钢丝绳捻距与托压索轮轮距对客运索道振动的影响

黄 山 李 刚 闫登华 李 村 马 胤

北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007

0 引言

当前，客运索道正在朝着高速度、高运量、高舒适性以及高可靠性的方向快速发展，同时对钢丝绳的要求也越来越高。与轮组的大量接触、更高的破断力、静音运行、可控应变下的耐久性等，都对钢丝绳的质量特性提出了更高的要求。为达到这些要求，需要钢丝绳的直径更大，运行速度更快，承受载荷更大。与此同时，为实现这些目标，相关部件的制造也需要采取措施进一步实现轻量化。

在索道上下站之间张紧的钢丝绳将增加整个索道系统产生振动的可能性。上、下站和线路上的振动会严重影响乘客乘坐索道时的安全性和舒适性。在极端情况下，振动会导致支架焊缝开裂，栏杆或爬梯松动失效，某些频率的振动甚至会引起乘客身体不适[1]。

捻制成股的钢丝绳表面轮廓不平整，经过托压索轮时很容易诱发振动。由于钢丝绳运行速度的增加以及索轮直径并未随钢丝绳直径增加而成比例增加，将导致振动现象更加严重。在考虑组件的动态特性时，不仅要考虑单个部件，更重要的是从系统的角度出发对整体进行考虑。诱发振动的因素和部件之间的相互作用决定了系统的振动特性。

1 钢丝绳捻距

GB 26722—2011《索道用钢丝绳》对钢丝绳捻制有如下要求[2]：圆股钢丝绳、压实股钢丝绳的捻距应在钢丝绳直径的6.7～7.5倍之间；密封钢丝绳及线接触圆股芯的捻距不应超过其直径的10倍、点接触圆股芯的捻距不应超过其直径的11倍。钢丝绳捻距示意如图1所示，一般情况下钢丝绳的捻距是指绳的捻距。捻距大小对钢丝绳的性能有直接的影响[3]。

图1 钢丝绳捻距

1）钢丝绳捻距越短，弹性伸长率也越大，对承受冲击载荷是有利的。

2）钢丝绳承受很大的挤压应力时，捻距短的钢丝绳更为合适，寿命有所提高。

3）短捻距钢丝绳柔性大，绳股间保持适当的活动间隙可使柔性提高，也可增加一定的耐磨性。

4）钢丝绳的捻距越短，旋转性也越大，同时钢丝绳的抗拉强度也随之减小。

某高速运行的单线循环带防护罩索道的平台、栏杆和支架构件断裂事故不断增多，且在索道运行中存在振动和噪声。经检查分析，损坏是由于钢丝绳绳股引起振动而造成的，若钢丝绳与两索轮接触点之间的距离是绳股中心距的倍数，将引发强烈的振动。在这种情况下，索轮同时接触钢丝绳的最高点和最低点，使振幅扩展到最大。这种现象随着钢丝绳直径和索轮载荷的增加而加剧。

如图2所示，在一套索轮组装置中，通常有两个不同的钢丝绳接触点间距，其随钢丝绳的折角而变化，而且不等同于索轮中心距，即b≠a。

图2 钢丝绳接触点间距和索轮中心距

使索轮间距适应绳股中心距在理论上是可能的，但由于设计一套索轮装置使之适合每一种捻距，在经济上并不可行，故应由钢丝绳制造商控制其产品的捻距适应索轮组。

2 钢丝绳引起的振动

客运索道在运行过程中受到钢丝绳的影响。通常情况下，钢丝绳引起平稳运行系统振动的原因有两个：捻制钢丝绳外表面轮廓不平，绳股通过轮组时产生振动；钢丝绳自身不平整导致捻距引起的振动。上述导致振动的两种情况的运动特性如图3所示。

