单轨车辆项目设计方案.doc

单轨车辆项目设计方案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。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和行走部啮合的知识。现将以上文献文类整理，并将学习结果作如下整理。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。21.2.1.2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。3a)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。41.2.2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。71.3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调查法研究该项目，本着实事求是的原则对大兴安岭一带的森林、山地进行实地考察，制定相应的基本参数，全面、准确地获取第一手资料与数据，使设计出的项目更具实际价值。1.3.3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。41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第一章 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242cc2.2.2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。图2-4 底盘整体效果图2.4轨道单轨车顾名思义，其轨道为单线型，轨道与车辆间通过齿轮啮合实现行走。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专用单轨车轨道设计。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型钢止沉盘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第二章 专用单轨车车体结构设计专用轨道车辆是轨道交通运输的一种载运工具，而车体又是车辆榆树的直接载体。对旅客运输而言车辆的舒适性和安全性等各种性能都能与车体设计与制造水平密切相关，而货物列车的运输质量也与货车车体有着较多的关联性，因而，专用轨道车辆车体设计是轨道交通车辆技术的重要组成部分。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。103.1.2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。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。图3-1 专用单轨车车体结构图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Mpa130硬度HB110-166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第三章 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。114.1.2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。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=0, (a+b+e)-a- (a+b)=0 (4-1)其中各参数表示变量如表4-2所示。