貨運索道自動化路徑選擇及結構設計研究

劉 晨，秦 劍，張飛凱，李其瑩

（1.中國電力科學研究院有限公司，北京 100055；2.國網山東省電力公司，山東 濟南 250001）

1 引言

架空輸電線路施工專用貨運索道（以下簡稱貨運索道）具有結構簡單、操作簡便、地形適應能力強、運輸工效高、受外部環境影響小等優點，對自然環境破壞小，是山區機械化物料運輸施工的重要裝備［1-2］。

傳統索道路徑規劃工作主要包括圖上選線、收集資料、現場初勘、規劃方案、終勘選線、方案審核等。索道路徑規劃工作主要由人工采用現場勘測方式進行，由于輸電線路沿線覆蓋面積大，存在路徑規劃周期長、人工成本高等缺點。索道路徑規劃需充分考慮地理信息對山區物料運輸的科學性和經濟性的影響，涉及多目標決策問題［3-7］，對施工技術人員技術能力要求高，實現難度大。另外，貨運索道部件受力復雜，而且各部件受力存在聯動性，受地形參數影響極大。目前施工單位對部件的選型計算也多依靠簡化算法，忽略了運行過程中產生的部件受力狀態變化，導致支架、鞍座等關鍵部件的選型不合理［8-10］。

因此為提高索道架設質量，保證工期進度，實現索道架設投資可控，減少對環境的影響，利用地理信息系統（Geographic Infor‐mation System，簡稱GIS），提出可自動適應地形的貨運索道中間支架自動選取方法，實現貨運索道規劃路徑選取，結合輸電線路貨運索道結構設計計算方法，實現標準化部件選型，進一步減輕索道設計難度，提高索道運輸的經濟效益和社會效益。

2 輸電線路貨運索道

貨運索道由工作索系統、支架系統、運行小車系統、驅動系統、地錨系統等多個系統組成。工作索系統由鋼絲繩實現各功能，主要包括承載索、返空索、牽引索。承載索主要承擔物料的重力，牽引索拖拽運行小車行進，返空索與牽引索配合實現運行小車的循環運動。支架系統通過支架使工作索脫離地面、保證運行小車安全通過、分擔工作索壓力。支架系統由支腿、橫梁、鞍座、轉向滑車等組成。貨運索道主要部件，如圖1所示。

圖1 貨運索道主要部件Fig.1 Main Components of Material Ropeway

輸電線路中貨運索道主要采取循環式單跨或多跨架設方式，如圖2所示。根據承載索數量，可分為單索、雙索、四索貨運索道等類型。

圖2 3檔貨運索道Fig.2 Material Ropeway with 3 Span

3 基于GIS平臺的索道路徑選擇

3.1 GIS平臺

依托于GIS平臺，通過高清晰航攝影像數據，利用GPS測量及圖解空三方式構建立體模型，集成輸電線路設計信息、DEM、道路、坡度、外業調繪等信息，使技術人員在逼真的立體環境下以最直觀的方式綜合考慮道路、裝貨點、卸貨點、索道架設條件等多方面的因素，完成索道架設方案的規劃選擇，GIS平臺，如圖3所示。

圖3 GIS平臺Fig.3 GIS Platform

如圖4所示，通過觀察桿塔附近地形，在GIS平臺中可獲得適宜的裝貨點和卸貨點，并取得地形平斷面信息，為索道路徑選擇提供地理信息數據。

圖4 索道裝貨點、卸貨點二維地形平斷面Fig.4 Two-Dimensional Terrain Profile of the Loading and Unloading Points of the Material Ropeway

3.2 架設點選取

路徑選擇方法中的關鍵環節為貨運索道中間支架位置的選取，需要在地形平斷面曲線上獲得可滿足索道架設、運輸要求的支架，保證貨物順暢通過各個支架而不與地面發生接觸。

在此，提出了一種貨運索道中間支架自動選取方法，可自動適應各種地形變化。

首先分別以裝貨點和卸貨點正上方的某位置作為索道承載索的起始端和末端，建立承載索構型，此時承載索構型與二維地形平斷面曲線無干涉點（承載索構型高于地形平斷面曲線且兩者間最小距離大于1m）；然后通過向下移動承載索構型起始端和末端來控制單跨索道的承載索構型向二維地形平斷面曲線靠近；在此過程中，每當承載索構型與地形平斷面曲線產生干涉時，在干涉點處增設一個中間支架，該支架可幫助索道承載索構型適應地形平斷面曲線，阻止承載索構型與地形平斷面曲線發生干涉；當承載索構型起始端和末端分別與裝貨點和卸貨點重合時，即可完成中間支架的搜索。貨運索道中間支架自動選取過程，如圖5所示。

