【文章內(nèi)容簡介】 表41 軌道參數(shù)表名稱字母數(shù)值軌道寬度H待確定空心型鋼截面積E需參照校核結(jié)果與國外經(jīng)驗值確定空心型鋼壁厚t4mm（國外經(jīng)驗值）每段軌道長L3500mm車頭和貨車車廂的輪間距W1000mm每個貨車車廂輪組之間的距離N2000mm每節(jié)車身長度2500車頭長度800支撐點之間的跨度l1500mm圖41 單軌車車道受載情況圖從圖41中單軌車軌道的受載分析可以知道，軌道每兩個支撐點之間最多可以同時承載一組貨車車廂行走和車頭，因此設(shè)計時按照最大承載能力設(shè)計，如果運輸需要增加貨車車廂時保證軌道的承載能力在安全范圍，軌道不必要進行重新鋪設(shè)和改進，從而節(jié)省設(shè)計費用。當運行到如圖41所示的位置時，假設(shè)每節(jié)貨車的重心都在車廂的幾何中心，車頭的重心在車頭車輪組的中心，圖42所示是軌道所受載荷的簡化圖，每節(jié)軌道可以簡化為兩端固支的梁，除摩擦力以外由于軌道受到的都是平行于軌道橫截面的載荷，因此軌道只要滿足剪切強度和彎曲強度要求即可。圖42 軌道兩支撐點間受力分析圖根據(jù)專用單軌車的技術(shù)說明，每節(jié)貨車自重100kg，每節(jié)最大承載能力500kg，車頭重150kg，那么在不考慮振動沖擊的情況下，:∑=0, (b+e)+ e一 (a+b+e)=0∑=0, (a+b+e)a (a+b)=0 (41)其中各參數(shù)表示變量如表42所示。表42各參數(shù)表示變量貨車車廂自重和載重量之和支撐點A的支撐反力單軌車車頭自重支撐點B的支撐反力通過求解方程(4l)可以得到軌道兩個支撐點A、B兩點的支撐反力分別為： =[（b+e）+e]/l =[a+（a+b）]/l （42）以軌道的左支撐點A為坐標原點，選取坐標系如圖42中所示。來自于貨車車廂行走部幾何中心的集中力P2作用于點C，來自于單軌車車頭的自重力P1作用于D點。軌道在AC、CD、DB三段內(nèi)的剪力Q和彎矩M不能用同一方程式來表示，應(yīng)分段考慮，在AC段內(nèi)取距離原點為x的任意截面，截面以左只有外力RA，根據(jù)剪力和彎矩的計算方法和符號規(guī)則，求得這一截面上的Q和M分別為:Q(x)=（e+b+e）/l (0xa) (43)M(x)=（e+b+e)x/l (0=x=a) (44)這就是在AC段內(nèi)的剪力方程和彎矩方程。如在CD段內(nèi)取距離左端為x的任意截面，則截面以左有和兩個外力，截面上的剪力和彎矩是：Q(x)=(e一a)/l (ax(a+b)) （45）M(x)=(e一a)x/l+a (a=x=(a+b)) （46）這就是在CD段內(nèi)的剪力方程和彎矩方程。如在DB段內(nèi)取距離左端為x的任意截面則截面以左有和、和三個外力截面上的剪力和彎矩是：Q(x)=(e一a一l)/l ((a+b)xl) （47）M(x)=(e一a一l)x/l+a+(a+b) ((a+b)=x=l) （48）依此方法即可求得整段軌道的剪力和彎矩圖分別如圖43和圖44中所示。圖43 軌道兩個支撐點之間軌道的剪切力圖圖44 軌道兩個支撐點之間軌道的受載彎矩圖圖41中，e是單軌車頭行走部幾何中心輪支撐中心距軌道右端支撐點的距離∣BD∣。由式(43)可知，在AC段內(nèi)軌道的任意橫截面上的剪力皆為常數(shù)[(P1+P2)e+Pl]/，且符號為正，所以在AC段內(nèi)(0xa)，剪力圖在x軸上方且平行于x軸的直線(圖43)。同理，可以根據(jù)式45)和式(47)作CD段內(nèi)和DB段內(nèi)的剪力圖如圖42中所示。從剪力圖中可以看出，當單軌車貨車車廂行使到右端輪支撐中心距離軌道左端為a=(此時e=)，最大剪力為∣Q∣max=[(P1+P2)+P1]/。根據(jù)圖43可以得到軌道承受的最大剪力為Q=[(P1+P2)+Pl]/，根據(jù)強度要求軌道承受的最大剪切應(yīng)力應(yīng)該滿足如下的剪切強度要求:t=Q/E=[(+)+ ]/()[t] (49)其中，Pl=6000N（g取10N/m178。）是貨車車廂施加給軌道的集中力載荷。P2=1500N是車頭施加給軌道的集中力載荷。