長跨距輪輻中心軸優化設計的研究

呂俊

摘? 要：觀覽車輪輻中心軸往往設計得結構復雜且存在種種檢修困難等問題;另外，隨著新式觀覽車的高度不斷攀升，造成了觀覽車鋼結構迎風面積和拉索預緊力也會進一步增大，為保證結構穩定性，觀覽車輪輻中心軸跨距變得更長。由于以上這些不利因素的產生，隨之而來成本問題就會逐漸顯現出來。所以，優化現有觀覽車的軸承座和中心軸的結構、調整拉索連接副能夠有效降低成本，對于游樂設備競爭日益激烈的今天來說，也是十分有必要的。

關鍵詞：長跨距? 結構優化? 降低成本? 拉索連接副

中圖分類號：TS952.8 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）08（b）-0057-05

Research on the Optimal Design of the Central Axis of Long Span Spokes

LV Jun

（Shanghai Research Institute Co.， Ltd.， China Coal Technology & Engineering Group， Shanghai， 200030 China）

Abstract： The central axis of the observation wheel is often designed with complex structure and various maintenance difficulties. In addition， with the rising height of the new observation vehicle， the windward area of the steel structure of the observation vehicle and the pretension of the cable will further increase. In order to ensure structural stability， the span of the central axis of the observation wheel becomes longer. Therefore， through the inevitable production of these adverse factors， the following cost problems will gradually appear. Therefore， it is very necessary to optimize the central axis structure of the existing viewing car and adjust the cable connection pair to effectively reduce the cost， which is also necessary for the increasingly fierce competition of amusement equipment today.

Key Words： Long span; Structure optimization; Cost reduction; Cable connection pair

1? 概述

觀覽車由于受風荷載影響較大，在運行以及停機過程中都會受到來自四面八方的風壓影響，這些隨時間變化且不確定的風荷載最終都會通過觀覽車拉索傳遞到中心軸上。對于整個觀覽車而言，輪輻中心軸作為其最重要核心部件來說，它的穩定運行和結構強度是需要絕對保證的。因此，觀覽車輪輻中心軸往往設計得結構復雜且存在種種檢修困難等問題;另外，隨著新式觀覽車的高度不斷攀升，造成了觀覽車鋼結構迎風面積和拉索預緊力也會進一步增大，為保證結構穩定性，觀覽車輪輻中心軸跨距變得更長。由于以上這些不利因素的產生，隨之而來成本問題就會逐漸顯現出來。所以，優化現有觀覽車的中心軸結構、調整拉索連接副能夠有效降低成本，對于游樂設備競爭日益激烈的今天來說，也是十分有必要的。

現有觀覽車中心軸兩端與支撐結構的連接方式通常采用兩種形式：調心軸承和回轉支撐連接。兩種結構都是在主要承受徑向荷載情況下，同時也能承受適量的軸向荷載。在中心軸兩端軸心線存在偏差的情況下，能夠適量提供調心作用。該文介紹的是一種以調心軸承來作為兩端機械連接結構的觀覽車中心軸，詳細闡述了通過調整軸承座、中心軸體、拉索板等相關零部件結構來達到優化目的，并且從制造、運輸、安裝3個方面來對比優化前后的成本控制。希望該文對觀覽車整體結構優化有所幫助。

1.1 軸承座優化

軸承座作為觀覽車中心軸重要部件之一，其作用是固定中心筒體，保證軸端兩側的荷載能夠順利傳遞到支撐結構上。原有軸承座多采用板筋件、通過機加工、焊接工藝將各零件組裝整合起來。但在制作加工工程中，往往會發生焊接質量出現問題、底板不平整等質量問題。不僅降低了安裝定位精度，還會對出現配裝效果可能發生軸承運轉不理想的問題。

在軸承座合理型優化過程中，首先，取消過多冗余肋板，它能夠有效減少焊接變形所帶來制作誤差。其次，縮小軸承座底板與支撐頂板接觸面積，這樣做法也會有效減小底板焊后變形產生大平板翹曲的影響（見圖1）。

合理優化后，軸承座在局部受力分析可以看到，在極端惡劣情況下，部件最大應力出現在底部焊縫區域，安全系數在1.1倍以上，符合設計要求（見圖2）。另外，結構調整后，軸承座的焊縫形式改外單邊V字型坡口，不管在提高施焊和檢驗便利性方面，還是在減少制作工序方面都有顯著作用。

1.2 中心軸體優化

中心軸體現有結構是由外圈圓筒結構組成，兩端軸頭由一根芯軸進行固接，外圈圓筒和內側芯軸又有若干圓管加以支撐。其主要作用就是連接起兩端軸頭，傳遞軸向分力和徑向分力的中心橫梁。原有的結構在使用若干張鋼板卷制成圓筒體，再施以分段焊接而形成一個長筒形結構，內部配有大量縱向筋板和橫向腹板支撐，使結構達到剛性要求（見圖3）。此類大筒體結構在設計時，考慮控制成本方面時很難降低其用鋼量和焊接量。整體結構的粗重程度又會增加運輸和安裝成本的居高不下。因此，在保證軸承尺寸不變情況下，就上述存在弊端的結構進行了逐步優化。

