客运索道抱索力检测方法

姚文华 甄正义

1黄山玉屏客运索道有限责任公司 黄山 245800 2中国索道协会 北京 100007

0 引言

随着国内旅游业的发展，我国的客运索道数量激增，据统计，截至2020年底我国客运索道工程数量为1 072条，其中往复式索道占比4.4%，地面缆车占比1.7%，循环式索道占比93.9%，循环式索道占比最大，是客运索道的最主要形式。抱索器是循环式索道中将运载工具与运载索连接在一起的装置，是循环式索道的核心部件。客运索道的抱索器一般使用弹簧力夹紧运载索带动运载工具运行，通常将抱索器组件对运载索的夹紧力称为抱索力。抱索力的大小直接关系到运载工具与运载索之间连接的牢固程度，是索道运营安全的重要指标，循环式客运索道因抱索力缺失导致运载工具在运载索上滑移甚至运载工具从运载索上脱落的事故仍有发生，因此在提高抱索器材料强度和加工质量基础上，对抱索力进行安全有效的检测尤为关键。

1 测力方法概述

在工程领域，力是最基本的机械量之一，也是构成其他一些物理量的基本要素，如压力、弹力、转矩、应力等。因此，力的测量在机械量测量中占有重要地位。力的测量通常有2种方法，一种是根据力的平衡原理，将欲求的力与已知的标准力源相比较而定量（如砝码，弹簧秤等）；另一种是采用力传感器，通过某种物理效应把力转换成与其成正比的电信号，不仅适合静态力测量，也适合动态力测量，因此在力的测量中得到广泛的应用。力传感器有弹性式力传感器、压磁式力传感器、压电式力传感器等各种类型[1]。客运索道通常采用弹性式力传感器来检测抱索器中弹性装置的受力情况，其力的大小与抱索器钳口对运载索的夹紧力呈线性关系。

2 客运索道抱索力检测方法

按照挂结方式分类，客运索道抱索器可分为固定抱索器和脱挂抱索器：固定抱索器在索道运行时始终抱住运载索；脱挂抱索器则可自动脱挂。抱索力是抱索器的重要性能指标，GB12352—2018《客运架空索道安全规范》对客运索道的抱索力有明确规定：一个索道运载工具上所有抱索器防滑力之和应达到运行时最大下滑力的3倍；一个索道运载工具上所有抱索器防滑力之和应至少等于运载工具允许的最大总质量；抱索器或抱索机构在线路上不允许自动脱开或因夹紧力不足而产生滑移[2]。循环式客运索道对抱索器的防滑力要求严格，抱索力的大小直接关系到防滑力大小，对抱索力的检测是索道最关键的安全技术手段之一。客运索道的抱索力检测方法目前主要有扭矩换算法、位移传感器间接测量法和力传感器直接测量法3种。

2.1 扭矩换算法

客运索道固定抱索器通常采用锁紧螺栓上紧扭矩值来估算抱索力。图1为固定抱索器结构示意图，通过扭转锁紧螺栓6，推动压板4压缩蝶形弹簧3蓄能并推动内抱卡2配合外抱卡1抱紧由内、外抱卡形成的钳口内的运载索。GB/T 24729—2009《客运索道固定抱索器通用技术条件》中对运载索直径变细后抱索力值也有具体规定：当运载索公称直径减少10%时，钳口夹紧力减少应不大于25%[3]。客运索道固定抱索器采用一组蝶形弹簧来调整抱索力，蝶形弹簧蓄能后可自动补偿运载索直径的变化，保持对运载索相对稳定的抱索力。安装固定抱索器时通常依据索道厂家给定的抱索力数据要求，或者给定抱索器锁紧螺栓6的上紧扭矩值。上紧扭矩值通过经验公式（1）可换算出抱索力的数值。

