摘 要

本项目设计了跨坐式单轨工程车的行走机构液压系统，该跨坐式单轨工程车运行在单轨轨道梁上，主要功能包括：列车牵引调车、救援作业、携带检查工具和工程人员进行线路检修作业等。其液压行走系统携带动态制动和静态制动；减速机或液压马达适合轴驱动连接。牵引操作采用手柄式，制动方式为踏板和手柄结合分别实现行车制动和驻车制动。内容有整车受力分析、液压系统设计、液压元件选型、油箱设计。采用多种方案对比最后得到所设计的方案。该方案为闭式系统，实现了用手柄控制速度，用踏板实现驻车制动，速度与动力可满足救援、检修等功能要求。

关键词

跨坐式单轨工程车；行走机构；液压系统；液压元件

Abstract

The hydraulic system of walking mechanism of straddle monorail engineering vehicle is designed in this project. The straddle monorail engineering vehicle runs on the monorail beam. Its main functions include traction shunting, rescue operation, carrying inspection tools and maintenance of the line by engineers.Its hydraulic walking system carries dynamic braking and static braking; reducer or hydraulic motor is suitable for shaft drive connection. The traction operation adopts the handle type, and the braking mode is the combination of pedal and handle to realize the driving brake and parking brake respectively. The contents include the force analysis of the whole vehicle, the design of hydraulic system, the selection of hydraulic components and the design of fuel tank. By comparing various schemes, the designed scheme is finally obtained. The scheme is a closed system, which realizes the control of speed with a handle and parking brake with a pedal. The speed and power can meet the requirements of rescue, maintenance and other functions.

Key word

straddle monorail engineering vehicle；walking mechanism；hydraulic system；hydraulic element

目录

第一章 绪论 1

1.1国外研究现状 1

1.2国内研究现状 2

1.3研究意义 2

1.4研究目的 4

第二章 单轨工程车工况分析和计算 5

2.1跨坐式单轨工程车车辆状况与主要负载分析 6

2.1.1垂直载荷 6

2.2跨坐式单轨工程车整体阻力计算 6

2.2.1启动阻力 6

2.2.2滚动阻力 7

2.2.3坡度阻力 7

2.2.4空气阻力 7

2.2.5加速阻力 7

2.2.6转弯阻力 8

第三章 跨坐式单轨工程车行走机构液压系统设计 10

3.1行走机构液压驱动系统方案 10

3.2液压原理图设计 10

3.2.1开式与闭式系统的选择 11

3.2.2闭式系统变量液压泵的变量控制系统 12

3.2.3关于闭式回路中的补油问题 13

3.2.4跨坐式单轨工程车行走机构制动系统 13

3.2.4.1行车制动系统 13

3.2.4.2驻车制动系统 13

3.2.5液压回路工作原理 14

3.3液压系统的计算 15

3.4液压元件选型 16

3.4.1液压马达选型 16

3.4.2液压泵选型 16

3.4.3单向阀选型 17

3.4.4冲洗梭阀选型 17

3.4.5冲洗溢流阀选型 18

3.4.6梭形冲洗阀 18

3.4.7 二位四通换向阀 18

3.5电机选型 18

3.6液压系统校核 18

3.6.1 液压系统总效率 18

3.6.2 液压系统发热温升计算 19

第四章 油箱设计 21

4.1液压油箱及附属元器件 21

4.2过滤器及过滤系统 22

4.3冷却系统及冷却器 23

第五章 经济性分析 24

第六章 结论与展望 25

致谢 26

参考文献 27

第一章 绪论

单轨是指轨道为单独的一条梁，车辆在上面行驶，但是不同于一般的平面轨道，轨道是在车辆中间，车辆跨在上面，或者是挂在下面。单轨车辆就是其交通工具。

图1.1 跨坐式单轨车辆

1.1国外研究现状

世界上第一条单轨，是由英国人制造的，它被制造于1824年的伦敦码头，当时所使用的材料不同于现在的钢筋水泥或者是钢轨等而是木制的，并且车辆的动力源是马。

车辆的动力源改进于1888年，在爱尔兰第一次出现了动力车，动力车的出现，也使单轨车辆可以实现较多乘客的运输，所以该车辆也开始了营业。

动力车是跨坐式蒸气机车，线路长约15km,最高运行速度为43 kmPh。

而在城市中的单轨系统，是于1964年在东京出现的，当时开通了一条十三千米的轨道，实现了东京羽田和浜松町两个城市的单轨交通。铁路材料也变成了铁制。

随着技术的越来越成熟，单轨交通在各个领域和方面都得到使用，在1970年的万国博览会上，单轨交通被向世人做了一个全面的展示，一条单轨轨道在场内被建造，作为场内运输线路，另外大船站至湘南江之岛间616km湘南单轨铁路也建成并开通运营。 另外大船站至湘南江之岛间的湘南“悬挂式”单轨电车也于同年建成并开通运营。