圖5 貨運索道中間支架自動選取過程Fig.5 Automatic Selection Process of Intermediate Trestle of Material Ropeway

（1）將裝貨點和卸貨點分別記為點a和點d，分別以點a和點d為起始端和末端建立索道承載索構型；如果該承載索構型與地形平斷面曲線不干涉，那該索道僅需在起始端和末端位置架設支架，無需額外架設中間支架；如果干涉，控制點a和點d同步上移，直至承載索構型與地形平斷面曲線有且僅有一個干涉點。

（2）將該干涉點記為點b和點c，同時在此處設置中間支架，原承載索構型ad被該支架分割為兩條新的承載索構型ab和cd。以微小的步長同步向下移動點a和點d，分別判斷承載索構型ab和cd與地形是否干涉，依次找到它們的干涉位置1和2。

（3）依次將干涉位置1和干涉位置2重新記為點b和c，重復步驟（2），直至點a和點d與裝貨點和卸貨點重合，可獲取所有中間支架的位置。

索道支架間承載索可采用拋物線近似，可表示為：

式中：Z0—承載索構型上的點與曲線起始端的相對高度；X0—承載索構型上的點與曲線起始端的相對水平距離；l—承載索構型末端和起始端的相對水平距離；C—承載索構型的末端與起始端的相對高度；f—承載索構型的檔中撓度，其取值范圍為（0.05l～0.08l）?？紤]承載索載重，取f=0.065l。

該方法以三維地理信息數據為基礎，實現了貨運索道支架架設點的自動選擇，且架設位置可滿足貨物通行要求。

3.3 索道路徑確定

索道路徑主要依據架設費用確定。對于有不同裝貨點、卸貨點形成的架設點方案，需開展多方案選比，分別通過索道支架規格型號及使用數量確定索道結構費用，通過GIS平臺數據統計獲得架設點處的土石方開挖量確定索道架設施工費用。根據各方案的經濟性，最終確定索道路徑選擇結果。根據路徑選擇結果，結合索道周邊地物及標繪情況，在GIS平臺上確定索道各支架位置，完成索道路徑在GIS平臺上構建，如圖6所示。

