过山车车轮缓；中吸振装置

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Abstract In this paper，the types，combinations and features of spring are analyzed by four examples，thebufer vibration absorbing device applied in the large-scale roler coaster wheel bearing system.The results Cal providesome references for the spring selection in the design ofbufer vibration absorbing device。

Keywords Large-scale amusement devices 、meel Spring1车轮支承系统的受力分析过山车是游乐园内-种极富刺激性的靠惯性滑行的游乐设施，列车在空间轨道上滑行，做直线加 (减)速运动和圆周运动。对车辆而言，在垂直平面内 (本文主要在垂直平面对列车在曲线轨道上运行的情况进行分析)将受到如图1所示的作用力 (视车辆为-质点)。

图1过山车在轨道上的受力分析其中mg为歹0车加乘各的重力 ，Q为轨遁对列车 的支反力；列车在曲线轨道的法向力平衡方程式为川Q-/Bgc - 0 (1)将式(1)变换-下，得到(号gc。s ) (2)这里r的值当圆心与列车同侧时取正值，反之取负值；Q的方向为由轨道垂直指向列车。

习惯上将式(2)与质量和重力加速度做比较，以重力g的倍数表示列车所受的加速度，本文简称法向加速度口 ，这样在考虑列车的动力学状态时可方便直观些，如下所示：詈cos ㈣在这里，列车受到的支反力实际上是由轨道首先作用在车轮上，然后再通过车轮支承系统传给车架；对乘客而言，则随列车-起运动，具有共同的加速度，受到座椅对其的支撑力，亦可用式(2)和式(3)表达，只不过在式(2)中的 以人体的质量表达。

列车在空间曲线轨道行驶时的运动方向和速度不断变化 ，相当于列车所受的轨道支反力在短时间内不断变化，即Q是-个变载荷，有时在极短时间内(0.01～ls)作用力的变化就可达5～6倍的静载荷，相当于受到-个冲击载荷，可用图2来描述列车运行-个循环的受力情况。-般当列车运行速度高于30km/h或轨道弯曲半径较小 (垂直面半径在10m以下)就应考虑在车轮支承系统中增加缓冲吸振装置，以避免乘客受到伤害以及保护车辆零部件。从人体的循环系统和脊椎承受能力看，-般在设计时将法向力加速度 控制在-1.7～6Z间。此外，若由于制造和安装原因引起轨置-装-振-吸-道局部微小突起、接头有高低差等，也将使列车受到附加的冲击，且列车运行速度愈高，其冲击将愈大 。

图2列车运行循环受力示意图2车轮支承系统中的缓冲吸振装置对速度较慢的小型过山车仅在车轮的铁芯外面包裹-层较软的轮缘材料(如橡胶、尼龙等)和在乘客的座椅及靠背上铺设软垫，可吸收部分频率高于10Hz的冲击，改善乘客的乘坐舒适性；对大型过山车因冲击载荷较大，还应在列车车轮支承系统中增加缓冲吸振装置。

过山车中的列车较多采用(n1)组轮对结构，即除尾车外，每节车辆只布置-对轮对，前节车的后轮与后节车的前轮共用-对轮对，尾车有独立的前后轮对。因此可近似地认为轨道对-节车辆的支反力全由-对轮对来承受，若不考虑侧向偏载的话，每侧轮轴近似承受-辆车辆的-半轨道支反力。大型过山车的列车行走支承系统大致分两种，-种是两侧车轮由半轴通过轮桥联接，在轮桥中装有弹簧达到缓冲吸振目的，以下简称半轴结构(见图3)；另-种是两侧车轮由-根横轴联接或直接固定在车底架上，这种结构简称轴套结构(见图4)。

∞[鱼图3半轴机构图4轴套结构本文主要讨论支承系统的缓冲吸振装置，在该装置中安装-些弹簧组作为主要缓冲吸振元件 。评价弹簧组的能力主要有三个，-是最大的工作极限承载能力；其二是缓冲能力，即弹簧要有足够的变形能来吸收车辆受到的冲击动能；三是具有吸振能力，即弹簧卸载时回弹与加载时弹簧的变形相比有-滞后效应，在弹簧特性图上加载曲线与卸载曲线间所包络的面积为弹簧吸收的能量。不过并不是所有的弹簧都有吸振特性，下例中的矩形螺旋弹簧就不具备这-特性。下面通过四个实例介绍-下缓冲吸振装置。

