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轨道车导向及输电装置设计论文

编号

本科生毕业设计

轨道车导向及输电装置设计

Railcarsorientationandtransmissiondevicedesign

学生姓名

专业

机械设计制造及其自动化

学号

指导教师

分院

年月

摘要

轨道历险车是当今最受欢迎的一种娱乐项目，为了追求轨道历险车的经济性和强烈的刺激性，人们一直在寻找更佳的结构设计和高新技术，本文提出了一种新的结构改进方案让人们享受娱乐的同时体验不同寻常的刺激感觉。

本论文主要对轨道历险车的导向及供电装置进行结构设计及改造，以达到导向准确、供电平稳等保障轨道历险车的安全运行。

关键词：

轨道历险车导向供电装置偏心块

Abstract

Trackadventureofacaristhemostpopularentertainmenttoday,inpursuitofadventurevehicletrackstheeconomyandastrongirritant,peoplehavebeenlookingforbetterdesignandhigh-tech,weproposeanewstructuretoimproveprogramsallowpeopletoenjoytheentertainmentatthesametimestimulatingexperienceunusualfeeling.

Thisthesismainlytoorbittheorientationandadventurecarpowersupplydevicestructuredesignandmodification,achievestheorientationaccurate,powersupplystableorbitofsuchguaranteesafeoperationofadventurecar.

Keyword：

RailcarGuidepowerSupplydeviceEccentric

目录

第一章绪论1

1.1轨道历险车简介1

1.2轨道历险车原理1

1.3轨道历险车的发展史1

1.4轨道历险车分类3

1.4.1动力种类3

1.4.2轨道种类：

4

1.5国内外著名轨道历险车介绍5

1.5.1全球十大最惊险的轨道历险车5

第二章轨道历险车导向及输电装置8

2.1导向在轨道历险车中的作用8

2.2轨道历险车导向轮的介绍8

2.3轨道历险车导向及输电装置简介9

第三章轨道车导向及输电装置总体设计10

3.1轨道车上通过的牵引电流分析10

3.2列车牵引计算10

3.3型的改进：

RS模型11

3.4法的推导13

3.5路两端Stbeginning和Stend的处理13

3.6系统结构参数的确定13

3.7端电压的求解14

3.8结论14

总结15

致谢16

参考文献17

附录18

第一章绪论

1.1轨道历险车简介

轨道历险车，是一种机动游乐设施，常见于游乐园和主题乐园中。

一个基本的轨道历险车构造中，包含了爬升、滑落、倒转，其轨道的设计不一定是一个完整的回圈，也可以设计为车体在轨道上的运行方式为来回移动。

大部分轨道历险车的每个乘坐车厢可容纳2人、4人或6人，这些车厢利用勾子相互连结起来，就像火车一样。

1.2轨道历险车原理

轨道历险车是一项富有刺激性的娱乐工具，那种风驰电掣、有惊无险的快感令不少人着迷，如果你对物理学感兴趣的话，那么在乘坐轨道历险车的过程中不仅能够体验到冒险的快感，还有助于理解力学定律。

实际上，轨道历险车的运动包含了许多物理学原理，人们在设计轨道历险车时巧妙地运用了这些原理。

在刚刚开始时，轨道历险车的小列车是依靠一个机械装置的推力推上最高点的，但在第一次下行后，就再也没有任何装置为它提供动力了。

事实上，从这时起，带动它沿轨道行驶的唯一的“发动机”将是引力势能，即由势能转化为动能、又由动能转化为引力势能这样一种不断转化的过程构成的。

1.3轨道历险车的发展史

如果说美国有一个轨道历险车的摇篮，那么它就是纽约的科尼艾兰。

美国的第一部轨道历险车1884年在这里诞生。

对于轨道历险车迷来说，这里是他们的“麦加圣城”。

科尼艾兰仍保留着1927年建造的最早的木质轨道历险车“飓风号”（CrystalBeachCyclone）。

　今天木质轨道历险车产生的神奇效果是在上个世纪20年代所无法想象的。

美国辛辛那提市附近的KingsIsland游乐园里面有一个“SonofBeast”——“野兽之子”木质轨道历险车（有钢支撑）开创了令人震撼的新高度，它高66米，长2143米，最高时速126公里，上下有65米的落差，造价据估计2000万美元，能同时供3辆轨道历险车运行，每辆可载36人。