圖6 索道路徑選擇功能界面Fig.6 Interface of Path Selection Function of Material Ropeway

4 貨運索道結構設計計算方法

在貨運索道結構設計計算中，需建立包含承載索和牽引索、承載索和載荷間結構連接的理論分析模型［11］。下面以多跨循環式索道為例進行說明。

4.1 索道基本設定

結合貨運索道施工運輸特點，對承載索、牽引索、鞍座、運行小車的結構進行如下設定：

（1）索道施工運輸過程承載索和運行小車間保持接觸狀態。

（2）承載索與牽引索應力應變滿足線彈性關系。

（3）承載索與牽引索被鞍座、載荷等分割為僅受重力作用的懸鏈線索段。

4.2 索道結構守恒

貨運索道施工運輸過程中，涉及與工作索結構相關參數無變化，建立如下方程：

（1）各跨高差和跨距守恒，即跨內承載索、牽引索各索段的高差、跨距之和與每跨兩端支架的高差、跨距相等。

（2）各索段內的跨距及高差守恒。

（3）承載索長度守恒，即承載索的原始總長度始終保持不變。

（4）牽引索長度守恒。運輸物料通過與牽引索連接實現牽引，牽引索段原始長度始終相同，如圖7所示。

圖7 載荷間牽引索Fig.7 Pulling Rope Between Loads

4.3 工作索張力平衡

4.3.1 承載索與運行小車

運行小車滾輪對承載索無軸向作用力，僅產生橫向壓力，故承載索在載荷兩側的切向張力相等。

4.3.2 承載索與鞍座

承載索可在鞍座上前后滑動或固定不動，鞍座兩側承載索切向張力差等于鞍座對承載索的摩擦力?？梢越白鶅蓚瘸休d索張力差與摩擦力的平衡方程，如圖8～圖9所示。

圖8 承載索與鞍座摩擦示意Fig.8 Friction Between Carrying Rope and Saddle

圖9 承載索在鞍座上的摩擦力分析Fig.9 Friction Analysis of Carrying Rope on Saddle

當TBi-TAi+1＞0時，摩擦力方向為x正方向，當TBi-TAi+1＜0時，摩擦力為x負方向。因此，摩擦力可表示為：

式中：TBi—鞍座前承載索張力；TAi+1—鞍座后承載索張力；μ—摩擦系數；Np—鞍座所受載荷，等于平均切向張力和包角的乘積，即：

而包角θ為承載索與鞍座的接觸段弧度：

式中：VBi—TBi在水平方向上的分力；Hi—TBi在垂直方向上的分力；VAi+1—TAi+1在水平方向上的分力；Hi+1—TAi+1在垂直方向上的分力。

4.3.3 牽引索張力平衡

牽引索在支架上的滾輪上竄動，忽略滾動摩擦力，認為支架前與支架后牽引索的切向張力相等。

4.4 結構耦合關聯

運行小車與承載索、牽引索、載荷相連，而且會通過支架鞍座，是貨運索道結構發生聯動的核心部件，索道結構的耦合主要通過運行小車的力學平衡體現。

運行小車受承載索切向張力、兩側牽引索切向張力、載荷共同作用，如圖10～圖11所示。

圖10 工作索與運行小車耦合關系Fig.10 Coupling Relation Between Working Rope and Running Car

圖11 運行小車受力分析Fig.11 Force Analysis of Running Car

將各切向張力在水平方向及垂直方向進行分解，建立運行小車的力平衡方程如下：

式中：各變量中上標l—承載索；上標t—牽引索。

4.5 非線性計算方法

建立非線性方程組，計算方法見參考文獻［11］，通過求解該方程組，可計算索道設計部件選型數據。

通過將計算結果與工程試驗中的實測數據對比表明，計算結果吻合良好，最大張力誤差不超過2.5%，完全滿足工程設計、分析需要，可有效解決貨運索道的計算問題。

5 貨運索道部件選型方法

結合貨運索道結構設計計算方法獲得索道運行過程中各部件最大載荷，在有限元軟件中建立標準化部件模型，進行仿真計算得到部件極限載荷［12］，根據以下公式，判斷是否滿足安全性能要求，可以實現貨運索道各部件選型。

式中：σlim—索道部件極限應力；σmax—索道運行過程中部件最大應力；n—索道部件安全系數。

貨運索道部件主要包括橫梁、支腿、鞍座、運行小車、轉向滑車。

5.1 部件受力分析

5.1.1 橫梁

橫梁結構形式有雙工字鋼、單工字鋼、方鋼管、H型鋼等。貨運索道施工運行過程中，橫梁承受承載索下壓力Fc、返空索下壓力Fr，載荷位置分別位于1/3、2/3橫梁長度處，橫梁受力示意圖，如圖12所示。

圖12 橫梁受力示意圖Fig.12 Schematic Diagram of Force Analysis of Crossbeam

圖13 支腿受力示意圖Fig.13 Schematic Diagram of Force Analysis of Leg

5.1.2 支腿

支腿主要承受工作索對支腿的水平作用力和垂直作用力，以三支腿支架為例進行載荷分析，水平作用力Fh根據實際高差、跨距確定，垂直作用力為1/2（Fc+F）r，支腿受力示意圖，如圖12所示。

5.1.3 鞍座

鞍座結構形式有單索鞍座、雙索鞍座、四索鞍座。實際使用中，由于鞍座支撐承載索的托索板可以繞軸轉動，其承載力主要沿鞍座支架方向，水平力較小。鞍座承受承載索下壓力Fc、牽引索下壓力Fp，鞍座受力示意圖，如圖14所示。

