2016, Vol. 36
文章信息
- 周成军, 巫志龙, 周新年, 冯辉荣, 郑世飞, 刘富万
- ZHOU Chengjun, WU Zhilong, ZHOU Xinnian, FENG Huirong, ZHENG Shifei, LIU Fuwan
- 多跨索道的可移动中间支架设计
- Design of movable intermediate supportfor multi-span cableway
- 森林与环境学报, 2016, 36(01): 104-110
- Journal of Forest and Environment, 2016, 36(01): 104-110.
- http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2016.01.017
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文章历史
- 收稿日期: 2015-08-09
- 修订日期: 2015-09-13
索道用于林业集材、运材或缆索吊装时，由于运输距离较远，地形复杂，单跨索道往往受跨距的限制，无法满足需要的长度，实际应用中多跨索道广受欢迎[1]。传统多跨索道中，鞍座安装固定后在索道沿线不可移动，在使用过程中各跨跨距固定不变，若需要改变索道各跨跨距，或改变索道覆盖范围，需拆除鞍座后重新安装，降低了索道的灵活性和适应性，增加了索道的建设成本，制约了多跨索道的发展[2]。多跨索道的可移动中间支架，可根据实际情况，无需重新拆装鞍座，即可在一定范围内移动实现灵活调整鞍座位置及各跨跨距的功能。
1 可移动中间支架的设计思路要实现鞍座的可移动，则要实现鞍座所在的中间支架的可移动。中间支架可移动有2种设计思路：一种是使支架能够很方便地拆装，当需要移动鞍座到另一点时，就可以将支架拆解下来再重新安装到新的位置；另一种是中间支架能够沿地面按设计位置的方向移动定位。在工程建设中，较为实用的可拆装支架是万能杆件钢支架。它具有重量轻、安装方便、拆卸容易等特点。万能杆件由工厂生产、专业化高、质量有保障，相对成本低，在工程建设中得到广泛的应用。这种通过拆装实现鞍座移动的方案存在的不足是，支架的拆卸与安装虽然比传统的支架更方便，但拆装仍需要耗费较多的工时和成本[3]。整体移动支架指能在地面上按一定方向移动的支架，对于该类支架设计，还可有2种方案，一种是在支架底部安装万向轮从而实现移动；另一种是在地面上铺设轨道，支架底部设计成与轨道搭配的结构。对于轮式移动支架，其移动较方便，但移动到指定点后的固定比较困难；轨道式移动支架可实现固定方向的移动，其固定相对容易，但由于支架与轨道的搭配技术要求相对较高，存在后期的维护较困难的缺点[4]。
综合以上拟定设计方案：支架采用2个带刹车的万向轮和2个定向轮，在移动到指定位置时利用刹车装置使支架在工作时处于静止状态，再利用4个顶升装置将支架顶起，支架在工作时万向轮不受力。支架体采用三角架支腿门式钢构，用工字钢焊接而成。底部基础采用槽钢，其下部连接万向轮实现移动。为了移动与安装鞍座，在支架两侧设置楼梯。楼梯与支架能同时移动，在楼梯底部也加装万向轮。考虑到地面平整度不良，若楼梯与支架采用刚接则在刚接处应力过大，所以楼梯与支架采用铰接。
2 可移动中间支架的工作原理多跨索道的可移动中间支架由两侧的三角架支腿、中间的顶部横梁、操作平台、6个单向脚轮、2个带刹车的万向脚轮、4个支撑脚和2个楼梯等组成。三角架支腿及楼梯、顶部横梁和操作平台均采用钢结构。三角架支腿底部四角分别对称安装1个脚轮，沿前进方向，前端2个为单向脚轮，后端2个为带刹车的万向脚轮；同时，底部四角也分别对称安装1个支撑脚，支撑脚的螺栓固定，交替旋转顶升螺母，可作垂直顶升，顶升操作应力求用力均匀，对称顶升，顶升至4个脚轮离地约10 cm时，由双固定螺母进行固定。脚轮与支撑脚之间留有间隔。
多跨索道鞍座安装在中间支架上，通过中间支架移动，可实现鞍座处于不同设计位置。移动前，承载索脱离鞍座，支撑脚不接触地面，万向脚轮刹车解除；因脚轮皆为滚动，可由人力推移中间支架，由后端2个万向脚轮调整移动方向；鞍座及其支架移动到设计位置后，万向脚轮制动使中间支架停止，同时使用支撑脚螺栓顶升支架并固定，使支腿底部脚轮不受力；鞍座及其支架固定在设计位置后，承载索导入鞍座。考虑鞍座的安装，在支架前端支腿的两侧对称设置楼梯，在楼梯底部安装4个单向脚轮，楼梯顶部与操作平台采用铰接，能与中间支架同步移动。鞍座及其支架固定在设计位置后，楼梯底部单向脚轮仍与地面保持接触。
