专用单轨车车辆结构方案的设计.doc

中国农业大学学士学位论文 中文摘要 摘 要 我国是一个多山地的国家。山地地区的地形条件复杂，要在这样的特殊地形地区进行货物 的运输，就需要一种节约资源、安全环保的运输方式，单轨车成为一种非常合适的选择。目前， 我国仅在重庆地区有部分城市客运单轨车辆，而在山地及林地等特殊地形地区运行的专用单轨 车辆在国内仍属空白。本文参照韩国大铱株式会社 MCK 机械有限公司制造生产的 M-600Hs(8Ps)型 森林多功能单轨运输设备，以黑龙江大兴安岭地区为例，设计一种单轨车辆。使其能够达到最 大转弯半径 4m、最大承载能力 250kg、最大爬坡度 30，实现短途货物运输。本文通过查找文 献资料，实地考察和归纳总结等方法，设计了一种可行的单轨车方案，完成了车身结构、轨道 的设计，同时对专用单轨车稳定性的评价。 关键词：关键词：单轨运输 山地 车体 轨道 稳定性 中国农业大学学士学位论文 英文摘要 I Abstract China is a multi- mountains country. Mountain areas are complication , special terrain in areas such as transportation, need a resource conservation, environmental safety of transport, monorail cars have become a very appropriate choice. At present, only some urban areas in Chongqing have some monorail passenger vehicles, and in the mountains and forest areas and other special terrain a dedicated monorail vehicles is still blank in the country. In reference to the South Korean MCK Machinery Co.Ltd. Iridium manufacturing the M-600Hs (8Ps)-type multi-functional forest single-track transport equipment to Da Hinggan Ling area as an example, we design a monorail vehicle that turning radius 4m, load capacity 250kg, climbing 30 degrees which could accomplish short-distance transport of goods. This article by means of Document Indexing, field trips and other methods, design a feasible solution of monorail vehicle, completed the body of vehicle and track design, while the stability of the vehicle is analyzed. Keywords：monorail vehiel forest trolley rail stability 中国农业大学学士学位论文 目 录 II 目 录 摘摘 要要 .I 英文摘要英文摘要.II 目目 录录 .III 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 研究背景和意义.1 1.2 文献综述.1 1.3 研究方法.6 1.4 研究思路.7 第二章第二章 专用单轨车辆结构分析专用单轨车辆结构分析.8 2.1 牵引车.8 2.2 台车.9 2.3 底盘.11 2.4 轨道.11 2.5 支撑机构.11 2.6 其他装置.12 第三章第三章 