李志毅

摘要：文中在有限元ANSYS軟件中建立典型觀覽車(chē)類(lèi)游樂(lè)設(shè)施“時(shí)空穿梭”旋轉(zhuǎn)臂的有限元參數(shù)化模型，合理地施加約束和荷載，分析旋轉(zhuǎn)臂系統(tǒng)在滿載工況、偏載工況、正常制動(dòng)工況、極限工況下的受力情況，根據(jù)旋轉(zhuǎn)臂在各工況下出現(xiàn)的最大應(yīng)力對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度校核，判定其安全系數(shù)是否滿足 GB 8408-2018《大型游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求，為后續(xù)的檢驗(yàn)或安全評(píng)估提供指導(dǎo)性意見(jiàn)，同時(shí)為相似類(lèi)型的游樂(lè)設(shè)施臂架系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)借鑒。

關(guān)鍵詞：有限元分析;旋轉(zhuǎn)臂;強(qiáng)度;安全系數(shù)

Research on the Bearing Structure of the Rotating Arms of Wonder Wheel Rides Based on the Finite Element Method

LI Zhi-Yi

（ Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute， Fuzhou 350008， Fujian， China）

Abstract： In this paper， the finite element parametric model of the "space-time shuttle" rotating arm of the typical viewing vehicle amusement facility is established in the finite element ANSYS software， the constraints and loads are reasonably applied， and the force of the rotating arm system under the full load condition， the partial load condition， the normal braking condition and the limit condition are analyzed. According to the maximum stress of rotating arm structure under various working conditions， the strength and stiffness of the structure are proofread to determine whether its safety factor meets the requirements of GB8408-2008 standard. Its purpose is to provide guidance for subsequent inspection or safety assessment and reference for design of the similar types of amusements boom structure.

Key Words： Finite element analysis; Rotating arm; Stress; Safety factor

1 引言

觀覽車(chē)類(lèi)游樂(lè)設(shè)施[1]是指乘人部分繞水平軸回轉(zhuǎn)或擺動(dòng)及運(yùn)動(dòng)形式類(lèi)似的游樂(lè)設(shè)施?！皶r(shí)空穿梭”游樂(lè)設(shè)備為典型的固定式觀覽車(chē)類(lèi)游樂(lè)設(shè)施。

“時(shí)空穿梭”游藝機(jī)主要由主塔、傳動(dòng)平臺(tái)、旋轉(zhuǎn)臂、座艙、站臺(tái)和電控系統(tǒng)組成。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。其工作原理為主電動(dòng)機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器傳到減速機(jī)減速后，將動(dòng)力傳至旋轉(zhuǎn)臂的回轉(zhuǎn)支承齒上，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的調(diào)向，來(lái)改變座艙的運(yùn)動(dòng)方向。

旋轉(zhuǎn)臂是“時(shí)空穿梭”的主要承載部件，設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中承受交變載荷，且存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，應(yīng)力集中部位容易出現(xiàn)疲勞破壞，降低回轉(zhuǎn)臂的使用壽命，甚至?xí)霈F(xiàn)突然斷裂的事故，對(duì)游客的生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2]。

該設(shè)備的旋轉(zhuǎn)臂上方配有固定配重，通過(guò)配重軸與轉(zhuǎn)臂進(jìn)行連接;下方設(shè)置橫吊桿，橫吊桿與轉(zhuǎn)臂通過(guò)吊掛軸連接，同時(shí)其下方懸掛4個(gè)雙人座艙。故該旋轉(zhuǎn)臂主要受力構(gòu)件為轉(zhuǎn)臂、橫吊桿、吊掛軸、配重軸，其中配重軸僅在極限工況下進(jìn)行校核。

2有限元分析

2.1 建模

以32座“時(shí)空穿梭”為計(jì)算對(duì)象，主體采用鋼結(jié)構(gòu)，整體框架材料為 Q235B（抗拉強(qiáng)度σ_b= 390MPa）。取鋼材的彈性模量2.06×1011N/m²，鋼材的密度7850kg/m³，泊松比0.3，采用SHELL181殼單元， 使用四邊形為主的網(wǎng)格劃分[3]建立回轉(zhuǎn)臂的有限元模型。

