具有雙重減振功能的新型客運(yùn)纜車的研制

劉　敏　徐小溪　邵　揚(yáng)

1　武漢理工大學(xué)物流工學(xué)院　2　武漢市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所

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具有雙重減振功能的新型客運(yùn)纜車的研制

劉敏1徐小溪1邵揚(yáng)2

1武漢理工大學(xué)物流工學(xué)院2武漢市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所

基于現(xiàn)有客運(yùn)纜車存在的振動(dòng)強(qiáng)、噪聲大等缺陷的現(xiàn)狀，提出具有雙重減振功能的客運(yùn)纜車設(shè)計(jì)方案。該方案主要包括鋼絲繩隔振器和橡膠彈簧的減振設(shè)計(jì)，目前完成了減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及減振設(shè)備選型，并制造出了纜車樣機(jī)。通過(guò)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了其運(yùn)行過(guò)程中的平穩(wěn)性和良好的減振降噪效果。

客運(yùn)纜車； 雙重減振； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

客運(yùn)纜車作為大水位差斜坡道碼頭乘客上下船的主要工具[1]，在節(jié)省旅客上下船及碼頭滯留時(shí)間方面貢獻(xiàn)突出。

目前，長(zhǎng)江沿岸所使用的客運(yùn)纜車均采用轎廂與纜車架直接焊接、纜車車輪與小車架直接連接的形式，地面不平整而產(chǎn)生的振動(dòng)則直接傳遞給載客轎廂，極大地降低了乘客的舒適度。因而，如何有效地削弱機(jī)械設(shè)備在使用過(guò)程中的振動(dòng)和噪聲已成為業(yè)內(nèi)人士研究熱點(diǎn)[2]，以求提高內(nèi)河客運(yùn)纜車設(shè)計(jì)、研制能力。本文介紹了以提高乘客舒適度、安全性為目的而研制的具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的雙重減振新型纜車。

1　新型纜車總體設(shè)計(jì)

由于我國(guó)內(nèi)河碼頭水位差較大，船體到出站口的距離較長(zhǎng)，同時(shí)長(zhǎng)江沿岸土質(zhì)較疏松，易致鋪設(shè)好的纜車鋼軌變形，這些均會(huì)使得纜車的運(yùn)行軌道高低不平，以致存在較大振動(dòng)和噪聲。

基于現(xiàn)有客運(yùn)纜車存在的振動(dòng)強(qiáng)、噪聲大的缺陷，筆者提出了客運(yùn)纜車雙重減振設(shè)計(jì)思想：鋼絲繩隔振器減振和橡膠彈簧減振。新型纜車總體方案見圖1。

具有雙重減振功能的新型客運(yùn)纜車主要由纜車架、行走機(jī)構(gòu)、轎廂、牽引輪、水平輪、梯子平臺(tái)、鋼絲繩隔振器以及橡膠彈簧8部分組成。纜車架為纜車的主要承載機(jī)構(gòu)，其他各結(jié)構(gòu)均與之連接。為避免運(yùn)輸不便，纜車架采用分離式設(shè)計(jì)，各部分在安裝現(xiàn)場(chǎng)采用法蘭連接。行走機(jī)構(gòu)與運(yùn)行軌道接觸，其車輪采用能夠吸振的球墨鑄鐵制造，承受整個(gè)纜車及乘客的重量。牽引輪為纜車的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，通過(guò)鋼絲繩同岸邊電動(dòng)機(jī)相連，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力通過(guò)鋼絲繩牽引纜車上下作業(yè)。水平輪安裝于纜車架上，在出現(xiàn)偏軌情況時(shí)同運(yùn)行軌道接觸，通過(guò)接觸力糾正纜車行走路徑，保證沿預(yù)設(shè)軌道運(yùn)行，避免啃軌。梯子平臺(tái)為乘客上下纜車的主要工具，按照安全要求設(shè)計(jì)。

