不断创新，提升核心竞争力—超长距离大跨距脱挂

供稿/何 硕 采编/马 晨

作为现代旅游业和滑雪运动基础装备的客运索道,已纳入国家鼓励类产业目录，目前进入建设快速增长期。截止目前，北京起重运输机械设计研究院有限公司(以下简称北起院)已经建成验收了118 条脱挂索道。

我国现有客运索道中绝大部分为线路长度3 000 m 以内，最大跨距400 m 以下，具有线路简单，地形适应性差，只能点对点输送游客的局限性。随着近年来各大景区、滑雪场等对环保要求的提高，由于修建景区内部公路对环境破坏较大，环境污染较大，索道需求呈现出超长距离（景区大门或市区乘索道直达各个景点），超大跨距（支架少，跨越沟壑，跨越保护区），多站点乘降的特点，因此迫切需求一种“超长距离（可达8 km 甚至更长），大跨距（可达800 m），带有中间转角站”的客运脱挂索道。但是这种较大型的客运脱挂索道，一直被奥地利Doppelmayr、法国POMA 两家公司垄断，产品完全依赖进口。

北起院为了积极响应全面推进装备国产化的国家战略，急需开发具有自主知识产权的超长距离大跨距脱挂式客运索道，满足游客空中长距离乘坐，多站点乘降的要求。开发该类型索道存在着线路总体设计计算方法（定索长）难以突破、中间转角站切换系统复杂、基础支架设计工作量大设计周期长三大难题。北起院围绕三大难题，攻克了超长距离大跨距脱挂式客运索道关键技术，成功研发并推广应用了十余个该类索道项目，形成了自主设计制造能力，实现了产业化。

基于定索长理论的单线循环脱挂式索道的总体计算方法

传统的单线循环脱挂式索道的总体计算方法是基于定张力理论，即在索道的一端设置油缸或者重锤张紧小车装置来提供索道张紧端的恒定张力，线路上负载工况的变化会使得张紧小车前后移动。国内外的脱挂索道产品，张紧行程基本都在7 m 左右。随着超长距离大跨距脱挂索道的逐渐增加，对张紧行程的要求不断提高。在有限的设备行程内，传统索道设计方案无法达到《客运架空索道安全规范（GB12352—2018）》要求。

定索长理论可以成功解决大张紧行程的脱挂索道张紧装置不能满足安全规范要求的难题。定索长理论，即在索道的某一工况（一般为空绳工况）设定张紧端初张力，油缸锁定，保持小车位置不动。张紧装置随着各工况负载的变化，张紧力也同时发生变化。定索长理论的特点即张紧装置的位置在运行时保持不变，只需考虑温度变化和钢丝绳永久伸长对行程的影响，这样就使得超长距离大跨距脱挂索道的建设在保持原有站房长度不变的情况下成为可能，是超长距离大跨距脱挂式索道方案设计阶段的关键技术。

索道总体计算程序是索道设计的最根本依据，其模型的准确性，算法的科学性，以及对索道线路的适应范围都是考察总体计算程序优劣的重要指标。国外索道公司将总体计算程序视为索道技术核心中的核心，完全不对外开放。很多超长距离大跨距脱挂索道就是因为国内不具有定索长理论计算程序，只能选用国外设备，如张家界天门山索道，全线长7.5 km，为法国POMA公司设备。

基于定索长理论的单线循环脱挂式索道的总体计算方法可用于计算单线连续循环式脱挂索道的线路工艺参数。其数学模型是根据车辆在线路上的实际布置，按集中载荷计算的，它考虑了比传统计算法更多的影响因素，并统一在计算式中。