单轨交通凭借其独特优势被运用于各种场合。在前期应用方面，其设备的制造及设计水平并不完善，例如1953年出现在日本东京上野公园的单轨游览专用车，再如1958年意大利都灵与美国西雅图均建设了博览会专用线等。随着技术的快速进步以及科学的不断进步，单轨交通的优势不断凸显，研究人员对单轨交通展开了更加深入的研究与设计，自20世纪70年代以来，美国洛杉矶的迪斯尼乐园、新加坡的裕廊飞禽公园、日本东京上野公园等世界多处纷纷建立了性能较为成熟的中、小型旅游专用单轨游览车。由于这些游览机结构以及轨道与城市交通的单轨车有所不同，这些单轨游览车被主要应用于公园、机场等平坦的路面，目前还不能应用于森林坡度游览和森林运输之中。

1.2国内研究现状

首列国产跨坐式单轨车于2004年11月18日在长春轨道客车股份有限公司下线，这标志我国开始踏入城市轨道车辆工业的新领域，填补了在单轨车方面的空白，同时也标志着我国成为在日本之后世上第二个拥有此种制造技术的国家。同年12月,重庆市轨道交通2号线投入试运行，成为我国首次建设的跨坐式单轨交通线。2007年4月，同样作为跨坐式单轨交通线的重庆轨道交通3号线在2号线运行良好的情况下全面开工。随着社会技术的不断发展，人民对便捷生活水平的进一步追求，跨坐式单轨交通也必将高速发展，迎来中国单轨车的一个又一个黄金时代。

跨坐式单轨交通系统，采用混凝土轨道梁，线路平顺，全部高架立交。轨道梁既是运营车辆的载体，又是运营车辆的行走轨道，具有与铁路及其他类型在钢轨上行走的轨道交通截然不同的独特特点。

1.3研究意义

对于跨坐式单轨车辆在客运方面的运用，主要有以下五个优点： 

一、节约性

从节约城市空间面积的角度上看，由于单轨交通的特殊结构，其作为一种全线高架的轨道交通系统，可以利用普通道路上的空间，因此不会干扰其他交通。同时，在支撑单轨交通的建设方面，由于单轨交通运行在既有道路上方，只需在城市街道中心采用单柱式支墩，占地面积大大减少。由此可以有效利用现有路面交通上部空间。

除了节约空间占地面积外，从经济角度出发，现阶段拆迁费作为政府城市建设的一笔不小支出，由于单轨空间轨道梁宽度小，使拆迁面积减少，从而降低拆迁费用，节省了建设费用。

从时间节约的角度出发，单轨车辆的最高运行速度可以达到80km/h，具有运行速度快、加减速性能好的优点，可以满足在当代生活节奏不断加快的背景下乘客在出行时节省乘车时间的要求；

二、安全性

单轨交通系统的安全性与其轨道梁上装有的三种轮胎相关，分别是走行轮、导向轮以及稳定轮。它的走行机理与钢轮钢轨系统完全不同，在列车运行过程中，这三种轮胎从横向与纵向两个方面发挥着不同的作用。其中走行轮一直与轨道梁顶面接触，轮胎的弹性主要缓冲了车辆竖向振动，而导向轮和稳定轮则起到缓冲车辆横向冲击的作用，由此充分保证了系统的运营安全；另外由于系统的运行采用全封闭模式，与其他交通形式相互独立，因此单轨列车具有运行稳定、安全的优点。 

三、适应性

单轨交通在规划和选线上的适应性具有其他城市轨道交通无法比拟的优越性。它可以很好地适应城市多变的地形、地貌和复杂地理环境，在城市中选线比较灵活、容易。这主要是由于单轨列车由于橡胶轮胎和特殊转向架，列车具有较强爬坡能力和转向能力，其最大坡度可达千分之一百，能通过曲线半径最小可达30m的弯道。由此对于陡坡、急弯适应性强，对地形选择上适应性较强，无严格要求。 