1)半轴结构。其结构为每节车辆的行走部件由-至两组轮对组成，每组轮对两侧各有-组半轴，-侧的车轮安装在半轴的-端，半轴的另-端铰接在车底架上，在半轴的中部 (不-定是平分点)装-至二组弹簧来达到缓冲吸振的目的。通过受力分析得知，弹簧组的载荷P将大于车轮受到的轨道支反力，两者的比值为a/b (比值-般在2～32间)；此外，由于结构安排的限制，安装弹簧的空间比较小，故-般要求弹簧的刚度较大，要求在弹簧变形较小的情况下能承受较大的载荷，同时要求旧能多地吸收冲击能量和减缓冲击的传递。

(1)选用矩形截面的螺旋压缩弹簧。其特性曲线很平直，且加载与卸载基本重合，与圆形截面的螺旋压缩弹簧相比，当外形尺寸相近时，前者由于材料体积比后者大，因而变形能也较大，也就是说弹簧的刚度较大。

例1：现有-装有矩形截面的螺旋压缩弹簧，其工作极限载荷为 20000N，此时的变形量为20.5mm，(车辆加人的)质量脚1 lookg，力臂a/ 2.77，由力的平衡 (见图3)可得到单侧最大的轨道支反力 (以下例子中均为-侧的车轮支反力)为：×鲁法向力加速度为 2 ga由上式可得法向力加速度G(zmax1.34。

(2)选用碟形弹簧。与螺旋压缩弹簧相比，碟形弹簧刚度大，结构紧凑。为获得足够的承载、缓冲和吸振能力的综合特性，-般采用多片碟簧叠合、对合的复合结构，这样既能满足最大的承载要求，又有-- ，vL定的变形量，使得有足够的变形能以降低轨道支反力对车辆及乘客的冲击。当i个碟簧叠合时，其承载能力提高i倍；而当171个碟簧对合时，其变形量就增50Hn倍；实际使用并不是简单地NDni倍和n倍的关系，由于在对弹簧加载和卸载时碟簧片与片之间及导杆、支承面将产生相对摩擦，损失部分能量，导致加载与卸载的刚度变化，这对吸收部分冲击是有利的；另在对合组合时碟簧的变形量将逐片减少；同时，碟簧片数愈多，加载时及卸载时的载荷下降愈多 (见图5)，故-般复合碟簧的片数不宜过多 。

p P图5蝶形弹簧加载和卸载曲线例2：缓冲吸振装置采用图5中a的复合形式 ，单片碟簧的工作极限载荷尸 ：。. ：1 5004N，变形量为0.84ram，质Im1100kg，力臂La/b2.77，类似上例。

例3：采用 图5中b的复合形式缓冲结构 ，但有并列的两组 ，相当于两组弹簧的并联，单片弹簧的工作极限载荷尸h：0l731270N，变形量为1.19ram，质量171200kg，力臂a/b2.13，则可得法向力加速度ax-4.99。

以上三个缓冲结构均只能承受垂直方向的力，实际使用过程中由于轨道的高低不平整 (如轨道接缝的高低、轨道弯曲时的变形等)以及轨道弯曲的曲率变化等原因，列车在运行时车轮还可能受到前后方向的作用力，上述的半轴结构中的矩形弹簧和碟形弹簧均不能承受径向力，因此在半轴的前后侧 (即弹簧的径向)安装定位装置以承受侧向的冲击力。

2)采用轴套结构能承受各个方向的冲击，且在径向其承载能力相同 (见图4)。该结构以橡胶作弹性元件，将橡胶加工成轴套形式套在车轮轴上 (见图6)，这样轨道对车轮的支反力就通过橡胶这-缓冲吸振单元将车轮与车厢隔离开来。由于每个车轮都单独装有橡胶轴套，因此每个车轮都有-微小的浮动。橡胶轴套与矩形弹簧和碟形弹簧相比，虽然橡胶的弹性模量较小 (仅为钢的弹性模量1/25000)，但其安装尺寸限制小，材料体积可做得大-点，且数量可多-些 (如对-侧车轮而言，-个车轮轴的两端可各装-个，两个车轮就相当于4个橡胶弹簧并联)。另外，弹簧轴套直接安装在轮轴处，车轮的支反力与弹簧作用在同-处，故不存在力臂关系；此外橡胶弹簧还有如下特点：(1)可以很方便地加工成所需的形状。