旋轉(zhuǎn)臂的永久載荷為臂架自重（代號(hào)GK，下同）滿載時(shí)臂端乘坐32人（70kg/人，Q₁₁），最大偏載時(shí)乘坐16人（Q₁₂）;當(dāng)自重與離心力疊加時(shí)，座椅約束反力1098N（Q₂₁），一般約束反力（Q₂₂）按《大型游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范》6.1.2.3條的要求取500N[4]; 驅(qū)動(dòng)力矩（T31）39795Nm，制動(dòng)力矩（T₃₂）63214Nm;離心力（Q₅），最大離心加速度為0.7g;考慮兩種風(fēng)載荷：6級(jí)風(fēng)（基本風(fēng)壓140Pa）為Q₇₁，12級(jí)風(fēng)（基本風(fēng)壓600Pa）為Q₇₂;根據(jù)8度烈度計(jì)算（0.2g）地震載荷（T）;沖擊系數(shù)（K）取1.5[4]。

旋轉(zhuǎn)臂的回轉(zhuǎn)速度為9rpm，即角速度ω為0.942rad/s，回轉(zhuǎn)臂中心與主塔上部機(jī)座之間施加旋轉(zhuǎn)約束，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)載荷類(lèi)型為旋轉(zhuǎn)速度，回轉(zhuǎn)臂穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速 0.942rad/s。

旋轉(zhuǎn)臂帶動(dòng)座艙作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，是設(shè)備最重要的部件，故對(duì)其做了多種工況的分析。各工況的載荷組合如表1所示。

載荷與約束如圖 2 所示。

2.2 計(jì)算結(jié)果

2.2.1 工況1

座艙旋轉(zhuǎn)至最低點(diǎn)，此時(shí)乘客的自重與離心力疊加，受力最大。（當(dāng)座艙旋轉(zhuǎn)至最高點(diǎn)時(shí)，自重與離心力部分抵消，受力情況遠(yuǎn)好于最低點(diǎn)，此處不再贅述。）

按表1工況載荷組合，轉(zhuǎn)臂中心與主塔上部機(jī)座之間施加旋轉(zhuǎn)約束，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)載荷類(lèi)型為旋轉(zhuǎn)速度，轉(zhuǎn)臂穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速 0.942 rad/s。整體施加1g的慣性加速度和6級(jí)風(fēng)載。

變形圖如圖3所示，應(yīng)力圖如圖4到圖6所示，結(jié)果表明：整體最大變形量為5.8mm，最大應(yīng)力48.9MPa，發(fā)生在橫吊桿中部。

安全系數(shù)校核見(jiàn)表2（沖擊系數(shù)為1.5），均大于5，符合標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。

2.2.2 工況2

座艙偏載旋轉(zhuǎn)至最低點(diǎn)。

約束同工況1;按表1工況載荷組合，載荷為座艙端1/2偏載，其余同工況1加載。

計(jì)算結(jié)果表明：整體最大變形量為6.4mm，最大應(yīng)力48.5MPa（由于篇幅限制，文中不附工況2、3的變形圖和應(yīng)力圖）。

安全系數(shù)校核見(jiàn)表3（沖擊系數(shù)為1.5），均大于5，符合標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。

2.2.3 工況3

座艙旋轉(zhuǎn)至最低點(diǎn)時(shí)制動(dòng)。

約束同工況1;按表1工況載荷組合，除了同工況1的加載外，再疊加制動(dòng)產(chǎn)生的反向角加速度。因制動(dòng)扭矩為63214Nm，滿載時(shí)轉(zhuǎn)臂對(duì)于旋轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為2.84×10⁵，則制動(dòng)角加速度為：

計(jì)算結(jié)果表明：整體最大變形量為7.5mm，最大應(yīng)力46.8MPa，發(fā)生在橫吊桿中部。

安全系數(shù)校核見(jiàn)表3（沖擊系數(shù)為1.5），均大于5，符合標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。