专用单轨车车体结构设计专用单轨车车体结构设计.13 3.1 专用单轨车辆车体概述.13 3.2 专用单轨车车体结构设计.14 第四章第四章 专用单轨车轨道设计专用单轨车轨道设计.17 4.1 轨道宽度设计.17 4.2 轨道啮合机构设计.22 4.3 轨道支撑机构设计.23 4.4 轨道连接设计.25 第五章第五章 专用单轨车稳定性分析专用单轨车稳定性分析.27 5.1 空载工作条件下的稳定性研究.27 5.2 负载工作条件下的稳定性研究.33 第六章第六章 结论结论.37 6.1 结论.37 6.2 存在问题.37 6.3 前景展望.37 中国农业大学学士学位论文 目 录 III 参考文献参考文献.38 致致 谢谢 .39 附附 录录 .40 中国农业大学学士学位论文 第一章 绪论 0 第一章 绪论 1.1 研究背景和意义 1.1.1 研究背景 我国是个多山地的国家，山地面积占全国总土地面积的 2/3 以上，山地城镇数占全国城镇总 数的将近一半。山地地区的地形条件复杂，用地往往被江河、冲沟、丘谷分割，地形高差较大， 这对建设公路交通十分不利1。同时，国内还存在着大面积的森林生态系统，而目前使用的交通 工具对森林都会造成不同程度的破坏，而且它们的使用需要架设、开道或者铺设轨道，难度大 费用高。因此，需要开发一种能够满足特殊地形运输要求，同时节约资源、安全环保的运输方 式，单轨车成为一种非常合适的选择。 这些地区存在大面积山地、林地等常规车辆无法行驶，使他们的生产生活及经济发展也都 受到一定程度的制约。以黑龙江大兴安岭地区为例，只能通过铺设轨道，实现短距离的货物运 输和人的通行。同时也要考虑到而单轨车辆恰恰为这种地带提供了一种可能的行使方式。 1.1.2 研究意义 目前，我国存在大面积山地、林地等常规车辆无法行驶的地带。单轨车辆恰恰为这种地带 提供了一种可能的行驶方式。重庆跨座式单轨车辆的问世填补了我国单轨车辆历史的空白。本 文结合国家“948”项目，以黑龙江大兴安岭地区为例，通过铺设轨道，设计完成可自由转弯、 能力承载 500kg、爬坡度 45的单轨车辆，实现短距离的货物运输和人的通行。本文通过文献 学习、实地考察、归纳总结等方法，对单轨车车辆结构提出一种可行的设计方案，包括车身结 构、车轮和车道的设计。 1.2 文献综述 为更顺利有效地完成论文，笔者共阅读了国内外文献 20 余篇。其中 7 篇介绍单轨车辆的发 展、使用等情况；5 篇介绍单轨车辆的应用；6 篇涉及单轨车辆车体结构分析的内容；4 篇讲解 单轨车辆轨道设计的知识。现将以上文献文类整理，并将学习结果作如下整理。 中国农业大学学士学位论文 第一章 绪论 1 1.2.1 单轨车辆概述 1.2.1.1 单轨车概念及发展情况 概念 单轨交通是一种轨道为一条带形的梁体、车辆跨坐于其上或悬挂于其下的交通系统。单轨 车是指在单根轨道上行驶的交通工具。 国外发展情况 1824 年在英国伦敦第一条单轨轨道诞生,但是当时在伦敦码头铺设的是木制轨道,而且车辆 是用马匹来牵引的。真正用动力车牵引的, 用来输送旅客的营业化单轨轨道交通, 出现在 1888 年的爱尔兰。动力车是跨座式蒸气机车, 线路长约 15km, 最高运行速度为 43 kmPh。189 年德国 人建造了另外一种类型的单轨轨道, 是现存最古老的单轨轨道交通线路。最早作为城市交通系 统建成的单轨铁路是 1964 年开通的羽田至浜松町间 13km 东京单轨铁路。1970 年, 在大阪召 开的万国博览会上, 建成了兼作展示用的场内运输万博单办铁路,另外大船站至湘南江之岛间 616km 湘南单轨铁路也建成并开通运营。1 它在很多场合得到了广泛应用。国外较早的单轨游览专用车出现在 1953 年的日本东京上野 公园, 后阿尔韦格式单轨车系统在德国建设了实验路线, 1958 年意大利都灵与美国西雅图分别 建设了博览会专用线。这些都是单轨游览车的前期应用, 其设备的制造和设计水平都是初级的。 随着科学的发展、技术的进步, 20 世纪 70 年代、80 年代美国洛杉矶的迪斯尼乐园、日本东京 上野公园、横滨的梦幻世界等世界多处纷纷建立了性能较全面的中、小型旅游专用单轨游览车。 