飛行塔類游藝機旋轉驅動選型計算

胡澤林

（中山市金馬科技娛樂設備股份有限公司，廣東中山 528437）

0 引言

飛行塔類游藝機一直以其高聳結構而成為各主題樂園的地標性游玩項目，本文介紹的觀景塔是一個能容納多人的旋轉觀光艙體，游客隨著艙體一邊旋轉一邊上升[1]。飛行塔類游藝機的旋轉驅動系統(tǒng)為設備旋轉功能直接提供動力。因此，建立驅動系統(tǒng)簡化模型，選取合理的驅動系統(tǒng)匹配設計輸入，保證游客體驗，是每個飛行塔類游藝機設計人員都需要注意的問題。

某72 m觀景塔是飛行塔類系列設備之一，其驅動系統(tǒng)的分析非常典型，本文將以其驅動系統(tǒng)選型設計為范例，得出驅動功率的推導公式和整個選型設計流程。

1 分析計算

1.1 驅動系統(tǒng)模型簡化與設計輸入

某72 m觀景塔座艙旋轉體如圖1所示。簡化結構模型，給定結構各個參數(shù)，簡圖如圖2所示。

圖1 座艙與旋轉驅動設計圖

旋轉驅動系統(tǒng)以摩擦傳動方式，通過減速電機驅動摩擦輪帶動座艙旋轉，同時匹配合適的設計輸入轉速。因此，旋轉驅動系統(tǒng)應能提供足夠的驅動力矩和驅動力，能克服摩擦阻力矩，確保座艙能夠從靜止啟動，且啟動時間越長，所需的啟動加速度越小，所需的慣性力矩和功率就越小；反之，則所需的驅動功率就越大。因此，啟動時間的大小需要結合實際工程需求情況進行合理選擇[2]。最后，在驅動系統(tǒng)驅動旋轉體啟動后，能使座艙達到設計轉速并保持。

圖2 旋轉驅動計算模型

設計輸入轉速為n，從開始啟動到勻轉速的加速時間為t，則根據(jù)運動學基本公式可得[3]：

式中：n為座艙轉速；t為啟動加速時間；ω為座艙角速度；ε為座艙角加速度。

1.2 總阻力與總阻力矩

總阻力矩由旋轉體的慣性力矩和轉動摩擦力矩組成；總阻力由慣性驅動阻力和摩擦驅動阻力組成。其中，驅動阻力和轉動摩擦力矩是旋轉體從靜止狀態(tài)轉變成動態(tài)的啟動條件，慣性驅動阻力和力矩是驅動系統(tǒng)維持旋轉體旋轉運動的保障。驅動電動機把電能轉化為動能，克服阻力和阻力矩，兩個條件均達到后，會使得旋轉體的旋轉運動得以保持。

在詳細設計階段考慮重量不均勻系數(shù)k，實際中，應根據(jù)具體結構形式進行合理選取。根據(jù)動力學基本公式有以下計算。

旋轉體在驅動輪和導向輪裝置的作用下，摩擦滾動前進，實際中，應結合驅動輪和摩擦面的材料及運動特性進行合理選取摩擦因數(shù)。

本文屬于嘗試性的探討，以期引起國家和政府有關部門重視構建新時代下較完善的中國海外投資安全風險國內、國際法律防范體系和法律制度。

總阻力矩為：

式中：J為旋轉體總轉動慣量；MG為總慣性力矩；Mf為總摩擦力矩；M為總阻力矩；k為旋轉體重量不均勻系數(shù)；μ為滾動摩擦因數(shù)；R2為轉動摩擦面半徑；m1為托架總質量；m2為座艙和活載總質量；r1為托架轉動慣性半徑；r2為座艙和活載截面轉動慣性半徑。

根據(jù)力矩計算公式，力矩矢量等于矢量力乘以距離矢量，可分別計算出各阻力。

總驅動阻力為：

式中：FG為慣性驅動阻力；Ff為摩擦驅動阻力；F為總驅動阻力；R1為驅動面半徑。

1.3 驅動功率與驅動轉速

通過總阻力矩和旋轉角速度可計算出驅動系統(tǒng)所需的最小驅動功率，其中功率應結合驅動系統(tǒng)的結構形式和應用場合進行合理選取。驅動功率計算如下[4-7]：

