王寧 張文明 李曉穎

摘 要：以摩天輪為例介紹游樂設(shè)備驅(qū)動系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計方法以及GB8408《游樂設(shè)施安全規(guī)范》（文中簡稱為8408）對于游樂設(shè)備的要求，同時論述了計算分析的具體方法，以及利用有限元分析對計算的一進(jìn)步驗證。

關(guān)鍵詞：傳力路徑；驅(qū)動力；系統(tǒng)選型；安全系數(shù)；有限元

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.28.095

1 驅(qū)動系統(tǒng)傳動原理

摩天輪的驅(qū)動系統(tǒng)作為轉(zhuǎn)輪桁架旋轉(zhuǎn)的動力來源和制動來源，對摩天輪的設(shè)計研發(fā)尤為重要。傳動方式大多采用液壓傳動，液壓傳動相對電機(jī)減速機(jī)傳動具有傳遞動力大，可靠性高，工作原理簡單有效等優(yōu)點。驅(qū)動位置位于摩天輪底部，可以設(shè)置在塔架立柱上也可以設(shè)置在出發(fā)平臺上，設(shè)計安裝相對靈活。首先，在摩天輪最外圈設(shè)置方管作為摩擦帶，利用摩擦帶與輪胎的摩擦力傳動；其次，摩擦帶與輪胎需產(chǎn)生一定的壓緊力，否則輪胎打滑無法傳遞動力，需設(shè)置壓緊油缸；最后，輪胎的旋轉(zhuǎn)動力需設(shè)置液壓馬達(dá)。因此，該驅(qū)動傳力路徑如下：

液壓馬達(dá)→聯(lián)軸器→驅(qū)動軸→輪胎→摩擦帶→摩天輪

壓緊油缸→活塞桿→關(guān)節(jié)軸承→短軸→輪胎支架→輪胎→摩擦帶

2 驅(qū)動力分析

摩天輪的最大驅(qū)動力主要來源于1/2偏載工況，還有一部分來源于風(fēng)載分析時的高度變化系數(shù)。1/2偏載工況的計算可根據(jù)摩天輪的設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸，將所有游客的活荷載偏置于左（或者右）半邊來計算。根據(jù)8408的要求，每個游客的活荷載按照700N計算。根據(jù)8408的要求，風(fēng)載分析需參照GB 50009-2012（修訂版）進(jìn)行分析驗證，垂直于表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按下述公式計算：

上述公式中基本風(fēng)壓根據(jù)地理位置確定，體型系數(shù)根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計確定，因此基本風(fēng)壓與體型系數(shù)對于驅(qū)動力分析而言是個不變的常數(shù)，而風(fēng)振系數(shù)需要設(shè)計人員根據(jù)隨機(jī)振動原理去分析，通過ANSYS有限元PSD功率譜分析結(jié)果顯示風(fēng)振系數(shù)是隨高度增加而隨機(jī)變化的，風(fēng)壓高度變化系數(shù)是隨高度增加而增加的，具體參數(shù)見表1。

因此風(fēng)荷載的數(shù)值也隨高度而增加，也就產(chǎn)生了扭矩。1/2偏載與變化的風(fēng)力共同作用計算出了最大驅(qū)動力，用符號F表示。

需要注意的是風(fēng)載造成的扭矩很容易被工程設(shè)計人員遺忘，摩天輪的實際運(yùn)行中風(fēng)載較大時效果極其明顯，空載行車試驗時放松驅(qū)動裝置就會發(fā)現(xiàn)摩天輪越轉(zhuǎn)越快，一旦偏載大風(fēng)出現(xiàn)時驅(qū)動力提供的不足就會出現(xiàn)溜車事故，造成無法挽回的損失。

3 系統(tǒng)選型設(shè)計

系統(tǒng)選型設(shè)計主要目的是通過計算分析旋轉(zhuǎn)適合的驅(qū)動設(shè)備，包括液壓馬達(dá)需要的壓差、排量、轉(zhuǎn)速、流量等信息，還有輪胎直徑的初步設(shè)計、承受的壓力、主泵的流量和壓力，液壓缸的能力設(shè)計（不包括強(qiáng)度設(shè)計）。分析方法如下：

