一种小型单轨游览车用抗侧滚装置

彭轩　杨兆强

摘 要：随着跨座式单轨游览车的广泛使用，部分小型跨座式单轨车体较轻，弹簧偏软，为保证乘客乘坐舒适，本文基于地铁使用抗侧滚装置，并结合牯牛降单轨游览列车悬挂结构设计一款小型单轨游览车用抗侧滚装置，计算验证其抗侧滚效果。

关键词：小型单轨游览车 悬挂 抗侧滚

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

跨座式单轨游览列车采用橡胶行走轮，具有噪声低，爬坡能力强、环境友好等特点[1]，近年来，在景区、游乐园等地得到广泛应用;但由于某些地区受到环境、运营方式的限制，需求小型单轨游览车。

小型单轨游览车普遍存在线路运行条件较差，转弯半径较小等情况，为追求乘客乘坐舒适度，该类游览车往往设置较软悬挂弹簧;但较软悬挂弹簧在减小车辆振动，提高车辆行進过程乘客舒适度的同时，导致车辆抗侧滚性能较差，乘客上下车、车辆过弯等工况易产生左右摇摆，导致乘客产生不适感。本文以牯牛降单轨游览列车为研究对象，将抗侧滚装置应用于游览列车上，并计算验证其抗侧滚效果。

2 抗侧滚装置结构原理

如图1所示，抗侧滚装置由连杆、扭杆和扭转臂等组成。扭杆通过固定在转向架构架上的支撑座与构架相连，连杆与固定在车体上的连接座相连。

由图1可知，车辆发生侧滚时，车厢两侧位移量不同，导致悬挂弹簧压缩形成高度差，连杆与连杆之间形成相对位移，从而扭杆受到一个相互反向的力矩作用，使之产生弹性形变，从而使扭杆起到扭杆弹簧的作用，释放反力矩，起到抗侧滚的作用。该抗侧滚装置作用方式既增强悬挂系统的抗侧滚能力，又不影响悬挂系统中原弹簧的柔软性[2]。

3 抗侧滚装置结构设计

如图2、图3所示，抗侧滚装置按照扭杆组件安装位置，一般呈两种不同形式。图2所示结构较为简单，安装方便，但要求转向架与车厢底架有足够空间;图3所示，将抗侧滚装置扭杆埋入构架内，可节省安装空间，但制造安装较为困难[3]。

因为转向架的整体结构设计已完成，而且空间足够，所以该车辆采用图2所示结构一的抗侧滚装置。该装置主要由扭力杆、撑杆、摇臂组成。如图4、图5所示，图4为该装置组装二维图，图5为模型的proe建模。

该抗侧滚装置的设计特点：两个扭臂分别位于扭杆两端部，两尼龙套通过安装板固定在车厢底架上，主要起支点作用，扭臂和拉压杆通过球关节连接，可满足车辆沉浮和横摆运动产生的各向运动。

其中，扭杆是整个抗侧滚装置的核心部件，也是主要的承载部件，其性能直接决定抗侧滚装置的抗侧滚性能，因此扭杆的强度计算校核对于抗侧滚装置的设计至关重要。

4 关于装置设计计算

4.1 工况载荷分析

抗侧滚装置主要在车体发生侧向倾斜时承受载荷，其载荷大小由车体本身的重心偏移以及外界作用于车体上的侧向力决定。其计算载荷工况主要计算两种较为常见的恶劣工况：一是车辆满载正常运行过最小转弯半径所承受的载荷，主要用来校验抗侧滚扭杆的疲劳强度。二是偏载工况，车辆停靠时，乘客从车门部位上车导致的偏载，主要是用来校验抗侧滚扭杆的静强度。

车厢重量M1=451kg;单节车厢满载为M2=6×70kg（6人，单人重量70kg）;车辆运行速度为v=10km/h;最小转弯半径为r=12m;车辆重心离支点的距离为L1=900mm;悬挂弹簧之间距离为L2=1060mm。