E是空心正方形軌道的型鋼截面面積。[t]=147MPa是軌道材料的許用剪切應(yīng)力。則根據(jù)式(49)可以得到滿足剪切條件的最小空心型鋼截面面積為E=178。，考慮到單軌車運行的穩(wěn)定性和軌道的磨損特性，借鑒國外經(jīng)驗和空心型鋼的標準，選取寬度H=80mm，壁厚t=4mm，截面積E=178。的空心型鋼作為單軌車軌道，則t=[t]，因此設(shè)計寬度滿足剪切強度要求。[12]根據(jù)圖44可以得到當e=(8Pl+9P2)/(12(Pl+P2))時，軌道承受的最大彎矩為W=(4P1178。+81P2178。+84P1P2)/[96(P1+P2)]，根據(jù)強度要求，軌道承受的最大彎曲應(yīng)力應(yīng)該滿足如下的彎曲強度要求:s=W/E=(4178。+81178。+84)/[96E(+)][s] (410)式(410)中，Pl=6000N（g取10N/m178。）是貨車車廂施加給軌道的集中力載荷。P2=1500N是車頭施加給軌道的集中力載荷。E是空心正方形軌道的型鋼截面面積。[s]=315MPa是軌道材料的許用彎曲應(yīng)力。則根據(jù)式(410)可以得到滿足彎曲條件的最小空心型鋼截面面積為E=178。，當取寬度H=80mm，空心型鋼壁厚t=4mm，軌道截面積E=178。時s=[s]，因此設(shè)計軌道同樣也滿足彎曲強度要求。綜上所述，為了保證單軌車的運行安全，滿足剪切和彎曲許用應(yīng)力，單軌車的軌道寬度在設(shè)計時選取寬度為H=80mm，可以借鑒外國經(jīng)驗，截面積為E=178。，壁厚t=4mm的空心型鋼。單軌車是依靠車體和軌道之間的嚙合來實現(xiàn)行走的，嚙合機構(gòu)直接關(guān)系著單軌車運行的平穩(wěn)性能和安全性能。另一方面，單軌車和軌道嚙合機構(gòu)的設(shè)計也直接影響著單軌車機構(gòu)的設(shè)計成本，因為單軌車機構(gòu)對單軌車其它附屬機構(gòu)都有著重要的影響。專用單軌車和軌道采用齒輪嚙合機構(gòu)。分析原因，主要是考慮到采用齒輪嚙合機構(gòu)能夠提高單軌車的運行可靠性，制動安全性能以及驅(qū)動性能等。尤其是對于爬坡狀態(tài)的單軌車，采用齒輪嚙合機構(gòu)便于控制其運行的速度，而且齒輪機構(gòu)的傳力性能好，不容易失效。此外，采用齒輪嚙合機構(gòu)可以防止由于單軌車在爬坡狀態(tài)重心的變化導致單軌車出現(xiàn)影響正常運行的打滑現(xiàn)象。單軌車和軌道上表面采用齒條和齒輪嚙合方式，齒條上的嚙合齒，采用厚度為6mm的鋼板冷壓造型，焊接在單軌車的下軌道面上。嚙合齒輪采用如圖45中所示的結(jié)構(gòu)，每個嚙合輪上均勻布置24個圓柱“齒”，這樣單軌車和軌道下表面的嚙合機構(gòu)就是圓柱和面的接觸問題，容易保證嚙合中是線性接觸，從而減小了嚙合的不穩(wěn)定性，可以減小嚙合中的噪聲和振動問題，從而可以增加單軌車運行的平穩(wěn)性。圖45 嚙合齒輪結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求單軌車的整機總重為250kg，最大載重量為500kg，假設(shè)單軌車在水平軌道上運行，則此時所有內(nèi)外載荷都垂直作用在軌道上，因此在單軌車上嚙合輪和軌道之間的摩擦系數(shù)一定的條件下，此時驅(qū)動單軌車運行的牽引力最大，由于整個單軌車是靠軌道上嚙合齒輪和軌道齒條的嚙合力驅(qū)動，因此此時也即是單軌車的嚙合齒輪受載最大。由于嚙合“齒”是圓柱，假設(shè)同一時刻只有一個圓柱“齒”參與嚙合，也即是所有載荷都有一個圓柱“齒”承載。假設(shè)圓柱的直徑為d，材料為45號鋼，材料的許用剪切應(yīng)力為[t]=166MPa，齒條寬度為B，則圓柱“齒”的強度應(yīng)該滿足以下條件:4F/pd178。=[t] (411)式(411)中，F(xiàn)為單軌車和軌道之間的摩擦力，由于單軌車和軌道之間的摩擦為滾動摩擦，滾動摩擦系數(shù)扮=，因此F=f(Pl+P2)。p為齒距，有周長=πd=zp，所以p=πm=πd/z。因此通過式(411)就可以求出圓柱“齒”，考慮到載荷的不穩(wěn)定性和安全性，設(shè)計中最小直徑取d=15mm。