由于这些游览机结构有别于城市交通的单轨车, 而且轨道也不同, 这些单轨游览车还主要应用 于公园、机场等平坦的路面行驶, 还不能应用于森林坡度游览和森林运输之中。 国内发展情况 2004 年 11 月 18 日, 首列国产跨座式单轨车在长春轨道客车股份有限公司下线。这不仅填 补了我国城市轨道车辆工业的一个空白, 也标志着我国成为继日本之后世上第二个拥有此种制 造技术的国家。2004 年 12 月,重庆市轨道交通 2 号线投入试运行, 成为我国首次建设的跨座式 单轨交通线。2 1.2.1.2 单轨车辆分类 单轨交通按照其行走模式和构造的不同，分为跨座式单轨和悬挂式单轨交通两种类型。 跨座式单轨交通的车辆骑行于轨道梁的上方，车辆除底部的走形轮之外，在车体的两侧下 垂部分尚有导向轮和稳定轮，夹行于轨道梁的两侧，保证车辆沿轨道安全平稳地行使。 悬挂式单轨交通，车辆悬挂于轨道梁下方行使。轨道梁为下部开口的箱型钢梁， ，车辆走形 轮与导向轮均置于箱型梁内，沿梁内设置的轨道行使。车辆改变行车方向时，通过箱型轨道梁 内可动轨的水平移动实现。 单轨车的种类较多根据车辆重心在轨道的位置上、下不同分为直立型、骑坐式和悬挂式。3 中国农业大学学士学位论文 第一章 绪论 2 a)高重心骑坐式 b)低重心骑坐式 c)低重心悬挂式 d)非对称悬挂式 图 1-1 单轨车种类略图 1.2.1.3 单轨车辆使用特点 占用土地少 因为单轨结构窄，而且又可架设在道路上方，不需要很大空间。 承担的运量比较大 跨座式单轨列车一般由 4 辆或 6 辆组成，其运量介于公共汽车与轻轨交通之间。 适应复杂的地形 能在大坡道和小半径的区段正常运行，所以允许单轨线路选在很复杂的地形上。 建设工期短、施工简便、造价低 单轨轨道结构简单，标准轨道可在工厂预制，现场拼装，建造容易，所以工期较短，而且 造价远低于地铁。 运输安全 单轨采用高架轨道，与其它交通各行其道，互不干扰，而且特殊的型式也能保证安全运行。 噪声低、无废气污染等公害 跨座式单轨车辆采用橡胶轮胎，与一般铁路相比，运行时噪声较低而且它采用电力驱 对日照和城市景观影响小 由于单轨比一般高架铁路或其它新交通系统占用空间少，沿线不会投下很大的遮光阴影， 对城市景观还能起到点缀、美化的作用。 乘坐舒适 由于橡胶轮胎和空气弹簧转向架的采用，列车运行平稳，再加上空调等现代化设备的装设， 旅客乘坐环境舒适，视野广阔，在城市中运行还能起到游览观光的作用。4 中国农业大学学士学位论文 第一章 绪论 3 1.2.2 单轨车辆的应用及现状 （1）国外单轨车辆的应用及现状 单轨车在日本的应用 日本是最早应用单轨车的国家之一，1977 年就开始在森林中利用单轨车运输木材森林中多为 陡峭地带，进行林业生产时，利用单轨车作为陡峭地区的运输工具运出间伐木材，是替代林区 公路运材的有效方法。 后有用于滑翔机训练场，因其海拔较高，其最大的坡度有，要把人员及物资运到上面，其它 运输工具难以实现单轨车之所以有这样的爬坡能力，是因为它采用了牙嵌咬合的方式。 东京羽田线单轨车为跨骑式,由日立特快与东京单轨有限公司经营。它是为连接位于大东京 市中心的滨松火车站与羽田国际机场之间的交通而设计建造的,全线长 13.1km,行驶时间为 15min,每日单 向运送乘客 16.2 万人次。羽田线采用 日立阿尔韦格系统的跨骑式单轨车，开 始动工后,只花了 16 个月就建成,按计划于 1964 年 9 月 7 日投入营业性运行。羽田线基本上是 沿着东京湾岸边的独立线路,没有其他交通路线与它相交。 日本单轨湘南线位于神奈川县南侧将日铁大船火车站与东 京西南约 50km 的嫌仓市海滨旅游 胜地江之岛连接起来。该线长 6.6km,建造于有许多弯道与陡坡的狭窄道路上空,缓和了沿线 的交通拥挤状态。悬挂式的单轨系统使穿越小弯道及上、下陡坡的困难得以克服,同时使乘客们 可享受乘坐现代化交通工具的舒适性。 