃工作主要包括圖上選線、收集資料、現(xiàn)場初勘、規(guī)劃方案、終勘選線、方案審核等。索道路徑規(guī)劃工作主要由人工采用現(xiàn)場勘測方式進(jìn)行，由于輸電線路沿線覆蓋面積大，存在路徑規(guī)劃周期長、人工成本高等缺點(diǎn)。索道路徑規(guī)劃需充分考慮地理信息對山區(qū)物料運(yùn)輸?shù)目茖W(xué)性和經(jīng)濟(jì)性的影響，涉及多目標(biāo)決策問題［3-7］，對施工技術(shù)人員技術(shù)能力要求高，實(shí)現(xiàn)難度大。另外，貨運(yùn)索道部件受力復(fù)雜，而且各部件受力存在聯(lián)動性，受地形參數(shù)影響極大。目前施工單位對部件的選型計算也多依靠簡化算法，忽略了運(yùn)行過程中產(chǎn)生的部件受力狀態(tài)變化，導(dǎo)致支架、鞍座等關(guān)鍵部件的選型不合理［8-10］。

因此為提高索道架設(shè)質(zhì)量，保證工期進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)索道架設(shè)投資可控，減少對環(huán)境的影響，利用地理信息系統(tǒng)（Geographic Infor‐mation System，簡稱GIS），提出可自動適應(yīng)地形的貨運(yùn)索道中間支架自動選取方法，實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)索道規(guī)劃路徑選取，結(jié)合輸電線路貨運(yùn)索道結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化部件選型，進(jìn)一步減輕索道設(shè)計難度，提高索道運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益和社會效益。

2 輸電線路貨運(yùn)索道

貨運(yùn)索道由工作索系統(tǒng)、支架系統(tǒng)、運(yùn)行小車系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、地錨系統(tǒng)等多個系統(tǒng)組成。工作索系統(tǒng)由鋼絲繩實(shí)現(xiàn)各功能，主要包括承載索、返空索、牽引索。承載索主要承擔(dān)物料的重力，牽引索拖拽運(yùn)行小車行進(jìn)，返空索與牽引索配合實(shí)現(xiàn)運(yùn)行小車的循環(huán)運(yùn)動。支架系統(tǒng)通過支架使工作索脫離地面、保證運(yùn)行小車安全通過、分擔(dān)工作索壓力。支架系統(tǒng)由支腿、橫梁、鞍座、轉(zhuǎn)向滑車等組成。貨運(yùn)索道主要部件，如圖1所示。

圖1 貨運(yùn)索道主要部件Fig.1 Main Components of Material Ropeway

輸電線路中貨運(yùn)索道主要采取循環(huán)式單跨或多跨架設(shè)方式，如圖2所示。根據(jù)承載索數(shù)量，可分為單索、雙索、四索貨運(yùn)索道等類型。

圖2 3檔貨運(yùn)索道Fig.2 Material Ropeway with 3 Span

3 基于GIS平臺的索道路徑選擇

3.1 GIS平臺

依托于GIS平臺，通過高清晰航攝影像數(shù)據(jù)，利用GPS測量及圖解空三方式構(gòu)建立體模型，集成輸電線路設(shè)計信息、DEM、道路、坡度、外業(yè)調(diào)繪等信息，使技術(shù)人員在逼真的立體環(huán)境下以最直觀的方式綜合考慮道路、裝貨點(diǎn)、卸貨點(diǎn)、索道架設(shè)條件等多方面的因素，完成索道架設(shè)方案的規(guī)劃選擇，GIS平臺，如圖3所示。

圖3 GIS平臺Fig.3 GIS Platform

如圖4所示，通過觀察桿塔附近地形，在GIS平臺中可獲得適宜的裝貨點(diǎn)和卸貨點(diǎn)，并取得地形平斷面信息，為索道路徑選擇提供地理信息數(shù)據(jù)。

圖4 索道裝貨點(diǎn)、卸貨點(diǎn)二維地形平斷面Fig.4 Two-Dimensional Terrain Profile of the Loading and Unloading Points of the Material Ropeway

