随着我国电力建设的不断发展,对电力系统的要求越来越高,因此,对输电线路中物资运输中存在的问题进行有效解决已经成为我国电力系统的首要工作之一.架空索道是一种新的运输工具,在输电线路施工中物资运输方面得到了广泛的应用^[1].在初始阶段，索道的发展推动着抱索器的革新,自从动力无极绳索的问世,索道技术的发展就完全归结为抱索器的技术创新^[2]. 抱索器是索道系统中的核心部分,也是索道技术的关键所在.目前,国外常用的脱挂式抱索器主要有以下几种:法国Poma公司研发的摇杆式抱索器;意大利Leitner公司研发的摇块式抱索器;奥地利Girak公司20世纪60年代初期研发的链轮式抱索器^[3].综上所述,国外脱挂式抱索器大致可分为凸轮式脱挂抱索器和连杆式脱挂抱索器,脱挂抱索器钳口夹紧力源主要由金属弹簧来提供,而且脱挂抱索器结构设计比较简单.国内脱挂索抱索器发展非常缓慢,主要依靠国外技术引进,自行研发的只有昆明的一家研究院为广州白云山旅游索道设计的脱挂式旅游索道^[4]. 目前载人索道的可摘挂式抱索器为摇杆滑块四杆机构,主要是利用四杆机构的增力原理,将人体重量以杠杆比的量级放大,以活动抱卡抱紧力的形式抱紧牵引钢丝绳.在上述成果基础上,通过在上站、下站增加卸货结构,将行走小车及其货物重量承载在上站、下站的门柱支架上,利用杠杆增力原理实现可靠的自动脱索，即：将杠杆增力机构应用于行走小车抱索器结构上,使得小车能够在挂重车体的自重下实现自动挂索,在抱索车体的自重下实现自动脱索.此举解放了劳动力,提高了工作效率以及经济效益.

小车结构示意图如图 1所示.

图 1 小车结构示意图 Fig. 1 Trolley structure diagram 1—承载轮; 2—滑动轴承; 3—抱索车体; 4—转向轮; 5—挂重车体; 6—杠杆增力机构; 7—挂钩.

图选项

小车由以前的单轮结构改进为双轮结构,两轮分别属于可相对滑动的车体:抱索车体和挂重车体.抱索车体,负责在运输过程中使整个小车挂在承载索上,抱索器咬紧牵引索,顺利运送货物;挂重车体,负责承载重物,在挂重时提供抱索器的抱紧力,并由杠杆机构按杠杆比成倍放大,抱紧牵引索.在需要卸货端松开牵引索时,挂重车体与抱索车体发生相对移动,两者高度差减小,使得抱索器松开牵引索,实现自动脱索.在挂货端需要抱紧牵引索时,挂重车体与抱索车体发生相对移动,两者高度差增大,使得抱索器抱紧牵引索,实现半自动抱索.在两部分车体相对移动过程中,由车体连接部分的滑槽及其内的滑动轴承进行限位.

抱索器的作用主要是在一定的承载能力范围内能够安全可靠实现行走小车的脱挂索.分析索道系统可以得到抱索器的功能主要为^[5]:

1)进站脱索;

2)出站挂索并随牵引绳运行;

3)通过杠杆增力机构夹紧牵引绳,达到自锁目的;

4)可靠实现索道的加/减速运行.

1)抱索器钳口与牵引绳之间应有足够大的夹持力,避免产生滑动.应该保证抱索器的抗滑力不小于货物重力在索道最大倾角处沿牵引绳切向方向上分力的3倍.

2)抱索器受力零件的安全系数不小于6.

3)抱索器夹紧力应保持稳定,不受索道倾角变化的影响；抱索器安全可靠、结构简单、动作精确.

通常采用的钳口包括平钳口、圆弧形钳口以及槽形钳口三种类型.在抱索时,不同类型钳口对钢丝绳的围包角最大值以及槽心角大小如图 2所示.

图 2 钳口对牵引绳围包角示意图 Fig. 2 Schematic diagram of the round angle between traction and rope

图选项

瑞士的M.Roth提出了钳口形状系数公式,将不同类型钳口的摩擦系数进行区分,从而得到不同钳口抱紧牵引钢丝绳的夹紧力不同.

钳口形状系数公式:

ξ=4(sin φ_max-sin φ_min)×(sin 2φ_max-sin 2φ_min)+2(φ_max-φ_min)^-1,

经过计算,平钳口ξ=1,圆弧形钳口ξ=1.04~1.06,槽形钳口ξ=1.06~1.08^{[6, 7, 8]}.选取圆弧形钳口进行抱索器的设计.

抱索器将货运索道行走小车与货物进行连接,随牵引索运行,主要是依靠抱索器与牵引绳之间的摩擦力进行工作.抱索器在索道中受力分析图如图 3所示.

图 3 抱索器受力分析图 Fig. 3 Stress analysis diagram of the rope clip

图选项

其中：Q为货运小车满载时重力,α为索道牵引索倾角,N为抱索器的抱口受到的正压力,F₀为行走小车的下滑力.对其进行受力分析，得

F₀=Qsin α，

N=Qcos α.

