海埂-西山单线循环客运索道钢丝绳安装技术

张宗华

摘要：通过建立数学模型并推导出各有关线形计算公式，进行钢丝绳的收紧受力计算和施放工作。选择合适的钢绳收紧方式，使钢丝绳在编结过程中的施工安全得到保证，且根据现场情况设置编结施工场地；通过张紧装置的准确定位，确保钢绳的编结长度及整体长度合理可控。钢丝绳的编结是钢丝绳安装施工的最重要环节，若编结参数选择不当，或操作过程有误，轻则影响编结质量，重则导致质量隐患，危及乘客的生命安全。通过二次编结，有效确保了钢绳的长度长时间处于允许范围。

关键词： 钢丝绳受力计算钢丝绳的施放 钢丝绳的编结

中图分类号：TU511文献标识码： A

1、前言

旅游客运架空索道是用来运送旅客的，其设备使用的安全可靠性要求极高，为保证索道的使用安全性，除要求确实可行的设计，制造精良的设备外，最重要的莫过于索道的安装施工了。而在整个索道工程的施工中，钢丝绳的安装施工又是最最重要的，决不允许有半点差池，否则将导致机毁人亡的严重后果。

海埂-西山客运索道，全长1965米，属法国进口的具有当今世界先进水平的旅游索道，采用镀锌钢丝绳作为承载牵引索，由于本条索道横跨滇池，翻越西山，沿线多经过高低压线路和工业与民用建筑，钢塔之间高差很大，故给钢丝绳的安装带来很多困难。

本条索道是整根钢绳，右同向捻，线接触西鲁型，Φ40.5mm，6×17(1+8=8)聚丙烯纤维蕊子，长近四公里，重二十三吨，为单线循环活动抱索器客运架空索道形式。

本条索道共由十七座钢塔组成，编号分别为P1、P2、P3、P4、.. .P17。其中最高塔是P2、P3(高33m)，最矮塔为P1塔（高8.5m）。 间距最大的是P2-P3塔（为204m），P3-P4塔（200m），P15-P16（为190m），最小的塔是P14-P15（仅有5m）。塔顶坐标高差大的是P13- P14 塔（为115m），最小的为P2-P3塔（0m）

2、放绳方式及地点的选择

考虑到绳卷的重量较大，惯性力很大，若自上站往下站放绳，钢丝绳的下滑力将很大，刹车制动力要求很大，绳盘的旋转速度很难控制，且上站没有钢绳的编结场地，故选择从中站往上站方向放绳，原因是可以用较小的刹车制动力来保证钢绳具有一定的张力，防止钢绳拖地泡水，而且可有效控制绳盘的旋转速度，另外中站线路方向地势开阔，为钢绳的编结提供了较好的场所。

具体作法是在中间站P7-P8 之间的适当位置开挖一锚坑（长×宽×高：2×1.5×2立方米）并埋设钢管，枕木及拖拉绳扣， 在此拖拉坑的靠上站方向平整出一块3×4（平方米）的场地， 再在其上放置一块厚20mm，长4m，宽2m的普通Ｑ235钢板以备绳盘支承架放置之用。

3、钢绳卷支承装置的设计制造

经过实际测量绳盘的有关尺寸后，我们确定了几种支承装置的有关结构形式，经过受力分析和所选材料的强度检验的前提下，敲定的支承装置如下：

3.1.绳盘支承架如下图：

图3-1 绳盘支撑架示意图

3.2、绳盘支架制作技术要求

①技术要求：支架与支座上的四块方法兰两配钻；

②所有的焊缝高度要与所焊构件最小厚度相等；

③支架要经过水平仪找平（用大垫铁）然后与地上的钢板焊接成一个整体（垫铁堆数不宜太少）；

④要把整个支架与拖拉坑的绳扣紧紧相连。

4.钢丝绳的线性计算

为研究钢丝绳的重力特性，我们假设将一条钢丝绳绷起固结于两支架的端点Ａ、Ｂ。当Ａ、Ｂ间的水平距离足够大时，钢索将形成一条下凹的曲线。如图4-1所示。

图4-1悬索示意图

按图4-2，在图4-1所示的ＡＢ索上任取一线之dl进行受力分析，如下图

图4-2受力分析示意

设钢索的单位长度自重为q，当悬索平衡静止时，若用Tx和Tx'分别表示悬索线元dl两端的张力，并用Ｖ和Ｖ' 分别表示两张力的垂直分量，根据力的平稳原理，应有：

(1) 和 (2)