图1 固定抱索器结构示意图

螺栓锁紧的固定式抱索器抱索力为

式中：Fa为产生的推力（抱索力），η1为进给丝杆螺纹副正效率，T为进给丝杆扭矩，ι为进给丝杆的导程。

通过扭矩间接测算抱索力的方法在间接推导过程中存在螺纹副正效率、活动部件阻力、力矩扳手误差等诸多干扰因素，估算出的抱索力值的准确性会受影响。故在实际应用中可能造成实际抱索力偏差：当抱索力过大时，运载索容易被夹伤，影响运载索的使用寿命；当抱索力过小时，一旦出现紧急制动或重载爬坡的情况，抱索器与运载索之间可能会发生相对滑动甚至溜车，可能导致重大安全事故。固定抱索器索道目前还无法获取运行中的实时抱索力，故在索道检修或设备验收时往往需要在测试棒和运载索上做防滑力的静态测试来验证抱索力是否满足要求。当然扭矩换算法的优点也是相当明显的，它没有增加任何设备，使固定抱索器的结构保持简单，抱索器的拆检安装较简便，制造维护成本低，目前在我国客运索道有大量应用，日常须严格按照要求进行固定抱索器的维修保养和定期检验。

2.2 位移传感器间接测量法

示例索道为2014年从国外引进的单线循环脱挂抱索器客运索道，采用DT108型抱索器，通过位移传感器测量弹性轨道变形得到抱索力值。图2为示例索道运行中使用的抱索器脱挂轨道装置结构图，在索道站内采用不同厚度的钢板焊接成整体的抱索器脱挂轨道，在脱挂轨道的压轨上形成一定长度的弹性钢板2（见图3），当抱索器的操作杆上滚轮3通过弹力钢板时，蓄能扭力杆的弹簧力通过操作杆上滚轮3对弹力钢板产生相应的压力，使弹力钢板发生变形，通过位移传感器1及PLC系统将电信号转化为抱索力值并通过显示屏输出。由于采用焊接方式进行测力钢板的固定，易造成焊接应力对测力钢板弹性的不良影响，使得测力钢板的测力参数的准确度和稳定度下降，脱挂抱索器抱索力的在线测量精度和一致性受到了限制，同时抱索力测量值受环境温度、轨道润滑、操作轮磨损等干扰因素误差明显。图4为示例索道30号车抱索器的2020年运行抱索力检测变化趋势图，图中仅取样了每月运行抱索力检测数据中的最大值和最小值，可见抱索力测量值受温度影响较为明显，当环境温度过低（≤-5°）时，抱索力测量值会明显变小，有时甚至低于抱索力下限阈值（额定值的70%），影响索道的正常运行。示例索道的制造商将运行抱索力检测改成了双传感器，把2个传感器检测的数值进行比对，当2个传感器测量值偏差大于或等于10%时会发出停车信号，提高了抱索力检测的可靠性。每年换季温差变化大时对抱索力检测系统进行重新标定，以尽量减少环境温度带来的影响。定期对抱索器进行无损探伤和防滑力测试，每2年由权威机构对抱索力标定和防滑力测试设备自身的精度进行校验。位移传感器间接测量法由于传感器没有直接受力，传感器的使用寿命长，适合在索道运行中动态测量抱索力时使用，目前在脱挂抱索器式索道中应用最为普遍。

图2 DT108抱索器脱挂装置示意图

图3 索道抱索力检测装置

图4 30号车抱索口器全年运行抱索力变化趋势图

2.3 力传感器直接测量法

力传感器直接测量法是指采用力传感器放置在抱索器钳口等受力部位直接测量抱索力的方法，相比间接测量方式少了弹性钢板、位移传感器等中间环节，其检测精度相对可以做得更高，本文重点介绍用力传感器制作的抱索力直接测量装置。

2.3.1 抱索力测量仪设计原理

抱索力测量仪为一体化结构设计，如图5所示，将传感器和显示仪表组装在一起。传感器采用电阻应变的测量原理，弹性受力部件设计成2组工字梁，似一座桥梁，全称为双剪切梁桥式电阻应变传感器。传感器的外形模拟运载索做成圆柱形状，并可根据索道运载索的不同直径配置多种尺寸的压头，以契合不同的抱索器钳口尺寸。测量抱索力时传感器的3个压头分别顶在抱索器的内抱卡和外抱卡上（见图5），传感器3点受力（见图5、图6），4个应变片以45e角分别粘贴在工字梁上的4个盲孔的底部（见图7），以测量工字梁结构内部的剪切应力的变化。4个应变片接线组成惠斯顿电桥（见图7），以消除受环境温度等影响的共模误差。抱索力测量仪电路和数字显示部分采用高集成度的电路设计，将除应变片外的所有电子元器件都集成在显示仪表的一端（非受力部分），在顶端还设置了3个操作按键：开机键、数据保持键和测量单位切换键，以方便测量数据的采集和读取，实物如图6所示。利用电阻应变片受力后电阻值的线性变化来反映传感器受力大小，经过一系列的计算和转换，最后通过液晶显示屏输出测量数据，显示数据单位可切换为千克(kg)或牛（N）[4]。

