摘 要：以摩天轮为例介绍游乐设备驱动系统的研发设计方法以及GB8408《游乐设施安全规范》（文中简称为8408）对于游乐设备的要求，同时论述了计算分析的具体方法，以及利用有限元分析对计算的一进步验证。
关键词：传力路径；驱动力；系统选型；安全系数；有限元
中图分类号：TB 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.28.095
1 驱动系统传动原理
摩天轮的驱动系统作为转轮桁架旋转的动力来源和制动来源，对摩天轮的设计研发尤为重要。传动方式大多采用液压传动，液压传动相对电机减速机传动具有传递动力大，可靠性高，工作原理简单有效等优点。驱动位置位于摩天轮底部，可以设置在塔架立柱上也可以设置在出发平台上，设计安装相对灵活。首先，在摩天轮最外圈设置方管作为摩擦带，利用摩擦带与轮胎的摩擦力传动；其次，摩擦带与轮胎需产生一定的压紧力，否则轮胎打滑无法传递动力，需设置压紧油缸；最后，轮胎的旋转动力需设置液压马达。因此，该驱动传力路径如下：
液压马达→联轴器→驱动轴→轮胎→摩擦带→摩天轮
压紧油缸→活塞杆→关节轴承→短轴→轮胎支架→轮胎→摩擦带
2 驱动力分析
摩天轮的最大驱动力主要来源于1/2偏载工况，还有一部分来源于风载分析时的高度变化系数。1/2偏载工况的计算可根据摩天轮的设计结构尺寸，将所有游客的活荷载偏置于左（或者右）半边来计算。根据8408的要求，每个游客的活荷载按照700N计算。根据8408的要求，风载分析需参照GB 50009-2012（修订版）进行分析验证，垂直于表面上的风荷载标准值，应按下述公式计算：
上述公式中基本风压根据地理位置确定，体型系数根据结构设计确定，因此基本风压与体型系数对于驱动力分析而言是个不变的常数，而风振系数需要设计人员根据随机振动原理去分析，通過ANSYS有限元PSD功率谱分析结果显示风振系数是随高度增加而随机变化的，风压高度变化系数是随高度增加而增加的，具体参数见表1。
因此风荷载的数值也随高度而增加，也就产生了扭矩。1/2偏载与变化的风力共同作用计算出了最大驱动力，用符号F表示。
需要注意的是风载造成的扭矩很容易被工程设计人员遗忘，摩天轮的实际运行中风载较大时效果极其明显，空载行车试验时放松驱动装置就会发现摩天轮越转越快，一旦偏载大风出现时驱动力提供的不足就会出现溜车事故，造成无法挽回的损失。
3 系统选型设计
系统选型设计主要目的是通过计算分析旋转适合的驱动设备，包括液压马达需要的压差、排量、转速、流量等信息，还有轮胎直径的初步设计、承受的压力、主泵的流量和压力，液压缸的能力设计（不包括强度设计）。分析方法如下：
通过上述计算分析可以选择适合的液压马达，液压缸，主泵等设备，还能提供液压站的重要参数。为接下来的研发设计打下坚实的基础。这里需要注意的是主泵选型时要保证主泵的额定工作压力要大于压紧油缸与液压马达的压差，确保系统安全可靠。
4 驱动轮胎与主轴分析
驱动轮胎与主轴必须同时分析，因为轮胎直径的大小直接影响驱动主轴的受力大小，在驱动力F已知的条件下，主轴力矩等于轮胎力矩即Ts=Fd/2n，轮胎直径和主轴力矩成正比关系，但是轮胎直径又不能太小，因此小轮胎直径会造成转数过快甚至超出8408的要求，因此轮胎直径的选择应适中。
再选择好轮胎后轮胎力矩Ts即可算出，因此主轴的扭转应力即可算出。圆形的扭转惯性矩为I=π×d4/32，主轴的扭转应力等于Ts×r/I（r为主轴半径）。主轴材料宜选择45或40Cr，破断极限在600MPa以上，因此根据8408的计算要求主轴的安全系数为600/扭转应力，计算的安全系数需大于5。
根据上述分析可以选定主轴直径，主轴的力矩传动可以选择平键连接方式传递给轮胎轮毂，平键需根据《机械设计手册》第五版第二卷表5-3-18进行选择，平键的计算可根据《机械设计手册》第五版第二卷表5-3-16进行分析，公式为σp=2TDkl，式中σp-平键或键槽的应力；T-扭矩；D-轴直径；k-键与轴的轮毂的接触高度；l-键的工作长度。这里需要注意的是键的安全系数仅需满足3.5即可，而键槽属于主轴的一部分，作为重要轴分析键槽的安全系数需大于5，虽然《机械设计手册》对于σp的要求仅为小于需用应力即可，但是8408有更高的要求，因此应根据8408的要求保证满足安全系数。
5 压紧油缸分析
对于压紧油缸来说，最关键的部件是活塞杆的设计，活塞杆的计算面积可根据第3部分系统选型设计中的A计算得到，这个计算面积为油缸内径面积减去活塞杆的面积，因此通过活塞杆的面积可以计算得到活塞杆的直径。活塞杆的压应力等于压紧力/活塞杆面积，活塞杆的安全系数等于破断极限除以压应力，该安全系数需大于5。
考虑到活塞杆可能会发生屈曲，因此需要对活塞杆进行压杆稳定性分析，计算公式可采用欧拉公式，临界力Pcr=π2EI/l20，E-弹性模量；I-惯性矩；l0-有效长度。活塞杆的轴力需小于临界力Pcr以确保压杆稳定。屈曲临界力也可以采用ANSYS有限元eigenvalue buckling求解器，通过屈曲模态扩展方法求解，命令流如下：
6 结论
通过计算分析，本驱动系统设计的液压马达、主泵、液压缸、驱动主轴、轮胎等主要零部件均符合GB8408的要求，整个驱动系统就研发设计完毕了。在绘制图纸时还要对驱动系统进一步细化，比如主轴的轴套设计，回转支承的连接方式，液压杆两端的关节轴承的安装形式，驱动系统维修时的滚筒回拖机构等细节设计。由于驱动系统设备与主要结构选型设计的完整，整个驱动系统的设计也就有了方向，细部设计也就水到渠成了。
参考文献
[1]旭正，王桂晶.特种设备事故典型案例集[M].北京：航空工业出版社，2005.
[2]王银兰，宋伟科.大型游乐设施设计风险评估方法[J].中国特种设备安全，2013，29（4）：58-62.
[3]陈少鹏.游乐设施的制造分析与监检的探讨[J].材料研究与应用，2007，1（2）：158-160.
[4]高耸结构设计规范GB135-90[S].北京：中国建筑工业出版社，1990.
[5]游艺机和游乐设施通用技术条件GB8408-2000[S].北京：中国标准出版社，2000.
推荐访问： 摩天轮 研发 驱动 设计 系统