3.2 架設(shè)點(diǎn)選取

路徑選擇方法中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為貨運(yùn)索道中間支架位置的選取，需要在地形平斷面曲線上獲得可滿足索道架設(shè)、運(yùn)輸要求的支架，保證貨物順暢通過各個支架而不與地面發(fā)生接觸。

在此，提出了一種貨運(yùn)索道中間支架自動選取方法，可自動適應(yīng)各種地形變化。

首先分別以裝貨點(diǎn)和卸貨點(diǎn)正上方的某位置作為索道承載索的起始端和末端，建立承載索構(gòu)型，此時承載索構(gòu)型與二維地形平斷面曲線無干涉點(diǎn)（承載索構(gòu)型高于地形平斷面曲線且兩者間最小距離大于1m）；然后通過向下移動承載索構(gòu)型起始端和末端來控制單跨索道的承載索構(gòu)型向二維地形平斷面曲線靠近；在此過程中，每當(dāng)承載索構(gòu)型與地形平斷面曲線產(chǎn)生干涉時，在干涉點(diǎn)處增設(shè)一個中間支架，該支架可幫助索道承載索構(gòu)型適應(yīng)地形平斷面曲線，阻止承載索構(gòu)型與地形平斷面曲線發(fā)生干涉；當(dāng)承載索構(gòu)型起始端和末端分別與裝貨點(diǎn)和卸貨點(diǎn)重合時，即可完成中間支架的搜索。貨運(yùn)索道中間支架自動選取過程，如圖5所示。

圖5 貨運(yùn)索道中間支架自動選取過程Fig.5 Automatic Selection Process of Intermediate Trestle of Material Ropeway

（1）將裝貨點(diǎn)和卸貨點(diǎn)分別記為點(diǎn)a和點(diǎn)d，分別以點(diǎn)a和點(diǎn)d為起始端和末端建立索道承載索構(gòu)型；如果該承載索構(gòu)型與地形平斷面曲線不干涉，那該索道僅需在起始端和末端位置架設(shè)支架，無需額外架設(shè)中間支架；如果干涉，控制點(diǎn)a和點(diǎn)d同步上移，直至承載索構(gòu)型與地形平斷面曲線有且僅有一個干涉點(diǎn)。

（2）將該干涉點(diǎn)記為點(diǎn)b和點(diǎn)c，同時在此處設(shè)置中間支架，原承載索構(gòu)型ad被該支架分割為兩條新的承載索構(gòu)型ab和cd。以微小的步長同步向下移動點(diǎn)a和點(diǎn)d，分別判斷承載索構(gòu)型ab和cd與地形是否干涉，依次找到它們的干涉位置1和2。

（3）依次將干涉位置1和干涉位置2重新記為點(diǎn)b和c，重復(fù)步驟（2），直至點(diǎn)a和點(diǎn)d與裝貨點(diǎn)和卸貨點(diǎn)重合，可獲取所有中間支架的位置。

索道支架間承載索可采用拋物線近似，可表示為：

式中：Z0—承載索構(gòu)型上的點(diǎn)與曲線起始端的相對高度；X0—承載索構(gòu)型上的點(diǎn)與曲線起始端的相對水平距離；l—承載索構(gòu)型末端和起始端的相對水平距離；C—承載索構(gòu)型的末端與起始端的相對高度；f—承載索構(gòu)型的檔中撓度，其取值范圍為（0.05l～0.08l）?？紤]承載索載重，取f=0.065l。

該方法以三維地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了貨運(yùn)索道支架架設(shè)點(diǎn)的自動選擇，且架設(shè)位置可滿足貨物通行要求。

3.3 索道路徑確定

索道路徑主要依據(jù)架設(shè)費(fèi)用確定。對于有不同裝貨點(diǎn)、卸貨點(diǎn)形成的架設(shè)點(diǎn)方案，需開展多方案選比，分別通過索道支架規(guī)格型號及使用數(shù)量確定索道結(jié)構(gòu)費(fèi)用，通過GIS平臺數(shù)據(jù)統(tǒng)計獲得架設(shè)點(diǎn)處的土石方開挖量確定索道架設(shè)施工費(fèi)用。根據(jù)各方案的經(jīng)濟(jì)性，最終確定索道路徑選擇結(jié)果。根據(jù)路徑選擇結(jié)果，結(jié)合索道周邊地物及標(biāo)繪情況，在GIS平臺上確定索道各支架位置，完成索道路徑在GIS平臺上構(gòu)建，如圖6所示。