图5 抱索力测量仪示意图

图6 抱索力测量仪实物图

图7 应变片安装、接线示意图

2.3.2 抱索力测量仪的应用

出于安全考虑，示例索道每个站内各设置了3套抱索器脱挂装置，索道运行时抱索器在每个站内要脱挂2次，相比传统的2套脱挂装置的索道其抱索器脱挂次数增加了一倍。如2019年，平均每个抱索器脱挂了33 382次，亦是抱索器扭力杆弹簧的扭转次数。为此加强了对抱索器的检修力度，2020年12月使用本文所述的抱索力测量仪对所有抱索器进行抱索力测量，测量数据如表1所示。抱索力测量仪操作相对简便，只需将测量仪抱在抱索器的钳口上即可直接读取抱索力数值。为了降低操作带来的误差，在钳口抱索力的测量中，规定只取钳口中心水平方向上测量的抱索力数据，即将3个受力点放置于钳口中心同一水平面，并在相同位置测量3次取其平均值。同时通过更换抱索力测量仪压头尺寸，模拟测量运载索直径变化f10%的钳口抱索力数据，为后期索道运行提供了科学依据。

表1 示例索道抱索力测试对比表

3 抱索器的防滑力测量

抱索器的防滑力与抱索力成正比例关系，防滑力是抱索器最重要的指标，索道安全主管部门通过测试防滑力来评判抱索器的抱索力等性能是否满足安全要求，防滑力测试是索道安全检验的必查项目。抱索器的防滑力测试也是抱索器拆解大修后最常见的检验方法，一般由索道生产厂家提供专用工具，需要进行定期测量。图8为示例索道使用的DT108型抱索器的防滑力测试工具，可以在测试棒或运载索上测量抱索器的防滑力，验证抱索器与测试棒（或运载索）之间的防滑力是否达到安全值。

图8 防滑力测试专用工具

4 对比分析

表1中包含2020年12月示例索道钳口抱索力、运行时操作轮上测力、测试棒防滑力测量的数据。钳口抱索力是用抱索力测量仪在抱索器钳口测量的数据，测量结果不受钳口表面清洁度、环境温度等影响，这种测量方法相对直接，操作也较为简便，目前只能在抱索器检修中测量静态抱索力时使用；运行抱索力是在同月份索道运行过程中记录下来的，为了提高数据的代表性，表1中数据为当月运行抱索力测量记录数据的平均值，是采用上述的位移传感器间接测量抱索器操作轮上的弹簧力，是目前脱挂抱索器最常见的运行抱索力检测方式，为减少测量误差，其测量装置需要根据温度变化适时标定和定期进行标定，以满足对运行抱索力测量精度的要求，其测量精度受润滑、温度等影响明显；测试棒防滑力是用专用测量装置测量的最小防滑力，防滑力更接近索道实际运行工况，但其测量结果受测试棒和抱索器钳口表面的清洁度、摩擦系数等影响明显，测量操作相对复杂。钳口抱索力、操作轮上测力、测试棒防滑力都与抱索器性能密切相关，对比钳口抱索力与运行抱索力的数据并不完全成固定的比例关系，说明间接测量的运行抱索力数据存在着较大的离散性。

5 结语

扭矩换算法、位移传感器测量法、防滑力测试可以间接检测抱索力是否符合运行要求，是当前循环式客运索道抱索力检测的主要手段。由于是间接测量，所以存在较多的干扰因素，而抱索力测量仪是直接测量抱索器钳口的抱索力，尽管现在只是检修中的静态测量，但仍提供了更准确、更直观的抱索力数据，使索道技术人员能够更直观地看见抱索力的大小，且操作简便。不仅如此，抱索力测量仪通过更换不同尺寸的适配压头，可以很方便地模拟检测到运载索直径变化后的抱索力数值，扩展了抱索力测量范围。随着高端传感技术和制造业的不断发展，通过索道新技术的应用，未来可以用更精确、更可靠的方式来测量索道抱索力，甚至实现索道抱索力的全过程实时在线监测,不断提升客运索道抱索器的安全检测水平。