趙九峰

(河南省特種設備安全檢測研究院，河南 鄭州 450000)

0 引言

電動機是指依據電磁感應定律實現(xiàn)電能轉換或傳遞的一種電磁裝置,俗稱馬達，它的主要作用是產生驅動轉矩，可作為各種機械的動力源[1]。電動機是游樂設施上的一個非常重要的電氣設備，游樂設施的旋轉、擺動、起升、運行等操作均離不開電動機的使用，因此，在設計游樂設施驅動機構時，電動機的功率計算及型號選擇是非常重要的一環(huán)。

游樂設施中的運動形式主要有兩種，即直線運動和旋轉運動。本文針對直線運動和旋轉運動的驅動功率，分別給出了詳細的計算公式，其計算方法為游樂設施驅動功率的計算和電動機的選型提供了參考，對于提高設計能力具有現(xiàn)實意義。

1 電動機功率計算

選擇電動機的原則[2]如下：①根據要拖動的機械功率決定電動機的功率；②根據電動機的功率選擇電源電壓(游樂設施中常用380 V電壓)；③根據機械設備和傳動裝置決定電動機的轉速。因此電動機功率的計算是游樂設施電動機選型的前提條件，應根據游樂設施運行所需要的功率來選擇，盡量使電動機在額定負載下運行。電動機功率選擇時應注意以下兩點[3]：①如果電動機功率選得過小，就會出現(xiàn)“小馬拉大車”現(xiàn)象，造成電動機長期過載，不僅會導致啟動力矩不足，啟動緩慢，更有甚者使其絕緣因發(fā)熱而損壞，甚至電動機被燒毀；②如果電動機功率選得過大，就會出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象，造成啟動過猛，產生過大的慣性載荷，給乘員造成大的沖擊，另一方面使其輸出機械功率不能得到充分利用，功率因數(shù)和效率都不高，不但對用戶和電網不利，而且還會造成電能浪費。

1.1 直線運動的電動機功率計算

直線運動游樂設施的負載功率P(kW)由下式計算[4]：

(1)

其中：F為運行阻力，N；v為運行速度，m/s；η為傳動裝置的效率，行星齒輪傳動時η為0.8～0.85。

直線運動又分為水平直線運動和豎直直線運動(傾斜方向直線運動可以分解為水平和豎直直線運動)。

豎直方向直線運動，比如高空飛翔的起升運動，運行時克服提升體和乘員的重力(扣除配重)做功。F就是提升體和乘員的總凈重力，v就是提升速度。豎直運行阻力為：

F=mg.

(2)

其中：m為提升體的總質量(包括乘員，扣除配重質量)，kg；g為重力加速度，取值為9.8 m/s2。

水平方向直線運動，比如游樂設施中的小火車，其運行阻力主要有摩擦阻力、軌道不平和軌道變形導致的坡道阻力、工作風載荷作用在設備上的風阻力[5]。水平直線軌道上穩(wěn)定運行時總阻力為：

F=Fm+Fp+Fw.

(3)

其中：Fm為摩擦阻力，N；Fp為坡道阻力，N；Fw為風阻力，室內游樂設施取Fw=0 N。

1.2 旋轉運動的電動機功率計算

旋轉運動游樂設施的負載功率P(kW)由下式計算：

(4)

其中：T為運行阻力矩，N·m；n為旋轉速度，r/min。

比如游樂設施中的自控飛機，運行時克服回轉支承的運行阻力矩做功，T就是回轉機構的靜阻力矩，n就是旋轉設備運行的轉速。

回轉機構的靜阻力矩為[6]：

Tj=Tm+Tp+Tw+Tg.