它甚至还有一段木质轨道历险车界唯一的垂直循环轨道，这是一个创举，因为人们曾认为这对木质轨道历险车来说是根本不可能的。

不过最终还是因为安全上的考虑（见下）于2006年12月拆除了这段垂直循环轨道。

　“野兽之子”的赫赫有名绝非偶然。

这是世界上最大的木质轨道历险车之一，它使用的木头可以铺成761公里长。

　纳尔逊•赛亚尔福斯（轨道历险车爱好者）：

“我更喜欢木质车，喜欢它震动和摇摆的节奏，当轨道历险车呼啸而过时你甚至可以看见某些部件的运动。

”　在轨道历险车兴起的早期，只有传统的木质轨道历险车。

今天，轨道历险车家族已经有约30名成员，包括金属轨道历险车、悬挂式轨道历险车、竖立式轨道历险车以及穿梭式轨道历险车等等[1]。

木制轨道历险车的轨道类似于传统的列车铁轨。

轨道历险车的金属轮子在平坦的金属条上滚动，每根金属条的宽度为10至15厘米。

这种金属条是用螺钉固定在运行轨道上的，运行轨道用胶合木板制成，十分坚固。

在大多数轨道历险车中，车厢的轮子采用了与列车相同的凸缘设计，即车轮内部形成一个凹形结构，使车厢不致滚到轨道外面去。

车厢还有另一组轮子（有的只是一根安全杆），它们在轨道下方滚动。

这可以防止车厢飞到空中。

木制轨道历险车轨道是用枕木和呈对角线交叉的支撑梁来固定的，整个轨道结构安置在一个由木制或钢制的梁搭成的格架上，就像用来支撑房屋或摩天大楼的横梁框架。

利用这些材料，设计师们可以将山坡、盘旋和弯道结合起来，形成拥有变化无穷的路线布局。

他们甚至可以让列车上下翻转（虽然这在现代的木制轨道历险车中并不常见）。

不过，由于轨道本身和支撑架构十分笨重，因此木制轨道缺乏灵活性。

这使构建复杂的盘旋和弯道变得十分困难。

在木制轨道历险车中，带给人们快感的主要是上下运动。

虽然木质车永远不能与钢铁车的多种翻转方式相匹敌，但经典的木质轨道历险车仍在轨道历险车爱好者心中拥有不可取代的地位。

因为木头轨道历险车更“凶”更“野”!