圖6 索道路徑選擇功能界面Fig.6 Interface of Path Selection Function of Material Ropeway

4 貨運(yùn)索道結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法

在貨運(yùn)索道結(jié)構(gòu)設(shè)計計算中，需建立包含承載索和牽引索、承載索和載荷間結(jié)構(gòu)連接的理論分析模型［11］。下面以多跨循環(huán)式索道為例進(jìn)行說明。

4.1 索道基本設(shè)定

結(jié)合貨運(yùn)索道施工運(yùn)輸特點(diǎn)，對承載索、牽引索、鞍座、運(yùn)行小車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下設(shè)定：

（1）索道施工運(yùn)輸過程承載索和運(yùn)行小車間保持接觸狀態(tài)。

（2）承載索與牽引索應(yīng)力應(yīng)變滿足線彈性關(guān)系。

（3）承載索與牽引索被鞍座、載荷等分割為僅受重力作用的懸鏈線索段。

4.2 索道結(jié)構(gòu)守恒

貨運(yùn)索道施工運(yùn)輸過程中，涉及與工作索結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)無變化，建立如下方程：

（1）各跨高差和跨距守恒，即跨內(nèi)承載索、牽引索各索段的高差、跨距之和與每跨兩端支架的高差、跨距相等。

（2）各索段內(nèi)的跨距及高差守恒。

（3）承載索長度守恒，即承載索的原始總長度始終保持不變。

（4）牽引索長度守恒。運(yùn)輸物料通過與牽引索連接實(shí)現(xiàn)牽引，牽引索段原始長度始終相同，如圖7所示。

圖7 載荷間牽引索Fig.7 Pulling Rope Between Loads

4.3 工作索張力平衡

4.3.1 承載索與運(yùn)行小車

運(yùn)行小車滾輪對承載索無軸向作用力，僅產(chǎn)生橫向壓力，故承載索在載荷兩側(cè)的切向張力相等。

4.3.2 承載索與鞍座

承載索可在鞍座上前后滑動或固定不動，鞍座兩側(cè)承載索切向張力差等于鞍座對承載索的摩擦力?？梢越白鶅蓚?cè)承載索張力差與摩擦力的平衡方程，如圖8～圖9所示。

圖8 承載索與鞍座摩擦示意Fig.8 Friction Between Carrying Rope and Saddle

圖9 承載索在鞍座上的摩擦力分析Fig.9 Friction Analysis of Carrying Rope on Saddle

當(dāng)TBi-TAi+1＞0時，摩擦力方向?yàn)閤正方向，當(dāng)TBi-TAi+1＜0時，摩擦力為x負(fù)方向。因此，摩擦力可表示為：

式中：TBi—鞍座前承載索張力；TAi+1—鞍座后承載索張力；μ—摩擦系數(shù)；Np—鞍座所受載荷，等于平均切向張力和包角的乘積，即：

而包角θ為承載索與鞍座的接觸段弧度：

式中：VBi—TBi在水平方向上的分力；Hi—TBi在垂直方向上的分力；VAi+1—TAi+1在水平方向上的分力；Hi+1—TAi+1在垂直方向上的分力。

4.3.3 牽引索張力平衡

牽引索在支架上的滾輪上竄動，忽略滾動摩擦力，認(rèn)為支架前與支架后牽引索的切向張力相等。

4.4 結(jié)構(gòu)耦合關(guān)聯(lián)

運(yùn)行小車與承載索、牽引索、載荷相連，而且會通過支架鞍座，是貨運(yùn)索道結(jié)構(gòu)發(fā)生聯(lián)動的核心部件，索道結(jié)構(gòu)的耦合主要通過運(yùn)行小車的力學(xué)平衡體現(xiàn)。

運(yùn)行小車受承載索切向張力、兩側(cè)牽引索切向張力、載荷共同作用，如圖10～圖11所示。

圖10 工作索與運(yùn)行小車耦合關(guān)系Fig.10 Coupling Relation Between Working Rope and Running Car