单轨车在韩国的应用 农用单轨车可运输农药化肥和果实等，不用人开车，只要有人装车卸车即可工作，且上下 都有自动停车装置，使用非常方便在韩国仅农户果园就有多条运输线在应用中单轨车的轨道架 设不妨碍作物的种植及生长（农用搬运车需辟地筑路，容易造成地面破坏且占用部分耕作面积） ，不受地形限制，只要架设轨道就能到达任何地方 韩国政府为了避免农田果园和环境被破坏， 给农工补助一半的费用鼓励其使用单轨车。 韩国人特别喜欢登山，其中老人和妇女也很多在韩国总计有多条单轨车在运行，有的已运 行了余年，仅汉拿山国立公园就有 条运输线，负责山上的垃圾回收运输 对病人及有困难的游 客进行救护等工作。 汉拿山国立公园要安装一条木质人行上山道，往山上运输木料等比较困难，所以先安装一 条单轨车来运输木材，修完路之后再拆除。5 （2）国内单轨车辆的应用及现状 单轨车在我国大陆的应用 我国大陆首台单轨车是黑龙江省森林工程与环境研究所从韩国大林单轨车株式会社引进的， 安装在穆棱林业局六峰湖自然保护区（国家“948”引进项目） ，使用效果非常理想这台设备可 把游客运到山顶观光，安装时可自动运送原材料及客货同时运送。 2004 年 11 月 18 日, 在长春轨道客车股份有限公司的试车场内, 一列跨座式单轨车在临时 搭建的混凝土轨道梁上徐徐驶过这是跨座式单轨车的试车现场, 这辆车车体宽达 2.98m,头 车长 14.8m,中间车长 13.9 m。而客室内净高度达到 2220mm,比地铁高 100mm。车体采用的是轻 量化铝合金原料,构造速度为 80 km/h, 其动力源是混凝土钢轨两端 1500V 的高压电线。在超员 中国农业大学学士学位论文 第一章 绪论 4 时,头车承载量为 211 人, 中间车承载量为 230 人,单向高峰小时运量为 3 万人次。本次试车的 圆满成功标志着我国首列国产跨座式单轨车正式下线, 填补了我国城市轨道车辆工业的空白。 单轨车在台湾地区的应用 我国台湾的农园坡度较大，尤其是在没有道路的农地上，单轨道式运输车便成为一种非常 适用的交通运输工具，深得农民的喜爱目前台湾有上千条的单轨车在使用中，这些单轨车大部 分是从外国引进的，虽然台湾地区也有制造商，但仿照外国制造的居多。 1.2.3 单轨车车辆结构设计 （1）车体结构的设计 车体是跨座式单轨车辆的重要组成部分，主要承担着装载乘客和安装各种电气设备的任务。 因此，它必须具有足够的强度和刚度以满足运输使用的要求，同时要具有良好的动态特性来保 证乘员的安全和舒适性。为了尽量减少车辆运行时的能耗，车体结构在满足强度、刚度的前提 下，还必须尽可能减轻自重。另外，车体的各个部件在长期的运行过程中还会产生疲劳现象。 为了保证车体在一定时期内的运行安全，还要求其必须达到规定的疲劳寿命。CAE 技术的发展和 日趋成熟为解决上述问题提供了有效途径。以有限单元法为代表的 CAE 技术理论上能求解任何 复杂的工程计算问题，其求解精度理论上只受计算机能力与物理模型的精度限制。利用现代 CAE 技术来预测、估计和设计该车体的强度、刚度、寿命及性能能够显著提高设计的科学性，减少 盲目性，提高设计效率，减少设计时的试验次数，节省设计成本。 国外发展情况 对于轨道车辆车体的设计而言，有限元方法能够满足车体设计的要求。国外从 70 年代开始， 就已开展利用有限单元法对车体结构进行研究，并卓有成效经过多年发展，在应用计算对车体 进行分析的技术上逐步成熟完善，在车体建模技术和应用中对有限单元的选用逐步向前发展。 当前，国外的车体设计已经很好地把有限元设计与分析法引入到产品的开发、设计评价及 生产中。利用有限元软件进行车体结构的静态分析、模态分析的技术已经非常成熟，其工作重 心已转向瞬态响应分析、噪声分析、碰撞分析等特别是随机激励响应分析备受青睐，主要是因 为它可用来进行车辆的强度、刚度、振动舒适性和噪声等方面的分析。计算机分析（如强度刚 度，噪声场，温度场）对于整车、部件和零件的设计生产有着举足轻重的分量，它在资金投入 的减少，设计生产周期的缩短，产品质量的提高上发挥了巨大的作用。同时，国外在车体制作 方面已经把有限元法应用于产品的加工工艺分析上，把材料分析与零件机加工分析相结合，用 有限元分析等方法来改进加工方法及手段，使车体的制造达到了较高的水平。 