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，其受力復雜，工況惡劣。中心軸裝在中心梁內，兩者的裝配質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。本文對新方案的結構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，其受力復雜，工況惡劣，中心軸裝在中心梁內，兩者的裝配質量會直接影響過山車的平順性、安全性、游客體驗性。目前國內過山車中心軸裝配主要使用設備供應商提供的微動電動葫蘆，此方法無需特別工具，設備簡單，通用性強，但也存在不足：中心軸調整對位較困難，花費時間長，對操作人員的技術及經驗要求高。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速的特點來實現中心軸裝配時的精確調整。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。

對中夾具設置有細牙螺桿與軸向推桿。細牙螺桿從兩側夾緊中心軸并可精確調節中心軸的水平位置。軸向推桿將調整好的中心軸緩慢推入中心梁內[1]。

升降臺承擔對中夾具及中心軸的重量，通過液壓油缸的升降可調節中心軸的豎向位置（用手動油泵驅動液壓油缸）。升降臺主要由頂平臺、底平臺、液壓油缸、手動油泵、導向機構組成。2只液壓油缸裝在頂平臺及底平臺兩側的中間位置。導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，頂平臺的鋼結構采用抗彎能力好的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 彎曲正應力校核

H型鋼的材質為Q235，其屈服強度為235MPa，取安全系數為2，則需用應力[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：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

設計頂平臺上升到調整位置的時間為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《機械設計手冊》P19-205得ηt= 0.9×0.98×1.0=0.882

根據以上計算， 查《機械設計手冊》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 活塞桿彎曲穩定性驗算

活塞桿彎曲失穩臨界壓縮力：

K——液壓缸安裝及導向系數， 查詢《機械設計手冊》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，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，取Nk=6

則： 7.06×103≤77.8×103/6=13×103，滿足要求。

6 結束語

綜上所述，采用本方案對過山車中心軸進行裝配，不僅調整方便，也可提高中心軸的裝配質量，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.機械設計手冊[S].北京：化學工業出版社，1993.

[2]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2004.