式中：Ｈ0表示悬索张力的水平分量，也可称为张力，(2)式中表示悬索平衡静止时，索上各处之水平张力相等。按图4-2，根据力平衡方程，应有：

(3)

(4)

式中：α和(α＋dα)分别表示Ｔx和Ｔx'与ＯＸ轴的夹角

(3)式和(4)式相除有：

进行简单的互移计算得：根据正切和差公式：

由于dα为极小值，所以将tanα·tandα略去，有qdl-Ｈ0·d(tgα)=0

而dl=dx/cosα，tanα=dy/dx，得

令，则 (5)

此式我们称作曲线的一般微分方程式

在上面图4-2中所指的α角为过dl 段钢索中一点的切线与水平线构成的角度，现在为了一个跨距中钢索的任一点挠度，则需按下图进行分析：

图4-3钢丝绳的挠度计算

设整个跨距中任一点的挠度为fx，根据三角形相似定理，则：

所以 (6) 现将(5)式积分两次，得： (7)

将(7)式代入(6)式，得： (8)

如果两支点Ａ、Ｂ等高，则任一点的挠度为：(9)

而在距距中央点的挠度为：(10)

从以上推导计算可知，对于任一确定的悬索，只要知道了水平拉力，就可以求出悬索上任一点的挠度，反之，知道了任一点的挠度，也即可以计算出所需的水平张力。

5.放绳最大牵引力计算及机具的选择

本条索道共由十七座钢塔组成，编号分别为P1、P2、P3、P4、.. .P17。其中最高塔是P2、P3(高33m)，最矮塔为P1塔（高8.5m）。 间距最大的是P2-P3塔（为204m），P3-P4塔（200m），P15-P16（为190m0），最小的塔是P14-P15（仅有5m）。塔顶坐标高差大的是P13- P14 塔（为115m），最小的为P2-P3塔（0m）。

通过分析比较，若给出一个确定的水平拉力值，则最有可能使钢绳拖地或泡水以及与所跨过的建构筑物相干涉的是P2-P3塔段，P12-P14塔段P15-P16塔段。反之， 若为避免的钢丝绳拖地泡水和与建构筑物干涉而给出各塔区段的具体允许挠度值，也可反算出各塔区段所需的水平张力值。再把各塔区段所需的水平拉力值进行比较，取出最大的数据，加上钢丝绳在整个索道线路上的摩擦力，再加上使绳盘转动的了绳拉力，就可得到使钢丝绳按各种要求进行安全放绳的最大牵引力值。

4.1 钢丝绳的线性计算

4.1.下滑力计算

由于我们是从中站往上站放绳，所以牵引力所要克服的第一个外力就是钢绳在上坡时的下滑力，如图5-1所示

图5-1线路侧型图

从图中可以看出：

式中：q－钢索单位长度质量Kg/m(5.62)；L－钢索倾斜长度（m）；g－重力加速度(9.8m/s20；α－地形平均倾斜角；fq－钢绳与支承间的摩擦系数，与托辊为0.01( 我们为可靠起见，取0.1)；Ｈ-地形高差 m；l－钢绳水平长度m。

故

即下滑力为907.1Kg。

4.2 钢丝绳张力验算

由于整个放绳过程中，P2-P3，P12-P14,P15-P16三个区段要使钢丝不拖地泡水或与经过的建构筑物相干涉，其所需要的钢丝绳张力最大，验算过程如下：

①P2-P3塔区段受力分析

图5-2P2-P3塔区段受力分析

假定其中部有10m的挠度，则这两座等高的塔间其水平张力Ｈ01 套线形计算公式(10)

得：代入数值：Ｈ01＝2924Kg

②P12-P14塔面受力分析。如图5-3所示

图5-3P12-P14塔段悬索图

因P13塔是压索轮，只要钢丝绳不离开P13塔的索轮， 则能保证P12-P14塔之间的钢绳不拖地。由三角形相似定理，从图4-3可知：

所以f(l)＝34(m)