在图3a中，轮距与钢丝绳捻距比例为1：n，两个索轮同时落在绳股最高点或最低点，导致摇臂将与索轮相同频率的振动传递到支架上。

在图3b中，轮距与钢丝绳捻距比例为1:（n+0.5），一个轮子在绳股最高点，一个轮子在绳股最低点，导致摇臂将低振幅的周期振动传递到支架上。

在图3c中，轮距与钢丝绳捻距比例重新回到1：n，即两个索轮同时落在绳股最高点或最低点，导致摇臂将与索轮相同频率的振动传递到支架上。

图3 两轮组振动

2.1 绳股引起的振动

绳股会在系统中引起振动，是因为当钢丝绳在托压索轮上运行时，钢丝绳表面不平整，索轮会不停地从一根绳股跳到另一个绳股，产生振动。

索轮组中的两轮间距是固定的，以一定的几何序列在支撑结构上进行装配。这确保了载荷在轮组中均匀分配，并使抱索器能够平稳地通过托压索轮组。

索轮组的悬吊结构也应能够减轻绳股引发的振动，可通过协调钢丝绳捻距和索轮的间距来实现。这两个数值的匹配指当一个索轮通过钢丝绳绳股的最高点时，相邻索轮正在通过两个绳股间的最低点。绳股引起的上下运动的振动频率为

式中：n为钢丝绳股数，v为钢丝绳速度，λ为钢丝绳捻距。

2.2 捻距引起的振动

绳索表面因绳股的高低不平而不均匀，导致钢丝绳表面周期性的出现波峰和波谷。为防止因这种情况引起振动，索轮的间距应使得两个相邻的轮子不同时接触同一个绳股。钢丝绳不均匀引起的振动频率为

式中：V为钢丝绳速度，λ为钢丝绳捻距。

为避免上述两种原因产生的振动，需要对其尺寸和频率范围进行估算，如图4所示。

图4 绳股和捻距引起的振动频率范围

考虑钢丝绳直径和股数的影响，绳股引起的振动频率范围约为30～150 Hz。这种激振是一直存在的。振动能量会传递到结构上，其大小取决于捻距和索轮几何尺寸。支架受振动的影响最大，尤其100 Hz左右的振动是引起结构破坏的主要原因，影响索道运行安全。

捻距引起的振动频率约在5～30 Hz之间。因正常人体的共振频率约为7.5 Hz左右且体内各部位又有各自的共振频率，如内脏约为4～6 Hz，头部约为8～12 Hz等，该区间的频率将引起乘客的严重不适，若乘客在乘坐索道过程中遇到这种频率的振动，有可能引发难以忍受的头痛等不适症状。这些振动起源于索轮，通过钢丝绳传递到吊具，影响乘坐的舒适性。

2.3 捻距的匹配

由于钢丝绳表面不平整轮廓引起的振动可通过匹配钢丝绳捻距和索轮间距来降低，与绳股形式和钢丝绳不规则铺设等引起钢丝绳表面不平整的因素无关。如图5所示。

图5 轮距与捻距的匹配

索道用钢丝绳的绳股一般为6股，这导致钢丝绳表面轮廓的不平整是不可避免的。若能将相邻索轮间距与钢丝绳不平整的轮廓进行协调匹配，可以将振动能量减弱到可以忽略的程度。

为了降低索轮在钢丝绳上的振动，需将钢丝绳捻距与相邻两轮的间距进行匹配。如图5所示，当轮1在绳股1上时，若轮2也落在绳股1上，振动幅度最大，因此轮2需要落在两个绳股之间。但不能为绳股1、6之间，也不能为绳股1、2之间。虽然这种方法不能估算所有此类型的振动，但对托压索轮间距与捻距的匹配关系具有重要的参考意义。

在高速大运量的脱挂索道中，使用的12轮托索轮组和16轮压索轮组很多，这在无形中增加了振动的风险。轮距与捻距的匹配可降低振动，同时也可降低因绳股产生的振动，因为索轮振动的频率和幅度取决于索轮组中与钢丝绳绳股最高点同时接触的索轮数量，由于索轮数量众多，若能将轮距与捻距进行合理匹配，能很大程度上降低振动的影响，确保索道的运行安全和乘客乘坐的舒适性。

3 结论

1）托压索轮轮距与钢丝绳捻距不匹配会造成较大幅度的振动，通过轮距与捻距的匹配，可避免产生较大幅度的振动。

2）在向钢丝绳厂订货时，需要向其提供托压索轮组的有关数据，方便厂家确定合适的钢丝绳捻距，或根据托压索轮的结构尺寸，通过计算得出合理的捻距，订货时提出捻距要求。

3）在钢丝绳的使用和编接过程中要注意钢丝绳捻距的变化，加强检查，发生振动问题时及时处理。