具有雙重減振功能的新型客運纜車的研制

劉　敏　徐小溪　邵　揚

1　武漢理工大學物流工學院　2　武漢市特種設備監督檢驗所

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具有雙重減振功能的新型客運纜車的研制

劉敏1徐小溪1邵揚2

1武漢理工大學物流工學院2武漢市特種設備監督檢驗所

基于現有客運纜車存在的振動強、噪聲大等缺陷的現狀，提出具有雙重減振功能的客運纜車設計方案。該方案主要包括鋼絲繩隔振器和橡膠彈簧的減振設計，目前完成了減振結構設計及減振設備選型，并制造出了纜車樣機。通過實測驗證了其運行過程中的平穩性和良好的減振降噪效果。

客運纜車； 雙重減振； 結構設計

客運纜車作為大水位差斜坡道碼頭乘客上下船的主要工具[1]，在節省旅客上下船及碼頭滯留時間方面貢獻突出。

目前，長江沿岸所使用的客運纜車均采用轎廂與纜車架直接焊接、纜車車輪與小車架直接連接的形式，地面不平整而產生的振動則直接傳遞給載客轎廂，極大地降低了乘客的舒適度。因而，如何有效地削弱機械設備在使用過程中的振動和噪聲已成為業內人士研究熱點[2]，以求提高內河客運纜車設計、研制能力。本文介紹了以提高乘客舒適度、安全性為目的而研制的具有我國自主知識產權的雙重減振新型纜車。

1　新型纜車總體設計

由于我國內河碼頭水位差較大，船體到出站口的距離較長，同時長江沿岸土質較疏松，易致鋪設好的纜車鋼軌變形，這些均會使得纜車的運行軌道高低不平，以致存在較大振動和噪聲。

基于現有客運纜車存在的振動強、噪聲大的缺陷，筆者提出了客運纜車雙重減振設計思想：鋼絲繩隔振器減振和橡膠彈簧減振。新型纜車總體方案見圖1。

具有雙重減振功能的新型客運纜車主要由纜車架、行走機構、轎廂、牽引輪、水平輪、梯子平臺、鋼絲繩隔振器以及橡膠彈簧8部分組成。纜車架為纜車的主要承載機構，其他各結構均與之連接。為避免運輸不便，纜車架采用分離式設計，各部分在安裝現場采用法蘭連接。行走機構與運行軌道接觸，其車輪采用能夠吸振的球墨鑄鐵制造，承受整個纜車及乘客的重量。牽引輪為纜車的動力機構，通過鋼絲繩同岸邊電動機相連，電動機驅動力通過鋼絲繩牽引纜車上下作業。水平輪安裝于纜車架上，在出現偏軌情況時同運行軌道接觸，通過接觸力糾正纜車行走路徑，保證沿預設軌道運行，避免啃軌。梯子平臺為乘客上下纜車的主要工具，按照安全要求設計。

客運纜車的減振功能主要通過鋼絲繩隔振器和橡膠彈簧實現，此部分為新型客運纜車減振降噪的核心構件。鋼絲繩隔振器置于轎廂和纜車架之間，纜車運行或啟制動中發生沖擊時，沖擊載荷傳遞給鋼絲繩隔振器，鋼絲繩隔振器通過上下振動及前后搖晃，過濾掉較強沖擊。橡膠彈簧置于行走機構內，用于連接行走輪和行走機構支架，通過鋼絲繩隔振器過濾后的沖擊由橡膠彈簧上下振動進一步過濾，雙重減振保證了乘客的舒適度。

2　鋼絲繩隔振器減振設計

2.1鋼絲繩隔振器選型

客運纜車在運行過程中具有振動頻率低、工作環境惡劣等特點，同時受地勢影響，內河港口纜車軌道常出現不平整現象，導致纜車運行中顛簸較厲害。為較好地滿足客運纜車在行走過程中的減振要求，在纜車架和轎廂間加裝了海軍工程大學設計并制造的HGGS型不銹鋼鋼絲繩隔振器。該隔振器特有的非線性特性使其對低頻振動有優良的隔振效果，被廣泛應用于機械、航天等行業的減振降噪，能較好地達到減振效果[3]。HGGS型不銹鋼鋼絲繩隔振器外形見圖2。