也就是只要P12-P14之间P13塔处有34m的挠度， 本塔区段就不会拖地，套线形计算公式(8)，水平张力Ｈ02得：

代入数据：Ｈ02=1901Kg

③P13-P16塔区段的受力分析如图5-4所示：

图5-4 P15-P16塔区段悬索图

假定P15-P16之间有10m高挠度时，其水平张力Ｈ03套线形计算公式(8)得：

代入数据Ｈ03=2694Kg

比较Ｈ01、Ｈ02、Ｈ03三种情况，Ｈ01最大为2924Kg。

④绳盘出绳拉力分析，如图5-5所示：

图5-5绳盘寝拉力示意图

从图中可看出：

式中：Ｇ－绳卷重力Kg(2300)；f－摩擦系数，取0.1；Ｒ－绳卷半径m(1.1)；ｒ－绳盘支承轴半径m(0.1)。

代入数值Ｔcs＝210(Kg)

④全线摩擦力分析计算如图5-6所示：

图5-6 全线摩擦力分析示意图

由上图可知

式中：l水平－指钢绳的水平单力长度，m

l山上－指钢绳的山上单边长度，m

其余符号含义同上。

代入数据：Ｔmc＝22091(Kg)

4.3 最大牵引力计算

4.4 机具的选择

知道了最大牵引力，我们根据规范规定及安全数选择原则，选定安全系数为4，则要用来牵引本条钢索的辅助索其破断力为Σs为

查钢丝绳选用表得：Φ20.6，6×19(1=6+12)<170型)钢丝绳的总破断力Σs＝25701(Kg)，故选择它作为辅助牵引力能满足使用要求。

因最大牵引力只有5343Kg，所以我们选择8000Kg卷扬机作为牵引力即可。

6.钢丝绳收绳夹板的设计制造

本条索道采用液压张紧装置，其张紧油压105bar，经查液压缸制造尺寸，通过计算得总张紧力为40000Kg，即每边钢绳上有20000Kg的拉力( 20t)。

经夹板摩擦力计算，(钢索与夹板间的摩擦系数是f=0.5)。 设计的夹板为Ｙ型多螺栓夹板，如图6-1所示：

图6-1Ｙ型多夹板设计制造图

技术要求：

a.夹板要杨对配钻Φ26的孔；b.夹板所刨绳槽要安全重合，不得有错位现象；c.Φ70的孔要求割制准确并保证两块夹成对使用时，不出现错孔现象；d.共加工两对(4块)；e.夹板应成对使用。

7.放钢丝绳及绳子的张紧

前边放绳方式及地点的选择中已经指出，本条索道的放绳是从中站往上站沿上山方向放绳，这样可以减少刹车制动力，简化刹车装置的设置，放钢绳的速度可以得到很好的控制，提高放绳的安全性。

根据钢绳卷支承装置的设计制造，最大牵引力计算及机具选择，收绳夹板设计制造等准备工作的完成，我们放绳工作得以正式实施。

把绳卷用50t汽车吊吊起，穿上绳盘支承轴，在支承轴上套上支承座，然后把绳卷吊到事先先安装找正好的绳盘支承架上，如图3-1 虚线所示。完成绳卷的正确固定以后，打开绳卷包装并从绳卷下部回出绳头（注意：出绳方面一定要正确并从绳卷的下部出绳头）。把回出的绳头与辅助牵引牵（Φ20.6mm，6×19(1+6+12),170型插接，针数不少于50针， 完成后用测力器与卷杨机配合作拉力实验，以用6000Kg的拉力插接不出现明显位移为合格。

7.1 放绳的机具配置及放绳

根据最大牵引力计算，我们选定四台8t卷扬机，其中二台安装在中间站（两个站口），一台在上站站口，一台在下站的站口，利用土建基础把卷扬机锁紧，接通电源进行空负荷试车、抱闸、保险等的调整检查合格。

把长为1500m的辅助牵引绳（与Φ40.5 的主索插接并经拉力试验合格），从中站沿上站方向穿过索道的托、压索轮敷设一直到上站的卷扬机上锁固，慢速开动上站卷扬机，完成此段主索的辅设，以此类推，完成下山侧，跨滇池段所有主承载牵引绳的施放，即放绳顺序为：

