一種小型單軌游覽車用抗側滾裝置

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滾裝置，并結合牯牛降單軌游覽列車懸掛結構設計一款小型單軌游覽車用抗側滾裝置，計算驗證其抗側滾效果。

關鍵詞：小型單軌游覽車 懸掛 抗側滾

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、環境友好等特點[1]，近年來，在景區、游樂園等地得到廣泛應用;但由于某些地區受到環境、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，導致車輛抗側滾性能較差，乘客上下車、車輛過彎等工況易產生左右搖擺，導致乘客產生不適感。本文以牯牛降單軌游覽列車為研究對象，將抗側滾裝置應用于游覽列車上，并計算驗證其抗側滾效果。

2 抗側滾裝置結構原理

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

由圖1可知，車輛發生側滾時，車廂兩側位移量不同，導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，起到抗側滾的作用。該抗側滾裝置作用方式既增強懸掛系統的抗側滾能力，又不影響懸掛系統中原彈簧的柔軟性[2]。

3 抗側滾裝置結構設計

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

因為轉向架的整體結構設計已完成，而且空間足夠，所以該車輛采用圖2所示結構一的抗側滾裝置。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。

該抗側滾裝置的設計特點：兩個扭臂分別位于扭桿兩端部，兩尼龍套通過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節連接，可滿足車輛沉浮和橫擺運動產生的各向運動。

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

4 關于裝置設計計算

4.1 工況載荷分析

抗側滾裝置主要在車體發生側向傾斜時承受載荷，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彎半徑所承受的載荷，主要用來校驗抗側滾扭桿的疲勞強度。二是偏載工況，車輛停靠時，乘客從車門部位上車導致的偏載，主要是用來校驗抗側滾扭桿的靜強度。

車廂重量M1=451kg;單節車廂滿載為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）未增加抗側滾裝置的一種工況計算

為了更好的對比分析抗側滾裝置的效果，本文首先對未增加抗側滾裝置的牯牛降小火車滿載運行過最小轉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）增加抗側滾裝置滿載正常運行過最小轉彎半徑工況

懸掛彈簧之間的距離分別為L2=1060mm;抗側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）

聯立方程5、6、7、8，可計算得出z1=3.4mm，z2=3.1mm，F拉=364N;

車體傾斜角度為：φ=0.18°

（3）增加抗側滾裝置的偏載工況

車輛停靠時，乘客從車門部位上車導致的偏載，一般情況下，乘客上車偏載的最大工況為：車輛一側坐兩位乘客，第三位乘客從這一側上車;可大致看為車廂一側載有三名乘客。

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拉=488N;

車體傾斜角度為：φ=0.26°

4.2 結果分析

對比分析3.1中三種工況的計算結果，對車輛施加同一傾覆力，未增加抗側滾裝置的車輛車體傾斜角度為：φ=0.45°，而增加抗側滾裝置之后，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。

5 結束語

本文主要以牯牛降小火車抗側滾裝置為例，進行的抗側滾裝置的設計計算分析，經過計算得出，在增加抗側滾裝置前后，車輛抗側翻性能的改善，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，離心力產生的力矩也會隨車速的提升，逐漸增大，所以抗側滾裝置的應用也顯得尤為必要。

參考文獻：

[1]王省茜.跨座式單軌鐵路的特點及其應用前景[J].中國鐵道科學，2004（01）：132-136.

[2]嚴雋耄.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.安卡拉項目抗側滾裝置的選型設計及有限元計算[J].技術與市場，2014，21（4）：6-7.