[13]單軌車的軌道支撐機構(gòu)位于軌道與地面之間，起到支撐軌道、穩(wěn)定軌道的作用。軌道的支撐機構(gòu)主要是由支撐立桿和支撐斜桿構(gòu)成。針對山林地運輸?shù)奶攸c，軌道式運輸車為一甚佳的運輸交通工具。本文設(shè)計的專用單軌車是一種非常便利的單軌運輸設(shè)備，最大的特點就是單軌車的軌道鋪設(shè)非?？旖荼憷?，不受地形限制，可以到達任何能夠鋪設(shè)軌道的地方。單軌車的軌道在架設(shè)時，每個支撐點有兩個或者三個圓型鋼管支撐，其中直立鋼管起主要支撐作用，稱為支撐桿，其上和軌道相連接，其下與直徑80mm的止沉盤相連。立桿旁有一個或兩個圓管，稱為斜桿，其上與直桿用絲扣鉸接，其下與一個80mm的止沉盤鉸接，保證軌道在受載時不發(fā)生下沉和偏移。根據(jù)上述軌道的假設(shè)特點，單軌車的軌道在架設(shè)時并不會妨礙植被的生長，和傳統(tǒng)的搬運車輛相比，無需辟地筑路，因此不會造成地面破壞，也不需要占用更多的林地面積。單軌車和索道相比，軌道鋪設(shè)費用較低，走向靈活，而索道卻只能做定點運輸，且架設(shè)費用較高，維修困難且成本高。根據(jù)單軌車軌道的鋪設(shè)要求，在保證單軌車運行安全的情況下，鋪設(shè)軌道時使軌道和地面之間保持一定的距離，以保護地面不被破壞。根據(jù)已有的國外單軌車軌道鋪設(shè)經(jīng)驗，保證運行的單軌車和地面之間保持300500mm的距離，考慮單軌車軌道樁基的承載力與樁長的關(guān)系，因此設(shè)計中取支撐立桿的長度為1500mm，鋼管為熱軋無縫鋼管，直徑取32mm，壁厚為5mm，材料為Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，其許用擠壓強度應(yīng)力為[s]sb=235MPa，材料的許用剪切強度應(yīng)力[t]=110MPa，正常運行情況，斜桿受壓，立桿主要受扭轉(zhuǎn)載荷和壓力載荷，則如果正常運行情況下應(yīng)該滿足以下擠壓和彎曲強度條件：S=F/(p(178。178。))=6050/(p(178。))==[s]sbt=w/(P(178。178。))=6050*(P(178。178。))==[t] (412)從上面的校核中可以看出，立桿和斜桿都滿足要求，在有橫向載荷作用情況下，由于斜支撐桿兩側(cè)受力都能滿足要求，因此同樣可以保證單軌車運行的安全可靠性。支撐立桿是支撐機構(gòu)的主要受載構(gòu)件之一，單軌車在軌道上運行時，載荷主要由支撐立桿承載。單軌車的支撐架固定在軌道的一側(cè)，支撐斜桿起到固定支撐立桿的作用。只有在軌道受到橫向載荷時，支撐斜桿才一作為主要受載構(gòu)件之一，主要承受橫向載荷帶來的壓力。如果不考慮單軌車的振顫和轉(zhuǎn)彎時慣性力的影響，則安裝一個斜支撐桿就可以滿足受載要求。但單軌車在運行中往往會因為振顫和受到外部橫向載荷的作用，比如運動過程中重心的改變，轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的橫向離心力，這種情況下斜支撐桿1有可能承受受拉載荷，由于止沉盤的下端是靠釘入地面下面的鋼管固定的，因此可以承受較大的壓力載荷，而承受拉力載荷時安全性就難以保證，因此這時候如果在另一側(cè)布置一個斜支撐桿2就可以避免這種情況的發(fā)生。此外，因此為了避免單軌車軌道的變形失效，每個支撐裝置都應(yīng)該安裝在軌道的對接部位附近，支撐立桿和軌道之間依靠螺栓連接，為了保證連接的可靠性，支撐立桿和軌道的連接部位外面固定一個套筒，增加連接的剛度，套筒和立桿之間依靠螺釘定位。支撐斜桿的作用主要是防止軌道發(fā)生傾斜，當單軌車受到外力作用而發(fā)生擾動時，裝載后發(fā)生重心偏移，或者在單軌車行駛中轉(zhuǎn)彎受到橫向慣性力作用時，都可能導致單軌車的重心發(fā)生擾動致使軌道受到橫向載荷，從而會使軌道發(fā)生傾斜。支撐斜桿的安裝可以避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，從而保證單軌車運行的安全性。由于單軌