从中站P7-P2塔段开始穿过转角轮至上站，从上站绕过张紧轮回返中站，从中站跨滇池到下站，从下站驱动轮再回到中站，具体做法如图7-1所示：

图7-1放绳示意图

A－下站驱动轮；B－中站转角轮；C－上站张紧轮；1、3、4、5－加台8t卷扬机；2－辅助牵引绳(Φ20.6,6×19)；6－承载牵引索(Φ40.5mm，6×17)；7－主索与放绳辅索插接头；8－承载牵引索绳卷。

由于我们放绳场地选择合理，机具及措施得当，本次放绳从未发生拖地泡水现象，且刹车装置几乎未派上用场，高效快捷地完成了放绳任务。

7.2 承载牵引索的张紧

利用中站靠滇池的3#，8t卷扬机作为收紧机具，把前边制造的夹板一付（如图5-1的夹板Ⅱ）夹住中站往上站的下山侧主绳（注：放绳方向与索道的运行方向相反，故上山侧和下山侧是指索道的运行而言），一付夹板则夹在中站往下站的下山侧主绳上，具体位置要根据需要收紧主绳的长度定，否则可能导致收绳距离不够或没有编结区域。如图6-2所示：

图7-2主承载牵引绳收紧示意图

钢丝绳收紧工作应注意如下事项：a.确定引紧轮的停放位置；b.确定钢丝绳的编结场地；c.收绳夹板一定要紧固牢靠，不得有主绳滑移现象；d.要采取措施防止滑车组上的纤维绳打扭；e.收绳结束后要把两滑车间的纤维按绳子的前进方向不同且相邻的纤绳两两卡住，防止任何不安全事故的发生。

8.钢丝绳的编结

钢丝绳的编结工作是整个钢绳安装的关键环节，其对索道的安全运行起着决定性的作用，为保证钢绳编结质量，应从以下方面加以控制。

8.1 编结场地的选择

如果钢绳没有开阔的编结场地，势必使两绳编结的绳头没有足够的摆放位置，给编结施工造成不便，从而影响编结质量。本条索道由于选择了中站站靠下站方向的大片平地作为编绳场地，为编绳工作提供了极大方便。

8.2 编结人员的选择

钢绳编结工作，应由熟练的操作人员担任。本工程我们选择的是经过多次实际操练实验的施索工20名。

8.3 工具及材料计划

没有合适的工具，既使前面两个条件均具备，也势必导致编结时间延长且质量得不到保证。

8.4 编结施工

本条索道设备全由法国POMA公司提供，采用的是6×17(1+8+8)聚丙烯纤维蕊镀锌钢绳，直径Φ40.5mm，总长约4000m。

根据法方技术资料：这种钢绳在编结完后运行的约100小时以内，其延伸率是0.5‰，则全线将伸长2m，在1000 小时左右时将达到峰值的3‰-3.5‰，此时全线将伸长12-14m，其曲线形式如下图：

图8-1钢绳延伸情况示意图

上图意味着三个月以后，本条索道将面临二次结绳的问题，因为我们无论怎样一次接绳，三个月以后钢绳的伸长量都已超过游轮行程的调节余地（7.9m），也就是只能承受15.8m的伸长量。

法方技术资料显示，在空车（空舱）运行时，保持105bar工作液压张力的情况下，大游轮要前移1.7m左右，半负荷时，又再前移1.5m左右，满负荷时将再前移1.0m左右，也就是说我们在结编时，要预留4.2m的前移量，才能保证正常的试车要求，这样一来，二次结绳的时间将大大提前，将不利于正常的生产经营，经中外双方研究和商讨，法方专家同意只预留1.6m的前移量。

经计算后，我们把张紧轮小车停在离前面限位仅有0.6m的位置进行张紧结绳，结完后拆除所有的结绳装置，再把张紧油压升至105bar，测得张紧小车尚有1.75m，法方专家非常满意。