圖2　HGGS-1200型不銹鋼鋼絲繩隔振器外形圖

HGGS型不銹鋼鋼絲繩隔振器技術參數見表1。

客運纜車轎廂自重為19 600 N；有效載荷(超載1.2倍)為60 328.8 N。因此，鋼絲繩隔振器所承受的載荷為79 928.8 N。由實際情況可得，鋼絲繩隔振器的主要承載方向及振動方向為Z方向，據表1可知，在此方向上單個鋼絲繩隔振器承受軸向額定載荷為12 000 N。按軸向載荷計算出不銹鋼鋼絲繩隔振器的數量為：79 928.8/12 000=6.66個。

表1　HGGS型不銹鋼鋼絲繩隔振器技術參數

為保證纜車運行的安全性，防止由于其中某個鋼絲繩隔振器損壞導致纜車整體癱瘓，預留一定的設計余量，選擇HGGS型不銹鋼鋼絲繩隔振器個數為8個。

2.2鋼絲繩隔振器布置形式

客運纜車的沖擊振動主要來源于3方面：運行過程中的上下振動、啟動制動過程中的前后振動及側面風載時的左右振動。

考慮振動形式及承載能力，設計鋼絲繩隔振器分布如圖3所示，通過螺栓分別同纜車架和轎廂下底板固定。該分布保證纜車架前、后、左、右各有3個鋼絲繩隔振器，中間橫梁上有2個鋼絲繩隔振器。在運行過程中由于軌道不平整等因素產生振動時，由8個鋼絲繩隔振器共同承擔；當纜車啟制動時，轎廂前后搖晃產生的振動沖擊主要由前后6個鋼絲繩隔振器承擔；當側面存在風載荷時，轎廂左右搖晃產生的振動主要由左右6個鋼絲繩隔振器承擔。此布置方式將鋼絲繩隔振器的隔振效果發揮至最大，有效地保證了轎廂中乘客的舒適度。

圖3　HGGS型不銹鋼鋼絲繩隔振器的布置方式

3　橡膠彈簧減振設計

3.1行走機構分離式結構設計

行走機構主要組成部分有：清軌器、車輪組、行走機構支架、橡膠彈簧以及導桿，如圖4所示。

1.清軌器　2.車輪組　3.行走機構支架　4.橡膠彈簧　5.導桿圖4　客運纜車行走機構分離式設計原理圖

該行走機構中，車輪為客運纜車的主要承載機構，纜車的運行是依靠車輪組在軌道上行走實現的，纜車車輪采用具有較好的吸振效果的球墨鑄鐵鍛造而成。橡膠彈簧作為該新型纜車的第二重減振裝置，安放于車輪組上，能夠較好地過濾掉殘余振動。橡膠彈簧采用中空設計，中間由導桿穿透，當纜車作業產生振動沖擊時，橡膠彈簧可沿導桿方向上下振動實現減振功能。橡膠彈簧上部同行走機構支架，該支架主要用于連接纜車架和橡膠彈簧。清軌器安裝在行走機構支架上，保證纜車順利運行。

為更好地實現客運纜車運行過程中的減振降噪，對纜車行走機構采用分離式設計，即機構中車輪組和行走機構支架分離，中間僅用橡膠彈簧連接，車輪組前后兩端同行走機構支架間存在一定間隙，其內充滿潤滑油。當客運纜車遇到沖擊振動時，通過鋼絲繩隔振器過濾后的振動由橡膠彈簧吸收，在橡膠彈簧上下振動時，行走機構的分離式設計使得車輪組和行走機構支架發生相對運動，間隙內的潤滑油較好地避免了振動過程中產生噪聲。