四、城市友好性 

从降噪的角度看，由于单轨列车采用橡胶轮胎和空气弹簧转向架，因此减振降噪效果良好，其噪声低，振动小。根据在日本小仓线的实验数据，当列车时速60km时，距轨道中心线10m、离地面高1.2m处的噪声值为74dB； 

从废气排放的角度上看，由于单轨电车采用电力牵引，列车在运行过程中无排气污染，并不会造成空气污染，从而有利于保护城市环境，绿色发展； 

从城市建设的角度看，虽然单轨交通是一种全线高架的交通系统，但是由于单轨交通采用的轨道结构窄、梁柱细，对城市日照和景观影响小，与其他高架轨道交通和高架道路相比，其遮挡日光照射的影响要小得多，在市区不会造成遮阳和压抑感；单轨列车由于其独特的运行位置，乘客在乘坐过程中视野宽广，同时列车走行平稳舒适，乘坐体验感较好，可以起到城市游览的作用。

五、高效性

大中城市由于人口较多，生活节奏较快，应建立高效率、大运量的交通系统，虽然目前较为普遍的有轨电车、公共汽车对城市居民的出行较为方便，但是在运输能力上仍然具有一定的局限性，随着社会的不断进步，对大运量的交通工具的需求也在不断加大。为了解决大运量的问题从而出现了地铁系统，然而地铁系统价格昂贵，当运量不足时，运营效率较低，造成了经济上的不合理。相比于前面所述的有轨电车、公共汽车以及地铁系统，单轨交通最高速度可达80km/h，平均运行速度约30km/h。其运量在公共汽车和地铁系统之间，属于中等运量交通系统。

综上，与其他的城市公共交通系统在多角度上进行比较后发现，跨坐式单轨交通具有一系列优点，能较好地解决目前中、大型城市交通上普遍存在的问题，同时与当今绿色发展、绿色经济的主题相吻合，是一种现代化的公共交通工具。 

而对于工程车辆来说，在具备上述具备相似的优点，同时由于某些情况下工作空间狭窄，操作不便，工作地形复杂，所以单轨轨道的铺设就具有相当大的优势和现实意义。目前的工程车运用两轮或四轮驱动，运用于地面这一工作场景，而项目拟设计的跨坐式单轨工程车，主要功能包括：列车牵引调车、救援作业、携带检查工具

1.4研究目的

由于单轨交通系统具有独特的优势，当前国内多个城市均有跨坐式单轨线路的建设与规划，随着技术的发展和生活的进步，其运用的不断普及也必然成为一种发展趋势。而作为工程车辆，跨坐式单轨工程车也具有相当大的现实意义。其行走机构与制动系统作为工程车的核心和运行安全的关键系统，对跨坐式单轨工程车的设计至关重要。

本项目计划设计跨坐式单轨工程车的行走机构液压系统，该跨坐式单轨工程车运行在单轨轨道梁上，主要功能包括：列车牵引调车、救援作业、携带检查工具和工程人员进行线路检修作业等。其液压行走系统携带动态制动和静态制动；减速机或液压马达适合轴驱动连接。牵引操作采用手柄式，制动方式为踏板和手柄结合分别实现行车制动和驻车制动。

图1.2 跨坐式单轨车辆及轨道示意图

第二章 单轨工程车工况分析和计算

跨坐式单轨工程车运行在单轨轨道梁上，主要功能包括：列车牵引调车、救援作业、携带检查工具和工程人员进行线路检修作业等。因此对跨坐式单轨工程车各种工况、各种环境、各种运行状态下工作的阻力进行详细的分析和细致的计算是非常重要和必要的，在这个环节中，我们需要对重要的工况有个系统的了解与挑选，对不重要的工况或者是向极限工作状态转变中的工况我们将不计算，重点对极限工况进行分析和计算，使跨坐式单轨工程车行走机构液压系统的液压动力、执行、控制、辅助元件都满足极限工况，并增加安全裕度，使跨坐式单轨工程车行走机构液压系统安全可靠的运行。

在工况分析中，我们主要进行静载荷分析，对于跨坐式单轨工程车的动载荷问题不予研究，动载荷具体在跨坐式单轨工程车的工况中表现有路面不平整的冲击载荷、随着道路弯曲直行运行等周期载荷、发动机转动偏心率，同轴率误差等引起的振动周期载荷和如跨坐式单轨工程车发动机曲轴等非周期变化的随机载荷。