圖11 運(yùn)行小車受力分析Fig.11 Force Analysis of Running Car

將各切向張力在水平方向及垂直方向進(jìn)行分解，建立運(yùn)行小車的力平衡方程如下：

式中：各變量中上標(biāo)l—承載索；上標(biāo)t—牽引索。

4.5 非線性計算方法

建立非線性方程組，計算方法見參考文獻(xiàn)［11］，通過求解該方程組，可計算索道設(shè)計部件選型數(shù)據(jù)。

通過將計算結(jié)果與工程試驗(yàn)中的實(shí)測數(shù)據(jù)對比表明，計算結(jié)果吻合良好，最大張力誤差不超過2.5%，完全滿足工程設(shè)計、分析需要，可有效解決貨運(yùn)索道的計算問題。

5 貨運(yùn)索道部件選型方法

結(jié)合貨運(yùn)索道結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法獲得索道運(yùn)行過程中各部件最大載荷，在有限元軟件中建立標(biāo)準(zhǔn)化部件模型，進(jìn)行仿真計算得到部件極限載荷［12］，根據(jù)以下公式，判斷是否滿足安全性能要求，可以實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)索道各部件選型。

式中：σlim—索道部件極限應(yīng)力；σmax—索道運(yùn)行過程中部件最大應(yīng)力；n—索道部件安全系數(shù)。

貨運(yùn)索道部件主要包括橫梁、支腿、鞍座、運(yùn)行小車、轉(zhuǎn)向滑車。

5.1 部件受力分析

5.1.1 橫梁

橫梁結(jié)構(gòu)形式有雙工字鋼、單工字鋼、方鋼管、H型鋼等。貨運(yùn)索道施工運(yùn)行過程中，橫梁承受承載索下壓力Fc、返空索下壓力Fr，載荷位置分別位于1/3、2/3橫梁長度處，橫梁受力示意圖，如圖12所示。

圖12 橫梁受力示意圖Fig.12 Schematic Diagram of Force Analysis of Crossbeam

圖13 支腿受力示意圖Fig.13 Schematic Diagram of Force Analysis of Leg

5.1.2 支腿

支腿主要承受工作索對支腿的水平作用力和垂直作用力，以三支腿支架為例進(jìn)行載荷分析，水平作用力Fh根據(jù)實(shí)際高差、跨距確定，垂直作用力為1/2（Fc+F）r，支腿受力示意圖，如圖12所示。

5.1.3 鞍座

鞍座結(jié)構(gòu)形式有單索鞍座、雙索鞍座、四索鞍座。實(shí)際使用中，由于鞍座支撐承載索的托索板可以繞軸轉(zhuǎn)動，其承載力主要沿鞍座支架方向，水平力較小。鞍座承受承載索下壓力Fc、牽引索下壓力Fp，鞍座受力示意圖，如圖14所示。

圖14 鞍座受力示意圖Fig.14 Schematic Diagram of Force Analysis of Saddle

5.1.4 運(yùn)行小車

運(yùn)行小車結(jié)構(gòu)形式有單索運(yùn)行小車（單輪、雙輪）、雙索運(yùn)行小車、四索運(yùn)行小車。運(yùn)行小車主要承受運(yùn)輸物料載重，以雙索運(yùn)行小車運(yùn)行為例，在滑輪處設(shè)置邊界條件，在抱索器施加牽引索載荷Fp，在吊鉤處施加物料載重Fg，運(yùn)行小車受力示意圖，如圖15所示。

圖15 運(yùn)行小車受力示意圖Fig.15 Schematic Diagram of Force Analysis of Running Car

圖16 轉(zhuǎn)向滑車受力示意圖Fig.16 Schematic Diagram of Force Analysis of Steering Pulley

5.1.5 轉(zhuǎn)向滑車

轉(zhuǎn)向滑車作為牽引索轉(zhuǎn)角的導(dǎo)向裝置，要求牽引索在滑輪上的包絡(luò)角不得大于90°。轉(zhuǎn)向滑車主要承受牽引索張力Ft，當(dāng)包絡(luò)角為90°時，轉(zhuǎn)向滑車所受的承載力最大，受力示意圖，如圖19所示。