通過上述計算分析可以選擇適合的液壓馬達(dá)，液壓缸，主泵等設(shè)備，還能提供液壓站的重要參數(shù)。為接下來的研發(fā)設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)。這里需要注意的是主泵選型時要保證主泵的額定工作壓力要大于壓緊油缸與液壓馬達(dá)的壓差，確保系統(tǒng)安全可靠。

4 驅(qū)動輪胎與主軸分析

驅(qū)動輪胎與主軸必須同時分析，因為輪胎直徑的大小直接影響驅(qū)動主軸的受力大小，在驅(qū)動力F已知的條件下，主軸力矩等于輪胎力矩即Ts=Fd/2n，輪胎直徑和主軸力矩成正比關(guān)系，但是輪胎直徑又不能太小，因此小輪胎直徑會造成轉(zhuǎn)數(shù)過快甚至超出8408的要求，因此輪胎直徑的選擇應(yīng)適中。

再選擇好輪胎后輪胎力矩Ts即可算出，因此主軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力即可算出。圓形的扭轉(zhuǎn)慣性矩為I=π×d4/32，主軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力等于Ts×r/I（r為主軸半徑）。主軸材料宜選擇45或40Cr，破斷極限在600MPa以上，因此根據(jù)8408的計算要求主軸的安全系數(shù)為600/扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，計算的安全系數(shù)需大于5。

根據(jù)上述分析可以選定主軸直徑，主軸的力矩傳動可以選擇平鍵連接方式傳遞給輪胎輪轂，平鍵需根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》第五版第二卷表5-3-18進(jìn)行選擇，平鍵的計算可根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》第五版第二卷表5-3-16進(jìn)行分析，公式為σp=2TDkl，式中σp-平鍵或鍵槽的應(yīng)力；T-扭矩；D-軸直徑；k-鍵與軸的輪轂的接觸高度；l-鍵的工作長度。這里需要注意的是鍵的安全系數(shù)僅需滿足3.5即可，而鍵槽屬于主軸的一部分，作為重要軸分析鍵槽的安全系數(shù)需大于5，雖然《機(jī)械設(shè)計手冊》對于σp的要求僅為小于需用應(yīng)力即可，但是8408有更高的要求，因此應(yīng)根據(jù)8408的要求保證滿足安全系數(shù)。

5 壓緊油缸分析

對于壓緊油缸來說，最關(guān)鍵的部件是活塞桿的設(shè)計，活塞桿的計算面積可根據(jù)第3部分系統(tǒng)選型設(shè)計中的A計算得到，這個計算面積為油缸內(nèi)徑面積減去活塞桿的面積，因此通過活塞桿的面積可以計算得到活塞桿的直徑?；钊麠U的壓應(yīng)力等于壓緊力/活塞桿面積，活塞桿的安全系數(shù)等于破斷極限除以壓應(yīng)力，該安全系數(shù)需大于5。

考慮到活塞桿可能會發(fā)生屈曲，因此需要對活塞桿進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性分析，計算公式可采用歐拉公式，臨界力Pcr=π2EI/l20，E-彈性模量；I-慣性矩；l0-有效長度。活塞桿的軸力需小于臨界力Pcr以確保壓桿穩(wěn)定。屈曲臨界力也可以采用ANSYS有限元eigenvalue buckling求解器，通過屈曲模態(tài)擴(kuò)展方法求解，命令流如下：

6 結(jié)論

通過計算分析，本驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計的液壓馬達(dá)、主泵、液壓缸、驅(qū)動主軸、輪胎等主要零部件均符合GB8408的要求，整個驅(qū)動系統(tǒng)就研發(fā)設(shè)計完畢了。在繪制圖紙時還要對驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)一步細(xì)化，比如主軸的軸套設(shè)計，回轉(zhuǎn)支承的連接方式，液壓桿兩端的關(guān)節(jié)軸承的安裝形式，驅(qū)動系統(tǒng)維修時的滾筒回拖機(jī)構(gòu)等細(xì)節(jié)設(shè)計。由于驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)備與主要結(jié)構(gòu)選型設(shè)計的完整，整個驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計也就有了方向，細(xì)部設(shè)計也就水到渠成了。

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