这并不是说木头的轨道历险车能比钢铁轨道历险车做出更让人胆颤的动作，只是因为它自身的材质会让它颠得很厉害，而且沿轨道滑行时噪音惊人。

实际上在国外，不少游乐场、主题公园都有木质的轨道历险车项目（有些有钢结构支撑）。

一般来讲，在轨道历险车的硬指标上（长度、高度、速度、落差等），钢铁结构的轨道历险车对木质轨道历险车占有压倒性优势。

但这也不是绝对的，“野兽之子”木质轨道历险车，就能挤进世界轨道历险车Top10。

　随着20世纪50年代钢管轨道的引入，轨道历险车领域发生了巨大的变化。

顾名思义，钢管轨道由一对很长的钢管组成。

支撑这些钢管的是一个坚固的上层结构，它重量较轻，是由比轨道钢管稍粗的钢管或梁搭建而成的。

在钢制轨道历险车中，列车车轮一般由聚亚安酯或尼龙制成。

除了有传统的车轮安置在钢管轨道的正上方，车厢还有其他一些车轮，分别运行于轨道的底部和侧面。

这种设计使车厢能够稳固地卡在轨道上，这在列车穿过轨道的盘旋和弯道时是极为重要的。

在紧张的行驶过程中，这些轮子确保轨道历险车不会脱离轨道。

凯文•帕伦特（轨道历险车设计者）：

“首先是负重轮，它们在车站支持着轨道历险车的负荷，就像一般的车一样。

接着是侧导轮，它们使轨道历险车处于轨道的中心并引导它通过整个行程。

最后是阻塞轮，用于防止

第二章轨道历险车导向及输电装置

2.1导向在轨道历险车中的作用

　　轨道历险车导向是利用导向轮，其特征在于：

它由套筒、调节丝杠、脚轮、底座、转向座和销钉组成，套筒内套装有调节丝杠，调节丝杠的一端安装有摇把，另一端通过调整丝母与脚轮架连接，脚轮架与脚轮连接；转向座通过销钉与底座连接，底座与转向座上分别设有相同中心距的对应孔，Ｕ型销钉依次插入至转向座和底座对应孔液力传动[6]。

与电力传动相比，液力传动不过是后起之秀。

但它在与电传动的竞争中，异军突起，很快赢得了重要位置。

液力传动装置的优点是不用电机，可以节省大量昂贵的铜，同时它的重量也轻些。

这使得机车降低了造价也减轻了重量，即在同样的机车重量下，它的机车功率一般都比电传动机车大。

另外，液力传动装置的可靠性高，维护工作简单，修理费也少。

还有一个优点是，它的部件是密闭式的，无论风砂雨雪对它的工作都不产生什么坏的影响。

液力传动装置的主要组成部分是液力传动箱、车轴齿轮箱、换向机构和相互联结的万向轴等。

它的核心元件是液力传动箱中的液力变扭器，主要由泵轮、涡轮和导向轮组成。

泵轮通过轴和齿轮与柴油机的曲轴相连，涡轮通过轴和齿轮与机车的动轮相连，导向轮固定在变扭器的外壳上，并不转动。

当柴油机启动时，泵轮被带动高速旋转，泵轮叶片则带动工作油以很高的压力和流速冲击涡轮叶片，使涡轮与泵轮以相同的方向转动，再通过齿轮把柴油机的输出功率传递到机车的动轮上，从而使机车运行。

2.3轨道历险车导向及输电装置简介

轨道历险车是当今最受欢迎的一种娱乐项目，为了追求轨道历险车的经济性和强烈的刺激性，人们一直在寻找更佳的结构设计和高新技术，本文提出了一种新的结构改进方案让人们享受娱乐的同时体验不同寻常的刺激感觉。

本论文主要对轨道历险车的导向及供电装置进行结构设计及改造，以达到导向准确、供电平稳等保障轨道历险车的安全运行。

第三章轨道车导向及输电装置总体设计

图3-2牵引网的等效网络图

[Rinu0，（Ru1，Rd1，Rret1，Rins1），（Ru2,Rd2，Rret2，Rins2），…，（Ruk，Rdk，Rretk，Rinsk）]

牵引变电所支路的等效电流源电流和等效电阻：

牵引变电所i中上下行馈线联络开关的模拟电阻为Rwi，当

Rwi=Open_R，为一个大数，如10*6，表示分断，

Rwi=Close_R=1／Open_R，为0，表示通合。

令：

U=[（Uu1,Ud1,Ug1），（Uu2,Ud2,Ug2），…，（Uuk,Udk,Ugk）]T为节点电压列向量，

I=[Iu1,Id1,Ig1），（Iu2,Id2,Ig2），…，（I）]T[10]