3 可移动中间支架的适用范围多跨索道的可移动中间支架具有结构简单、灵活性好、适应性强等特点。在多跨索道中，需要通过改变鞍座位置以及各跨跨距来实现集运区域的变换，通过使用可移动中间支架，在不改变索道起终点位置的前提下，可较大程度降低索道拆转的频率，提高生产作业效率，节约索道的建设与使用成本，减小工人的劳动强度。在缆索吊装大型构件系统中，使用可移动中间支架，除了具有上述优势外，还可在短时间内增大作业范围、缩短工程工期。
此外，多跨索道的可移动中间支架还适用于抢险救灾索道，充分发挥其适应性强的特点，在鞍座位置的选择及改变上具有很强的灵活性，减少索道架设与转移时间，可通过单条索道完成大范围的救援工作，为抢险救灾赢得时间。
4 可移动中间支架的设计计算以架设一条3跨单线3索全悬增力式索道为例，设计可移动中间支架。钢索的技术参数，见表1；索道设计的技术参数，见表2[5]。
| 钢索类型Type of cable | 单位长度重力Gravity per unit length/(N·m -1) | 钢索许可破断拉力Cable permit breaking force/N | 横截面面积Cross sectional area/mm 2 | 钢索弹性模量Cable elastic modulus/MPa |
| 承载索Skyline 24 6×19 NFC 1570 B ZZ | 20.20 | 278 000 | 229.09 | 1.0×10 5 |
| 起重索Liftline 12 6×19 NFC 1570 B ZS | 5.05 | 69 400 | 57.27 | 1.0×10 5 |
| 牵引索Haulline 10 6×19 NFC 1570 B ZS | 3.51 | 48 200 | 37.83 | 1.0×10 5 |
| 设计参数Design parameters | 技术要求Technical requirements |
| 设计吊重Design weight P 1 | 20 000 N |
| 跑车Carriage | K 1跑车:跑车轮数4个，鞍座处安装有托索器K 1 carriage: 4 wheels of a carriage with a cable supporter at saddle |
| 绞盘机Winch machine | JSD3-2绞盘机，起重牵引速度 V=1.0 m·s -1Winch machine JSD3-2, lifting speed: V=1.0 m·s -1 |
| 无荷中挠系数No charge in torsion coefficients | S 0M=0.03 |
因安装与使用时温度变化不大，故不计温差影响；根据实际情况，上下支点位移量等于零；结合索道现场架设实际情况，两支点高程相等。
采用K1跑车需往复牵引，索道型式设计为Ⅲ13型索道，一个缠绕卷筒为增力起重、一个摩擦卷筒闭式牵引。线路总长L0＝160 m；各跨跨距L01=L03＝50 m；L02=60 m。车索道侧型图，见图1。
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注：1.各跨索道弦线；2.索道各跨无荷线形；3.索道各跨有荷线形。 Notes:1.each cross line; 2.the cross line of the cable without loading; 3.the cross line of the loading cable. 图 1 索道侧型图 Figure 1 A side of the cableway |
各跨无荷中挠系数S01=0.025，S02=-0.030；各跨的弦倾角α1=α2=0；经设计计算跨的无补正有荷最大拉力Tmax=132 546 N；牵引索的最大拉力T1max=5 388 N；设计荷载P=25 417 N[4]。
4.1 支架受力计算
| $T' = {T_{\max }} + {T_{1\max }} = 132546 + 5388 = 137934{\text{N}}$ | (1) |
| tanθ1=tanα1-4S01=tan0°-4×0.025=-0.1 | (2) |
| θ1=-5.71° tanθ2=tanα2+4S02=tan0°+4×0.03=0.12 θ2=6.84° | (3) |
| H′=T′cosθ2-T′cosθ1=137 934×(cos6.84°-cos5.71°)=298 N | (4) |
