大型游樂設施回轉支承載荷分析及選型

陽先波，趙九峰，盧 剛，馬 寧，鄧貴德

(1.中國特種設備檢測研究院，北京 100029；2.河南省特種設備安全檢測研究院，河南 鄭州 450000；3.鄭州市臥龍游樂設備有限公司，河南 鄭州 451191)

0 引言

游樂設施屬于8大類特種設備中的一種，其設備的安全性與可靠性關系著乘客的生命安全[1]。游樂設施的運動形式多種多樣，如旋轉運動、直線運動以及旋轉和直線運動的復合運動。其中旋轉運動是游樂設施的主要運動形式，旋轉運動主要依靠回轉支承機構實現(xiàn)，如高空飛翔、自控飛機等。

回轉支承通常尺寸很大，類似于軸承，因此常被稱作“大軸承”。中國的第一套回轉支承誕生于1964年，近40年來才逐步得到廣泛應用。回轉支承被稱為“機器的關節(jié)”，是兩部件之間做相對旋轉運動的重要傳動部件，需承受相對運動過程中的軸向力、徑向力及傾翻力矩[2]。

回轉機構作為游樂設施主要機構之一，也是工作最為頻繁的機構，而回轉支承作為回轉機構的主要零件，其選型計算顯得尤為關鍵，直接影響到回轉機構的可靠性[3]。其中滾動軸承式回轉支承廣泛應用于各種游樂設施中，是關鍵的承載零部件，其承載能力的計算決定著回轉支承的校核與選型。本文以單排四點接觸球式回轉支承為例，對回轉支承進行載荷分析與研究。

1 回轉支承結構形式和種類

回轉支承主要由外圈(有齒或無齒)、密封帶、滾動體(滾球或滾柱)、隔離塊和內圈(有齒或無齒) 等組成，其結構如圖1所示。

圖1 回轉支承結構

回轉支承根據(jù)外部結構分為無齒式、外齒式和內齒式；根據(jù)內部結構可分為四點接觸球式回轉支承、交叉圓柱(圓錐)滾子式回轉支承、雙排角接觸球式回轉支承和三排圓柱滾子組合式回轉支承[4]。其中單排四點接觸球式回轉支承由兩個座圈組成，鋼球與滾道四點接觸，具有結構緊湊、運行平穩(wěn)、承載能力強、重量輕等優(yōu)點，能同時承受較大的軸向力、徑向力及傾覆力矩[5]，廣泛應用于各種游樂設施。

2 回轉支承選型計算

回轉支承的主要作用是：支承設備和乘客重量，承受滿載和偏載運行過程中的垂直作用力和傾翻力矩，并在回轉驅動裝置的作用下繞回轉中心軸轉動或擺動。回轉支承在運行過程中一般要承受軸向力Fa、徑向力Fr和傾覆力矩M的共同作用，在不同的應用場合中，由于設備的結構形式及工作方式不同，上述三種載荷的作用組合情況也會有所變化，有時是其中兩種載荷的共同作用，有時僅僅是其中一個載荷的單獨作用[6]。回轉支承載荷示意圖如圖2所示。

圖2 回轉支承載荷示意圖

在回轉支承的尺寸系列中，每一種回轉支承都對應一個承載曲線圖。承載曲線圖中共有三類曲線：第一類為靜態(tài)承載曲線，它表示回轉支承在靜止狀態(tài)時所能承受的最大負荷，可根據(jù)靜態(tài)承載曲線圖初步選型；第二類為動態(tài)承載曲線，它表示回轉支承在連續(xù)工作(30 000個工作循環(huán))所能承受的最大負荷，用于校核回轉支承壽命；第三類為回轉支承螺栓極限負荷曲線(螺栓等級8.8、10.9、12.9)，主要用于安裝螺栓的強度校核。

在游樂設施行業(yè)，回轉支承通常在低速、大負荷下運轉，其壽命主要是由靜態(tài)載荷決定，按靜態(tài)工況下所承受的作用力對回轉支承選型并對安裝螺栓強度進行校核；按動態(tài)工況下所承受的作用力來校核回轉支承的壽命[7]。根據(jù)計算得到的當量載荷Fa′、M′的值對應回轉支承承載能力曲線圖中的橫坐標和縱坐標進行描點，當該點位于該型號回轉支承承載能力曲線以下時，說明該型號回轉支承滿足設計要求。四點接觸球回轉支承的接觸角要與外載荷在45°～60°間取得不同匹配，所以分別按接觸角α為45°和60°兩種情況計算[8，9]。

α=60°時的靜態(tài)當量載荷計算公式為：

Fa′=(Fa+5.046Fr)fs.

