長(zhǎng)跨距輪輻中心軸優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究

呂俊

摘? 要：觀覽車輪輻中心軸往往設(shè)計(jì)得結(jié)構(gòu)復(fù)雜且存在種種檢修困難等問(wèn)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(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積和拉索預(yù)緊力也會(huì)進(jìn)一步增大，為保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，觀覽車輪輻中心軸跨距變得更長(zhǎng)。由于以上這些不利因素的產(chǎn)生，隨之而來(lái)成本問(wèn)題就會(huì)逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。所以，優(yōu)化現(xiàn)有觀覽車的軸承座和中心軸的結(jié)構(gòu)、調(diào)整拉索連接副能夠有效降低成本，對(duì)于游樂(lè)設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天來(lái)說(shuō)，也是十分有必要的。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)跨距? 結(jié)構(gòu)優(yōu)化? 降低成本? 拉索連接副

中圖分類號(hào)：TS952.8 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(fēng)荷載影響較大，在運(yùn)行以及停機(jī)過(guò)程中都會(huì)受到來(lái)自四面八方的風(fēng)壓影響，這些隨時(shí)間變化且不確定的風(fēng)荷載最終都會(huì)通過(guò)觀覽車?yán)鱾鬟f到中心軸上。對(duì)于整個(gè)觀覽車而言，輪輻中心軸作為其最重要核心部件來(lái)說(shuō)，它的穩(wěn)定運(yùn)行和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是需要絕對(duì)保證的。因此，觀覽車輪輻中心軸往往設(shè)計(jì)得結(jié)構(gòu)復(fù)雜且存在種種檢修困難等問(wèn)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(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積和拉索預(yù)緊力也會(huì)進(jìn)一步增大，為保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，觀覽車輪輻中心軸跨距變得更長(zhǎng)。由于以上這些不利因素的產(chǎn)生，隨之而來(lái)成本問(wèn)題就會(huì)逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。所以，優(yōu)化現(xiàn)有觀覽車的中心軸結(jié)構(gòu)、調(diào)整拉索連接副能夠有效降低成本，對(duì)于游樂(lè)設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天來(lái)說(shuō)，也是十分有必要的。

現(xiàn)有觀覽車中心軸兩端與支撐結(jié)構(gòu)的連接方式通常采用兩種形式：調(diào)心軸承和回轉(zhuǎn)支撐連接。兩種結(jié)構(gòu)都是在主要承受徑向荷載情況下，同時(shí)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(diào)心作用。該文介紹的是一種以調(diào)心軸承來(lái)作為兩端機(jī)械連接結(jié)構(gòu)的觀覽車中心軸，詳細(xì)闡述了通過(guò)調(diào)整軸承座、中心軸體、拉索板等相關(guān)零部件結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到優(yōu)化目的，并且從制造、運(yùn)輸、安裝3個(gè)方面來(lái)對(duì)比優(yōu)化前后的成本控制。希望該文對(duì)觀覽車整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化有所幫助。

1.1 軸承座優(yōu)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(cè)的荷載能夠順利傳遞到支撐結(jié)構(gòu)上。原有軸承座多采用板筋件、通過(guò)機(jī)加工、焊接工藝將各零件組裝整合起來(lái)。但在制作加工工程中，往往會(huì)發(fā)生焊接質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題、底板不平整等質(zhì)量問(wèn)題。不僅降低了安裝定位精度，還會(huì)對(duì)出現(xiàn)配裝效果可能發(fā)生軸承運(yùn)轉(zhuǎn)不理想的問(wèn)題。

在軸承座合理型優(yōu)化過(guò)程中，首先，取消過(guò)多冗余肋板，它能夠有效減少焊接變形所帶來(lái)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(huì)有效減小底板焊后變形產(chǎn)生大平板翹曲的影響（見圖1）。

合理優(yōu)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(yīng)力出現(xiàn)在底部焊縫區(qū)域，安全系數(shù)在1.1倍以上，符合設(shè)計(jì)要求（見圖2）。另外，結(jié)構(gòu)調(diào)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(yàn)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(yōu)化

中心軸體現(xiàn)有結(jié)構(gòu)是由外圈圓筒結(jié)構(gòu)組成，兩端軸頭由一根芯軸進(jìn)行固接，外圈圓筒和內(nèi)側(cè)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(jié)構(gòu)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(gè)長(zhǎng)筒形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部配有大量縱向筋板和橫向腹板支撐，使結(jié)構(gòu)達(dá)到剛性要求（見圖3）。此類大筒體結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮控制成本方面時(shí)很難降低其用鋼量和焊接量。整體結(jié)構(gòu)的粗重程度又會(huì)增加運(yùn)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(jié)構(gòu)進(jìn)行了逐步優(yōu)化。