（1）未增加抗侧滚装置的一种工况计算

为了更好的对比分析抗侧滚装置的效果，本文首先对未增加抗侧滚装置的牯牛降小火车满载运行过最小转弯半径的工况进行分析。

车厢乘客总重m=M1+M2=871kg，运行速度v=10km/h=2.8m/s，转弯半径r=12m;得到车辆所受离心力：

F离心==569N                 （1）

由于离心力离支点的距离为L1=900mm，车辆所受离心力力矩为：

M离心=F离心L1=512000N.mm       （2）

悬挂弹簧之间距离为L2=1060mm;得到车厢倾覆时力矩的平衡方程：

L2F弹=M离心=512000（N.mm）       （3）

式中：F弹——倾覆时弹簧提供的拉力

已知弹簧刚度为28.8N/mm，弹簧数量为2，可知弹簧位移量z1为：

Z1==8.4（mm）              （4）

车体倾斜角度为：φ=0.45°

（2）增加抗侧滚装置满载正常运行过最小转弯半径工况

悬挂弹簧之间的距离分别为L2=1060mm;抗侧滚装置拉杆之间的距离分别为L3=830mm;得到车厢倾覆时力矩的平衡方程：

L2F弹+L3F拉=M离心=512000（N.mm） （5）

式中：F弹——倾覆时弹簧提供的支撑力减小量

F拉——倾覆时扭杆提供的拉力

已知弹簧刚度为28.8N/mm，可知弹簧位移量z1为：

z1=                        （6）

由扭杆弹簧刚度的计算公式P=

得到P=116.5N/mm;由于倾覆所转动的圆心角非常小，可将拉杆位移看作直线

F拉=Pz2                         （7）

式中：z2为拉杆位移量

拉杆受力点倾覆圆心距为945mm，弹簧受力点倾覆圆心距为1060mm，得到方程

z2=z1                       （8）

联立方程5、6、7、8，可计算得出z1=3.4mm，z2=3.1mm，F拉=364N;

车体倾斜角度为：φ=0.18°

（3）增加抗侧滚装置的偏载工况

车辆停靠时，乘客从车门部位上车导致的偏载，一般情况下，乘客上车偏载的最大工况为：车辆一侧坐两位乘客，第三位乘客从这一侧上车;可大致看为车厢一侧载有三名乘客。

三位乘客总重M3=3×70kg=210kg，车门位置离弹簧的水平距离为L4=280mm，得到偏载造成力矩为：

M偏载=M3gL4=588000（N.mm）      （9）

得到车厢倾覆时力矩的平衡方程

L2F弹+L3F拉=M偏载=588000（N.mm）  （10）

按工况2同样方式计算，联立方程6、7、8、10，将z2和F弹看作未知量，可计算得出z1=4.6mm，z2=4.2mm，F拉=488N;

车体倾斜角度为：φ=0.26°

4.2 结果分析

对比分析3.1中三種工况的计算结果，对车辆施加同一倾覆力，未增加抗侧滚装置的车辆车体倾斜角度为：φ=0.45°，而增加抗侧滚装置之后，车体倾斜角度降低为：φ=0.18°，倾斜角度降低了60%;偏载工况倾斜角度φ=0.26°，也在可接受范围内。

5 结束语

本文主要以牯牛降小火车抗侧滚装置为例，进行的抗侧滚装置的设计计算分析，经过计算得出，在增加抗侧滚装置前后，车辆抗侧翻性能的改善，同一个倾覆力情况下，倾斜角度降低了60%。随着单轨观光游览车车速逐渐增加，离心力产生的力矩也会随车速的提升，逐渐增大，所以抗侧滚装置的应用也显得尤为必要。

参考文献：

[1]王省茜.跨座式单轨铁路的特点及其应用前景[J].中国铁道科学，2004（01）：132-136.

[2]严隽耄.傅茂海等.车辆工程[M].北京：中国铁道出版社，2017：71-72.

[3]李小燕等.安卡拉项目抗侧滚装置的选型设计及有限元计算[J].技术与市场，2014，21（4）：6-7.