論摩天輪驅動系統研發設計

王寧 張文明 李曉穎

摘 要：以摩天輪為例介紹游樂設備驅動系統的研發設計方法以及GB8408《游樂設施安全規范》（文中簡稱為8408）對于游樂設備的要求，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步驗證。

關鍵詞：傳力路徑；驅動力；系統選型；安全系數；有限元

中圖分類號：TB 文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.28.095

1 驅動系統傳動原理

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

液壓馬達→聯軸器→驅動軸→輪胎→摩擦帶→摩天輪

壓緊油缸→活塞桿→關節軸承→短軸→輪胎支架→輪胎→摩擦帶

2 驅動力分析

摩天輪的最大驅動力主要來源于1/2偏載工況，還有一部分來源于風載分析時的高度變化系數。1/2偏載工況的計算可根據摩天輪的設計結構尺寸，將所有游客的活荷載偏置于左（或者右）半邊來計算。根據8408的要求，每個游客的活荷載按照700N計算。根據8408的要求，風載分析需參照GB 50009-2012（修訂版）進行分析驗證，垂直于表面上的風荷載標準值，應按下述公式計算：

上述公式中基本風壓根據地理位置確定，體型系數根據結構設計確定，因此基本風壓與體型系數對于驅動力分析而言是個不變的常數，而風振系數需要設計人員根據隨機振動原理去分析，通過ANSYS有限元PSD功率譜分析結果顯示風振系數是隨高度增加而隨機變化的，風壓高度變化系數是隨高度增加而增加的，具體參數見表1。

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

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

3 系統選型設計

系統選型設計主要目的是通過計算分析旋轉適合的驅動設備，包括液壓馬達需要的壓差、排量、轉速、流量等信息，還有輪胎直徑的初步設計、承受的壓力、主泵的流量和壓力，液壓缸的能力設計（不包括強度設計）。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，液壓缸，主泵等設備，還能提供液壓站的重要參數。為接下來的研發設計打下堅實的基礎。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的壓差，確保系統安全可靠。

4 驅動輪胎與主軸分析

驅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動主軸的受力大小，在驅動力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系，但是輪胎直徑又不能太小，因此小輪胎直徑會造成轉數過快甚至超出8408的要求，因此輪胎直徑的選擇應適中。

再選擇好輪胎后輪胎力矩Ts即可算出，因此主軸的扭轉應力即可算出。圓形的扭轉慣性矩為I=π×d4/32，主軸的扭轉應力等于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8408的計算要求主軸的安全系數為600/扭轉應力，計算的安全系數需大于5。

根據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《機械設計手冊》第五版第二卷表5-3-18進行選擇，平鍵的計算可根據《機械設計手冊》第五版第二卷表5-3-16進行分析，公式為σp=2TDkl，式中σp-平鍵或鍵槽的應力；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需大于5，雖然《機械設計手冊》對于σp的要求僅為小于需用應力即可，但是8408有更高的要求，因此應根據8408的要求保證滿足安全系數。

5 壓緊油缸分析

對于壓緊油缸來說，最關鍵的部件是活塞桿的設計，活塞桿的計算面積可根據第3部分系統選型設計中的A計算得到，這個計算面積為油缸內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。活塞桿的壓應力等于壓緊力/活塞桿面積，活塞桿的安全系數等于破斷極限除以壓應力，該安全系數需大于5。

考慮到活塞桿可能會發生屈曲，因此需要對活塞桿進行壓桿穩定性分析，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，通過屈曲模態擴展方法求解，命令流如下：

6 結論

通過計算分析，本驅動系統設計的液壓馬達、主泵、液壓缸、驅動主軸、輪胎等主要零部件均符合GB8408的要求，整個驅動系統就研發設計完畢了。在繪制圖紙時還要對驅動系統進一步細化，比如主軸的軸套設計，回轉支承的連接方式，液壓桿兩端的關節軸承的安裝形式，驅動系統維修時的滾筒回拖機構等細節設計。由于驅動系統設備與主要結構選型設計的完整，整個驅動系統的設計也就有了方向，細部設計也就水到渠成了。

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