2.2.4 工況4

此工況為最?lèi)毫庸r，轉(zhuǎn)臂瞬時(shí)在水平位置急停。

約束同工況1;按表1工況載荷組合加載，即整體施加角速度，制動(dòng)角加速度，1g的重力加速度。

約束加載簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖7，變形圖見(jiàn)圖8，應(yīng)力圖見(jiàn)圖9和圖10，計(jì)算結(jié)果表明：整體最大變形量為10mm，最大應(yīng)力80.12MPa，軸應(yīng)力12MPa。

2.2.5 配重軸

當(dāng)配重端全速運(yùn)行至最低點(diǎn)時(shí)，配重軸受力最?lèi)毫印?/p>

參考前面的工況，將重力加速度反向，同時(shí)在旋轉(zhuǎn)中心處施加角速度，得軸應(yīng)力為25.3MPa（應(yīng)力圖見(jiàn)圖11），材料為45#鋼，抗拉強(qiáng)度600MPa，沖擊系數(shù)1.5，則安全系數(shù)為：

3 結(jié)論及建議

文中以32座時(shí)空穿梭游樂(lè)設(shè)備為工程背景，運(yùn)用有限元軟件對(duì)其回轉(zhuǎn)臂系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)度與剛度的校核，計(jì)算結(jié)果表明：

（1）回轉(zhuǎn)臂在運(yùn)行過(guò)程中受到交變應(yīng)力作用，回轉(zhuǎn)臂運(yùn)行到水平位置急停時(shí)，回轉(zhuǎn)臂根部受到較大的應(yīng)力集中，雖然最大應(yīng)力值未超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，構(gòu)件不會(huì)發(fā)生屈服，但安全系數(shù)已不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，制造廠家應(yīng)注意該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

（2）廠家提供的計(jì)算書(shū)（包括較多的參考文獻(xiàn)）中所有構(gòu)件的安全系數(shù)均按照GB 8408-2018《大型游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范》中一般構(gòu)件的要求選取，為3.5，但從該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于一般構(gòu)件的解釋為“一般構(gòu)件：運(yùn)動(dòng)部件（重要的傳動(dòng)軸除外），不直接涉及人身安全的軸、支撐臂、立柱、框架、桁架、軌道等構(gòu)件”，結(jié)合該設(shè)備載人系統(tǒng)的連接結(jié)構(gòu)分析，回轉(zhuǎn)臂中轉(zhuǎn)臂、橫吊桿、吊掛軸、配重軸等均為直接涉及人身安全的構(gòu)架，許用安全系數(shù)值選取3.5不符合標(biāo)準(zhǔn)要求;同時(shí)，上文提及的轉(zhuǎn)臂、橫吊桿中的焊縫均為Ⅰ級(jí)或Ⅱ級(jí)焊縫，按照等強(qiáng)度原則，許用安全系數(shù)值選取5符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）綜合以上的計(jì)算結(jié)果，在定期檢驗(yàn)無(wú)損檢測(cè)方面，應(yīng)重視臂架及橫吊桿高應(yīng)力區(qū)域的焊縫、吊掛軸及配重軸高應(yīng)力部位的無(wú)損檢測(cè);同時(shí)也應(yīng)關(guān)注臂架及橫吊桿高應(yīng)力區(qū)域的焊縫及母材的銹蝕情況、吊掛軸及配重軸的磨損情況，特別是橫吊桿部分，因其計(jì)算安全系數(shù)接近于許用安全系數(shù)，更應(yīng)給與足夠的關(guān)注。

（4）鑒于以上結(jié)論，制造單位在結(jié)構(gòu)優(yōu)化改良符合強(qiáng)度要求時(shí)，應(yīng)慎重考慮設(shè)備的設(shè)計(jì)使用年限，或提供嚴(yán)謹(jǐn)?shù)钠谛：藞?bào)告，在日后投入使用中，建議使用單位定期進(jìn)行應(yīng)力等健康監(jiān)測(cè)，確保設(shè)備安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]游樂(lè)設(shè)施術(shù)語(yǔ)：GB/T 20306-2017[S].

[2]梁朝虎，秦平彥，林偉明，等.基于虛擬仿真的過(guò)山車(chē)輪架疲勞壽命分析[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2008（7）：34-38.

[3] 趙九峰，基于 ANSYS 的高空飛翔卷筒強(qiáng)度分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2018（6）：30-31.

[4]大型游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范：GB 8408-2018[S].