5.2 部件三維可視化展示

GIS平臺采用3Dmax軟件進(jìn)行三維建模，通過LOD（Levels of Detail）技術(shù)完成在GIS平臺上的三維可視化展示。根據(jù)部件選型結(jié)果，在GIS平臺上完成索道部件模型的自動栽種，實(shí)現(xiàn)索道在三維場景中的可視化三維模擬，如圖17所示。

圖17 索道可視化三維模擬功能界面Fig.17 Interface of Visual 3D Simulation Function of Material Ropeway

6 索道工程設(shè)計案例

以某輸電線路工程施工現(xiàn)場為例，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際地理信息數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS 平臺開展索道路徑選取，對索道路徑長度、支架數(shù)量、部件選型等進(jìn)行索道設(shè)計，獲得索道設(shè)計施工方案。

《架空輸電線路施工專用貨運(yùn)索道施工工藝導(dǎo)則》（Q/GDW 1418—2014）4.2條規(guī)定了不同等級索道最大長度、最大跨距及最大弦傾角，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對貨運(yùn)索道路徑進(jìn)行設(shè)計，索道架設(shè)設(shè)計原則，如表1所示。

表1 索道架設(shè)設(shè)計原則Tab.1 Design Principles of Erection of Material Ropeway

根據(jù)施工需求，索道設(shè)計方案為：索道單件最大運(yùn)載量為2t，索道形式為雙索循環(huán)式索道。

根據(jù)GIS平臺的塔位信息確定滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的索道跨距、高差，如表2所示。索道路徑及支架坐標(biāo)，如圖18所示。根據(jù)參數(shù)比選，在該路徑下，支架數(shù)量少、土石方開挖量小，符合工程設(shè)計要求。

表2 索道架設(shè)參數(shù)Tab.2 Erection Parameters of Material Ropeway

圖18 索道路徑選擇界面Fig.18 Interface of Path Selection of Material Ropeway

根據(jù)索道結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法得到索道索形計算結(jié)果，如圖19所示。部件選型結(jié)果，如表3所示。部件安全系數(shù)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 索道部件選型結(jié)果Tab.3 Component Selection Results of Material Ropeway

7 結(jié)論

基于GIS平臺，提出可自動適應(yīng)地形的貨運(yùn)索道中間支架自動選取方法，實(shí)現(xiàn)可視化路徑選擇，結(jié)合貨運(yùn)索道結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化部件選型，主要結(jié)論如下：（1）基于GIS平臺，整合線路專題信息，通過觀察桿塔附近地形，選取適宜的裝貨點(diǎn)和卸貨點(diǎn)。提出可自動適應(yīng)地形的貨運(yùn)索道中間支架自動選取方法，確定了索道支架位置，并結(jié)合GIS 平臺，完成了索道路徑選擇，大大減少了現(xiàn)場勘查、測量工作量。（2）貨運(yùn)索道結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法精確高效，實(shí)現(xiàn)了承載索與牽引索、承載索與載荷等多重耦合的分析計算，為索道部件選型提供更準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。（3）根據(jù)索道結(jié)構(gòu)設(shè)計計算結(jié)果，確定貨運(yùn)索道運(yùn)行過程中各部件最大應(yīng)力，獲得部件安全系數(shù)，完成部件選型，基于GIS平臺實(shí)現(xiàn)索道在三維場景中的可視化三維模擬。（4）根據(jù)工程實(shí)際地形，結(jié)合GIS平臺實(shí)現(xiàn)了索道路徑選取及結(jié)構(gòu)設(shè)計，數(shù)據(jù)滿足工程使用需求。

提出的方法解決了多跨索道路徑選擇的難題，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化索道設(shè)計，路徑選擇及部件選型結(jié)果可在GIS平臺上實(shí)現(xiàn)三維模擬，便于架設(shè)布置分析、地面干涉判斷，提高了貨運(yùn)索道設(shè)計效率，為山區(qū)復(fù)雜地形下貨運(yùn)索道施工提供技術(shù)指導(dǎo)。