式中：P為總驅動功率；Πηi為傳動效率，包括電機傳動效率、驅動輪傳動效率等，可根據(jù)實際工況進行選取。

以上就是根據(jù)典型的旋轉驅動系統(tǒng)模型所總結出的選型設計流程和驅動功率的計算公式，通常按照三相交流電動機進行選型計算，并結合電動機的負載特性、實際需求的啟動時間和體驗時長、傳動系統(tǒng)的結構形式進行一系列較為精確的分析計算，后續(xù)就可以結合不同電機供應商的電機選型樣本和實際安裝結構形式、電機使用系數(shù)等，酌情選出既能保證安全功能，又不失經(jīng)濟性的驅動電機和驅動系統(tǒng)。

計算出總驅動功率后，根據(jù)實際工況綜合考慮設定z組驅動電機，選擇合適的驅動輪直徑d，可計算出每組驅動電機所需功率、轉速、扭矩：

式中：z為電機組數(shù)量；P1為單組電機所需驅動功率；ω1為驅動輪角速度；n1為單組電機所需轉速；T1為單組電機所需扭矩；d為驅動輪直徑。

1.4 驅動電機選型與驅動系統(tǒng)校核

根據(jù)計算所得的單組電機所需驅動功率P1、所需轉速n1、所需扭矩T1，選取電機樣本，選擇與之相近參數(shù)的電機，確定單組驅動電機的額定功率P0、額定輸出轉速n0、額定輸出扭矩T0、減速比i、使用系數(shù)fB等參數(shù)，并進入驅動系統(tǒng)的校核。

驅動功率校核為：

設計計算出驅動電機功率和校核后，還需對驅動軸的強度進行校核。在實際中，驅動力作用在電機軸上，若作用位置不合理，將可能會引起驅動電機輸出軸在高速旋轉下發(fā)生異常發(fā)熱、異響、電機整體顫抖等不利情況，嚴重會致使電機輸出軸斷裂。因此，驅動力在電機輸出軸上的作用位置需設計合理，通過校核。

電機輸出軸上的驅動輪通過壓緊力F1壓緊于驅動面上，對懸臂的電機軸徑向力校核[3,8]。電機輸出軸徑向受力簡圖如圖3所示。

圖3 電機輸出軸徑向受力簡圖

對懸臂的電機軸徑向力校核，則：

式中：FXW為電機輸出軸強度；F1為驅動輪壓緊力；F2為電機軸所受徑向合力；Cf、Ff分別為徑向載荷轉化的減速機常量；f為驅動輪動摩擦因數(shù)。

1.5 結果分析

根據(jù)功率計算公式，對某72 m觀景塔座艙與旋轉驅動系統(tǒng)進行驗算，在驅動系統(tǒng)的驅動力矩和驅動力滿足驅動條件后，旋轉體轉速從0加速到n的過程需要時間t，驅動電機總輸出功率隨著負載的轉速越來越快而逐漸加大，最后使旋轉體達到穩(wěn)定轉速狀態(tài)并維持。在實際中，由于安裝、制造等環(huán)節(jié)影響，以及電機負載特性變化等，并非呈現(xiàn)較規(guī)整的線性變化，需結合實際工況進行詳細分析。結果示例如圖4所示。

圖4 設計輸入轉速與總計算驅動功率示例曲線

2 結束語

本文通過對飛行塔類游藝機旋轉驅動系統(tǒng)的選型設計進行分析，總結出一套典型旋轉驅動系統(tǒng)的選型設計流程和較為精確的計算公式，并通過實例驗證，使之得到有效應用。可以得出一般行塔類游藝機旋轉驅動系統(tǒng)選型設計的注意事項如下。

（1）在包括轉速n、加速時間t等輸入條件下，根據(jù)計算選型過程得出所需總驅動功率，應考慮實際制作和安裝引起的旋轉體質量誤差和傳動效率因素等，使功率有合理的冗余；綜合考慮結構設計、安裝空間和經(jīng)濟性等方面，選取合理的驅動組數(shù)，進行分布；驅動面和轉動摩擦面的平整度應根據(jù)實際制作工藝、生產(chǎn)成本等合理控制，保證驅動過程平穩(wěn)，電機輸出軸的徑向載荷無較大浮動。

（2）在飛行塔類游藝機旋轉驅動系統(tǒng)的選型設計時，驅動功率的計算僅僅是其中之一，還有很多方面需要去考慮。如驅動加速與電機過載的控制、驅動支架的設計與安裝、旋轉體導向結構設計、座艙結構設計、座艙底部托架結構設計等等。