過山車中心軸裝配新方案

張洪

【摘 要】過山車在運行時中心梁與中心軸是主要受力部件，其受力復(fù)雜，工況惡劣。中心軸裝在中心梁內(nèi)，兩者的裝配質(zhì)量會直接影響過山車的平順性、安全性、游客體驗性。針對中心軸傳統(tǒng)裝配方法的不足，本文提出了一種新的裝配方案。本文對新方案的結(jié)構(gòu)組成及使用新方案裝配中心軸的過程進行了簡單介紹，并對新方案頂平臺進行了受力分析、變形計算，以及說明了液壓油缸選擇。供同行參考。

【關(guān)鍵詞】過山車中心軸；裝配；受力分析；液壓油缸選擇

1 過山車中心軸裝配的傳統(tǒng)方法簡介

過山車在運行時中心梁與中心軸是主要受力部件，其受力復(fù)雜，工況惡劣，中心軸裝在中心梁內(nèi)，兩者的裝配質(zhì)量會直接影響過山車的平順性、安全性、游客體驗性。目前國內(nèi)過山車中心軸裝配主要使用設(shè)備供應(yīng)商提供的微動電動葫蘆，此方法無需特別工具，設(shè)備簡單，通用性強，但也存在不足：中心軸調(diào)整對位較困難，花費時間長，對操作人員的技術(shù)及經(jīng)驗要求高。如圖1所示。

圖1

圖2

2 過山車中心軸裝配的新方案簡介

新方案利用液壓傳動可無級調(diào)速的特點來實現(xiàn)中心軸裝配時的精確調(diào)整。如圖2所示，新方案分為兩大部分，第一部分為對中夾具，第二部分為升降臺。對中夾具裝在升降臺上，升降臺裝在過山車維修間的地坑內(nèi)。

對中夾具設(shè)置有細牙螺桿與軸向推桿。細牙螺桿從兩側(cè)夾緊中心軸并可精確調(diào)節(jié)中心軸的水平位置。軸向推桿將調(diào)整好的中心軸緩慢推入中心梁內(nèi)[1]。

升降臺承擔(dān)對中夾具及中心軸的重量，通過液壓油缸的升降可調(diào)節(jié)中心軸的豎向位置（用手動油泵驅(qū)動液壓油缸）。升降臺主要由頂平臺、底平臺、液壓油缸、手動油泵、導(dǎo)向機構(gòu)組成。2只液壓油缸裝在頂平臺及底平臺兩側(cè)的中間位置。導(dǎo)向裝置位于頂平臺的四角。頂平臺面上鋪裝有16mm鋼板，其上裝有磁力座和百分表，以中心梁底板為基準，可將頂平臺面找平。為使中心軸裝配順暢及達到所要求的裝配精度，經(jīng)測算，頂平臺面中心處的變形不宜超過0.8mm。

3 升降臺之頂平臺受力分析

3.1 載荷計算

考慮到頂平臺中心處的變形不宜超過0.8mm，頂平臺的鋼結(jié)構(gòu)采用抗彎能力好的H型鋼制造，初步選定 H型鋼尺寸為125x60，經(jīng)計算頂平臺自重為250kg，頂平臺自重在長度方向按均布載荷q計。

經(jīng)計算，對中夾具的重量為376kg，對中夾具對稱安裝在距頂平臺中心0.45m處，對中夾具作用在頂平臺上的載荷計為P1。

查詢過山車圖紙資料得知中心軸的重量為574kg，中心軸位于頂平臺中心處，中心軸作用在頂平臺上的載荷計為T[2]。

經(jīng)計算，作用在液壓油缸活塞桿端頭的支座反力F1=5.88KN。

3.2 受力分析圖

圖3

3.3 彎曲正應(yīng)力校核

H型鋼的材質(zhì)為Q235，其屈服強度為235MPa，取安全系數(shù)為2，則需用應(yīng)力[σ]=235/2=118MPa。

H型鋼的型號為125x60，查型鋼表得其慣性矩Iz=417cm4。到H型鋼中性層最遠距離y=125/2=62.5mm。

由上述受力分析圖可知最大彎矩M=3.23KN·M。

H型鋼所受的彎曲正應(yīng)力

由上可知？滓≤[？滓]，符合要求。

4 升降臺之頂平臺彎曲變形計算

由于要求頂平臺中心處的變形不宜超過0.8mm，有必要對頂平臺中心處的撓度進行計算。已知下列參數(shù)：慣性矩Iz=417cm4，彈性模量E=200GPa，總長L=1.54m，均布載荷q=1.59KN/m，載荷T=5.63KN，載荷P1=1.84KN，載荷P1距端點的距離b=0.32m。

4.1 均布載荷q在頂平臺中心處引起的撓度f1：

4.2 載荷T在頂平臺中心處引起的撓度f2：

4.3 載荷P1在頂平臺中心處引起的撓度f3：

4.4 頂平臺中心處的總撓度f=f1+f2+f3=0.07+0.26+0.31=0.64， 頂平臺中心處的總撓度f小于0.8mm，符合要求。

5 液壓油缸的選擇

根據(jù)維修間地坑底離過山車中心梁的距離，計算得到液壓油缸活塞行程為512mm， 設(shè)計用兩個液壓缸，左右各一個.

5.1 液壓油缸所受的載荷：

頂平臺自重=250kg；對中夾具重量為 376kg；中心軸重量574kg。動載系數(shù)取1.2。

單只液壓油缸所受的載荷

5.2 液壓缸活塞的運動速度

設(shè)計頂平臺上升到調(diào)整位置的時間為5秒， 則活塞的運動速度V =512/5=103 mm/s

5.3 液壓油缸功率

ηt——液壓缸的總效率，查詢《機械設(shè)計手冊》P19-205得ηt= 0.9×0.98×1.0=0.882

根據(jù)以上計算， 查《機械設(shè)計手冊》P19-199～206， 選擇如下液壓油缸：

類型——雙作用單活塞液壓油缸；液壓油缸內(nèi)徑——63mm；活塞桿直徑——36mm；行程——550mm。油壓——2.3MPa；理論推力——7.06KN；理論拉力——4.82KN；活塞速度——103mm/s。

5.4 活塞桿彎曲穩(wěn)定性驗算

活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力：

K——液壓缸安裝及導(dǎo)向系數(shù)， 查詢《機械設(shè)計手冊》P19-222表19-6-21得K = 4；LB——液壓缸支承長度，由圖可知：LB=1083 （mm）；E1——實際彈性模數(shù)，E1=1.80×105（N/mm2）；I——活塞桿橫截面慣性矩， I=0.049×d4=0.049×364=82301（mm4）。

則：

PK=3.14×3.14×1.80×105×82301×106/（4×4×1083×1083）=77.8×103N

活塞桿彎曲穩(wěn)定必須滿足如下條件：P1≤PK/Nk

P1 ——活塞桿受力， P1=7.06×103N；Nk——安全系數(shù)，取Nk=6

則： 7.06×103≤77.8×103/6=13×103，滿足要求。

6 結(jié)束語

綜上所述，采用本方案對過山車中心軸進行裝配，不僅調(diào)整方便，也可提高中心軸的裝配質(zhì)量，縮短中心軸的裝配時間，減輕維護人員的勞動強度。中心軸的裝配質(zhì)量提高，使過山車運行時更順暢，更安全，游客體驗更佳。

【參考文獻】

[1]成大先.機械設(shè)計手冊[S].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993.

[2]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.