张洪

【摘 要】过山车在运行时中心梁与中心轴是主要受力部件，其受力复杂，工况恶劣。中心轴装在中心梁内，两者的装配质量会直接影响过山车的平顺性、安全性、游客体验性。针对中心轴传统装配方法的不足，本文提出了一种新的装配方案。本文对新方案的结构组成及使用新方案装配中心轴的过程进行了简单介绍，并对新方案顶平台进行了受力分析、变形计算，以及说明了液压油缸选择。供同行参考。

【关键词】过山车中心轴；装配；受力分析；液压油缸选择

1 过山车中心轴装配的传统方法简介

过山车在运行时中心梁与中心轴是主要受力部件，其受力复杂，工况恶劣，中心轴装在中心梁内，两者的装配质量会直接影响过山车的平顺性、安全性、游客体验性。目前国内过山车中心轴装配主要使用设备供应商提供的微动电动葫芦，此方法无需特别工具，设备简单，通用性强，但也存在不足：中心轴调整对位较困难，花费时间长，对操作人员的技术及经验要求高。如图1所示。

图1

图2

2 过山车中心轴装配的新方案简介

新方案利用液压传动可无级调速的特点来实现中心轴装配时的精确调整。如图2所示，新方案分为两大部分，第一部分为对中夹具，第二部分为升降台。对中夹具装在升降台上，升降台装在过山车维修间的地坑内。

对中夹具设置有细牙螺杆与轴向推杆。细牙螺杆从两侧夹紧中心轴并可精确调节中心轴的水平位置。轴向推杆将调整好的中心轴缓慢推入中心梁内[1]。

升降台承担对中夹具及中心轴的重量，通过液压油缸的升降可调节中心轴的竖向位置（用手动油泵驱动液压油缸）。升降台主要由顶平台、底平台、液压油缸、手动油泵、导向机构组成。2只液压油缸装在顶平台及底平台两侧的中间位置。导向装置位于顶平台的四角。顶平台面上铺装有16mm钢板，其上装有磁力座和百分表，以中心梁底板为基准，可将顶平台面找平。为使中心轴装配顺畅及达到所要求的装配精度，经测算，顶平台面中心处的变形不宜超过0.8mm。

3 升降台之顶平台受力分析

3.1 载荷计算

考虑到顶平台中心处的变形不宜超过0.8mm，顶平台的钢结构采用抗弯能力好的H型钢制造，初步选定 H型钢尺寸为125x60，经计算顶平台自重为250kg，顶平台自重在长度方向按均布载荷q计。

经计算，对中夹具的重量为376kg，对中夹具对称安装在距顶平台中心0.45m处，对中夹具作用在顶平台上的载荷计为P1。

查询过山车图纸资料得知中心轴的重量为574kg，中心轴位于顶平台中心处，中心轴作用在顶平台上的载荷计为T[2]。

经计算，作用在液压油缸活塞杆端头的支座反力F1=5.88KN。

3.2 受力分析图

图3

3.3 弯曲正应力校核

H型钢的材质为Q235，其屈服强度为235MPa，取安全系数为2，则需用应力[σ]=235/2=118MPa。

H型钢的型号为125x60，查型钢表得其惯性矩Iz=417cm4。到H型钢中性层最远距离y=125/2=62.5mm。

由上述受力分析图可知最大弯矩M=3.23KN·M。

H型钢所受的弯曲正应力

由上可知？滓≤[？滓]，符合要求。

4 升降台之顶平台弯曲变形计算

由于要求顶平台中心处的变形不宜超过0.8mm，有必要对顶平台中心处的挠度进行计算。已知下列参数：惯性矩Iz=417cm4，弹性模量E=200GPa，总长L=1.54m，均布载荷q=1.59KN/m，载荷T=5.63KN，载荷P1=1.84KN，载荷P1距端点的距离b=0.32m。

4.1 均布载荷q在顶平台中心处引起的挠度f1：

4.2 载荷T在顶平台中心处引起的挠度f2：

4.3 载荷P1在顶平台中心处引起的挠度f3：

4.4 顶平台中心处的总挠度f=f1+f2+f3=0.07+0.26+0.31=0.64， 顶平台中心处的总挠度f小于0.8mm，符合要求。

5 液压油缸的选择

根据维修间地坑底离过山车中心梁的距离，计算得到液压油缸活塞行程为512mm， 设计用两个液压缸，左右各一个.

5.1 液压油缸所受的载荷：

顶平台自重=250kg；对中夹具重量为 376kg；中心轴重量574kg。动载系数取1.2。

单只液压油缸所受的载荷

5.2 液压缸活塞的运动速度

设计顶平台上升到调整位置的时间为5秒， 则活塞的运动速度V =512/5=103 mm/s

5.3 液压油缸功率

ηt——液压缸的总效率，查询《机械设计手册》P19-205得ηt= 0.9×0.98×1.0=0.882

根据以上计算， 查《机械设计手册》P19-199～206， 选择如下液压油缸：

类型——双作用单活塞液压油缸；液压油缸内径——63mm；活塞杆直径——36mm；行程——550mm。油压——2.3MPa；理论推力——7.06KN；理论拉力——4.82KN；活塞速度——103mm/s。

5.4 活塞杆弯曲稳定性验算

活塞杆弯曲失稳临界压缩力：

K——液压缸安装及导向系数， 查询《机械设计手册》P19-222表19-6-21得K = 4；LB——液压缸支承长度，由图可知：LB=1083 （mm）；E1——实际弹性模数，E1=1.80×105（N/mm2）；I——活塞杆横截面惯性矩， I=0.049×d4=0.049×364=82301（mm4）。

则：

PK=3.14×3.14×1.80×105×82301×106/（4×4×1083×1083）=77.8×103N

活塞杆弯曲稳定必须满足如下条件：P1≤PK/Nk

P1 ——活塞杆受力， P1=7.06×103N；Nk——安全系数，取Nk=6

则： 7.06×103≤77.8×103/6=13×103，满足要求。

6 结束语

综上所述，采用本方案对过山车中心轴进行装配，不仅调整方便，也可提高中心轴的装配质量，缩短中心轴的装配时间，减轻维护人员的劳动强度。中心轴的装配质量提高，使过山车运行时更顺畅，更安全，游客体验更佳。

【参考文献】

[1]成大先.机械设计手册[S].北京：化学工业出版社，1993.

[2]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2004.