摘 要

缆车的研究和发展至今已经有130余年，由于其不仅可以提高乘客的舒适性、观赏性，而且成本低廉，所以缆车相较于其他游览设施更加受到大众青睐。因此，设计一款灵活、安全、美观的缆车对改善乘客乘坐体验、促进长江沿岸经济发展十分必要。本文在结合人机工程学的基础上对缆车的尺寸大小、外观、外形及行走机构进行了详细设计，采用理论方法对所设计的有轨客运缆车抗倾覆稳定性、车轮以及轴的强度等进行了理论强度校核，在此基础上建立了缆车的整体三维模型，利用ANSYS软件对所建立的三维模型进行了有限元分析，以验证所设计的缆车强度刚度满足设计要求。首先，本文根据查询《设计师手册》的相关要求，确定了缆车车厢的具体尺寸。同时，基于人机工程学在确定具体尺寸的车厢内部进行内部构造设计以及色彩外观设计。

其次，为了使车轮组能够达到强度要求，对所用车轮进行了选型工作，并根据车轮的材料及尺寸确定了车轮轴与轴承的材料和大小，完成了缆车车轮组的设计研究工作。

再次，对所设计的整个缆车架进行强度的校核和计算，主要包括车轮轮压的计算校核、车轮塌面接触强度计算、缆车车轮轴的轴承轴向载荷计算和缆车车轮轴的径向载荷计算以及缆车抗倾覆稳定性校核等工作。

最后，利用建立好的缆车三维模型进行有限元强度、刚度校核分析。根据所得到的有限元仿真结果可知，本文所涉及的缆车及车轮组符合强度及刚度要求，该缆车安全可靠。

关键词：缆车结构；安全性；抗倾覆；三位模型；有限元分析；

Abstract

The research and development of the cable car has been for more than 130 years now. Because it can not only improve passenger comfort and enjoyment, but also has low cost, the cable car is more popular than other attractions. Therefore, designing a flexible, safe and beautiful cable car is necessary to improve the passenger experience and promote economic development along the Yangtze River. Based on ergonomics, this paper detailedly designs the size, appearance, appearance and running gear of the cable car, and uses the theoretical method to perform the anti-overturn stability, wheel and shaft strength of the designed passenger car lift. Based on the verification of theoretical strength, the overall three-dimensional model of the cable car was established, and the finite element analysis of the built three-dimensional model was performed using ANSYS software to verify that the designed strength of the cable car satisfies the design requirements.First of all, this article has determined the specific dimensions of the cable car according to the relevant requirements of the “Designer Manual”. At the same time, based on ergonomics, the internal structure design and the color appearance design are carried out within the interior of a specific size car.

First of all, this article has determined the specific dimensions of the cable car according to the relevant requirements of the “Designer Manual”. At the same time, based on ergonomics, the internal structure design and the color appearance design are carried out within the interior of a specific size car.

Again, the strength check and calculation of the entire cable car frame designed mainly includes the calculation of the wheel wheel pressure, the calculation of the contact strength of the wheel collapse surface, the calculation of the bearing axial load of the cable car wheel shaft, and the radial direction of the cable car axle. Calculation of load and verification of the anti-overturning stability of the cable car.

Finally, using the established three-dimensional model of the cable car, the finite element strength and stiffness verification analysis was performed. Based on the obtained finite element simulation results, it can be seen that the cable car and the wheel set involved in this article meet the requirements for strength and rigidity, and the cable car is safe and reliable.

Key Words：cable car structure; safety; anti-overturning; three-position model; Finite element analysis

目 录

摘 要 I

第1章 绪论 1

1.1发展背景 1

1.2研究的目的以及意义 1

1.3国内外研究概况 2

1.4研究的内容以及方法 3

第2章 有轨客运缆车总体设计 4

2.1设计要求 4

2.2有轨客运缆车总体设计 4

2.2.1缆车车厢的设计 4

2.2.2缆车车门的设计 9

2.2.4缆车车架的设计 9

2.3车轮组的设计 10

2.3.1缆车车轮轴的设计 10

2.3.2缆车车轮的设计 15

2.4缆车车轮轴承的选型设计 16

第3章 有轨客运缆车理论强度校核 18

3.1车轮的计算和校核 18

3.1.1缆车轮压计算校核 18

3.1.2缆车车轮接触强度校核 19

3.1.3车轮塌面接触强度计算 19

3.2缆车车轮轴的校核分析 20

3.2.1缆车车轮轴的强度计算 20

3.2.2按照疲劳强度轴承的安全系数校核 21

3.2.3车轮轴的轴承轴向载荷计算 22

3.2.4车轮轴的轴承径向载荷计算 22

3.2.5车轮轴的轴承当量动载荷计算 22

3.2.6车轮轴的轴承寿命计算 23

3.3缆车抗倾覆稳定性计算 23

第4章 三维建模以及有限元分析 27

4.1 CAD软件介绍 27

4.2 SolidWorks软件介绍 28

4.3缆车车轮模型的建立 29

4.4缆车车架校核分析 33

4.4.1 ANSYS软件介绍和应用 34

4.4.2缆车车架建模的过程 34

4.4.3缆车车架模型有限元分析 36

第5章 环境影响和经济性分析 41

第6章 总结与展望 43

参考文献 44

致 谢 45

第1章 绪论

1.1发展背景

随着工业的发展越来越快，人们的生活越来越趋于机械化和自动化，一来可以提高工作效率，同时缩短了人与人之间的距离，能够让人们节省出更多的时间。另一方面可以让人们的出行更加方便。随着长江沿岸环境的发展和经济的增长，越来越多的游客想要欣赏长江的风景，缆车的产生可以提高乘客的观赏体验，不仅可以全方位领略场景的风采，又可以确保乘客的安全性和有序性。因此，缆车的生产和发展是非常重要的，这不仅关系到长江沿岸环境的发展，同时也影响到长江沿岸城市经济增长的问题，所以不仅是在国内，国外也有很多国家投入很多精力去研究和发展轨道客运缆车。