表4-2各参数表示变量货车车厢自重和载重量之和支撑点A的支撑反力单轨车车头自重支撑点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）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)M(x)=（e+b+e)x/l (0=x=a) (4-4)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：Q(x)=(e一a)/l (ax(a+b) （4-5）M(x)=(e一a)x/l+a (a=x=(a+b) （4-6）这就是在CD段内的剪力方程和弯矩方程。如在DB段内取距离左端为x的任意截面则截面以左有和、和三个外力截面上的剪力和弯矩是：Q(x)=(e一a一l)/l (a+b)xl) （4-7）M(x)=(e一a一l)x/l+a+(a+b) (a+b)=x=l) （4-8）依此方法即可求得整段轨道的剪力和弯矩图分别如图4-3和图4-4中所示。图4-3 轨道两个支撑点之间轨道的剪切力图图4-4 轨道两个支撑点之间轨道的受载弯矩图4.1.3.2剪切强度校核图4-1中，e是单轨车头行走部几何中心轮支撑中心距轨道右端支撑点的距离BD。由式(4-3)可知，在AC段内轨道的任意横截面上的剪力皆为常数(P1+P2)e+Pl/l.5，且符号为正，所以在AC段内(0xa)，剪力图在x轴上方且平行于x轴的直线(图4-3)。同理，可以根据式4-5)和式(4-7)作CD段内和DB段内的剪力图如图4-2中所示。从剪力图中可以看出，当单轨车货车车厢行使到右端轮支撑中心距离轨道左端为a=0.0mm时(此时e=0.5)，最大剪力为Qmax=0.5(P1+P2)+P1/1.5。根据图4-3可以得到轨道承受的最大剪力为Q=0.5(P1+P2)+Pl/1.5，根据强度要求轨道承受的最大剪切应力应该满足如下的剪切强度要求:t=Q/E=0.5(+)+ /(1.5E)t (4-9)其中，Pl=6000N（g取10N/m）是货车车厢施加给轨道的集中力载荷;P2=1500N是车头施加给轨道的集中力载荷;E是空心正方形轨道的型钢截面面积;t=147MPa是轨道材料的许用剪切应力。则根据式(4-9)可以得到满足剪切条件的最小空心型钢截面面积为E=0.442cm，考虑到单轨车运行的稳定性和轨道的磨损特性，借鉴国外经验和空心型钢的标准，选取宽度H=80mm，壁厚t=4mm，截面积E=6.974cm的空心型钢作为单轨车轨道，则t=9.32Mpat，因此设计宽度满足剪切强度要求。124.1.3.3弯曲强度校核根据图4-4可以得到当e=(8Pl+9P2)/(12(Pl+P2)时，轨道承受的最大弯矩为W=(4P1+81P2+84P1P2)/96(P1+P2)，根据强度要求，轨道承受的最大弯曲应力应该满足如下的弯曲强度要求:s=W/E=(4+81+84)/96E(+)s (4-10)式(4-10)中，Pl=6000N（g取10N/m）是货车车厢施加给轨道的集中力载荷;P2=1500N是车头施加给轨道的集中力载荷;E是空心正方形轨道的型钢截面面积;s=315MPa是轨道材料的许用弯曲应力。则根据式(4-10)可以得到满足弯曲条件的最小空心型钢截面面积为E=0.048cm，当取宽度H=80mm，空心型钢壁厚t=4mm，轨道截面积E=6.974cm时s=2.155Mpas，因此设计轨道同样也满足弯曲强度要求。4.1.4小结综上所述，为了保证单轨车的运行安全，满足剪切和弯曲许用应力，单轨车的轨道宽度在设计时选取宽度为H=80mm，可以借鉴外国经验，截面积为E=6.974cm，壁厚t=4mm的空心型钢。4.2轨道啮合机构设计单轨车是依靠车体和轨道之间的啮合来实现行走的，啮合机构直接关系着单轨车运行的平稳性能和安全性能。另一方面，单轨车和轨道啮合机构的设计也直接影响着单轨车机构的设计成本，因为单轨车机构对单轨车其它附属机构都有着重要的影响。专用单轨车和轨道采用齿轮啮合机构。分析原因，主要是考虑到采用齿轮啮合机构能够提高单轨车的运行可靠性，制动安全性能以及驱动性能等。尤其是对于爬坡状态的单轨车，采用齿轮啮合机构便于控制其运行的速度，而且齿轮机构的传力性能好，不容易失效。此外，采用齿轮啮合机构可以防止由于单轨车在爬坡状态重心的变化导致单轨车出现影响正常运行的打滑现象。单轨车和轨道上表面采用齿条和齿轮啮合方式，齿条上的啮合齿，采用厚度为6mm的钢板冷压造型，焊接在单轨车的下轨道面上。