(1)

M′=Mfs.

(2)

α=45°時的靜態(tài)當量載荷計算公式為：

Fa′=(1.225Fa+2.676Fr)fs.

(3)

M′=1.225Mfs.

(4)

其中：fs為回轉支承靜態(tài)工況下的安全系數(shù)，取值1.3。

α=60°時的動態(tài)當量載荷計算公式為：

Fa′=(Fa+5.046Fr)fd.

(5)

M′=Mfd.

(6)

α=45°時的動態(tài)當量載荷計算公式為：

Fa′=(1.225Fa+2.676Fr)fd.

(7)

M′=1.225Mfd.

(8)

其中：fd為回轉支承動態(tài)工況下的安全系數(shù)，取值1.36。

3 實例分析

自控飛機是集旋轉、升降運動形式于一體的游樂設施，一般由底座、支架、大臂和飛機座艙等組成，其結構簡圖如圖3所示。自控飛機以回轉支承為界，上部是回轉運動部件，下部是基礎支撐部件;回轉支承分別通過高強螺栓將兩個相對回轉部件固定，同時將回轉支承上部的所有載荷(重力載荷、彎矩等)通過回轉支承傳遞到下部基礎支撐部件上[10]。

1-安全欄桿;2-飛機座艙;3-大臂;4-玻璃鋼裝飾;5-支架;6-底座;7-基礎;8-驅動部件;9-液壓缸

以某型號12臂自控飛機為例，上部回轉部件的質量m0=9 t，座艙的回轉半徑r=6.0 m，每個大臂端部有2名乘客，滿載24名乘客，每名乘客的質量m1=0.075 t，標準重力加速度g=9.8 m/s2。自控飛機回轉支承為單排四點接觸球式回轉支承，型號為010.40.1000.001，回轉支承用螺栓為8.8級。

自控飛機的回轉速度很慢，對徑向載荷可以忽略不計，并忽略風載荷的影響。由于自控飛機運行時大臂不斷做升降起伏運動，因此造成沖擊現(xiàn)象，考慮沖擊系數(shù)k=1.3。本文分為兩種工況計算回轉支承的最大靜態(tài)載荷，工況1：滿載；工況2：1/2偏載。

(1) 工況1下回轉支承的最大靜態(tài)載荷為：

Fa1=k(m0+24m1)g=137.6 kN.

Fr1=0 kN.

M1=0 kN·m.

(2) 工況2下回轉支承的最大靜態(tài)載荷為：

Fa2=k(m0+12m1)g=126.1 kN.

Fr2=0 kN.

兩種工況下，自控飛機回轉支承的徑向力Fr=0 kN，取接觸角α=45°，按照靜態(tài)載荷對回轉支承進行選型校核計算。由公式(3)、公式(4)可得靜態(tài)當量載荷：

工況1：Fa11′=(1.225×137.6+0)×1.3=219.1 kN.

M11′=1.225×0×1.3=0 kN·m.

工況2：Fa12′=(1.225×126.1+0)×1.3=200.8 kN.

M12′=1.225×43.8×1.3=69.8 kN·m.

取接觸角α=45°，按照動態(tài)載荷對回轉支承進行壽命校核計算[11]。由公式(7)、公式(8)可得動態(tài)當量載荷：

工況1：Fa21′=(1.225×137.6+0)×1.36=229.2 kN.

M21′=1.225×0×1.36=0 kN·m.

工況2：Fa22′=(1.225×126.1+0)×1.36=210.1 kN.

M22′=1.225×43.8×1.36=73.0 kN·m.

JB 2300《回轉支承》附錄B中01X.40.1000型號回轉支承承載能力曲線如圖4所示。

圖4 01X.40.1000型號回轉支承的承載能力曲線

由以上計算數(shù)據(jù)可知，回轉支承的當量載荷和螺栓載荷(最大靜態(tài)載荷)均在圖4的所有曲線以下，表明自控飛機回轉支承和螺栓滿足設計要求。

4 結論

回轉支承作為游樂設施的關鍵零部件，其承載能力關系到設備的可靠性和乘客的人身安全，其選型計算顯得尤為關鍵。本文對回轉支承的校核計算過程進行了詳細分析，給出了一些參數(shù)和計算公式的確定方法，并以24座自控飛機為實例，完成了回轉支承的校核計算。旋轉類游樂設施的實際運行工況復雜多樣[12]，因此，在做游樂設施回轉支承的校核計算時應根據(jù)實際運行工況，對所承受的載荷進行針對性的分析和計算，以滿足游樂設施的使用要求。