(5)

其中：Tm為回轉支承裝置的摩擦阻力矩，N·m；Tp為坡道阻力矩，N·m，當坡度不超過0.5%時，可不計入；Tw為風阻力矩，室內游樂設施取Tw=0 N·m；Tg為慣性阻力矩，N·m，僅出現(xiàn)在啟動和制動時。

回轉摩擦阻力矩由下式計算：

(6)

其中：μ為回轉阻力因數(shù)，對于滾珠式軸承μ=0.01，對于滾柱式軸承μ=0.012；D為回轉支承滾道直徑，m。

慣性阻力矩由下式計算：

(7)

其中：J為轉動部件(包含乘員)對回轉中心的轉動慣量，kg·m2；t為回轉機構啟動時間，s。

游樂設施通常為對稱結構，另外有一部分安裝在室內，大部分游樂設施安裝有調平要求，因此可忽略風阻力矩和坡道阻力矩，按以上公式求出功率P，所選電動機的額定功率應等于或稍大于計算所得的功率。

2 實例

2.1 高空飛翔提升電動機選型計算

高空飛翔是飛行塔類游藝機中的一個品種，主要由塔架、提升系統(tǒng)、旋轉提升總成等幾部分組成，旋轉提升總成的提升動力由電動機、減速機驅動卷筒卷繞鋼絲繩實現(xiàn)[7]。

高空飛翔的結構簡圖如圖1所示。以43 m高空飛翔為計算對象，旋轉提升部分的凈質量m=3 000 kg(含36名乘客，扣除配重的質量)，穩(wěn)定運行時的提升速度v=1 m/s，提升驅動機構裝置的效率η=0.8。

由公式(2)得提升運行阻力：F=mg=3 000×9.8=29 400 N。由公式(1)得到高空飛翔的提升靜功率：P=36.75 kW。

選擇額定功率為45 kW的電動機，查表選擇型號為YP225M-4三相異步電動機。

1-塔架；2-旋轉提升總成；3-提升系統(tǒng)

2.2 轉馬旋轉電動機選型計算

轉馬是旋轉類的游樂設施，轉馬啟動之后轉盤勻速轉動，形態(tài)各異的轉馬隨之上下起伏，使游樂者產生縱馬揚鞭、馳騁疆場的感覺。轉馬主要由立柱、驅動部件和旋轉部件組成，轉馬運行過程中繞豎直中心軸旋轉，旋轉功能是通過回轉驅動機構來實現(xiàn)的。轉馬結構簡圖如圖2所示。

以38座轉馬為計算對象，轉馬轉動部分的質量m=18 000 kg(含38名乘客)，穩(wěn)定運行時的回轉速度n=3.5 r/min，回轉半徑r=5.5 m,回轉支承型號為011.35.1250.001，為單排4點接觸球式回轉支承，回轉支承滾道直徑D=1.25 m，驅動機構裝置的效率η=0.8，啟動時間為8 s。

1-旋轉部件；2-驅動部件；3-立柱

由公式(2)得回轉支承承受的總壓力：F=18 000×9.8=176 400 N。由公式(6)得回轉摩擦阻力矩：Tm=1 102.5 N·m。

轉馬可以等效為均質圓盤，轉動慣量J=272 250 kg·m2，由公式(7)得慣性阻力矩:Tg=12 472.2 N·m。

轉馬的回轉支承安裝時都需進行校平，故無需計算坡道阻力矩，即Tp=0。由于轉馬安裝在室內，不考慮風阻力矩，即Tw=0。

由公式(5)得轉馬回轉機構的靜阻力矩：Tj=13 574.7 N·m。

由公式(4)得轉馬回轉電動機的等效功率：Pe=6.2 kW。

選擇額定功率為7.5 kW的電動機，查表選擇型號為Y132M-4三相異步電動機。

3 結論

電動機是最常用的標準原動機，根據負荷的大小、轉速等因素確定電動機的功率，選擇合適的電動機型號。電動機的設計制造生產都有嚴格的標準，功率和轉速對應相應的電動機軸直徑，軸直徑又對應相應的鍵規(guī)格，這是電動機設計制造中的“等強度”原則，電動機的軸和鍵無需再進行核算。

本文以游樂設施用電動機選型計算為例，對直線運動和旋轉運動的電動機功率進行了詳細計算，給出了一些參數(shù)和計算公式的確定方法，并通過實例進行計算，完成了高空飛翔和轉馬驅動功率的計算及電動機選型。由于篇幅有限，對電動機的發(fā)熱驗算和過載能力校核本文不再贅述，可參考相應的書籍。

游樂設施的實際運行工況復雜多樣，驅動機構的型式也不盡相同，因此，在做游樂設備驅動功率的計算時應結合實際工況，對機構載荷進行針對性的計算，以滿足游樂設備的使用要求。