客運(yùn)纜車的減振功能主要通過(guò)鋼絲繩隔振器和橡膠彈簧實(shí)現(xiàn)，此部分為新型客運(yùn)纜車減振降噪的核心構(gòu)件。鋼絲繩隔振器置于轎廂和纜車架之間，纜車運(yùn)行或啟制動(dòng)中發(fā)生沖擊時(shí)，沖擊載荷傳遞給鋼絲繩隔振器，鋼絲繩隔振器通過(guò)上下振動(dòng)及前后搖晃，過(guò)濾掉較強(qiáng)沖擊。橡膠彈簧置于行走機(jī)構(gòu)內(nèi)，用于連接行走輪和行走機(jī)構(gòu)支架，通過(guò)鋼絲繩隔振器過(guò)濾后的沖擊由橡膠彈簧上下振動(dòng)進(jìn)一步過(guò)濾，雙重減振保證了乘客的舒適度。

2　鋼絲繩隔振器減振設(shè)計(jì)

2.1鋼絲繩隔振器選型

客運(yùn)纜車在運(yùn)行過(guò)程中具有振動(dòng)頻率低、工作環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，同時(shí)受地勢(shì)影響，內(nèi)河港口纜車軌道常出現(xiàn)不平整現(xiàn)象，導(dǎo)致纜車運(yùn)行中顛簸較厲害。為較好地滿足客運(yùn)纜車在行走過(guò)程中的減振要求，在纜車架和轎廂間加裝了海軍工程大學(xué)設(shè)計(jì)并制造的HGGS型不銹鋼鋼絲繩隔振器。該隔振器特有的非線性特性使其對(duì)低頻振動(dòng)有優(yōu)良的隔振效果，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航天等行業(yè)的減振降噪，能較好地達(dá)到減振效果[3]。HGGS型不銹鋼鋼絲繩隔振器外形見圖2。

圖2　HGGS-1200型不銹鋼鋼絲繩隔振器外形圖

HGGS型不銹鋼鋼絲繩隔振器技術(shù)參數(shù)見表1。

客運(yùn)纜車轎廂自重為19 600 N；有效載荷(超載1.2倍)為60 328.8 N。因此，鋼絲繩隔振器所承受的載荷為79 928.8 N。由實(shí)際情況可得，鋼絲繩隔振器的主要承載方向及振動(dòng)方向?yàn)閆方向，據(jù)表1可知，在此方向上單個(gè)鋼絲繩隔振器承受軸向額定載荷為12 000 N。按軸向載荷計(jì)算出不銹鋼鋼絲繩隔振器的數(shù)量為：79 928.8/12 000=6.66個(gè)。

表1　HGGS型不銹鋼鋼絲繩隔振器技術(shù)參數(shù)

為保證纜車運(yùn)行的安全性，防止由于其中某個(gè)鋼絲繩隔振器損壞導(dǎo)致纜車整體癱瘓，預(yù)留一定的設(shè)計(jì)余量，選擇HGGS型不銹鋼鋼絲繩隔振器個(gè)數(shù)為8個(gè)。

2.2鋼絲繩隔振器布置形式

客運(yùn)纜車的沖擊振動(dòng)主要來(lái)源于3方面：運(yùn)行過(guò)程中的上下振動(dòng)、啟動(dòng)制動(dòng)過(guò)程中的前后振動(dòng)及側(cè)面風(fēng)載時(shí)的左右振動(dòng)。

考慮振動(dòng)形式及承載能力，設(shè)計(jì)鋼絲繩隔振器分布如圖3所示，通過(guò)螺栓分別同纜車架和轎廂下底板固定。該分布保證纜車架前、后、左、右各有3個(gè)鋼絲繩隔振器，中間橫梁上有2個(gè)鋼絲繩隔振器。在運(yùn)行過(guò)程中由于軌道不平整等因素產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，由8個(gè)鋼絲繩隔振器共同承擔(dān)；當(dāng)纜車啟制動(dòng)時(shí)，轎廂前后搖晃產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊主要由前后6個(gè)鋼絲繩隔振器承擔(dān)；當(dāng)側(cè)面存在風(fēng)載荷時(shí)，轎廂左右搖晃產(chǎn)生的振動(dòng)主要由左右6個(gè)鋼絲繩隔振器承擔(dān)。此布置方式將鋼絲繩隔振器的隔振效果發(fā)揮至最大，有效地保證了轎廂中乘客的舒適度。