在本章节中，跨坐式单轨工程车的工况我们主要选择以下几个工况：启功时最大加速度产生的启动加速力；转弯时产生的转弯阻力；正常运行时轮子的滚动阻力，其中包括走行轮与导向轮稳定轮提前预加的压力；爬坡时引起的坡度阻力；车辆在最大运行速度是的空气阻力。在不同工况下所受的力是不同的，不同的时刻，各种力也不是同时存在或者处于最大的力的状态，所以在本章我们进行计算和分析，从而更加准确的设计跨坐式单轨工程车行走机构的液压系统，更加合理的对液压元件进行选型。

图2.1 跨坐式单轨车辆转向架模型图

2.1跨坐式单轨工程车车辆状况与主要负载分析

预设跨坐式单轨工程车载最大重量后整体重量为10t，因为要进行检修与救援等工作，所以预定跨坐式单轨工程车最大的行走速度为60千米每小时。走行轮为橡胶轮胎，查资料得到直径为1006mm，运行状态下动态直径为982mm。滚动摩擦系数6mm。最大坡度千分之五。跨坐式单轨工程车轨道为水泥轨道，最小转弯半径50米。

2.1.1垂直载荷

垂直载荷为静载荷，因为我们在进行救援与检修工作，所以跨坐式单轨工程车的车辆垂直载荷包括车辆自重和携带的救援检修设备的重量，在计算过程中，若仅仅只计算车辆自重，我们所设计得到的行走机构液压系统将在载重后工作的速度和压力等将得不到满足，甚至会发生安全问题。

所以我们预设车辆载重后重量为10T。

因此垂直载荷

2.2跨坐式单轨工程车整体阻力计算

跨坐式单轨工程车重量为10T，行走轮两组四个，两侧有导向轮及稳定轮，爬坡最大坡度为千分之五，最小转弯半径50m，最高速度为60千米每小时。

2.2.1启动阻力

当跨坐式单轨工程车处于停止状态的时候，车轴和轴承之间相对速度为零，用于润滑的润滑油形成不了油膜，同时润滑油的温度因为不工作而温度下降，润滑油的粘度也有所下降。因此在车辆启动时车辆各存在润滑油的零件如车轴和轴承各个齿轮之间的摩擦阻力比工作状态要大。此外，行走轮处于停止状态时，变形要比运行状态下大，增加了滚动阻力，同时刚起步的加速状态要克服惯性力。一旦启动完毕，跨坐式单轨工程车的受力状态，就从启动阻力状态转变成基本行驶状态的阻力，所以是一个瞬间变化的过程。

启动阻力的计算我们参考了经验公式：

（2.1）

由公示得=1515N

2.2.2滚动阻力

当跨坐式单轨工程车的充气轮胎在轨道上直线滚动时，其外缘中心对称面与车轮滚动方向一致，所受到的与滚动方向相反的阻力即为轮胎滚动阻力。对于滚动阻力的计算，我们利用经验公式来估算，经验公式如下：

（2.2）

=1106.96N

2.2.3坡度阻力

跨坐式单轨工程车的单轨轨道是有坡度的，当跨坐式单轨工程车在坡道上行驶时，重力会沿着坡道有一个平行于坡道的分力，这个分力就是坡道阻力，它的计算公式如下：

（2.3）

其中：G——轻轨车总重；

——轨道坡度。

=504N

2.2.4空气阻力

跨坐式单轨工程车行驶时，在低速时空气阻力较小，但是当速度达到一定值的时候，空气阻力就不可忽略了，其计算公式：

（2.4）

式中：——空气与车辆相对速度，；

——空气阻力系数；

——迎风面积。

=680.851N

2.2.5加速阻力

加速运动受力与质量和加速度有关，跨坐式单轨工程车在加速运动的过程中需要克服惯性力与惯性力偶矩。我们通过旋转质量换算系数可以把旋转质量惯性力偶矩转换为平移的惯性力，但经过计算旋转质量惯性力偶矩较小，所以在此我们直接计算平移惯性力，该力即为加速阻力。

（2.5）

式中：——加速度。不同加速度有不同的加速阻力；

——车辆旋转质量转换系数。

m——车辆总重量

计算得=20000N

2.2.6转弯阻力

跨坐式单轨工程车在转弯时，其行走轮会在轨道上发生偏移，所以会有摩擦力的产生，同时导向轮与稳定轮与水泥轨道之间的压力增加，会有附加的滚动和滑动摩擦力，这些力我们将其标记为转弯阻力，计算公式如下：

（2.6）

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