3.2橡膠彈簧選型

橡膠為高分子材料，其耐磨性及彈性強，阻尼性能及隔聲性能好?，F如今，由其作為原材料制造的橡膠彈簧，在承載機械中應用較為廣泛[4]。

本新型纜車的第二重減振即通過在行走機構中添加橡膠彈簧來實現。如圖4所示，由于纜車運行軌道同水平方向夾角為14°，所以橡膠彈簧的受力為總載荷(垂直地面)在其伸縮方向上的分力。

該新型纜車中，設計每個行走機構中安裝4個減振效果較好的乙苯橡膠彈簧減振器，則1臺纜車中橡膠彈簧數目為16個。橡膠彈簧設計參數如下：

纜車自重：101 240 N；

有效載荷(超載1.2倍)：60 328.8 N。

則：(101 240+60 328.8)/16×cos14°=9 798.1N，在受載中，橡膠彈簧的壓縮量見圖5和表2。

圖5　橡膠彈簧設計圖

符號彈簧長度/mm載荷/N含義H11800自由高度H21646450空載載荷H3157.19240額定載荷H4155.798001.2倍額定載荷

由圖5和表2可得，橡膠彈簧減振器的形變量有4個特征狀態，即自由高度、空載時高度、滿載時高度和1.2倍滿載時高度，其最大形變量發生在1.2倍載荷時，為24.3 mm。該橡膠彈簧在保證安全性的前提下，能為乘客提供足夠的舒適度。

橡膠彈簧減振作為第二重減振，能夠隔絕經鋼絲繩隔振器減振后的余振，因而該客運纜車的隔振效果遠超過普通客運纜車。

4　具有雙重減振功能的新型客運纜車樣機試制

具有雙重減振功能的新型客運纜車研制成功后，由四川煤礦基本建設工程公司制造和現場測試，現已投入試運行中?？瓦\纜車樣機見圖6。

圖6　具有雙重減振功能的新型客運纜車樣機

在長江內河碼頭對本課題所設計的新型客運纜車進行載荷能力及減振能力試驗分析，分別讓纜車在空載、滿載、1.2倍滿載情況下運行。試驗結果表明，新型客運纜車載荷能力參數符合相關標準規范要求，運行平穩且無機械及控制故障。同時，纜車在運行過程中振動及噪聲較少，轎廂中乘客的舒適度較高，證明該新型纜車在減振降噪方面超過了常規纜車。

5　結語

本課題旨在解決現有內河客運纜車運行過程中振動及噪聲大的問題，研制出具有我國自主知識產權的具有雙重減振功能的新型客運纜車，通過產品結構創新、減振設備選型，完成了客運纜車的設計，并同企業合作制造出纜車樣機。通過性能測試表明，該纜車載客性能良好，減振降噪效果超過常規纜車，填補了國產客運纜車研究空白。

[1]董曉娟，胡永舉. 輪軌式纜車客運系統研究[J]. 發明與創新(綜合科技)，2010,06：40-41.

[2]姜子豪，李浩，闞江明. 減振降噪在機械設計中的應用[J]. 森林工程，2013,05：55-59+63.

[3]詹韌，秦俊明. HGGS-200型鋼絲繩隔振器沖擊特性研究[J]. 江蘇船舶，2012,05：18-20.

[4]蘇榮華，彭晨宇. 振動篩橡膠彈簧非線性剛度實驗及仿真研究[J]. 應用基礎與工程科學學報，2011,06：986-994.

A New Passenger Transportation Cable Car with Double Vibration Absorption Structure

Liu Min1Xu Xiaoxi1Shao Yang2

1 School of Logistics Engineering of Wuhan University of Technology2 Wuhan Especial Equipment Supervise Test Institute

Based on the current situation that the cable car presents deficiencies of strong vibration and large noise, a novel design scheme of passenger transportation cable car with double vibration absorption structures has been put forward. The scheme mainly includes the design of both steel cable vibration isolator and rubber spring damper. Currently the structure design and equipment selection have been completed. And the prototypes of the cable car have also been fabricated. Through the actual test, it is validated that the reconstructed equipment presents good stability, excellent vibration and noise reduction effect.

passenger transportation cable car; double vibration absorption structure; structure design

2015-06-15

劉敏： 430063，武漢市武昌區和平大道1178號