下边是编绳的参数选择和操作过程：

(1)编绳参数选择计算

根据架空索道技术规范规定，我们把有关参数计算值列表如下：

直径为Φ40.5mm钢绳的编结参数表

序号 规范要求 单位 计算值 实取值

1 接绳长度：1200Φ m 48.600 50.000

2 钢芯插入长度：600Φ m 2.43 2.445

3 纤维芯余留长度：30Φ m 1.215 1.225

把需编结的两根钢绳绳头并在一起，量取50米的绳长并去除多余部分。如下图8-2所示：

图8-2 绳头截取示意图

1-钢丝绳(Ⅰ)；2--钢丝绳(Ⅱ)；3-收紧纤绳；4、5-收绳夹板

将上图中钢绳(Ⅰ)和钢丝绳(Ⅱ)的断面表示如下：

图8-3 钢绳（Ⅰ）、（Ⅱ）断面示意图

把原绳头(Ⅰ)、(Ⅱ)分别从两端部各量取25米用记号笔作醒目的记号，再后移0.2米用铅丝将钢索紧紧捆住。然后将原绳头(Ⅰ)的1、3、5三股各回下来25米，原绳头(Ⅱ)的2′、4′、6′三股也同样回下来25米，再将原绳头(Ⅰ)、(Ⅱ)未回下来的绳股在做过记号处(25米处)用型材切割机连同纤维芯一并切除，如图8-4所示：

图8-4 钢绳回绳示意图

将原绳头A、B对齐对紧，如下图8-5所示：

图8-5 钢绳编结缠绕示意图

然后按原绳头绳头（Ⅰ）的1、3、5三股向前缠绕，原绳头（Ⅱ）的1′、3′、5′股后退，原绳头（Ⅱ）的2′、4′、6′绳缠绕，原绳头（Ⅰ）的2、2、6绳股后退的原则进行钢绳的缠绕编结。当然，实际操作是单股单股完成的，并且是边退边进，同时还要用铜锤不断地把编入的绳股敲紧，编到图8-6所示位置为止：

图8-6 钢绳编结位置示意图

图7-6中的所有数据均是利用编结参数推算而来，这里不再细述。从图中可以看出，原绳头(Ⅱ)的6′、2′、4′是顺时针由近到远的编到指定位置的，而从6′股的临股1开始顺时针方向则变成了由远到近再到中，也就是说3股和5股发生过变位，这是本次编绳的关键，经过此一变位处理，整根钢绳6个绳股埋芯处到其相邻的另两个埋芯处的距离之和相等，从而保证所埋芯头间距的均匀合理。其展开情形如图8-7所示:

图8-7 钢绳编结展开示意图

至此，用3米钢卷尺量取未编的绳股长度2.445米做上记号，再将多余的长度用角向磨光机切去，并将弯成螺旋形的绳股细心弄直，然后用已备好的橡皮筋在其上均匀地裹上一层，靠近钢绳处的根部留出30mm的一段不要缠裹，再用夹纤维粘胶带将橡皮筋紧紧裹在绳股上，再次用3米钢卷尺重新量取2.445米的一段并将多余的去除。（由于螺旋形绳股被弄直，肯定又长处一段）。最后涂上一层精炼油。如图8-8所示：

图8-8 钢绳收紧示意图

从上图可以看出，每段绳股的末端之间空有1.225米的距离，这正是我们所要保留的原来的绳芯长度（编绳参数中已指明），因此在以后的操作中我们可以明白：在每6.115米的区间段中，两侧2.445米的长度内是把绳芯去掉，代之以缠有橡皮筋的钢绳股，而中间则保留了1.225米的原来的绳芯。

下一步是如何把绳芯取出，再把绳股塞到钢绳的中心去。

先把插刀插入钢绳，将绳芯用电工刀割断然后用胶把钳将其拉出绳外0.1米左右。

将两把插刀的位置在每隔两股之间交叉插入，然后使插刀沿着绳索中心线按照绳股的捻线方向旋转着向前移动，这时夹在两插刀尖端之间的绳股就会随着插刀进入钢绳的中心。同时把钢绳芯用力拉出，在绳股的末端处将绳芯割断。

上述工作完成后，用插刀将埋头处的两根绳股挑起一点，将60mm，直径15mm两头在砂轮上磨尖且在油锅中加热成透明状的可塑聚丙烯棒放入绳芯中，立即用通孔仅有Φ42mm的专用夹具将此段钢绳紧紧夹住，待聚丙烯材料冷却后用铜锤左右分别敲打夹具，使埋入绳股段的钢绳直径更均匀。