国内发展情况 我国车辆制造行业有限元计算工作起步于 1975 年，相关科研单位和高等院校推出了一批有 价值的实用有限元软件，并应用于车架和车身的设计，取得了良好的技术经济效益。从 1980 年 开始，随着我国对外开放政策的实施，我国计算机的使用条件得到了很大改善，计算机装备数 量大幅度增加，国外流行的大型商业性软件随之引入我国车辆制造行业，大力推动了我国轨道 车辆车体有限元分析技术的发展。 目前，我国的有限元计算工作已经初步形成一定的规模，在微机上进行有限元分析已经不 中国农业大学学士学位论文 第一章 绪论 5 再是困难的事，同时有限元分析的应用得以向广度和深度发展。当前我国车体有限元方法的应 用已从一般的静态分析发展为动态特性相应分析，从一般的应力分析发展为疲劳寿命分析，有 限元方法的应用在我国随着计算机技术的不断提高而日趋成熟。6 （2）车辆轨道设计 单轨车依靠车体和轨道之间的啮合来实现行走,啮合机构直接影响单轨车运行的平稳性、安 全性及其成本。因此选择合理的结构形式，对于结构设计是个很重要的问题，选择合理结构形 式不仅可以使结构更加安全可靠，还可以使整个建筑达到降低造价、灵活布置的目的。结合到 自助转向悬挂式独轨车行走轨道系统，主要由竖向支撑、行走轨道、基础、构件间连接几个主 要的部分组成。针对各个不同部分的功能要求和各自不同的受力特点，应选择合理的结构形式。 自主转向悬挂式独轨车行走轨道系统的竖向支撑系统的主要作用是连接行走轨道系统和地 面基础系统。其作用相当与建筑结构中的柱构件，其受力特征主要以受弯为主。这就要求竖向 支撑系统有足够的截面惯性矩去抵抗弯矩，当跨度较大时常常需要采用格构式的竖向的支撑系 统。对于竖向支撑系统大致可以分为以下的几类。一：单轨道的支撑系统，二：单轨道大跨度 的组合支撑系统，三：多轨道大跨度的支撑系统。7 1.3 研究方法 1.3.1 文献总结法 本文通过对目前单轨车辆的发展情况，单轨车辆车体结构和轨道-行走轮啮合机构设计以及 国家设计标准等相关资料的收集、分析和研究，对我单轨车辆设计的理论和研究进行梳理与总 结，为设计出适合山地、林地等无路地区运输的专用单轨车辆提供理论依据。 1.3.2 计算与分析法 本文设计过程中，会涉及很多数据的分析与计算，比如材料的选择，载荷的分布，动静疲 劳强度，动力性、经济性计算等。利用多种数据，从理论上进行可行性设计，为设计出的专用 单轨车的实用性提供保证。 1.4 研究思路 本论文分为绪论、专用单轨车辆结构分析、专用单轨车辆轨道啮合设计、单轨车稳定性分 析结论与展望共六部分。 第一部分为绪论，阐述设计专用单轨车辆的目的意义、国内外研究现状、研究思路和方法。 第二部分为专用单轨车辆结构分析，对单轨车的各部分结构如牵引车、台车、辅助装置等 中国农业大学学士学位论文 第一章 绪论 6 进行分析和设计。 第三部分为专用单轨车车体结构设计，以基础参数的确定为出发点进行设计、设计出符合 各项参数的车体结构，主要为货物台车的尺寸材料等。 第四部分为专用单轨车辆轨道设计，通过对轨道受力分析和校核计算，参考国外经验，设 计确定了轨道的宽度、啮合机构、支撑机构和连接机构。 第五部分对专用单轨车的稳定性进行分析和评价，在空载和负载两种条件下，对平道、弯 道和坡道坡道进行受力分析和计算，得出稳定性符合要求之结论。 第六部分结论与展望，对论文中出现的问题与不足进行描述、尽可能地提出优化方案，并 展望专用单轨车辆的使用可行性与推广前景。 1.5 本章小结 四部分为专用单轨车辆轨道设计，通过对轨道受力分析和校核计算，参考国外经验，设计 确定了轨道的宽度、啮合机构、支撑机构和连接机构。 第五部分对专用单轨车的稳定性进行分析 中国农业大学学士学位论文 第二章 专用单轨车辆结构分析 7 第二章 专用单轨车辆结构分析 专用单轨车的性能是由各个环节的综合指标决定的，任何环节性能的下降，都会对系统的 性能产生不良影响，深入的研究各个环节的性能，是设计高质量专用单轨车的先决条件。 单轨车部件主要包括:牵引车、台车、底盘、轨道、支撑机构以及其它辅助材料等。 2.1 牵引车 牵引车由主体及发动机两部分组成，其中发动机为单轨车的动力装置，而主体则括变速装 置、驱动装置、制动装置等重要装置。