基于有限元法研究觀覽車旋轉臂承載結構

李志毅

摘要：文中在有限元ANSYS軟件中建立典型觀覽車類游樂設施“時空穿梭”旋轉臂的有限元參數化模型，合理地施加約束和荷載，分析旋轉臂系統在滿載工況、偏載工況、正常制動工況、極限工況下的受力情況，根據旋轉臂在各工況下出現的最大應力對其結構進行強度、剛度校核，判定其安全系數是否滿足 GB 8408-2018《大型游樂設施安全規范》標準要求，為后續的檢驗或安全評估提供指導性意見，同時為相似類型的游樂設施臂架系統提供設計借鑒。

關鍵詞：有限元分析;旋轉臂;強度;安全系數

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

觀覽車類游樂設施[1]是指乘人部分繞水平軸回轉或擺動及運動形式類似的游樂設施。“時空穿梭”游樂設備為典型的固定式觀覽車類游樂設施。

“時空穿梭”游藝機主要由主塔、傳動平臺、旋轉臂、座艙、站臺和電控系統組成。其結構簡圖如圖1所示。其工作原理為主電動機經聯軸器傳到減速機減速后，將動力傳至旋轉臂的回轉支承齒上，帶動旋轉臂以一定的轉速旋轉，通過控制電動機的調向，來改變座艙的運動方向。

旋轉臂是“時空穿梭”的主要承載部件，設備在運行過程中承受交變載荷，且存在應力集中的現象，應力集中部位容易出現疲勞破壞，降低回轉臂的使用壽命，甚至會出現突然斷裂的事故，對游客的生命安全構成嚴重威脅[2]。

該設備的旋轉臂上方配有固定配重，通過配重軸與轉臂進行連接;下方設置橫吊桿，橫吊桿與轉臂通過吊掛軸連接，同時其下方懸掛4個雙人座艙。故該旋轉臂主要受力構件為轉臂、橫吊桿、吊掛軸、配重軸，其中配重軸僅在極限工況下進行校核。

2有限元分析

2.1 建模

以32座“時空穿梭”為計算對象，主體采用鋼結構，整體框架材料為 Q235B（抗拉強度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格劃分[3]建立回轉臂的有限元模型。

旋轉臂的永久載荷為臂架自重（代號GK，下同）滿載時臂端乘坐32人（70kg/人，Q₁₁），最大偏載時乘坐16人（Q₁₂）;當自重與離心力疊加時，座椅約束反力1098N（Q₂₁），一般約束反力（Q₂₂）按《大型游樂設施安全規范》6.1.2.3條的要求取500N[4]; 驅動力矩（T31）39795Nm，制動力矩（T₃₂）63214Nm;離心力（Q₅），最大離心加速度為0.7g;考慮兩種風載荷：6級風（基本風壓140Pa）為Q₇₁，12級風（基本風壓600Pa）為Q₇₂;根據8度烈度計算（0.2g）地震載荷（T）;沖擊系數（K）取1.5[4]。

旋轉臂的回轉速度為9rpm，即角速度ω為0.942rad/s，回轉臂中心與主塔上部機座之間施加旋轉約束，旋轉驅動載荷類型為旋轉速度，回轉臂穩定運行時的轉速 0.942rad/s。

旋轉臂帶動座艙作旋轉運動，是設備最重要的部件，故對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 計算結果

2.2.1 工況1

座艙旋轉至最低點，此時乘客的自重與離心力疊加，受力最大。（當座艙旋轉至最高點時，自重與離心力部分抵消，受力情況遠好于最低點，此處不再贅述。）

按表1工況載荷組合，轉臂中心與主塔上部機座之間施加旋轉約束，旋轉驅動載荷類型為旋轉速度，轉臂穩定運行時的轉速 0.942 rad/s。整體施加1g的慣性加速度和6級風載。

變形圖如圖3所示，應力圖如圖4到圖6所示，結果表明：整體最大變形量為5.8mm，最大應力48.9MPa，發生在橫吊桿中部。

安全系數校核見表2（沖擊系數為1.5），均大于5，符合標準要求[4]。

2.2.2 工況2

座艙偏載旋轉至最低點。

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。

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

安全系數校核見表3（沖擊系數為1.5），均大于5，符合標準要求[4]。

2.2.3 工況3

座艙旋轉至最低點時制動。

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，再疊加制動產生的反向角加速度。因制動扭矩為63214Nm，滿載時轉臂對于旋轉中心的轉動慣量為2.84×10⁵，則制動角加速度為：

計算結果表明：整體最大變形量為7.5mm，最大應力46.8MPa，發生在橫吊桿中部。

安全系數校核見表3（沖擊系數為1.5），均大于5，符合標準要求[4]。

2.2.4 工況4

此工況為最惡劣工況，轉臂瞬時在水平位置急停。

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，制動角加速度，1g的重力加速度。

約束加載簡圖見圖7，變形圖見圖8，應力圖見圖9和圖10，計算結果表明：整體最大變形量為10mm，最大應力80.12MPa，軸應力12MPa。

2.2.5 配重軸

當配重端全速運行至最低點時，配重軸受力最惡劣。

參考前面的工況，將重力加速度反向，同時在旋轉中心處施加角速度，得軸應力為25.3MPa（應力圖見圖11），材料為45#鋼，抗拉強度600MPa，沖擊系數1.5，則安全系數為：

3 結論及建議

文中以32座時空穿梭游樂設備為工程背景，運用有限元軟件對其回轉臂系統進行強度與剛度的校核，計算結果表明：

（1）回轉臂在運行過程中受到交變應力作用，回轉臂運行到水平位置急停時，回轉臂根部受到較大的應力集中，雖然最大應力值未超過材料的屈服強度，構件不會發生屈服，但安全系數已不滿足標準要求，制造廠家應注意該結構的強度設計。

（2）廠家提供的計算書（包括較多的參考文獻）中所有構件的安全系數均按照GB 8408-2018《大型游樂設施安全規范》中一般構件的要求選取，為3.5，但從該標準對于一般構件的解釋為“一般構件：運動部件（重要的傳動軸除外），不直接涉及人身安全的軸、支撐臂、立柱、框架、桁架、軌道等構件”，結合該設備載人系統的連接結構分析，回轉臂中轉臂、橫吊桿、吊掛軸、配重軸等均為直接涉及人身安全的構架，許用安全系數值選取3.5不符合標準要求;同時，上文提及的轉臂、橫吊桿中的焊縫均為Ⅰ級或Ⅱ級焊縫，按照等強度原則，許用安全系數值選取5符合標準要求。

（3）綜合以上的計算結果，在定期檢驗無損檢測方面，應重視臂架及橫吊桿高應力區域的焊縫、吊掛軸及配重軸高應力部位的無損檢測;同時也應關注臂架及橫吊桿高應力區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，因其計算安全系數接近于許用安全系數，更應給與足夠的關注。

（4）鑒于以上結論，制造單位在結構優化改良符合強度要求時，應慎重考慮設備的設計使用年限，或提供嚴謹的疲勞校核報告，在日后投入使用中，建議使用單位定期進行應力等健康監測，確保設備安全運行。

參考文獻

[1]游樂設施術語：GB/T 20306-2017[S].

[2]梁朝虎，秦平彥，林偉明，等.基于虛擬仿真的過山車輪架疲勞壽命分析[J].中國安全科學學報，2008（7）：34-38.

[3] 趙九峰，基于 ANSYS 的高空飛翔卷筒強度分析[J].機械研究與應用，2018（6）：30-31.

[4]大型游樂設施安全規范：GB 8408-2018[S].