| V′=T′sinθ2+T′sinθ1=137 934×[sin6.84°+sin(-5.71°)]=2 704 N | (5) |
| H″=298 N | (6) |
| V″=V′+P=2 704+25 417=28 121 N | (7) |
横梁采用I20型钢上下加焊10 mm厚的钢板，在平台中间留600 mm空间以便安装中间鞍座，具体尺寸，见图2。
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图 2 中间支架示意图 Figure 2 Sketch of movable intermediate support |
经分析可知，支架主要受竖直力作用，水平力很小可忽略。设计荷载取25 417 N，安全系数取2.5，所以F=2.5×25 417=63 542 N。按简支梁计算，荷载在中间位置时横梁弯矩最大。
最大剪力
| Qmax=12F=0.5×63 542=31 771 N | (8) |
最大弯矩
| Mmax=14FL=14×63 542×4.5=71 485 N·m | (9) |
I20型钢：截面积A=3.55 78×103 mm2，弯曲截面系数Wz=2.37×105 mm3，加焊钢板后：Wz=4.57×105 mm3，Q235钢的许可抗压强度[σ]=170 MPa、许可剪应力[τ]=85 MPa[6, 7]。
| $\sigma = \frac{{{M_{\max }}}}{W} = \frac{{71485}}{{457 \times {{10}^{ - 6}}}} = 156.4{\text{MPa < }}\left[\sigma \right] = 170{\text{MPa}}$ | (10) |
| $\begin{gathered} \hfill \\ \tau = \frac{{3Q}}{{2A}} = \frac{{3 \times 31771}}{{2 \times 35.578 \times {{10}^{ - 4}}}} = 13.39{\text{MPa < }}\tau = 85{\text{MPa}} \hfill \\ \end{gathered} $ | (11) |
故满足设计要求。
弯矩和剪力共同作用下按强度理论校核，仍满足要求。
5.3 支腿桁架计算受力分析后可得支腿桁架结构中最大轴力FN=86 000 N，I10型钢：截面积A=1.434 5×103 mm2，Q235钢的许可抗压强度[σ]=170 MPa[6, 7]。
| $\sigma = \frac{{{F_N}}}{A} = \frac{{86000}}{{13.345 \times {{10}^{ - 4}}}} = 60{\text{MPa < }}\left[\sigma \right] = 170{\text{MPa}}$ | (12) |
故满足设计要求。
稳定性验算
Q235钢长细比$\lambda = \frac{{{L_0}}}{i} = \frac{{5119}}{{98.1}} = 52.18$，故杆件轴心受压构件稳定系数φ=0.865。
| ${\sigma _{\max }} = \frac{{{F_{\max }}}}{{\varphi A}} = \frac{{8600}}{{0.865 \times 14.345 \times {{10}^{ - 4}}}} = 69.3 \leqslant \left[\sigma \right]$ | (13) |
故满足设计要求。
5.4 支架静止时的受力计算经查表[7]计算可知可移动鞍座横梁重186.7 kg，中间移动中间支架重1 618 kg。所以可得整个可移动中间支架重
| G=m·g=(186.7+1 618)×9.81 N=17 704 N | (14) |
查表[8]可得混凝土面与聚氨酯摩擦系数为0.6。故支架静止时与地面的摩擦力
| f=μ·G=0.6×11 704 N=7 022.4 N>298 N | (15) |
故万向轮处于刹车状态时，可移动鞍座可以处于静止状态。
6 万向轮选择及支撑脚计算万向轮采用聚氨酯万向超重型脚轮，型号：17，直径：200 mm，厚度：50 mm，最大荷载：2 000 kg。
6.1 轮压计算已知设计荷重P=25 417 N，K1跑车重=1 442.5 N，移动鞍座横梁重=1 831.5 N，支架重=15 872.6 N。