牵引车发动机主要装置由图 2-1 所示。 图 2-1 专用单轨车-牵引车发动机 2.2.1.发动机 发动机，又称为引擎，是一种能够把一种形式的能转化为另种更有用的能的机器，通常是 把化学能转化为机械能。有时它既能用于动力发生装置，也可指包括动力装置的整个机器，比 如汽油发动机、航空发动机。专用单轨车的发动机，用于为单轨车的行走提供动力，其主要参 数指标如表 2-1 所示。8 表 2-1 专用单轨车-牵引车发动机的主要参数指标 主要指标内容主要指标内容 规格 HONDAGX-240-K1 点火方式电子 循环空冷 4 循环起动装置车钥匙或反冲起动 额定输出功率 6.0Ps/3600rpm 使用燃料无烟汽油 最大输出功率 8.0Ps/4000rpm 容量6.0 升 总排气 242cc 中国农业大学学士学位论文 第二章 专用单轨车辆结构分析 8 2.2.2 主体 主体主要由变速装置、驱动装置、制动装置等重要装置。下表列出牵引车主体的主要性能 参数。 表 2-2 专用单轨车-牵引车主体的性能指标 主要指标内容主要指标内容 长度1000mm发动机HONDA-GX-240-K1 宽度800mm传动前进，后退，各一次 高度1100mm最大转角45 速度45m/min驱动方式齿轮架 2.2 台车 专用单轨车主要用于林区、果园、旅游风景区等地，因此单轨车应承担运载货物和顾客的 双重任务，故单轨车的台车分为运货台车和载客台车(运载乘客)两种。 2.2.1 运货台车 运货台车主要用于承载货物，其主要参数指标如表 2-3 所示，T-5A 型台车如图 2-2 所示。 表 2-3 单轨车一运货台车各装置性能描述 代号名称功能 1 货物台车装载用 2 主连接链牵引车或载客卜车的连接条 3 附连接链 由绳索或链条组成的连接 4 轮辊子包括上下两个辊子在轨道上行驶；下辊子与轨道间的空间距离为一毫米 5 承载支柱保护货物 中国农业大学学士学位论文 第二章 专用单轨车辆结构分析 9 图 2-2 专用单轨车-运货台车图 2.2.2 载客台车 载客台车主要用于搭载乘客，其各装置性能描述如表 2-4 所示。图 2-3 为 OP-3-60 型载客 台车。 表 2-4 单轨车载客台车各装置性能描述 代号名称功能 1 紧急刹车杆当车辆停止前进时应关闭发动机使车辆停下来 2 座位使座位保持斜面水平 3 刹车帮助车辆在下坡路面速度控制在标速内 4 立足处放置双脚 图 2-3 专用单轨车-载客台车 中国农业大学学士学位论文 第二章 专用单轨车辆结构分析 10 2.3 底盘 专用单轨车底盘主要包括转向架构架、走形轮轮系、悬架等结构。底盘系统采用压型钢板 焊接构架，通过拉板弹簧式定位悬架连接走行轮轴。单轨车和轨道采用齿轮啮合机构，同时选 用 6206 深沟球轴承。同时构架上连接牵引装置和导向轮及安全轮。 各部分具体设计内容请参见专用单轨车辆系统方案的设计第三章内容。 2.4 轨道 单轨车顾名思义，其轨道为单线型，轨道与车辆间通过摩擦实现行走。单轨车特殊的设计、 运行形式，对轨道的各项性能提出了较高要求。轨道的尺寸设计等主要参数指标参见第四章。 2.5 支撑机构 单轨车的支撑机构位于轨道与地面之间，起到支撑轨道、稳定轨道的作用，其主要参数指 标如表 2-5 所示。 表 2-5 单轨车一支撑机构 名称材料及规格 主支柱T 型 止沉盘F.C.D 球墨铸铁 2.6 其他装置 除上述牵引车、轨道、支撑机构、制动器等材料外，专用单轨车的机械构造中还包括一些 作用十分重要的小零件，这些零件对于单轨车设备缺一不可。包括支柱挂钩、U 型环、止沉盘、 岔道、道路开闭器等。9 中国农业大学学士学位论文 第三章 专用单轨车车体结构设计 11 第三章 专用单轨车转向结构设计 专用单轨车辆在轨道上运行，行驶轮在轨道上面滚动运行，轨道左右的转型加紧轮通过与 轨道的配合保证单轨小车在运行和转向时的平稳，以及保证运输小车在运行过程中不脱轨和不 侧倒。 3.1 专用单轨车辆车体概述 车体是运载对象的承载体，对于旅客运输而言是人，对于货物运输而言是货品。车体的结 构与设计对于旅客舒适性、货物安全性等都有着十分重要的作用。 