啮合齿轮采用如图4-5中所示的结构，每个啮合轮上均匀布置24个圆柱“齿”，这样单轨车和轨道下表面的啮合机构就是圆柱和面的接触问题，容易保证啮合中是线性接触，从而减小了啮合的不稳定性，可以减小啮合中的噪声和振动问题，从而可以增加单轨车运行的平稳性。图4-5 啮合齿轮结构根据设计要求单轨车的整机总重为250kg，最大载重量为500kg，假设单轨车在水平轨道上运行，则此时所有内外载荷都垂直作用在轨道上，因此在单轨车上啮合轮和轨道之间的摩擦系数一定的条件下，此时驱动单轨车运行的牵引力最大，由于整个单轨车是靠轨道上啮合齿轮和轨道齿条的啮合力驱动，因此此时也即是单轨车的啮合齿轮受载最大。由于啮合“齿”是圆柱，假设同一时刻只有一个圆柱“齿”参与啮合，也即是所有载荷都有一个圆柱“齿”承载。假设圆柱的直径为d，材料为45号钢，材料的许用剪切应力为t=166MPa，齿条宽度为B，则圆柱“齿”的强度应该满足以下条件:4F/pd=t (4-11)式(4-11)中，F为单轨车和轨道之间的摩擦力，由于单轨车和轨道之间的摩擦为滚动摩擦，滚动摩擦系数扮=0.5，因此F=f(Pl+P2)。p为齿距，有周长=d=zp，所以p=m=d/z。因此通过式(4-11)就可以求出圆柱“齿”的最小直径为8.84mm，考虑到载荷的不稳定性和安全性，设计中最小直径取d=15mm。134.3轨道支撑机构设计单轨车的轨道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。轨道的支撑机构主要是由支撑立杆和支撑斜杆构成。4.3.1轨道支撑装置的特点针对山林地运输的特点，轨道式运输车为一甚佳的运输交通工具。本文设计的专用单轨车是一种非常便利的单轨运输设备，最大的特点就是单轨车的轨道铺设非常快捷便利，不受地形限制，可以到达任何能够铺设轨道的地方。单轨车的轨道在架设时，每个支撑点有两个或者三个圆型钢管支撑，其中直立钢管起主要支撑作用，称为支撑杆，其上和轨道相连接，其下与直径80mm的止沉盘相连。立杆旁有一个或两个圆管，称为斜杆，其上与直杆用丝扣铰接，其下与一个80mm的止沉盘铰接，保证轨道在受载时不发生下沉和偏移。根据上述轨道的假设特点，单轨车的轨道在架设时并不会妨碍植被的生长，和传统的搬运车辆相比，无需辟地筑路，因此不会造成地面破坏，也不需要占用更多的林地面积。单轨车和索道相比，轨道铺设费用较低，走向灵活，而索道却只能做定点运输，且架设费用较高，维修困难且成本高。4.3.2轨道支撑立杆与斜杆长度设计根据单轨车轨道的铺设要求，在保证单轨车运行安全的情况下，铺设轨道时使轨道和地面之间保持一定的距离，以保护地面不被破坏。根据已有的国外单轨车轨道铺设经验，保证运行的单轨车和地面之间保持300-500mm的距离，考虑单轨车轨道桩基的承载力与桩长的关系，因此设计中取支撑立杆的长度为1500mm，钢管为热轧无缝钢管，直径取32mm，壁厚为5mm，材料为Q235碳素结构钢，其许用挤压强度应力为ssb=235MPa，材料的许用剪切强度应力t=110MPa，正常运行情况，斜杆受压，立杆主要受扭转载荷和压力载荷，则如果正常运行情况下应该满足以下挤压和弯曲强度条件：S=F/(p(0.016一0.011)=6050/(p(0.0一62一0.011)=14.265MPa=ssbt=w/(P(0.016一0.011)=6050*0.041/(P(0.016一0.011)=o.58MPa=t (4-12)从上面的校核中可以看出，立杆和斜杆都满足要求，在有横向载荷作用情况下，由于斜支撑杆两侧受力都能满足要求，因此同样可以保证单轨车运行的安全可靠性。4.3.3轨道支撑立杆与斜杆安装设计支撑立杆是支撑机构的主要受载构件之一，单轨车在轨道上运行时，载荷主要由支撑立杆承载。单轨车的支撑架固定在轨道的一侧，支撑斜杆起到固定支撑立杆的作用。只有在轨道受到横向载荷时，支撑斜杆才一作为主要受载构件之一，主要承受横向载荷带来的压力。如果不考虑单轨车的振颤和转弯时惯性力的影响，则安装一个斜支撑杆就可以满足受载要求。