缆车的发展距今已经有100多年的时间，早在19世纪的时候，缆车在国外就已经开始了研究和应用，这种轨道式缆车介于电梯和铁路机车中间，它们像电梯一样靠缆绳牵引上下，又像列车一样拥有车厢、车轮和车轨，而这些车轨的倾斜角度一般都在左右以上。中国的第一个缆车出现的时间在1944年五月，名叫望门龙缆车，全长178米，为了节约起见，缆车的轨道设计为上下单线，中间又因为要会车，有了一段鱼腹式的双线，中国的第一个轨道缆车就因此诞生了。轨道缆车由于经历了很多时间的考研，其规模以及发展模式已经趋于成熟。由于缆车不会受到地形、客流、气候、运距和客流量限制，又因为缆车的设施简易，基建投资少，运营费用低、社会效益和经济效益好等特点而在世界各地得到广泛的应用。

1.2研究的目的及意义

为了增加运输效率和节约资金，需要研究一种非常高效且经济的运输方式出现，客运索道缆车是由钢索(运载索，或承载索和牵引索)、钢索的驱动装置、迂回装置、张紧装置、支承装置(支架、托压索轮组)、抱索器、运载工具(吊厢、吊椅、吊篮和拖牵式工具)、电气设备及安全装置组成^[3]。其工作原理是钢索回绕在索道两端(上站和下站)的驱动轮和迂回轮上，两站之间的钢索由设在索道线路中间的若干支架支托在空中，随着地形的变化，支架顶部装设的托索轮或压索轮组将钢索托起或压下。载有乘客的运载工具通过抱索器吊挂在钢索上，驱动装置驱动钢索，带动运载工具沿线路运行，达到运送乘客的目的。张紧装置用来保证在各种运行状态下钢索张力近似恒定。

有轨客运缆车普遍应用于具有大水位差的斜坡码头人员的上下船，它使人员上下船和在码头滞留的时间大大减少，从而使码头的工作效率大大提升。另一方面，中国的综合国力在逐渐增强，经济也在快速发展，这就加大了码头的货运压力，从而必须提高对乘客运输的效率，所以长江沿岸的码头需要一种新型并且更加高效的客运缆车来解决这一问题，从而缓解客运压力，为客运发展铺平道路。

一般情况下，客运缆车的行走机构的工作原理是载有乘客的运载工具通过抱索器吊挂在钢索上，驱动装置驱动钢索，带动运载工具沿线路运行，达到运送乘客的目的，但是这种方式还是过于繁琐并且有很多弊端，因此我们需要新的缆车行走机构来解决和完善整个缆车的运输系统。

1.3国内外研究概况

中国客运索道缆车起步于改革开放的20世纪70年代末。1982年由我国自行设计建造的第一条大型单承载单牵引往复式客运索道在重庆嘉陵江顺利建成。随着改革开放的不断深化和扩大、人民生活水一平的不断提高、旅游业的迅速发展、中国客运索道的品种不断增多，数量迅速增长，国外先进技术也不断引进，客运索道已初步形成一个新兴行业^[4]。目前，中国客运索道主要有客运架空索道、客运地面缆车、客运拖牵索道。我国现有的361条客运索道，总长度已达360km（拖牵式客运索道未统计在内），每小时单向运输能力为18.5万人次，年输送中外游客超过9000万人次^[5]。其中：单线循环固定抱索器吊椅(吊篮、吊用）式客运索道265条，占首位；其次是单线脉动循环车组式。

2011年，张翔，鞠涛对轮式装载机前车架结构设计及强度校核进行了研究，主要针对轮式装在机前车架这一方面做了研究很分析，并且提出了更加完善的设计理论，与此同时在强度校核方面也有着非常深刻的见^[2]

2009年，陈静对有限元方法的重型车变速器整体动态模拟与寿命预测进行了研究并且发表了论文，主要是通过对重型车的行走和变速方面进行分析，并且通过有限元的方法做出了动态模拟，另一方面也对重型车的寿命做了预测和分析^[4]。

2000年，迟冬祥和颜国正对仿生机器人的研究状况及其未来发展也做了相应的研究，主要是针对机器人的仿生方面有着深刻的见解，主要包括一些行走和减震方面的研究^[8]。

2006年，雷静桃，高峰，崔莹对多足步行机器人的研究现状及展望并且做了研究和分析，主要是分析了对多足步行机器人的行走方式和仿生方面的研究，在研究的基础上对以后机器人的发展包括仿生方面的研究做了一系列的评估和展望^[13]。

国外客运索道缆车是第二次世界大战后开始大规模兴建的，据国际素协1980年的统计：全世界客运索道总数已达23000余条（不包括井下运人素道），其中奥地利3862条；法国3270条；意大利2494条；联邦德国1806条，瑞士1541条。进入80年代以来，国外客运索道在研制新结构、自动控制、检测装置，提高输送能力、运行速度、安全可靠性等方面，取得了很多重大进展。

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