圖3　HGGS型不銹鋼鋼絲繩隔振器的布置方式

3　橡膠彈簧減振設(shè)計(jì)

3.1行走機(jī)構(gòu)分離式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

行走機(jī)構(gòu)主要組成部分有：清軌器、車輪組、行走機(jī)構(gòu)支架、橡膠彈簧以及導(dǎo)桿，如圖4所示。

1.清軌器　2.車輪組　3.行走機(jī)構(gòu)支架　4.橡膠彈簧　5.導(dǎo)桿圖4　客運(yùn)纜車行走機(jī)構(gòu)分離式設(shè)計(jì)原理圖

該行走機(jī)構(gòu)中，車輪為客運(yùn)纜車的主要承載機(jī)構(gòu)，纜車的運(yùn)行是依靠車輪組在軌道上行走實(shí)現(xiàn)的，纜車車輪采用具有較好的吸振效果的球墨鑄鐵鍛造而成。橡膠彈簧作為該新型纜車的第二重減振裝置，安放于車輪組上，能夠較好地過(guò)濾掉殘余振動(dòng)。橡膠彈簧采用中空設(shè)計(jì)，中間由導(dǎo)桿穿透，當(dāng)纜車作業(yè)產(chǎn)生振動(dòng)沖擊時(shí)，橡膠彈簧可沿導(dǎo)桿方向上下振動(dòng)實(shí)現(xiàn)減振功能。橡膠彈簧上部同行走機(jī)構(gòu)支架，該支架主要用于連接纜車架和橡膠彈簧。清軌器安裝在行走機(jī)構(gòu)支架上，保證纜車順利運(yùn)行。

為更好地實(shí)現(xiàn)客運(yùn)纜車運(yùn)行過(guò)程中的減振降噪，對(duì)纜車行走機(jī)構(gòu)采用分離式設(shè)計(jì)，即機(jī)構(gòu)中車輪組和行走機(jī)構(gòu)支架分離，中間僅用橡膠彈簧連接，車輪組前后兩端同行走機(jī)構(gòu)支架間存在一定間隙，其內(nèi)充滿潤(rùn)滑油。當(dāng)客運(yùn)纜車遇到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，通過(guò)鋼絲繩隔振器過(guò)濾后的振動(dòng)由橡膠彈簧吸收，在橡膠彈簧上下振動(dòng)時(shí)，行走機(jī)構(gòu)的分離式設(shè)計(jì)使得車輪組和行走機(jī)構(gòu)支架發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，間隙內(nèi)的潤(rùn)滑油較好地避免了振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生噪聲。

3.2橡膠彈簧選型

橡膠為高分子材料，其耐磨性及彈性強(qiáng)，阻尼性能及隔聲性能好?，F(xiàn)如今，由其作為原材料制造的橡膠彈簧，在承載機(jī)械中應(yīng)用較為廣泛[4]。

本新型纜車的第二重減振即通過(guò)在行走機(jī)構(gòu)中添加橡膠彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖4所示，由于纜車運(yùn)行軌道同水平方向夾角為14°，所以橡膠彈簧的受力為總載荷(垂直地面)在其伸縮方向上的分力。

該新型纜車中，設(shè)計(jì)每個(gè)行走機(jī)構(gòu)中安裝4個(gè)減振效果較好的乙苯橡膠彈簧減振器，則1臺(tái)纜車中橡膠彈簧數(shù)目為16個(gè)。橡膠彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

纜車自重：101 240 N；

有效載荷(超載1.2倍)：60 328.8 N。

則：(101 240+60 328.8)/16×cos14°=9 798.1N，在受載中，橡膠彈簧的壓縮量見圖5和表2。

圖5　橡膠彈簧設(shè)計(jì)圖

符號(hào)彈簧長(zhǎng)度/mm載荷/N含義H11800自由高度H21646450空載載荷H3157.19240額定載荷H4155.798001.2倍額定載荷

