摘 要 在傳統(tǒng)雙向驅(qū)動傳動裝置的基礎上，對驅(qū)動傳動裝置進行了改進，介紹了海盜船驅(qū)動的原理、單項間歇驅(qū)動傳動裝置的設計原理以及針對設計的計算驗證，為海盜船驅(qū)動傳動裝置設計提供了參考。

關鍵詞 海盜船；單向間歇驅(qū)動傳動裝置；設計；應用

中圖分類號 TN914 文獻標識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)071-0146-02

作為一種大型的游藝設備，海盜船自進入我國那一天起就得到了游藝愛好者的青睞，其大幅度的擺腳模擬大海的風浪，置身其中的游藝愛好者隨著船體緩慢交替的擺動，猶如置身于驚濤駭浪之中，驚險、刺激身臨其境的感覺讓每一個游藝愛好者心慕不已。目前，在全國各地的游樂場中海盜船已經(jīng)成為必備的游藝設施。

1 海盜船驅(qū)動的原理

圖1 海盜船實物圖

如圖1所示，海盜船的橫梁被姥姥固定在四角的四根斜向立柱上，船體懸掛在中間的橫梁上。其懸掛部位和橫梁之間通過滾動軸承連接，這樣可以保證船體在一定角度下往復擺動。為了給船體擺動提供動力，在船體的底部分別安裝著傳動系統(tǒng)，帶動著驅(qū)動輪向著兩個相反的方向進行轉(zhuǎn)動，從而保證船體分別向兩個方向往復擺動。由于船體的運動主要依靠驅(qū)動輪與導軌間的摩擦力進行驅(qū)動，因此驅(qū)動輪與導軌間必須緊密接觸并且保證存在適當?shù)恼龎毫?。在船體向右運動過程中，左面的驅(qū)動輪驅(qū)動，右面的驅(qū)動輪和船體導軌互相脫離；在船體向左運動時，右面的驅(qū)動輪驅(qū)動，左面的驅(qū)動輪和船體導軌互相脫離，這樣可以避免船體在運動過程中因?qū)?cè)驅(qū)動輪和船體導軌間的摩擦力過大而影響船體運動或者導致船體停止擺動。從而影響游藝者的心情。為了有效推動船體運動，整個運動系統(tǒng)必須在巧妙設計液壓系統(tǒng)的基礎上完成，并且要求其傳動系統(tǒng)能夠保持高度的協(xié)調(diào)一致，避免因傳動系統(tǒng)障礙造成船體停擺事件發(fā)生。

2 單向間歇驅(qū)動傳動裝置

2.1 單向間歇驅(qū)動傳動裝置綜述

和傳統(tǒng)的雙向驅(qū)動傳動裝置采用的兩套傳動裝置不同，單項間歇驅(qū)動傳動裝置只采用一套驅(qū)動傳動裝置，并且其驅(qū)動裝置安裝在導軌的中間。和傳統(tǒng)雙向驅(qū)動傳動啟動方式不同，這種驅(qū)動方法需要驅(qū)動輪反復單項驅(qū)動幾次后海盜船才能按照預設的擺角正常擺動。在驅(qū)動過程中，驅(qū)動輪只進行單方向的驅(qū)動，當船體達到最高點，驅(qū)動停止，船體依靠的重力作用實現(xiàn)回擺，當船體回擺到底部時，因慣性繼續(xù)擺動，擺到最高點回擺，擺到底部時驅(qū)動輪再次進行驅(qū)動，再次使船體達到最高點，然后再次停止驅(qū)動，從而實現(xiàn)海盜船的往復擺動。

2.2 單向間歇驅(qū)動傳動裝置的機械傳動設計

2.2.1 單向間歇驅(qū)動傳動裝置的機械傳動原理

單向間歇驅(qū)動傳動裝置的機械傳動結(jié)構(gòu)主要包括電機、液壓缸、驅(qū)動輪、三角傳動帶固定支座、活動支座等。驅(qū)動輪和大帶輪安裝在相同的驅(qū)動軸上，電機啟動后，其轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩經(jīng)三角傳動帶傳動到驅(qū)動輪，引發(fā)驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動。整個傳動系統(tǒng)被固定在活動支座上，活動支座通過鉸鏈和固定支座的一段相聯(lián)接，這樣就使得活動支座能夠圍繞固定支座擺動；活動支座的另一端通過鉸鏈和液壓缸的柱塞聯(lián)接。在驅(qū)動過程中，電機啟動后通過轉(zhuǎn)動帶帶動驅(qū)動輪，此時液壓缸柱塞緩慢將活動支座向上推動，船底導軌接觸到驅(qū)動輪，推動船體運動，并不斷升高，達到限值后，傳送系統(tǒng)因重力下降，液壓缸柱塞回縮，船底導軌脫離驅(qū)動輪，船體失去動力開始做反方向移動，并進行往復擺動。