用以上方法连接起来的承载牵引索，很难辨认编结头的所在位置。故一般均要用醒目的油漆打上记号（特别是大接头处）。

经用游标卡尺测量，在绳股塞入处，钢丝绳直径加大6%，而在其他编结部分仅加大2.5%左右。

至此钢丝绳的安装编结工作结束，可以进行牵道的空绳试运转及索轮的调整工作。

9. 钢丝绳的二次编结

前面已经介绍过，本条索道在运行3个月左右将进行二次接绳，事实上是运行了五个月才最终需要接绳的，这时在满负荷运转时张紧小车只有3.6米的前移量，具体做法如图5-21所示（收紧整条钢绳的做法与第一次接绳一样，这里不再重述）

图9-1

图9-2

具体做法是，先找到第一次接绳的记号位置并将其运行到第一次接绳的场地上去，松掉张紧装置的张紧力，用纤绳将钢索收到地面上来（重复第一次接绳的工作）。

把第一次接绳的所有埋芯处找到并重新做上醒目的标记，找到当初原绳头(Ⅰ)的1绳股埋芯端头，把这点作为C点，如图8-2所示，从C点量取8.0米记作D点。把C点与D点用记号笔作上标记并把两点之间的钢绳圈成一个圆，使C、D两点重合且用普通绳卡将其稍稍卡紧（以不出现移动现象为原则）。

将钢绳股1′从绳芯中挑出后退回绕，经过C点沿绳圈不断后退直至D点（后退距离2.445+8.00米），然后紧紧拉住绳股1′直接从D点往C点向前缠绕，（注意：绳股不再经过绳圈）到原来1′绳股所在的标记处，在将长出来的绳股割去，重复第一次接绳的有关操作，完成1′绳股的收紧编结。依次类推完成5′、3′、6′、2′、4′绳股的收紧，最后在C、D两点重合处仅剩下一个没有钢绳股缠绕的聚丙烯纤维芯，用刀子将其割去，完成二次编绳工作。

二次接绳后，经过满负荷试运行。张紧小车尚有3.85米的前移量，也就是还有4.05米的行程作为绳子绳长的调节余量。换言之，钢绳还可以伸长8.1米。

二次接绳后，经过两年多的观察测量，只是在编绳后的三个月内有0.35米的伸长，之后仅天气变化有正常的热胀冷缩现象，绳长几乎没有什么变化。达到了编结目的，完全实现了预期目标。

10.结论和展望

本条索道的施工，我们总结出了一些在国内尚属领先的施工工艺，诸如：

a、大搭接的绳股相间回松工艺；b、绳股埋芯处理工艺；c、二次接绳工艺等。

通过施工实践，我们觉得单线循环旅游客运架空索道钢丝绳的安装施工各个环节是一个紧密结合的有机整体，而以下三点则是整个钢绳安装施工的关键技术：

1、钢丝绳的受力分析及线性计算的正确性：通过建立数学模型并推导出各有关线形计算，准确控制钢丝绳的收紧的受力计算和施放工作。

2、钢丝绳的收紧方法及张紧装置的准确定位：选择合适的钢绳收紧方式，钢丝绳在编结过程中的施工安全得到保证，且根据现场情况合理设置编结施工场地；而张紧装置的定位不准，有时可能造成无效施工，甚至导致整条钢绳的过短报废。

3、钢丝绳的编结：钢丝绳的编结历来是钢丝绳安装施工的最重要环节，若编结参数选择不当，或操作过程有误，轻则影响编结质量，重则导致质量隐患，危及乘客的生命安全。

由于我们重视整个施工的各个环节，采取了有效的质量控制措施，本条索道安装完毕经甲、乙、设计、法国专家四方共同进行了严格的检验后评定为优良工程。至今这条索道运行状态良好。

参考文献：

1、《架空索道工程技术规范》GBJ127-89；

2、《客运架空索道安全规范》GBJ12352-90；

3、《架空索道》曹龙海、全培涛，机械工业出版社1990.10。