北起院开发了基于定索长理论的单线循环脱挂式索道的总体计算程序，该程序在基于张紧行程为0的条件下，计算脱挂索道各受力、几何的参数。主要实现的功能如下：

1) 计算运载索最大、最小的拉力，验算运载索的安全系数是否符合要求。

2) 计算运载索在支架上的最小折角，用以检验运载索支架上的靠贴情况。

3) 计算运载工具紧靠支架时运载索的最大倾角和最小倾角，用以检查运载工具的爬坡角是否在允许范围内并求出支架上的垂直、水平载荷，以便进行支架的强度设计。

4) 计算运载索在支架上的最大折角，用以检验是否超出托索轮的许用范围和各支架上的承受力是否均匀。

5) 计算各跨间的垂度，用以检验索道线路下方的安全距离是否符合要求。

6) 计算出各种情况下的受力状况、运行功率、防滑系数等。

可切换中间站系统

超长距离大跨距脱挂式索道往往需要设置中间站，一方面提供落客点，另一方面实现索道线路方向调整。传统的中间站系统虽然由两条索道组成，但是不具备切换功能，即两条索道只能整体运行，无法分段独立运行。一旦一条索道发生故障，索道需要全线停运以开展线路救援，压力巨大；同时导致索道运营不具备灵活性。可切换中间站系统关键技术的研发及应用，实现了两条索道的整体、独立运行，当其中一条索道发生故障时，另一条可正常运行，将乘客运回站内，大大降低了救援和运营压力。同时可切换中间站系统满足了用户的定制化需求，用户可根据需要随时选择两条索道分段独立运行或整体运行。

可切换中间站系统的主要研发内容包括可切换的加减速推车系统、可切换的轨道系统、可切换的地面导向及升降平台系统，以及“一键切换”自动控制系统等四个方面。

图1 可切换中间站布置

北起院围绕“可独立/整体运行的中间站系统”的功能要求，首先针对可切换功能开发了可切换的推车系统、可切换的轨道系统、可切换的地面导向系统（图3，可切换中间站实景）。每一个切换装置都需要精确定位，因此开发了升降机构精确定位装置和轨道精确定位装置，以保证系统的正常运行。开发了独立推车装置为切换部分的轮胎提供单独的动力源以实现“独立/整体运行”的切换功能。在系统冗余方面，开发了应急推车装置，在独立推车装置发生故障时，可将切换部分的轮胎和直段轮胎连接，从而保证索道的正常运行。

图2 可切换中间站装配图

图3 可切换中间站实景

图4 可切换中间站监控系统

针对可切换中间站技术，研发了以下6 项关键技术和关键装置。

1）可切换中间站总体布置方法

可切换中间站系统，可以根据需要，将索道切换为整体运行或者独立运行。根据索道线路的特点，每一个中间站的角度都是不同的。这就需要在任意角度的中间站运用“可切换中间站技术”，同时还要考虑站房建设规模，和站房分流区域规划等因素影响，合理布置中间站。

2）支撑梁切换装置和销轴定位装置

为适应两条索道既能独立运行又能整体运行的工况，北起院研发了可切换的直线段和弯段翻转机构。国外同类产品的方案一般为直线段和弯段分别设置了不同的连接点，每次切换均要对定位精度进行调整，且由于空间狭小，整体结构比较复杂。北起院开发了插销共用技术，整体运行和独立运行的定位通过同一个装置实现，简化了设备布置，实现了准确快速切换。销轴定位装置通过加工精度控制，实现了准确定位。

3）加减速抬升装置的优化设计

可独立、整体运行的中间站系统站内设置有可切换的直线段和弯段，在切换过程中，需要将直线段或弯段轮胎梁抬起或放下。现有轮胎梁提升机构的结构一般都比较复杂，需要额外增加直线段或弯段轮胎梁可绕旋转的结构，这种结构一方面不够紧凑，占用空间大，另一方面由于旋转结构偏心严重，恶化了旋转轴的受力。将皮带轮组支座分割为旋转支座和固定支座，使轮胎梁可绕固定支座旋转，无需增加其他结构。整个装置结构紧凑，旋转中心偏心较小，整体受力情况较好。

4）推杆电机防堵转装置

该装置用于可切换的中间站系统中直线段翻转机构的提升机构，以防止其推杆电机发生堵转。通常情况下，当推杆到达指定位置，与作用面接触后，推杆运动受阻，由于电机的延时操作，在此期间电机容易发生堵转，甚至导致电机烧坏。北起院研发的推杆电机防堵转装置在电机有延时操作的情况下，保证翻转机构与作用面接触。电机和推杆由铰制孔螺栓带动在长孔内运动，从而保证电机不会发生堵转。

5）应急皮带装置

可切换的中间站系统站内直线段和弯段与加减速段是分开的，需要独立的电机驱动。一旦电机出现故障，直线段和弯段上的轮胎会停止转动，导致索道停运。北起院开发了应急皮带装置，备用皮带通过张紧装置连接皮带轮，从而避免由电机故障引起的索道停运。

