一種小型單軌游覽車用抗側(cè)滾裝置

彭軒　楊兆強

摘 要：隨著跨座式單軌游覽車的廣泛使用，部分小型跨座式單軌車體較輕，彈簧偏軟，為保證乘客乘坐舒適，本文基于地鐵使用抗側(cè)滾裝置，并結(jié)合牯牛降單軌游覽列車懸掛結(jié)構(gòu)設(shè)計一款小型單軌游覽車用抗側(cè)滾裝置，計算驗證其抗側(cè)滾效果。

關(guān)鍵詞：小型單軌游覽車 懸掛 抗側(cè)滾

Anti-rolling Device for Small Monorail Tourist Car

Peng Xuan Yang Zhaoqiang

Abstract：With the widespread use of straddle-type monorails， some small straddle-type monorails have lighter bodies and soft springs. In order to ensure the comfort of passengers， this article， based on the use of anti-rolling devices in the subway and combined with the Guniujiang monorail tour， designed an anti-rolling device for a small monorail tourist car for the train suspension structure， whose anti-rolling effect was verified by calculation.

Key words：small monorail tourist car， suspension， anti-rolling

1 前言

跨座式單軌游覽列車采用橡膠行走輪，具有噪聲低，爬坡能力強、環(huán)境友好等特點[1]，近年來，在景區(qū)、游樂園等地得到廣泛應(yīng)用;但由于某些地區(qū)受到環(huán)境、運營方式的限制，需求小型單軌游覽車。

小型單軌游覽車普遍存在線路運行條件較差，轉(zhuǎn)彎半徑較小等情況，為追求乘客乘坐舒適度，該類游覽車往往設(shè)置較軟懸掛彈簧;但較軟懸掛彈簧在減小車輛振動，提高車輛行進過程乘客舒適度的同時，導(dǎo)致車輛抗側(cè)滾性能較差，乘客上下車、車輛過彎等工況易產(chǎn)生左右搖擺，導(dǎo)致乘客產(chǎn)生不適感。本文以牯牛降單軌游覽列車為研究對象，將抗側(cè)滾裝置應(yīng)用于游覽列車上，并計算驗證其抗側(cè)滾效果。

2 抗側(cè)滾裝置結(jié)構(gòu)原理

如圖1所示，抗側(cè)滾裝置由連桿、扭桿和扭轉(zhuǎn)臂等組成。扭桿通過固定在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的支撐座與構(gòu)架相連，連桿與固定在車體上的連接座相連。

由圖1可知，車輛發(fā)生側(cè)滾時，車廂兩側(cè)位移量不同，導(dǎo)致懸掛彈簧壓縮形成高度差，連桿與連桿之間形成相對位移，從而扭桿受到一個相互反向的力矩作用，使之產(chǎn)生彈性形變，從而使扭桿起到扭桿彈簧的作用，釋放反力矩，起到抗側(cè)滾的作用。該抗側(cè)滾裝置作用方式既增強懸掛系統(tǒng)的抗側(cè)滾能力，又不影響懸掛系統(tǒng)中原彈簧的柔軟性[2]。

3 抗側(cè)滾裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖2、圖3所示，抗側(cè)滾裝置按照扭桿組件安裝位置，一般呈兩種不同形式。圖2所示結(jié)構(gòu)較為簡單，安裝方便，但要求轉(zhuǎn)向架與車廂底架有足夠空間;圖3所示，將抗側(cè)滾裝置扭桿埋入構(gòu)架內(nèi)，可節(jié)省安裝空間，但制造安裝較為困難[3]。

因為轉(zhuǎn)向架的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計已完成，而且空間足夠，所以該車輛采用圖2所示結(jié)構(gòu)一的抗側(cè)滾裝置。該裝置主要由扭力桿、撐桿、搖臂組成。如圖4、圖5所示，圖4為該裝置組裝二維圖，圖5為模型的proe建模。

該抗側(cè)滾裝置的設(shè)計特點：兩個扭臂分別位于扭桿兩端部，兩尼龍?zhí)淄ㄟ^安裝板固定在車廂底架上，主要起支點作用，扭臂和拉壓桿通過球關(guān)節(jié)連接，可滿足車輛沉浮和橫擺運動產(chǎn)生的各向運動。

其中，扭桿是整個抗側(cè)滾裝置的核心部件，也是主要的承載部件，其性能直接決定抗側(cè)滾裝置的抗側(cè)滾性能，因此扭桿的強度計算校核對于抗側(cè)滾裝置的設(shè)計至關(guān)重要。

4 關(guān)于裝置設(shè)計計算

4.1 工況載荷分析

抗側(cè)滾裝置主要在車體發(fā)生側(cè)向傾斜時承受載荷，其載荷大小由車體本身的重心偏移以及外界作用于車體上的側(cè)向力決定。其計算載荷工況主要計算兩種較為常見的惡劣工況：一是車輛滿載正常運行過最小轉(zhuǎn)彎半徑所承受的載荷，主要用來校驗抗側(cè)滾扭桿的疲勞強度。二是偏載工況，車輛?？繒r，乘客從車門部位上車導(dǎo)致的偏載，主要是用來校驗抗側(cè)滾扭桿的靜強度。