(2)橡胶弹簧的刚度调整很方便，毋需改变弹簧外形尺寸，只需调整橡胶的硬度，即可在-定范围内(可达2.5倍左右)获得不同的弹簧刚度以适应不同的诚。

(3)橡胶是-种粘弹性体，表现为受到冲击载荷时其应变远滞后于应力，因而其动态弹性模数比静态弹性模数大，它随冲击频率、振幅、温度和橡胶硬度而变化。

(4)由于橡胶变形时内部摩擦而产生阻尼，能有效消除高频振动和吸收较大的冲击载荷，因而具有良好的缓冲吸振性能，但内部摩擦也产生了部分热量，由于橡胶是热的不良导体，使橡胶温度升高而导致刚度下降和耐久性降低。

(5)采用多片复合组合时，变形时片与片之间存在摩擦，有能量损耗，有利于吸收冲击载荷。

例4：为-车辆的车轮支承系统采用轴套结构的缓冲吸振装置(见图4和图6)，则其支反力可表示为：旱：4： 2×4 /啷 mg 。

其中冲击工作极限载荷 7213N，质量 1100kg，则法向力加速度 5.35。

图6橡胶轴套加载卸载曲线 熙1水冷壁的作用与结构型式沈 渊 南京奥能锅炉有限公司1.1作用从锅炉的发展史看，对于亚临界压力以下的汽包锅炉的水冷壁是为了保护炉墙，降低它的温度，提高锅炉的运行可靠性，而今天已经成为锅炉的主要蒸发受热面。

水冷壁置于炉膛的四周内壁、紧贴着炉墙连续排立 ，基本上呈立式布置，-般由光管或鳍片管组成。

水冷壁的作用主要有：1)保护炉墙，减少煤融渣和辐射的高温对炉墙的破坏作用。锅炉装设了水冷壁后，炉墙的内壁温度大大降低，炉墙的厚度可减小，外墙的壁温可大大降低，使锅炉的散热损失q 减校2)火焰对水冷壁的辐射传热已成为锅炉传热的重要方式。辐射传热与绝对温度的四次方成比例 ，炉内的火焰温度很高，因而水冷壁的辐射换热很强烈，水冷壁的吸热量，在工业锅炉中的吸热比例很大，它已经成为工业锅炉设计的关键部件。

3总结1.2水冷壁结构型式在锅炉的水冷壁设计中，主要有光管水冷壁和膜式水冷壁二种(见图1所示)。对于膜式水冷壁，它-般是由光管和相近材料的扁钢焊接而成，由于是-个 连续”的钢制结构，可基本避免砖墙或预制材料(耐火材料)与火焰面的接触 ，可减轻砖墙和保温材料的热负荷和重量 ，光滑和温度较低的金属表面不宜使炉墙结焦，所以很多的锅炉制造企业广泛的使用膜式壁的形式。

a)光管水冷壁前述四个例子适用的列车最高运行速度可根据物体的曲线运动方程获得，因列车所受的向心力与该列车的运动轨迹及速度有关，结合式 (1)和式 (2)，为方便计算，取a0，得向心力F为Fmv/ra- lmg， az 1v/gr (10)当r19.7m时，4种弹簧结构对应的车辆最高速度分别为8.1lm/s(29.2km/h)、19.71m/s(71km/h)、27.77m/s(100kin/h)及28.99m/s(104.4kin/h)。

以上简要分析了现有的集中过山车的车轮支承缓冲吸振装置，据此也可以作为设计该装置时的参考。首先可以根据列车在曲线轨道垂直面的最大向心力推算出；轨道对车轮的支反力及法向加速度，然后针对不同的支承结构根据力的平衡换算到弹簧的最大承载能力，参考法向加速度的大小，选取不同的弹簧组合，设计出较好的支承结构。