点注入电流列向量，

则有节点电压方程：

YU=I

（1）

其中：

Y=[yi]为（3k*3k）节点导纳对称方阵

当i=j时，yi为自导纳（与节点i相连的各支路导纳之和）；

当i≠j时，yi=yj为互导纳（节点i与节点j间的支路导纳之和取负）

通过矩阵变换，求得：

（3-1）

高阶矩阵变换（求逆）需要在数学上采用降阶、分块等方法进行处理，以提高计算机求解速度。

这是本算法的关键点之一。

下面对此模型的进一步改进，并推导出相应的算法。

3.3型的改进：

RS模型

观察牵引变电所和列车在牵引网上等效电路，可以得出牵引变电所和列车合一的统一模型Rs（如图2所示）。

Rs是一个纯的电阻元件六端口网络，由七个电阻元件组成，可以由节点导纳矩阵Y描述[11]。

牵引变电所和列车的等效电流源加在了节点上，被视为节点的注入电流。

图3可以完全等效地替代了图1所确定的模型。

其中节点i的注入电流Iui，Idi,Igi和Rsi中的电阻Rsli，Rai，Rwi以及Rui，Rdi，Rreti，Rinsi化模拟了各种可能的情况和运行方式：

图3-3

（1）节点i处仅为一牵引变电所时：

Rinsi（在变电所处无金属接地。

与间隔内轨道过渡电阻计算一样）

（2）节点i处仅有上／下行列车：

Rs1i=Rs2i=Rwi=Open_R

Rinsi（间隔内的轨道过渡电阻）

（3）当节点i处牵引变电所解列时：

（大双边供电）

Rinsii（间隔内的轨道过渡电阻）

3.4法的推导

RS，的节点导纳矩阵yi

（3-2）

图3-4

3.5路两端Stbeginning和Stend的处理

（1）在左端，Stbeginning中加一个对地过渡电阻Rinso，同

时电流IuoIwo，Ido=Itdo

（2）在右端，Stend亦不可能有牵引变电所，因此其中的

电阻Rsli。

=Rs2i，Rwi=Open_R，电流Iui=Itwi，Idi=Itdi[12]

3.6系统结构参数的确定

传输参数A一般地，节点电压方程为：

（3-3）

表3-1

上式可以由表1直接推导，则有：

2）通过城市轨道交通供电系统仿真软件的具体实验，效果很好。

在现有的Pc计算机上运行，运算速度较高，精度满足工程要求。

[13]

3）RS模型与算法作为仿真软件的基础，并为后续版本的开发提供了良好的条件。

参考文献

[1]王立英.机械制造技术[M].北京：

中国计量出版社，2003.

[2]郭朝勇.中国激振器行业发展研究报告[P].北京：

千讯出版社，2011.

[3]梁炳文.机械加工工艺与窍门精选[M].上海：

机械工业出版社，004.

[4]刘惟信.机械可靠性设计[M].北京：

清华大学出版社，1996.

[5]于骏一，邹青．机械制造技术基础[J]．北京：

机械工业出版社，2004.

[6]饶忠．列车牵引计算[M]．中国铁道出版社，1996.

[7]曾晶晶．轨道电参数的稳态计算[J]．中国电力，2001.

[8]王绍俊．机械制造工艺设计手册[S

]．哈尔滨：

哈尔滨工业大学出版社，1981．

[9]缪德建．CAD/CAM应用技术[M].江苏：

东南大学出版社,2006.

[10]赵波,龚勉,浦维达.CATIA实用教程[M].北京:

清华大学出版社,2002.

[11]HerbertRees.MoldEngineering,2ndEdition[Ｍ].Cincinnati:

HanserGardnerPublications,2002.

[12]Barber,Antony.Pneumatichandbook[M].Trade&TechnicalPress.1999.

[13]IFTOMMInternationalMicromechanismSymposium.TokyoInstituteofThechnology[G].to-kyo.June1-3,1993.

附录

附件一：

轨道车图

附件二：

轨道车导向及输电装置装配图

附件三：

轨道车电控装置

附件四：

偏心块

附件五：

轴承座

附件六：

底座

附件七：

轴