首先，將外圈圓筒體結構改為由6組圓管框架結構代替，分別連接兩側的軸頭端板。這樣的優化方案，一是考慮到外圈連接部分只是起到滿足強度要求的作用，對于中心軸兩軸承端的形位公差和精度要求都沒有影響;二是降低了制作加工難度，由封閉式結構筒體改為敞開式桁架式結構后，可以有效保證加工質量的要求（見圖4）。

其次，由于觀覽車迎風面積擴大后，拉索的直徑和數量相應增加。原有結構上拉索板在現有情況下布置位置不夠理想，在安裝過程中會大幅降低安裝效率。因此，此處的拉索錨頭結構由叉耳銷軸形式改為螺桿螺帽形式（見圖5）。在運用螺桿式結構和雙排徑向布置后，中心軸拉索板直徑能夠由原先的3m降低到2.3m左右，且所有螺桿在安裝過程中，已在高空中安裝到位后的中心軸側的拉索只需帶相應墊圈和螺帽后，在地面一側將拉索再預緊。

拉索檢修過程中，原有結構中拉索銷軸需要每月定時加注潤滑油維護。優化后的螺桿結構只需在螺母預緊后做好防松標記，定期目測檢驗即可。拉索結構調整后，對今后的日常維護成本費用也會有所降低。

另外，考慮全纜索結構在安裝過程中，需要使用臨時支撐梁來輔助安裝。由于長跨距的中心軸中間整體剛性不足，臨時支撐的固定點勢必不能夠安裝于中心軸中間位置。考慮這一因素，并結合中心筒體的一個敞開式結構特點，將臨時支撐固定點移至中心軸兩端的軸頭位置。臨時支撐在安裝過程中，直接插入敞開式的6組圓管框架結構中，再與軸頭形成一個銷軸連接即可達到臨時固定作用（見圖6）。為了能夠更好地模擬實際情況，通過實體模型和有限元建模分析后，得出這樣的優化方式能夠很好地解決臨時支撐的安裝問題（見圖7）。

通過上述3處主要結構的優化后，既能滿足吊裝使用要求，又對今后的使用維護保養工作便利性也有一定的改善。整體結構的輕量化設計后，作用主要受力部件的設計許用應力與變形量都滿足設計要求，因此，該優化方案具有一定可實施性。

1.3 成本控制

在具備一定可操作性的情況，從現有結構變更為全新結構之前，到底有多少經濟方面的降低就成為最終優化方案是否值得實施的迫切問題。

在市場競爭日益激烈的今天，企業為了能夠更好地開拓市場、占有市場份額對于成本控制越來越來嚴格。中心軸作為觀覽車的主要部件，這樣的結構合理性會對制造成本、安裝手段等各個方面產生不小的影響。優化后中心軸在總的用鋼量環節方面能夠降低23%左右的原材料成本;外購件拉索的錨具結構形式的不同對于采購成本也有一定影響，叉耳與螺桿的兩者差距在13%左右;起重環節方面，由于噸位下降明顯，在吊機的選型環節方面能夠節約25%左右的安裝成本。

由此可見，通過優化中心軸優化方案，能夠有效節約觀覽車在制作和吊裝方面成本。

在運輸方面，原有中心軸筒體截面直徑在4米左右，整體成圓筒形結構。在長途運輸過程中，由于高速公路等主要公路有5米限高情況下，原有中心軸基本需要使用到超底平板卡車來進行運輸，該車離地間隙在0.8米左右，才能勉強滿足運輸條件。優化后的中心軸截面直徑只有2.2米左右，能夠采用運輸單位常規的1.2米高平板卡車來作為用運輸車輛。這樣的運輸高度條件下，車輛甚至能通過三級、四級公路的4.5米限高桿。這樣結構優化能帶來一定的運輸成本的降低和運輸時間的減少。

這些成本的有效控制不僅能夠幫助企業在報價競標項目時擁有價格優勢，還能通過降低大型吊裝的難度而節省起吊場地的施工成本。從觀覽車產品的產業化發展來說，本次優化設計案例是一個有很大利潤潛力的方案。

2? 結語

本文詳細闡述了觀覽車中心軸的軸承座和中心筒體的結構優化方案，通過合理的結構調整和針對性的有限元分析后，首先，軸承座的整體結構簡化，受力更加合理，加工制造成本降低;其次，中心軸部分拉索錨具的連接形式，從根本上改善了拉索的布局局促、降低錨具成本高的問題;另外，將中心軸由鋼板筒體結構改為多圓管連接結構，從成本和制造加工難度上得到了全面的控制和降低。最后，考慮到安裝時，臨時支撐結構作用在兩端軸頭處的變形量要明顯好于在中間位置，加固后的軸端受力更加合理。通過以上的各部分的優化措施，在總體成本方面能夠降低原有成本的20%左右，在保證特種設備質量的情況下，明顯降低中心軸的制造、拉索、吊裝等成本。

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