| $最大轮压(满载)P满max = \frac{{15872.6 + 1831.5}}{4} + \frac{{1442.5 + 25417}}{2} = 17855.8N$ | (16) |
| $P最小轮压(空载)P空min = \frac{{15872.6 + 1831.5}}{4} = 4426N$ | (17) |
17 855.8 N < 20 000 N，故该万向轮的选择符合要求。
6.2 支撑脚设计计算支撑脚的螺杆和底座选用304不锈钢材质，底径160 mm，螺纹直径24 mm，螺丝长度450 mm。产品的底座为空心的不锈钢M24螺栓，单个螺栓承载力可达3.5 t。底座可选粘防滑橡胶垫，增加产品防滑和防震功能。支撑脚和万向轮的使用相对高度，见图3。
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图 3 支撑脚和万向轮局部图 Figure 3 Local view of the support foot and universal wheels |
螺纹牙强度校核：螺纹工作高度h=12 mm；旋合圈数z=10；螺纹牙底宽度b=11 mm；允许强度[σ]=170 MPa。
| $\sigma = \frac{{3{F_{\max }}h}}{{\pi {b^2}z}} = \frac{{3 \times 1819.2 \times 12}}{{\pi \times {{11}^2} \times 10}} = 17.2{\text{MPa < }}\left[\sigma \right]$ | (18) |
故满足要求。
7 鞍座移动支架的实物模型鞍座所在整体钢架的支架模型与实物按照1∶25比例制作，材料采用截面为10 mm×10 mm矩形钢管。中间支架的钢构模型，见图4。支架模型及万向轮与顶升装置静止与移动示意图，见图5。
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图 4 中间支架钢构模型图 Figure 4 Steel model of movable intermediate support |
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图 5 中间支架钢构模型工作示意图 Figure 5 Working sketch of steel model of movable intermediate support |
整体索道与鞍座组合模型图，见图6。
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图 6 整体索道与鞍座组合模型图 Figure 6 Cableway and movable intermediate support model |
无载荷时移动中间支架，支撑脚处于离开地面状态[图5(c)]，由万向轮支撑支架，用人力将支架移动到指定位置，使用刹车(万向轮自带刹车)使支架处于静止状态。中间支架移动到指定位置后，使用张紧手柄(配套支撑脚的手柄，类似活动扳手)转动支撑脚圆盘上方的螺母，调整4个支撑脚使支架整体高度上升到统一水平位置，使万向轮离开地面不受力。再旋转支撑脚最上面的螺母进行对支撑脚的加固，使支架处于稳固状态，即完成中间支架移动至指定位置，见图5(d)。
8 结论与讨论以福建农林大学工程索道实验室为依托，根据技术先进、经济合理和安全适用的原则，提出多跨索道可移动中间支架，着重对可移动式支架进行设计方案研究。为实现中间支架可移动，通过多种方案比选，创造性地采用刹车的重型万向脚轮和单向脚轮使支架实现移动，在不需要移动时使用顶升装置，使鞍座可以正常使用。根据所选方案，制作了中间支架可移动的实物模型，为实验验证及后续实际施工打下基础。通过设计计算和模型验证，中间支架采用2个带刹车的万向轮和2个定向轮可实现移动，在移动到指定位置时利用刹车装置使支架在工作时处于静止状态，再利用4个顶升装置将支架顶起，中间支架的鞍座在工作时万向轮不受力。经设计计算与校校，该设计方案满足受力要求，具有可行性。本产品设计已获国家实用新型专利(多跨索道的可移动中间支架，专利号为：CN 2014 2 0604695.X)。
同时，多跨索道可移动中间支架也存在以下不足：(1)自重较大，在一定程度上制约了其灵活性与机动性；(2)可移动中间支架的起升、移动没有配置液压操控系统，均需要工人手动完成。在后续研究中，对不足之处将进一步改进与完善。
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