P24架空游覽車轉向架設計及分析

摘 要：電力單軌架空游覽車與跨座式單軌交通車輛相比，具有更小的轉彎半徑、更大的爬坡度、較低的運行速度、較輕的自重及載重，因此必須對車輛的轉向架進行專項設計，本文以P24電力單軌架空游覽車為對象，通過結構設計和受力分析，提供了一套完善的轉向架設計方案。

關鍵詞：單軌;游覽車;轉向架;ANSYS

1 引言

隨著我國旅游行業(yè)的蓬勃發(fā)展，電力單軌架空游覽車也先后在張家界十里畫廊等景點落地運營，并深受游客喜愛，有較高的投資回報率。

電力單軌架空游覽車的車輛結構、原理與跨座式單軌交通車輛有一定的相似之處，同時又有三個主要方面的不同：1）架空游覽車多運行在旅游景區(qū)，環(huán)境復雜、建設施工困難，往往需要車輛具有更大的爬坡度、更小的轉彎半徑、更輕的重量等要求;2）作為游覽車輛用，運行速度低（一般在10～40km/h）;3）軌道梁多采用鋼板焊接成箱形梁截面，其截面形式多不同于混凝土PC梁。因此該轉向架與跨坐式軌道交通車輛轉向架也有較多區(qū)別。

2 現(xiàn)狀分析

目前電力單軌車轉向架結構多采用以P6、P8車型為代表的鉸接式的結構，即將轉向架布置在相鄰兩節(jié)車輛中間，承擔來自相鄰車輛的垂向、橫向、縱向等載荷。這種結構最大的優(yōu)點式轉向架數(shù)量少，同時車輛地板可以做到最低。

但該結構有兩個主要缺點：1）大多需要在轉向架和車廂中間設置一組底架，用于在底架和車廂之間安裝減震懸掛裝置，如此該類車輛在維修時，拆解及安裝較為麻煩;2）不易做到自由編組，該類結構的車輛比功率會隨著編組數(shù)量的變化而變化，列車的動力性能會隨著編組數(shù)量的變化而變化。

3 P24型電力單軌架空游覽車轉向架設計

3.1 主要方案確定

P24電力單軌架空游覽車，每節(jié)車廂載客24人，根據(jù)客流量可實現(xiàn)3～6編組。每節(jié)車輛車廂部分采用輕質材料，具有整車重量輕等特點。

P24車輛單節(jié)車廂長度尺寸約6m，長度尺寸上允許每節(jié)車輛配置兩臺轉向架。

根據(jù)整車參數(shù)設計，P24滿載軸荷單個轉向架承載約5.5t，載荷較小。通過單、雙軸轉向架研究對比分析，雙軸轉向架在彎道時走行輪法向與線路徑向會產(chǎn)生一個轉向夾角α，轉向夾角α的存在會致使轉向架在過彎時走行輪會發(fā)生橫向滑動，轉向夾角越大橫向滑移量越大。轉彎半徑越小，雙軸轉向架的轉向夾角越大，轉向架過彎阻力越大，走行輪胎的磨損也快;而電力單軌架空游覽車又有轉彎半徑小的要求（目前最小轉彎半徑在25m左右），因此雙軸轉向架也就不適合電力單軌架空游覽車，因此該車型選擇單軸轉向架方案。

3.2 主要結構設計

P24轉向架構架采用Q355D鋼板焊接后加工而成，具有較好的工藝性，同時保證轉向架結構的精度。

P24轉向架四角各布置一組導向輪機構，迫使轉向架沿線路走向行駛，轉向架下方左右各設一組穩(wěn)定輪，其與導向輪、走行輪一起形成穩(wěn)定力矩，抵抗轉向架在過彎等工況下產(chǎn)生的側傾力矩，保證轉向架的側傾穩(wěn)定性。

單軸轉向架懸掛裝置往往比較復雜，為了更加適合電力單軌架空游覽車，在P24構架上面四角位置設置四組彈簧減震裝置，彈簧頂部與車廂底架接觸面采用尼龍滑板，減少車輛在過彎時車架與彈簧之間的摩擦力。四組彈簧可根據(jù)車廂載荷的變化，進行負載不斷重新分配，與抗側滾扭桿一起形成抵抗俯仰、側滾等的力矩，保證車廂在車輛運行過中的穩(wěn)定性，同時也使轉向架保持穩(wěn)定的姿態(tài)。在轉向架前后位置各設置一組限位拉桿，防止車輛在振動過程中彈簧跳脫。轉向架同時還設置有抗蛇行、垂向減震器，保證車輛在運行過程中的舒適性。

單軸轉向架的牽引裝置與雙軸轉向架有很大的不同，雙軸轉向架一般采用芯盤或錐形橡膠堆牽引，保證彎道牽引時轉動中心與轉向架幾何中心重合。單軸轉向架由于中心位置布置有驅動輪，無法采用上述思路牽引，因此該單軸轉向架采用放大桿系實現(xiàn)彎道牽引時轉向架與車廂的轉動中心在轉向架中心附近，保證車輛有良好的通過性。由于懸掛部分已經(jīng)保證了轉向架的穩(wěn)定性，因此可采用單桿系實現(xiàn)牽引功能。

和跨座式單軌交通車輛一樣，該轉向架也配置了安全輪，用于走行輪胎壓不足或爆胎時，保證車輛能夠順利拖回，也可采用含橡膠支撐的走行輪，同樣具有該功能。

4 構架強度分析

4.1 載荷分析

構架是轉向架的主要承載結構，主要承擔車輛的垂向、縱向、橫向的力載荷及各種力矩。這些載荷一是來自車廂自重及載重的垂向載荷，該載荷在慣性力的影響下在轉向之間會發(fā)生偏移;二是車輛的慣性力，車輛在彎道、啟動加速及緊急制動時產(chǎn)生的慣性力及相關力矩;三是在風載、偏載等影響下的傾覆力矩。

4.2 工況分析

根據(jù)車輛在整個運行過程中的狀況分析確定，車輛在運行過程中存在以下兩種極限工況：

工況一：在橫風風速15m/s的環(huán)境下，列車滿載狀態(tài)在彎道處（速度15km/h）緊急制動。

工況二：在橫風風速15m/s的環(huán)境下，列車偏載狀態(tài)在彎道處（速度15km/h）緊急制動。

通過車輛多體動力學計算，布置在車輛前端的轉向架載荷較大，該轉向架構架兩種工況下的外部載荷如下表（取沖擊系數(shù)k=1.2）：

利用ansys軟件，建立構架的有限元模型，網(wǎng)格劃分采用殼單元，針對上述工況分別加載邊界條件進行計算，計算是考慮轉向架自身的重力、及慣性力，得到結果如下：

構架采用Q355D，根據(jù)GB8408-2018要求，許用應力為，工況一最大計算應力為，工況二最大計算應力為，因此該結構強度滿足標準要求。

5 結論

該轉向架的設計具有較強的針對性，有效解決鉸接式轉向架在較大載客量的電力單軌架空游覽車輛上的不足，滿足P24型電力單軌架空游覽車的線路及使用要求。且經(jīng)過計算分析該結構設計安全可靠。架空游覽車作為正在蓬勃發(fā)展的大型游樂設施，該轉向架具有結構簡單，轉彎半徑小、安全舒適，對架空觀光游覽車的發(fā)展和創(chuàng)新具有一定的參考意義。

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作者簡介：張寧（1979-），男，陜西寶雞人，本科，高級工程師，研究方向： 新型城軌交通系統(tǒng)工程車輛機械結構研究與設計。