車廂重量M1=451kg;單節(jié)車廂滿載為M2=6×70kg（6人，單人重量70kg）;車輛運行速度為v=10km/h;最小轉(zhuǎn)彎半徑為r=12m;車輛重心離支點的距離為L1=900mm;懸掛彈簧之間距離為L2=1060mm。

（1）未增加抗側(cè)滾裝置的一種工況計算

為了更好的對比分析抗側(cè)滾裝置的效果，本文首先對未增加抗側(cè)滾裝置的牯牛降小火車滿載運行過最小轉(zhuǎn)彎半徑的工況進行分析。

車廂乘客總重m=M1+M2=871kg，運行速度v=10km/h=2.8m/s，轉(zhuǎn)彎半徑r=12m;得到車輛所受離心力：

F離心==569N? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

由于離心力離支點的距離為L1=900mm，車輛所受離心力力矩為：

M離心=F離心L1=512000N.mm? ? ? ?（2）

懸掛彈簧之間距離為L2=1060mm;得到車廂傾覆時力矩的平衡方程：

L2F彈=M離心=512000（N.mm）? ? ? ?（3）

式中：F彈——傾覆時彈簧提供的拉力

已知彈簧剛度為28.8N/mm，彈簧數(shù)量為2，可知彈簧位移量z1為：

Z1==8.4（mm）? ? ? ? ? ? ? （4）

車體傾斜角度為：φ=0.45°

（2）增加抗側(cè)滾裝置滿載正常運行過最小轉(zhuǎn)彎半徑工況

懸掛彈簧之間的距離分別為L2=1060mm;抗側(cè)滾裝置拉桿之間的距離分別為L3=830mm;得到車廂傾覆時力矩的平衡方程：

L2F彈+L3F拉=M離心=512000（N.mm） （5）

式中：F彈——傾覆時彈簧提供的支撐力減小量

F拉——傾覆時扭桿提供的拉力

已知彈簧剛度為28.8N/mm，可知彈簧位移量z1為：

z1=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

由扭桿彈簧剛度的計算公式P=

得到P=116.5N/mm;由于傾覆所轉(zhuǎn)動的圓心角非常小，可將拉桿位移看作直線

F拉=Pz2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

式中：z2為拉桿位移量

拉桿受力點傾覆圓心距為945mm，彈簧受力點傾覆圓心距為1060mm，得到方程

z2=z1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

聯(lián)立方程5、6、7、8，可計算得出z1=3.4mm，z2=3.1mm，F(xiàn)拉=364N;

車體傾斜角度為：φ=0.18°

（3）增加抗側(cè)滾裝置的偏載工況

車輛?？繒r，乘客從車門部位上車導(dǎo)致的偏載，一般情況下，乘客上車偏載的最大工況為：車輛一側(cè)坐兩位乘客，第三位乘客從這一側(cè)上車;可大致看為車廂一側(cè)載有三名乘客。

三位乘客總重M3=3×70kg=210kg，車門位置離彈簧的水平距離為L4=280mm，得到偏載造成力矩為：

M偏載=M3gL4=588000（N.mm）? ? ? （9）

得到車廂傾覆時力矩的平衡方程

L2F彈+L3F拉=M偏載=588000（N.mm）? （10）

按工況2同樣方式計算，聯(lián)立方程6、7、8、10，將z2和F彈看作未知量，可計算得出z1=4.6mm，z2=4.2mm，F(xiàn)拉=488N;

車體傾斜角度為：φ=0.26°

4.2 結(jié)果分析

對比分析3.1中三種工況的計算結(jié)果，對車輛施加同一傾覆力，未增加抗側(cè)滾裝置的車輛車體傾斜角度為：φ=0.45°，而增加抗側(cè)滾裝置之后，車體傾斜角度降低為：φ=0.18°，傾斜角度降低了60%;偏載工況傾斜角度φ=0.26°，也在可接受范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

本文主要以牯牛降小火車抗側(cè)滾裝置為例，進行的抗側(cè)滾裝置的設(shè)計計算分析，經(jīng)過計算得出，在增加抗側(cè)滾裝置前后，車輛抗側(cè)翻性能的改善，同一個傾覆力情況下，傾斜角度降低了60%。隨著單軌觀光游覽車車速逐漸增加，離心力產(chǎn)生的力矩也會隨車速的提升，逐漸增大，所以抗側(cè)滾裝置的應(yīng)用也顯得尤為必要。

參考文獻：

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[2]嚴(yán)雋耄.傅茂海等.車輛工程[M].北京：中國鐵道出版社，2017：71-72.

[3]李小燕等.安卡拉項目抗側(cè)滾裝置的選型設(shè)計及有限元計算[J].技術(shù)與市場，2014，21（4）：6-7.