6）自动控制系统

“可独立/整体运行中间站”的自动控制系统采用模块化设计方案，通过以太网通讯，将12 个节点连接在一起协同工作。针对兼顾正常使用和方便维护的特殊要求，开发了友好的人机界面，操作人员既可以“一键切换”，也可以单独控制某一执行机构；人机界面可通过无线扩展到平板电脑，由操作人员携带在切换机构附近使用，极大提高了操作的便利性和安全性。每个切换机构均独立控制，“一键切换”既可4 个切换点同时进行，也可顺序执行。切换装置通过变频调速的方式，实时跟随索道运行速度，保证任意速度下索道运行的同步；并实时监测索道的运行状态，以确保在安全的前提下，切换装置才能启动运行。此外，针对索道发车和收车工况的特殊性，设计了整套的解决不同收发车模式的方案。

土建结构标准化设计软件

索道基础和支架由于索道类型、高度、角度、荷载、地形地质等条件具有随机性，土建基础及钢结构设计工作不能直接套用已有图纸，对于每个工程项目必须重新单独设计绘图，因此设计工作量较大。特别是对于超长距离大跨距脱挂式客运索道，土建结构的设计工作量非常巨大，有的项目甚至超过六十个基础和支架。传统的索道土建基础及钢结构设计工作由专业的工程设计人员人工完成，设计周期较长，占用大量的人力资源仍难以保证索道建设工期；同时，设计及绘图缺乏统一标准，极易出错，图纸质量也有待提高。

北起院自主研发了土建结构标准化设计软件，该软件通过读取索道支架及基础结构计算数据( 由前序索道支架及基础计算程序生成) 和其它必要数据，模拟人工设计土建基础及钢结构的全过程，对上述数据进行分析和进一步计算选型，确定索道基础和支架各部件的具体规格和详细尺寸，自动完成详细图纸设计，利用软件后台操控CAD 软件自动绘制索道土建基础及钢结构支架所有标准化图纸，从而实现计算机替代人工进行索道土建结构常规设计工作。该软件的应用，实现“一分钟”即可完成超长距离大跨距脱挂式客运索道全部基础和支架的设计出图工作，大大提高了基础支架的设计效率和图纸质量，有效缩短了设计周期。

基础的标准化设计程序可“一键”自动完成索道的基础总图、线路独立基础、线路桁架基础、站内基础、线路基础预埋件、站内基础预埋件、地锚基础、标准件明细表、图样目录等图纸。

支架钢结构的标准化设计程序可“一键”自动完成塔柱支架总图、塔柱部件图、桁架支架总图、桁架部件图、横担部件图、走台部件图、支架梯子部件图、走台斜拉杆、防坠落装置、通信线缆固定件、起吊架图、标准件明细表、图样目录等图纸。

针对线路总体设计计算方法的难题，北起院在国内首次提出基于定索长理论的脱挂索道总体计算方法，打破了原有基于定张力的总体计算思路，另辟蹊径，解决了长距离脱挂索道在原有定张力总体设计思路下的大张紧行程问题，将张紧行程几乎缩小为0。解决了定索长总体计算中的几何和力学模型算法问题，开发了该索道总体计算程序，该总体设计方法不但使得超长距离大跨距脱挂式客运索道的建设成为了可能，而且还充分利用了钢丝绳张力随载荷增加而增加的特点，降低了索道等效功率、总体张力、沿线支架载荷，节省了支架和托压索轮，降低了索道使用企业的电能消耗，符合国家节能减排的可持续发展战略，符合节能设计的理念，实现了节能节材。

针对中间转角站“独立/整体运行”切换的难题，北起院开发了可切换的推车系统、轨道系统、地面导向系统；开发了升降机构和轨道的精确定位装置；开发了同步独立推车装置。实现了“独立/整体运行”的全自动一键切换功能，从而两段或多段索道即可以分段独立运行也可以多段联合运行，提高了索道的运行安全性和运营区段的灵活性，同时增加了索道站址选择的灵活性（可以避开保护区）。

针对基础支架设计工作量大设计周期长的难题，北起院基于对索道基础和支架设计中的固有设计规律进行了总结和归纳，自主开发了CAD 自动绘图软件，实现了一个索道基础和支架图纸在几分钟内即可出图完毕，大大节省了人力和时间成本，缩短了大型脱挂索道的设计和建设周期。

截止目前，北起院已在福建龙岩梅花山索道、新疆可可托海滑雪场索道、新疆吉克普林滑雪场索道等十几个项目中成功应用了超长距离大跨距脱挂索道技术，经国家客运架空索道安全监督检验中心检验，指标符合国家等相关标准，实现了工业化应用和规模化生产，社会效益和经济效益显著。经中国机械工业联合会专家组鉴定，该科技成果具有完全自主知识产权，填补了国内空白，总体技术达到国际先进水平。