3.1.1 车体的功能要求 专用车辆车体应具有以下功能： （1）运载功能。作为运载工具，客车需要为旅客提供乘坐的舒适的环境以及方便上下车的 设施，机车或火车则为动力与控制装置及其它设备或货物提供足够的装载空间。 （2）结构安全功能。车辆在运行中承受纵向、垂向、横向以及扭转等各种载荷，应具有减 缓各种振动与噪声、抵抗结构变形及提高耐久性以确保成员安全的能力。 （3）良好的工艺性、可维修性和运行可靠性，以满足轨道交通经济耐用与运行可靠的要求。 （4）在确保结构安全的前提下降低车体自重。 车体的功能主要通过承载结构、车辆设施、工业设计技术等得以实现。10 3.1.2 车体结构的承载形式 从结构强度的角度看，车体结构分为承载结构与非承载结构。承载结构是车体中抵抗外力 和变形功能的部分，主要是车体的骨架和蒙版。非承载结构是指车门及操作机构、风道和座椅 及其他内装等附件属于车体结构但不参与承载的部分。 轨道车辆车体承载结构通常是由质强比高、耐腐蚀性好的金属材料制成的板梁通过焊接或 铆接等方法组成的结构，早期的轨道车辆多采用钢材制成。 在鉴定车体钢结构强度时，车体承受各种载荷的取值、作用方式以及作用位置，都要符合 设计与试验规范规定的有关标准。 总体而言，轨道车辆可归纳为整体承载型、侧壁和底架共同承载型和底架（车架）承载型 三类。 中国农业大学学士学位论文 第三章 专用单轨车车体结构设计 12 3.2 专用单轨车车体结构设计 本课题研究并设计出以大兴安岭一带为例的用于山地货物运输的生态型单轨车，因此以运 输货物为主，本节从结构和尺寸的确定以及材料选择两方面进行运货台车的设计。 3.2.1 结构和尺寸设计 本设计采用底架承载式车身，根据货物运输重量和体积的要求确定车体尺寸，并在车体两 侧各设有 3 个货物支撑架。从经济性角度考虑，横向设计 3 个支撑架。车体前部设有牵引装置， 为主连接链，与牵引车部分相连接。请参见表 3-1。 表 3-1 专用单轨车车体结构和尺寸 名称内容内容尺寸 横向支撑架3 个长度2500mm 纵向支撑架6 个（每侧车厢各 3 个）宽度1200mm 牵引装置主牵引链高度1200mm 为明确表征车体结构，笔者画出专用单轨车辆的车体部分，见图 3-1。零件图见附件 2。 中国农业大学学士学位论文 第三章 专用单轨车车体结构设计 13 图 3-1 专用单轨车车体结构图 中国农业大学学士学位论文 第三章 专用单轨车车体结构设计 14 3.2.2 材料选择 从承载强度和经济性角度考虑，车体材料选择灰铸铁 HT150，表面刷有保护漆皮，可抗腐 蚀，强度、刚度都能满足承载的需求。其具体各项参数见表 3-2。 表 3-2 灰铸铁 HT150 各性能参数 内容数值 熔点 1200 热导率 W/(mK) 46.4-92.8 比热容 J（Kg K） 544.3 密度 g/cm（t/cm） 7.0 铸件壁厚（mm） 20-30 最小抗拉强度 Mpa 130 硬度 HB 110-166 弹性模量 E（Gpa） 115-160 切变模量 G（Gpa） 45 泊松比 0.23-0.27 据图计算，车身自重为 100kg。 中国农业大学学士学位论文 第四章 专用单轨车轨道设计 15 第四章 专用单轨车轨道设计 单轨车和轨道的啮合机构中轨道的宽度直接影响着轨道的铺设难度和铺设成本。专用单轨 车的一个突出特点就是轨道铺设简单，因此单轨车可以到达任何地方。从另一个层面上讲，单 轨车轨道的铺设也对环境有着重要关系，轨道过宽带来铺设成本和难度增加的同时，可能会对 森林环境造成更大的破坏。除了以上两点，单轨车的轨道宽度还对单轨车啮合机构中的其它附 属机构的设计带来相应的影响，例如和轨道啮合的齿轮以及导向轮等都与轨道宽度有着直接关 系。 4.1 轨道宽度设计 轨道宽度过大会造成载荷分布不均，铺设困难，影响灵活性等；过小又无法满足专用单轨 车的承载要求，因此设计合适的轨道宽度极其重要。本节从原则、参数确定和校核计算三方面 确定轨道宽度。 4.1.1 设计原则 本文遵循满足安全性的前提下使轨道宽度尽量小的原则对轨道宽度进行设计，因此设计中 主要以满足强度要求为准则。主要从以下三个方面考虑。 （1）专用单轨车运行的安全性、耐磨性、安装、变形以及铺设成本等因素，单轨车的轨道 采用空心的正方形型钢制造。 （2）应用中轨道平面越宽轨道的刚度越大、承载能力越强，但是由于单轨车和轨道的啮合 属于线性接触，因此轨道平面越宽就会造成接触线的载荷分布不均匀程度增加，这直接影响到 单轨车运行的平稳性，还会造成啮合机构的磨损程度不均匀，从而加剧磨损减小单轨车啮合机 构的应用寿命。 （3）轨道过宽将会带来轨道铺设难度的增大，还会影响到单轨车应用的灵活性和对环境的 破坏程度等。11 4.1.2 各参数确定 以上述原则为基础，山林地实际情况为依据，设计确定以下参数。其中，轨道采用空心正 方形的型钢制造，材料为 35 号钢。考虑到单轨车运行的安全性以及轨道铺设的方便性，每相邻 的两节轨道之间依靠内嵌连接钢套和螺栓连接，并且在每个轨道连接点附近都设有支撑点，以 保证运行中轨道的平稳性和安全性。表 4-1 为轨道各参数列表。单轨车车道受载情况如图 4-1 所 示。 中国农业大学学士学位论文 第四章 专用单轨车轨道设计 16 表 4-1 轨道参数表 名称字母数值 轨道宽度H待确定 空心型钢截面积E需参照校核结果与国外经验值确定 空心型钢壁厚t4mm（国外经验值） 每段轨道长L3500mm 车头和货车车厢的轮间距W1000mm 每个货车车厢轮组之间的距离N2000mm 每节车身长度2500 车头长度800 支撑点之间的跨度l1500mm 图 4-1 单轨车车道受载情况图 4.1.3 载荷计算 4.1.3.1 剪力和弯矩计算 从图 4-1 中单轨车轨道的受载分析可以知道，轨道每两个支撑点之间最多可以同时承载一 组货车车厢行走和车头，因此设计时按照最大承载能力设计，如果运输需要增加货车车厢时保 证轨道的承载能力在安全范围，轨道不必要进行重新铺设和改进，从而节省设计费用。当运行 到如图 4-1 所示的位置时，假设每节货车的重心都在车厢的几何中心，车头的重心在车头车轮 中国农业大学学士学位论文 第四章 专用单轨车轨道设计 17 组的中心，图 4-2 所示是轨道所受载荷的简化图，每节轨道可以简化为两端固支的梁，除摩擦 力以外由于轨道受到的都是平行于轨道横截面的载荷，因此轨道只要满足剪切强度和弯曲强度 要求即可。 图 4-2 轨道两支撑点间受力分析图 根据专用单轨车的技术说明，每节货车自重 100kg，每节最大承载能力 500kg，车头重 150kg，那么在不考虑振动冲击的情况下，则根据图 4.2 中轨道所受的载荷可以建立如下所示的 静力平衡方程: =0, (b+e)+ e 一 (a+b+e)=0 mBP1P2RA =0, (a+b+e)-a- (a+b)=0 (4-1) mARBP1P2 其中各参数表示变量如表 4-2 所示。 表 4-2 各参数表示变量 P1 货车车厢自重和载重量之和 RA 支撑点 A 的支撑反力 P2 单轨车车头自重 RB 支撑点 B 的支撑反力 通过求解方程(4-l)可以得到轨道两个支撑点 A、B 两点的支撑反力分别为： =（b+e）+e/l =a+（a+b）/l （4-2） RAP1P2RBP1P2 以轨道的左支撑点 A 为坐标原点，选取坐标系如图 4-2 中所示。来自于货车车厢行走部几 何中心的集中力P2作用于点 C，来自于单轨车车头的自重力P1作用于 D 点。轨道在 AC、CD、DB 中国农业大学学士学位论文 第四章 专用单轨车轨道设计 18 三段内的剪力 Q 和弯矩 M 不能用同一方程式来表示，应分段考虑，在 AC 段内取距离原点为 x 的 任意截面，截面以左只有外力 RA，根据剪力和弯矩的计算方法和符号规则，求得这一截面上的 Q 和 M 分别为: Q(x)=（e+b+e）/l (0xa) (4-3) P1P1P2 M(x)=（e+b+e)x/l (0=x=a) (4-4) P1P1P2 这就是在 AC 段内的剪力方程和弯矩方程。如在 CD 段内取距离左端为 x 的任意截面，则截 面以左有和两个外力，截面上的剪力和弯矩是： RAP1 Q(x)=(e 一a)/l (ax(a+b) （4-5） P2P1 M(x)=(e 一a)x/l+a (a=x