因此,抱索器在索道倾角最大时其下滑力F₀最大.根据力平衡条件可以知道,抱索器所受的下滑力应该由抱索器受到的摩擦力来平衡.根据文献^[9]，选取牵引索与抱索器之间的摩擦系数μ=0.13.

牵引索受力分析如图 4所示.抱索器与牵引索之间的正压力由两部分组成,一部分是行走小车的重力分力,另一部分是抱索器钳口力F₁，则有

F₀=μ(N+2F₁).

图 4 牵引索受力分析图 Fig. 4 Stress analysis diagram of the rope

图选项

K为安全系数,相关的国家标准(GB 21008—2007)、行业标准(MT/T 873—2000、MT/T 1117—2011)、安全标准(AQ 1038—2007)对其数值都有严格规定,这里选择K=2^[10].因此,抱索器的钳口力F为

包络角就是抱索器钳口部分包络牵引绳的角度.包络角越大,抱索器夹紧牵引索的力量就越大,最为特殊的例子就是固定式抱索器,它的脱挂活动块将牵引绳完全包络.而当包络角不断增大时,行走小车脱索的灵活性就会变得很差.因此,固定式抱索器在脱索时就要依靠人力进行,这很大程度上限制了应用的灵活性^[11].因此设计抱索器的包络角时,既要保证夹紧牵引索,又要满足脱索时的灵活要求.

抱索器的钳口是圆弧形,能够与牵引绳外表相吻合.其包络角的大小可以根据包络系数K₀来确定,根据工程实践上的经验,合适的取值范围是1≤K₀≤2.当夹紧力F通过牵引绳横截面中心沿着水平方向X轴作用时,可以将F分解成沿抱索器钳口的无数个小径向压力q,q的大小各不相同,离原点的距离越大，q值越小,最大值q_max在F的作用轴线上.将这些径向力进行代数求和∑q,其值大于几何求和F,即:∑q=K₀F.

q与最大径向力的关系是:q=q_max cos β,抱索器钳口包络分析图如图 5所示，则有:$ \sum q = \int_{\beta 1}^{\beta 2} {{\rm{Bq}}R{\rm{d}}\beta } $.

图 5 抱索器钳口包络分析图 Fig. 5 The envelope analysis diagram of rope-grip

图选项

将q=q_maxcos β代入并积分计算求得

∑q=RBq_max(sin β₂-sin β₁).

因为$ F = \int_{\beta 1}^{\beta 2} {{\rm{Bq}}R\cos \;\beta {\rm{d}}\beta } $,将q=q_max cosβ以及$ {\cos ^2}\;\beta = \frac{{1 + \cos \;2\beta }}{2} $代入求得

因此,可以得到包络系数K₀为

一般情况下选取$ {\beta _2} = \frac{\pi }{2} $,因此在设计抱索器的包络角时,只需要考虑选取合适的下行包络角β₁即可.为了方便小车的结构设计,可以选取${\beta _1} = \frac{\pi }{6} $,计算得到K₀=1.63,因此满足工程实践的要求^{[12, 13]}.

对抱索器的杠杆增力机构进行受力分析,示意图如图 6所示，其中：W_x，W_y分别为牵引索对抱索器反作用力的水平分量和垂直分量；F_Bx，F_By为抱索车体对抱索器作用力的水平分量和垂直分量；P为挂重车体重量.这些力共同形成一个平面力系,即∑F_x=0，∑F_y=0.则有:W_x=F_Bx，W_y=F_By+P.

图 6 杠杆增力机构及其受力分析图 Fig. 6 Lever reinforcement mechanism and its stress analysis diagram

图选项

根据铰点B处力矩平衡即∑M_B=0,则有:W_y×e=P×a.

杠杆比是杠杆机构中所特有的增力效率因素,在该抱索器中,体现的是挂重车体的重力通过杠杆增力机构抱紧牵引索的效果.在实际的应用中存在摩擦等导致其效率降低的因素,根据工程实践的经验,一般选取有效杠杆比6∶8为宜.这样就能够保证既有效放大挂重车体重量,使得抱索器将牵引索抱紧,又能在脱挂索时动作灵便.在设计杠杆比时,只需要适当改变e与a大小即可^{[14, 15, 16, 17]}.

将杠杆增力机构应用到货运小车抱索器的设计中,并且将小车车体分为抱索车体与挂重车体两部分,既能使得小车重心不会偏移,又能使得挂重车体的重量经杠杆增力机构放大,进而使得抱索器能够夹紧牵引索.将该小车在川藏电力联网工程(巴塘段)中进行实际验证,行走小车能够安全可靠地平稳运行,实现自动脱挂索,从而解放了劳动力,提高经济效益. 随着索道技术的自动化要求越来越迫切,推进索道作业的自动化标准已迫在眉睫.需要进一步研究索道运转过程中的相关设施,使其向自动化方向发展,并且保证运转过程更加高效、可靠.