2.2.2 單向間歇驅(qū)動傳動裝置的機械傳動參數(shù)設計

選擇24座海盜船作為設計對象，其船體重量3 000 kg，每位乘客體重65 kg，那么滿載時乘客的總重量為：

M乘客=65 kg×24=1 560 kg

此時整個船體滿載時的總重量為：

M滿載總重=M船體+M乘客

=3 000 kg+1 560 kg

=4 560 kg

G滿載總重=M滿載總重×9.8 N

=4 560 kg×9.8 N

=44 688 N

若船體的回轉(zhuǎn)半徑為R=8 m，船體的重心和回轉(zhuǎn)中心間距為L=7.0 m，驅(qū)動輪直徑D=400 mm，三角帶傳動比I=3，大帶輪直徑d大=375 mm，小帶輪直徑則為d小=125 mm，傳動效率η=0.7，電機選擇上海南陽電機有限公司生產(chǎn)的起重三相異步電動機，型號YZR180L-6，額定功率P=15 kw；額定轉(zhuǎn)速n=960 r/min，最大輸出轉(zhuǎn)矩=3.2×額定輸出轉(zhuǎn)矩（負荷率為40%）。

由此可計算出驅(qū)動輪的輸出功率為：

N=pη

=15 kw×0.7

=10.5 kw

驅(qū)動輪輸出轉(zhuǎn)速為：

n1=n/I

=960r/min/3

=320r/min

驅(qū)動輪輸出轉(zhuǎn)矩為：

T=9 550×N/n1

=9 550×10.5 kw/320 r/min

=313.36 Nm

驅(qū)動輪最大驅(qū)動力為：

F=2T/D·3.2

=2×313.36 Nm/0.4 m×3.2

=1 566.8 N×3.2

=5 013.76 N

驅(qū)動輪第一次驅(qū)動船體時的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩隨著船體偏離鉛直位置的偏角的增大而增大。假設第一次驅(qū)動船體時的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩隨著船體偏離鉛直位置的偏角為5°，那么船體重力瞬時回轉(zhuǎn)阻力矩為：

T瞬時=GLsin5°

=44 688 N×7.0 m×sin5°

≈27 215 Nm

然后在通過靜力平衡方程，計算出驅(qū)動輪的最大輸出驅(qū)動力為：

F最大=T瞬時/R

=27 215 Nm/8 m

=3 401.87 N

通過計算可以看出，驅(qū)動輪的最大輸出驅(qū)動力的值3 401.87 N小于驅(qū)動輪最大驅(qū)動力5 013.76 N，這樣能夠滿足機械傳動的要求，實現(xiàn)海盜船往復擺動。

2.2 單向間歇驅(qū)動傳動裝置的液壓傳動設計

為了避免驅(qū)動輪和船底導軌之間相對滑動，能夠保持滾動運動，經(jīng)測定其摩擦系數(shù)f=0.6，此時當船體運動時，船體對船體導軌的最大正壓力為：

N船體=F最大/f

=3 401.87 N/0.6

=5 669.78 N

驅(qū)動輪支撐點和鉸鏈點之間的距離為1 000 mm，液壓缸柱塞和活動支座通過鉸鏈連接的部位和另一端鉸鏈點之間的距離為1 250 mm，那么液壓柱栓塞向上推動驅(qū)動輪，并且使船底導軌相接觸并且產(chǎn)生正壓力時需要的最大推力為：

F推=N船體·1 000 mm/1 250 mm

=5 669.78 N·1 000 mm/1 250 mm

≈4 535.82 N

將F推當作液壓缸柱塞推動的最大負載，柱塞液壓缸的直徑d=60 mm，行程S=140 mm，工作壓力P=3 MPa。則液壓缸柱塞能夠產(chǎn)生的最大推力為：

F柱塞=PA

=3лd2/4

=3×3.14×602/4

=8 478 N

由于液壓缸柱塞能夠產(chǎn)生的最大推力8 478N大于液壓柱栓塞向上推動驅(qū)動輪，并且使船底導軌相接觸并且產(chǎn)生正壓力時需要的最大推力4 535.82N，能夠滿足單向間歇驅(qū)動傳動裝置的液壓傳動設計的要求，能夠進行使用。

3 小結(jié)

經(jīng)過精密的數(shù)學計算，單向間歇驅(qū)動傳動裝置設計在海盜船上性能良好，動力充足，完全能夠滿足設計的要求，可以進行推廣使用。

參考文獻

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