但单轨车在运行中往往会因为振颤和受到外部横向载荷的作用，比如运动过程中重心的改变，转弯时产生的横向离心力，这种情况下斜支撑杆1有可能承受受拉载荷，由于止沉盘的下端是靠钉入地面下面的钢管固定的，因此可以承受较大的压力载荷，而承受拉力载荷时安全性就难以保证，因此这时候如果在另一侧布置一个斜支撑杆2就可以避免这种情况的发生。此外，由于单轨车的轨道在铺设时是由若干节长度为3.5m的轨道连接而成，因此为了避免单轨车轨道的变形失效，每个支撑装置都应该安装在轨道的对接部位附近，支撑立杆和轨道之间依靠螺栓连接，为了保证连接的可靠性，支撑立杆和轨道的连接部位外面固定一个套筒，增加连接的刚度，套筒和立杆之间依靠螺钉定位。支撑斜杆的作用主要是防止轨道发生倾斜，当单轨车受到外力作用而发生扰动时，装载后发生重心偏移，或者在单轨车行驶中转弯受到横向惯性力作用时，都可能导致单轨车的重心发生扰动致使轨道受到横向载荷，从而会使轨道发生倾斜。支撑斜杆的安装可以避免这种现象的发生，从而保证单轨车运行的安全性。由于单轨车向两侧倾斜的力都有可能存在(正常情况下斜杆1的受压载荷多一些)，因此实际轨道铺设时常采用两个斜支撑杆和一个斜支撑杆交替安装，这样既可以保证单轨车运行的安全性，又可以降低单轨车轨道的铺设成本。支撑斜杆不直接和轨道连接，而是用丝扣和支撑立杆相连接。这主要是考虑到悬挂式单轨车的行走部在轨道下方要有足够的空间，如果直接和轨道连接就容易和行走部分发生碰撞，这是支撑斜杆安装设计中要考虑的重要因素。144.4轨道连接设计根据单轨车轨道的特点，设计中采用许多节轨道相互连接形成整个轨道。由上面的设计可以知道，每节轨道的长度为L=3500mm，因此每节轨道就需要通过合理的连接方式进行连接。为了保证单轨车运行的安全性和轨道铺设方便性，设计中每相邻的两节轨道之间依靠内嵌连接钢套和螺栓连接，由上面轨道支撑装置的设计中可以知道，考虑到单轨车运行的安全性和稳定性，在每个轨道的连接点附近都设轨道支撑点，每节轨道连接处通过内嵌连接钢套和螺栓把轨道1和轨道2连接在一起，轨道和支撑立杆通过U型件用螺栓连接在一起。根据受载要求支撑点之间的跨距定为l=1500mm。1.轨道1 2.连接螺栓 3.内嵌连接钢套 4.连接螺栓 5.轨道2图4-6 轨道接口连接设计由于轨道是钢材制作而成，因此要考虑轨道随着环境温度变化的影响。如果安装和设计时不考虑环境温度的影响，那么在季节变化时，轨道连接螺栓就会受到巨大的内应力的影响，严重时会造成轨道产生裂纹甚至断裂，从而影响到单轨车运行的安全性。轨道采用空心正方形型材可以一定程度的减小内部应力，缓解温度变化的影响，但是在季节交替时仍然要考虑变形因素的影响。为了避免由于环境温度对轨道造成的破坏，设计中轨道的连接装置设计成如图4-6所示的连接形式。如图4-6中所示，两节轨道通过螺栓连接，考虑到受载要求，螺栓在连接孔中的部分截面采用矩形，这样能够使螺栓承受更大的载荷而不至于失效。从图中可以看出两节轨道的配合连接采用平头连接，连接孔采用矩形，并且孔比螺栓截面大，这样即使轨道受温度影响发生伸缩也不至于使螺栓承受过大的载荷而失效，轨道可以在允许的范围内自由伸缩，而不影响到单轨车轨道的安全性。此外为了保证轨道在膨胀时不至于由于相互之间的推力而发生翘曲，铺设时通常内预留一定的间隙，为了单轨车运行的稳定性。15中国农业大学学士学位论文 第五章 专用单轨车稳定性分析第四章 专用单轨车稳定性分析单轨车的运行轨道根据实际情况可以分为水平轨道、转弯轨道以及爬坡轨道，三种形式。根据分析可以知道，单轨车在这这三种轨道上运行时单轨车系统的受力状态也有着很大的差异，存在着支撑结构的安全稳定性问题。鉴于此本章主要研究了空载和负载两种载荷条件下，单轨车在三种轨道上运行时的轨道支撑立杆、斜杆的强度和稳定性问题。从而把信息反馈到轨道支撑装置的机构设计当中，为轨道支撑装置机构的设计提供修正依据。5.1空载工作条件下的稳定性研究细长杆件在受压时，会表现出与强度失效全然不同的性质。例如一根细长杆受时，开始时轴线为直线，接着必然是被压弯，发生较大的弯曲变形，最后折断。工程有很多这样的受压杆件，本项目中单轨车的支撑立杆和支撑斜杆在单轨车运行中都主承受压力，就属于这类构件，如图5-1中所示。（a） （b） （c）图5-1轨道支撑杆受压简化图为了更加直观的分析杆件的受