論摩天輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)

王寧 張文明 李曉穎

摘 要：以摩天輪為例介紹游樂(lè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)方法以及GB8408《游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范》（文中簡(jiǎn)稱(chēng)為8408）對(duì)于游樂(lè)設(shè)備的要求，同時(shí)論述了計(jì)算分析的具體方法，以及利用有限元分析對(duì)計(jì)算的一進(jìn)步驗(yàn)證。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.28.095

1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)原理

摩天輪的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為轉(zhuǎn)輪桁架旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力來(lái)源和制動(dòng)來(lái)源，對(duì)摩天輪的設(shè)計(jì)研發(fā)尤為重要。傳動(dòng)方式大多采用液壓傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)相對(duì)電機(jī)減速機(jī)傳動(dòng)具有傳遞動(dòng)力大，可靠性高，工作原理簡(jiǎn)單有效等優(yōu)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)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(tái)上，設(shè)計(jì)安裝相對(duì)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(dòng)；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(wú)法傳遞動(dòng)力，需設(shè)置壓緊油缸；最后，輪胎的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力需設(shè)置液壓馬達(dá)。因此，該驅(qū)動(dòng)傳力路徑如下：

液壓馬達(dá)→聯(lián)軸器→驅(qū)動(dòng)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(dòng)力分析

摩天輪的最大驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)源于1/2偏載工況，還有一部分來(lái)源于風(fēng)載分析時(shí)的高度變化系數(shù)。1/2偏載工況的計(jì)算可根據(jù)摩天輪的設(shè)計(jì)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(lái)計(jì)算。根據(jù)8408的要求，每個(gè)游客的活荷載按照700N計(jì)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(yàn)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(jì)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(jì)確定，因此基本風(fēng)壓與體型系數(shù)對(duì)于驅(qū)動(dòng)力分析而言是個(gè)不變的常數(shù)，而風(fēng)振系數(shù)需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)隨機(jī)振動(dòng)原理去分析，通過(guò)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(jiàn)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(jì)算出了最大驅(qū)動(dòng)力，用符號(hào)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(jì)人員遺忘，摩天輪的實(shí)際運(yùn)行中風(fēng)載較大時(shí)效果極其明顯，空載行車(chē)試驗(yàn)時(shí)放松驅(qū)動(dòng)裝置就會(huì)發(fā)現(xiàn)摩天輪越轉(zhuǎn)越快，一旦偏載大風(fēng)出現(xiàn)時(shí)驅(qū)動(dòng)力提供的不足就會(huì)出現(xiàn)溜車(chē)事故，造成無(wú)法挽回的損失。

3 系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)主要目的是通過(guò)計(jì)算分析旋轉(zhuǎn)適合的驅(qū)動(dòng)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(jì)、承受的壓力、主泵的流量和壓力，液壓缸的能力設(shè)計(jì)（不包括強(qiáng)度設(shè)計(jì)）。分析方法如下：

通過(guò)上述計(jì)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(lái)的研發(fā)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這里需要注意的是主泵選型時(shí)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(dòng)輪胎與主軸分析

驅(qū)動(dòng)輪胎與主軸必須同時(shí)分析，因?yàn)檩喬ブ睆降拇笮≈苯佑绊戲?qū)動(dòng)主軸的受力大小，在驅(qū)動(dòng)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(huì)造成轉(zhuǎn)數(shù)過(guò)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(jì)算要求主軸的安全系數(shù)為600/扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，計(jì)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(dòng)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(jì)手冊(cè)》第五版第二卷表5-3-18進(jìn)行選擇，平鍵的計(jì)算可根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》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(zhǎng)度。這里需要注意的是鍵的安全系數(shù)僅需滿(mǎn)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(jì)手冊(cè)》對(duì)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(mǎn)足安全系數(shù)。

5 壓緊油缸分析

對(duì)于壓緊油缸來(lái)說(shuō)，最關(guān)鍵的部件是活塞桿的設(shè)計(jì)，活塞桿的計(jì)算面積可根據(jù)第3部分系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)中的A計(jì)算得到，這個(gè)計(jì)算面積為油缸內(nèi)徑面積減去活塞桿的面積，因此通過(guò)活塞桿的面積可以計(jì)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(huì)發(fā)生屈曲，因此需要對(duì)活塞桿進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性分析，計(jì)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(zhǎng)度?；钊麠U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(guò)屈曲模態(tài)擴(kuò)展方法求解，命令流如下：

6 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算分析，本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的液壓馬達(dá)、主泵、液壓缸、驅(qū)動(dòng)主軸、輪胎等主要零部件均符合GB8408的要求，整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就研發(fā)設(shè)計(jì)完畢了。在繪制圖紙時(shí)還要對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)一步細(xì)化，比如主軸的軸套設(shè)計(jì)，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(dòng)系統(tǒng)維修時(shí)的滾筒回拖機(jī)構(gòu)等細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備與主要結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)的完整，整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也就有了方向，細(xì)部設(shè)計(jì)也就水到渠成了。

參考文獻(xiàn)

[1]旭正，王桂晶.特種設(shè)備事故典型案例集[M].北京：航空工業(yè)出版社，2005.

[2]王銀蘭，宋偉科.大型游樂(lè)設(shè)施設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2013，29（4）：58-62.

[3]陳少鵬.游樂(lè)設(shè)施的制造分析與監(jiān)檢的探討[J].材料研究與應(yīng)用，2007，1（2）：158-160.

[4]高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB135-90[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1990.

[5]游藝機(jī)和游樂(lè)設(shè)施通用技術(shù)條件GB8408-2000[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.