單向間歇驅(qū)動傳動裝置設(shè)計(jì)在海盜船上的應(yīng)用

摘 要 在傳統(tǒng)雙向驅(qū)動傳動裝置的基礎(chǔ)上，對驅(qū)動傳動裝置進(jìn)行了改進(jìn)，介紹了海盜船驅(qū)動的原理、單項(xiàng)間歇驅(qū)動傳動裝置的設(shè)計(jì)原理以及針對設(shè)計(jì)的計(jì)算驗(yàn)證，為海盜船驅(qū)動傳動裝置設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞 海盜船；單向間歇驅(qū)動傳動裝置；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

中圖分類號 TN914 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)071-0146-02

作為一種大型的游藝設(shè)備，海盜船自進(jìn)入我國那一天起就得到了游藝愛好者的青睞，其大幅度的擺腳模擬大海的風(fēng)浪，置身其中的游藝愛好者隨著船體緩慢交替的擺動，猶如置身于驚濤駭浪之中，驚險、刺激身臨其境的感覺讓每一個游藝愛好者心慕不已。目前，在全國各地的游樂場中海盜船已經(jīng)成為必備的游藝設(shè)施。

1 海盜船驅(qū)動的原理

圖1 海盜船實(shí)物圖

如圖1所示，海盜船的橫梁被姥姥固定在四角的四根斜向立柱上，船體懸掛在中間的橫梁上。其懸掛部位和橫梁之間通過滾動軸承連接，這樣可以保證船體在一定角度下往復(fù)擺動。為了給船體擺動提供動力，在船體的底部分別安裝著傳動系統(tǒng)，帶動著驅(qū)動輪向著兩個相反的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動，從而保證船體分別向兩個方向往復(fù)擺動。由于船體的運(yùn)動主要依靠驅(qū)動輪與導(dǎo)軌間的摩擦力進(jìn)行驅(qū)動，因此驅(qū)動輪與導(dǎo)軌間必須緊密接觸并且保證存在適當(dāng)?shù)恼龎毫?。在船體向右運(yùn)動過程中，左面的驅(qū)動輪驅(qū)動，右面的驅(qū)動輪和船體導(dǎo)軌互相脫離；在船體向左運(yùn)動時，右面的驅(qū)動輪驅(qū)動，左面的驅(qū)動輪和船體導(dǎo)軌互相脫離，這樣可以避免船體在運(yùn)動過程中因?qū)?cè)驅(qū)動輪和船體導(dǎo)軌間的摩擦力過大而影響船體運(yùn)動或者導(dǎo)致船體停止擺動。從而影響游藝者的心情。為了有效推動船體運(yùn)動，整個運(yùn)動系統(tǒng)必須在巧妙設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上完成，并且要求其傳動系統(tǒng)能夠保持高度的協(xié)調(diào)一致，避免因傳動系統(tǒng)障礙造成船體停擺事件發(fā)生。

2 單向間歇驅(qū)動傳動裝置

2.1 單向間歇驅(qū)動傳動裝置綜述

和傳統(tǒng)的雙向驅(qū)動傳動裝置采用的兩套傳動裝置不同，單項(xiàng)間歇驅(qū)動傳動裝置只采用一套驅(qū)動傳動裝置，并且其驅(qū)動裝置安裝在導(dǎo)軌的中間。和傳統(tǒng)雙向驅(qū)動傳動啟動方式不同，這種驅(qū)動方法需要驅(qū)動輪反復(fù)單項(xiàng)驅(qū)動幾次后海盜船才能按照預(yù)設(shè)的擺角正常擺動。在驅(qū)動過程中，驅(qū)動輪只進(jìn)行單方向的驅(qū)動，當(dāng)船體達(dá)到最高點(diǎn)，驅(qū)動停止，船體依靠的重力作用實(shí)現(xiàn)回?cái)[，當(dāng)船體回?cái)[到底部時，因慣性繼續(xù)擺動，擺到最高點(diǎn)回?cái)[，擺到底部時驅(qū)動輪再次進(jìn)行驅(qū)動，再次使船體達(dá)到最高點(diǎn)，然后再次停止驅(qū)動，從而實(shí)現(xiàn)海盜船的往復(fù)擺動。

2.2 單向間歇驅(qū)動傳動裝置的機(jī)械傳動設(shè)計(jì)

2.2.1 單向間歇驅(qū)動傳動裝置的機(jī)械傳動原理

單向間歇驅(qū)動傳動裝置的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)主要包括電機(jī)、液壓缸、驅(qū)動輪、三角傳動帶固定支座、活動支座等。驅(qū)動輪和大帶輪安裝在相同的驅(qū)動軸上，電機(jī)啟動后，其轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩經(jīng)三角傳動帶傳動到驅(qū)動輪，引發(fā)驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動。整個傳動系統(tǒng)被固定在活動支座上，活動支座通過鉸鏈和固定支座的一段相聯(lián)接，這樣就使得活動支座能夠圍繞固定支座擺動；活動支座的另一端通過鉸鏈和液壓缸的柱塞聯(lián)接。在驅(qū)動過程中，電機(jī)啟動后通過轉(zhuǎn)動帶帶動驅(qū)動輪，此時液壓缸柱塞緩慢將活動支座向上推動，船底導(dǎo)軌接觸到驅(qū)動輪，推動船體運(yùn)動，并不斷升高，達(dá)到限值后，傳送系統(tǒng)因重力下降，液壓缸柱塞回縮，船底導(dǎo)軌脫離驅(qū)動輪，船體失去動力開始做反方向移動，并進(jìn)行往復(fù)擺動。