由圖5和表2可得，橡膠彈簧減振器的形變量有4個(gè)特征狀態(tài)，即自由高度、空載時(shí)高度、滿載時(shí)高度和1.2倍滿載時(shí)高度，其最大形變量發(fā)生在1.2倍載荷時(shí)，為24.3 mm。該橡膠彈簧在保證安全性的前提下，能為乘客提供足夠的舒適度。

橡膠彈簧減振作為第二重減振，能夠隔絕經(jīng)鋼絲繩隔振器減振后的余振，因而該客運(yùn)纜車的隔振效果遠(yuǎn)超過(guò)普通客運(yùn)纜車。

4　具有雙重減振功能的新型客運(yùn)纜車樣機(jī)試制

具有雙重減振功能的新型客運(yùn)纜車研制成功后，由四川煤礦基本建設(shè)工程公司制造和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，現(xiàn)已投入試運(yùn)行中?？瓦\(yùn)纜車樣機(jī)見圖6。

圖6　具有雙重減振功能的新型客運(yùn)纜車樣機(jī)

在長(zhǎng)江內(nèi)河碼頭對(duì)本課題所設(shè)計(jì)的新型客運(yùn)纜車進(jìn)行載荷能力及減振能力試驗(yàn)分析，分別讓纜車在空載、滿載、1.2倍滿載情況下運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明，新型客運(yùn)纜車載荷能力參數(shù)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，運(yùn)行平穩(wěn)且無(wú)機(jī)械及控制故障。同時(shí)，纜車在運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)及噪聲較少，轎廂中乘客的舒適度較高，證明該新型纜車在減振降噪方面超過(guò)了常規(guī)纜車。

5　結(jié)語(yǔ)

本課題旨在解決現(xiàn)有內(nèi)河客運(yùn)纜車運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)及噪聲大的問(wèn)題，研制出具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的具有雙重減振功能的新型客運(yùn)纜車，通過(guò)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、減振設(shè)備選型，完成了客運(yùn)纜車的設(shè)計(jì)，并同企業(yè)合作制造出纜車樣機(jī)。通過(guò)性能測(cè)試表明，該纜車載客性能良好，減振降噪效果超過(guò)常規(guī)纜車，填補(bǔ)了國(guó)產(chǎn)客運(yùn)纜車研究空白。

[1]董曉娟，胡永舉. 輪軌式纜車客運(yùn)系統(tǒng)研究[J]. 發(fā)明與創(chuàng)新(綜合科技)，2010,06：40-41.

[2]姜子豪，李浩，闞江明. 減振降噪在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 森林工程，2013,05：55-59+63.

[3]詹韌，秦俊明. HGGS-200型鋼絲繩隔振器沖擊特性研究[J]. 江蘇船舶，2012,05：18-20.

[4]蘇榮華，彭晨宇. 振動(dòng)篩橡膠彈簧非線性剛度實(shí)驗(yàn)及仿真研究[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2011,06：986-994.

A New Passenger Transportation Cable Car with Double Vibration Absorption Structure

Liu Min1Xu Xiaoxi1Shao Yang2

1 School of Logistics Engineering of Wuhan University of Technology2 Wuhan Especial Equipment Supervise Test Institute

Based on the current situation that the cable car presents deficiencies of strong vibration and large noise, a novel design scheme of passenger transportation cable car with double vibration absorption structures has been put forward. The scheme mainly includes the design of both steel cable vibration isolator and rubber spring damper. Currently the structure design and equipment selection have been completed. And the prototypes of the cable car have also been fabricated. Through the actual test, it is validated that the reconstructed equipment presents good stability, excellent vibration and noise reduction effect.

passenger transportation cable car; double vibration absorption structure; structure design

2015-06-15

劉敏： 430063，武漢市武昌區(qū)和平大道1178號(hào)