圖14 鞍座受力示意圖Fig.14 Schematic Diagram of Force Analysis of Saddle

5.1.4 運行小車

運行小車結構形式有單索運行小車（單輪、雙輪）、雙索運行小車、四索運行小車。運行小車主要承受運輸物料載重，以雙索運行小車運行為例，在滑輪處設置邊界條件，在抱索器施加牽引索載荷Fp，在吊鉤處施加物料載重Fg，運行小車受力示意圖，如圖15所示。

圖15 運行小車受力示意圖Fig.15 Schematic Diagram of Force Analysis of Running Car

圖16 轉向滑車受力示意圖Fig.16 Schematic Diagram of Force Analysis of Steering Pulley

5.1.5 轉向滑車

轉向滑車作為牽引索轉角的導向裝置，要求牽引索在滑輪上的包絡角不得大于90°。轉向滑車主要承受牽引索張力Ft，當包絡角為90°時，轉向滑車所受的承載力最大，受力示意圖，如圖19所示。

5.2 部件三維可視化展示

GIS平臺采用3Dmax軟件進行三維建模，通過LOD（Levels of Detail）技術完成在GIS平臺上的三維可視化展示。根據部件選型結果，在GIS平臺上完成索道部件模型的自動栽種，實現索道在三維場景中的可視化三維模擬，如圖17所示。

圖17 索道可視化三維模擬功能界面Fig.17 Interface of Visual 3D Simulation Function of Material Ropeway

6 索道工程設計案例

以某輸電線路工程施工現場為例，根據現場實際地理信息數據，結合GIS 平臺開展索道路徑選取，對索道路徑長度、支架數量、部件選型等進行索道設計，獲得索道設計施工方案。

《架空輸電線路施工專用貨運索道施工工藝導則》（Q/GDW 1418—2014）4.2條規定了不同等級索道最大長度、最大跨距及最大弦傾角，依據標準對貨運索道路徑進行設計，索道架設設計原則，如表1所示。

表1 索道架設設計原則Tab.1 Design Principles of Erection of Material Ropeway

根據施工需求，索道設計方案為：索道單件最大運載量為2t，索道形式為雙索循環式索道。

根據GIS平臺的塔位信息確定滿足標準要求的索道跨距、高差，如表2所示。索道路徑及支架坐標，如圖18所示。根據參數比選，在該路徑下，支架數量少、土石方開挖量小，符合工程設計要求。

表2 索道架設參數Tab.2 Erection Parameters of Material Ropeway

圖18 索道路徑選擇界面Fig.18 Interface of Path Selection of Material Ropeway

根據索道結構設計計算方法得到索道索形計算結果，如圖19所示。部件選型結果，如表3所示。部件安全系數均滿足標準要求。

表3 索道部件選型結果Tab.3 Component Selection Results of Material Ropeway

7 結論

基于GIS平臺，提出可自動適應地形的貨運索道中間支架自動選取方法，實現可視化路徑選擇，結合貨運索道結構設計計算方法，實現標準化部件選型，主要結論如下：（1）基于GIS平臺，整合線路專題信息，通過觀察桿塔附近地形，選取適宜的裝貨點和卸貨點。提出可自動適應地形的貨運索道中間支架自動選取方法，確定了索道支架位置，并結合GIS 平臺，完成了索道路徑選擇，大大減少了現場勘查、測量工作量。（2）貨運索道結構設計計算方法精確高效，實現了承載索與牽引索、承載索與載荷等多重耦合的分析計算，為索道部件選型提供更準確的參考數據。（3）根據索道結構設計計算結果，確定貨運索道運行過程中各部件最大應力，獲得部件安全系數，完成部件選型，基于GIS平臺實現索道在三維場景中的可視化三維模擬。（4）根據工程實際地形，結合GIS平臺實現了索道路徑選取及結構設計，數據滿足工程使用需求。

提出的方法解決了多跨索道路徑選擇的難題，實現了標準化索道設計，路徑選擇及部件選型結果可在GIS平臺上實現三維模擬，便于架設布置分析、地面干涉判斷，提高了貨運索道設計效率，為山區復雜地形下貨運索道施工提供技術指導。