2.2.2 單向間歇驅(qū)動傳動裝置的機(jī)械傳動參數(shù)設(shè)計(jì)

選擇24座海盜船作為設(shè)計(jì)對象，其船體重量3 000 kg，每位乘客體重65 kg，那么滿載時乘客的總重量為：

M乘客=65 kg×24=1 560 kg

此時整個船體滿載時的總重量為：

M滿載總重=M船體+M乘客

=3 000 kg+1 560 kg

=4 560 kg

G滿載總重=M滿載總重×9.8 N

=4 560 kg×9.8 N

=44 688 N

若船體的回轉(zhuǎn)半徑為R=8 m，船體的重心和回轉(zhuǎn)中心間距為L=7.0 m，驅(qū)動輪直徑D=400 mm，三角帶傳動比I=3，大帶輪直徑d大=375 mm，小帶輪直徑則為d小=125 mm，傳動效率η=0.7，電機(jī)選擇上海南陽電機(jī)有限公司生產(chǎn)的起重三相異步電動機(jī)，型號YZR180L-6，額定功率P=15 kw；額定轉(zhuǎn)速n=960 r/min，最大輸出轉(zhuǎn)矩=3.2×額定輸出轉(zhuǎn)矩（負(fù)荷率為40%）。

由此可計(jì)算出驅(qū)動輪的輸出功率為：

N=pη

=15 kw×0.7

=10.5 kw

驅(qū)動輪輸出轉(zhuǎn)速為：

n1=n/I

=960r/min/3

=320r/min

驅(qū)動輪輸出轉(zhuǎn)矩為：

T=9 550×N/n1

=9 550×10.5 kw/320 r/min

=313.36 Nm

驅(qū)動輪最大驅(qū)動力為：

F=2T/D·3.2

=2×313.36 Nm/0.4 m×3.2

=1 566.8 N×3.2

=5 013.76 N

驅(qū)動輪第一次驅(qū)動船體時的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩隨著船體偏離鉛直位置的偏角的增大而增大。假設(shè)第一次驅(qū)動船體時的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩隨著船體偏離鉛直位置的偏角為5°，那么船體重力瞬時回轉(zhuǎn)阻力矩為：

T瞬時=GLsin5°

=44 688 N×7.0 m×sin5°

≈27 215 Nm

然后在通過靜力平衡方程，計(jì)算出驅(qū)動輪的最大輸出驅(qū)動力為：

F最大=T瞬時/R

=27 215 Nm/8 m

=3 401.87 N

通過計(jì)算可以看出，驅(qū)動輪的最大輸出驅(qū)動力的值3 401.87 N小于驅(qū)動輪最大驅(qū)動力5 013.76 N，這樣能夠滿足機(jī)械傳動的要求，實(shí)現(xiàn)海盜船往復(fù)擺動。

2.2 單向間歇驅(qū)動傳動裝置的液壓傳動設(shè)計(jì)

為了避免驅(qū)動輪和船底導(dǎo)軌之間相對滑動，能夠保持滾動運(yùn)動，經(jīng)測定其摩擦系數(shù)f=0.6，此時當(dāng)船體運(yùn)動時，船體對船體導(dǎo)軌的最大正壓力為：

N船體=F最大/f

=3 401.87 N/0.6

=5 669.78 N

驅(qū)動輪支撐點(diǎn)和鉸鏈點(diǎn)之間的距離為1 000 mm，液壓缸柱塞和活動支座通過鉸鏈連接的部位和另一端鉸鏈點(diǎn)之間的距離為1 250 mm，那么液壓柱栓塞向上推動驅(qū)動輪，并且使船底導(dǎo)軌相接觸并且產(chǎn)生正壓力時需要的最大推力為：

F推=N船體·1 000 mm/1 250 mm

=5 669.78 N·1 000 mm/1 250 mm

≈4 535.82 N

將F推當(dāng)作液壓缸柱塞推動的最大負(fù)載，柱塞液壓缸的直徑d=60 mm，行程S=140 mm，工作壓力P=3 MPa。則液壓缸柱塞能夠產(chǎn)生的最大推力為：

F柱塞=PA

=3лd2/4

=3×3.14×602/4

=8 478 N

由于液壓缸柱塞能夠產(chǎn)生的最大推力8 478N大于液壓柱栓塞向上推動驅(qū)動輪，并且使船底導(dǎo)軌相接觸并且產(chǎn)生正壓力時需要的最大推力4 535.82N，能夠滿足單向間歇驅(qū)動傳動裝置的液壓傳動設(shè)計(jì)的要求，能夠進(jìn)行使用。

3 小結(jié)

經(jīng)過精密的數(shù)學(xué)計(jì)算，單向間歇驅(qū)動傳動裝置設(shè)計(jì)在海盜船上性能良好，動力充足，完全能夠滿足設(shè)計(jì)的要求，可以進(jìn)行推廣使用。

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