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

其次，由于觀覽車迎風(fēng)面積擴(kuò)大后，拉索的直徑和數(shù)量相應(yīng)增加。原有結(jié)構(gòu)上拉索板在現(xiàn)有情況下布置位置不夠理想，在安裝過(guò)程中會(huì)大幅降低安裝效率。因此，此處的拉索錨頭結(jié)構(gòu)由叉耳銷軸形式改為螺桿螺帽形式（見圖5）。在運(yùn)用螺桿式結(jié)構(gòu)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(guò)程中，已在高空中安裝到位后的中心軸側(cè)的拉索只需帶相應(yīng)墊圈和螺帽后，在地面一側(cè)將拉索再預(yù)緊。

拉索檢修過(guò)程中，原有結(jié)構(gòu)中拉索銷軸需要每月定時(shí)加注潤(rùn)滑油維護(hù)。優(yōu)化后的螺桿結(jié)構(gòu)只需在螺母預(yù)緊后做好防松標(biāo)記，定期目測(cè)檢驗(yàn)即可。拉索結(jié)構(gòu)調(diào)整后，對(duì)今后的日常維護(hù)成本費(fèi)用也會(huì)有所降低。

另外，考慮全纜索結(jié)構(gòu)在安裝過(guò)程中，需要使用臨時(shí)支撐梁來(lái)輔助安裝。由于長(zhǎng)跨距的中心軸中間整體剛性不足，臨時(shí)支撐的固定點(diǎn)勢(shì)必不能夠安裝于中心軸中間位置?？紤]這一因素，并結(jié)合中心筒體的一個(gè)敞開式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將臨時(shí)支撐固定點(diǎn)移至中心軸兩端的軸頭位置。臨時(shí)支撐在安裝過(guò)程中，直接插入敞開式的6組圓管框架結(jié)構(gòu)中，再與軸頭形成一個(gè)銷軸連接即可達(dá)到臨時(shí)固定作用（見圖6）。為了能夠更好地模擬實(shí)際情況，通過(guò)實(shí)體模型和有限元建模分析后，得出這樣的優(yōu)化方式能夠很好地解決臨時(shí)支撐的安裝問(wèn)題（見圖7）。

通過(guò)上述3處主要結(jié)構(gòu)的優(yōu)化后，既能滿足吊裝使用要求，又對(duì)今后的使用維護(hù)保養(yǎng)工作便利性也有一定的改善。整體結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)后，作用主要受力部件的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力與變形量都滿足設(shè)計(jì)要求，因此，該優(yōu)化方案具有一定可實(shí)施性。

1.3 成本控制

在具備一定可操作性的情況，從現(xiàn)有結(jié)構(gòu)變更為全新結(jié)構(gòu)之前，到底有多少經(jīng)濟(jì)方面的降低就成為最終優(yōu)化方案是否值得實(shí)施的迫切問(wèn)題。

在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天，企業(yè)為了能夠更好地開拓市場(chǎng)、占有市場(chǎng)份額對(duì)于成本控制越來(lái)越來(lái)嚴(yán)格。中心軸作為觀覽車的主要部件，這樣的結(jié)構(gòu)合理性會(huì)對(duì)制造成本、安裝手段等各個(gè)方面產(chǎn)生不小的影響。優(yōu)化后中心軸在總的用鋼量環(huán)節(jié)方面能夠降低23%左右的原材料成本;外購(gòu)件拉索的錨具結(jié)構(gòu)形式的不同對(duì)于采購(gòu)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(huán)節(jié)方面，由于噸位下降明顯，在吊機(jī)的選型環(huán)節(jié)方面能夠節(jié)約25%左右的安裝成本。

由此可見，通過(guò)優(yōu)化中心軸優(yōu)化方案，能夠有效節(jié)約觀覽車在制作和吊裝方面成本。

在運(yùn)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(jié)構(gòu)。在長(zhǎng)途運(yùn)輸過(guò)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(lái)進(jìn)行運(yùn)輸，該車離地間隙在0.8米左右，才能勉強(qiáng)滿足運(yùn)輸條件。優(yōu)化后的中心軸截面直徑只有2.2米左右，能夠采用運(yùn)輸單位常規(guī)的1.2米高平板卡車來(lái)作為用運(yùn)輸車輛。這樣的運(yùn)輸高度條件下，車輛甚至能通過(guò)三級(jí)、四級(jí)公路的4.5米限高桿。這樣結(jié)構(gòu)優(yōu)化能帶來(lái)一定的運(yùn)輸成本的降低和運(yùn)輸時(shí)間的減少。

這些成本的有效控制不僅能夠幫助企業(yè)在報(bào)價(jià)競(jìng)標(biāo)項(xiàng)目時(shí)擁有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，還能通過(guò)降低大型吊裝的難度而節(jié)省起吊場(chǎng)地的施工成本。從觀覽車產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展來(lái)說(shuō)，本次優(yōu)化設(shè)計(jì)案例是一個(gè)有很大利潤(rùn)潛力的方案。

2? 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了觀覽車中心軸的軸承座和中心筒體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)調(diào)整和針對(duì)性的有限元分析后，首先，軸承座的整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(wèn)題;另外，將中心軸由鋼板筒體結(jié)構(gòu)改為多圓管連接結(jié)構(gòu)，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(shí)，臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)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(guò)以上的各部分的優(yōu)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(shè)備質(zhì)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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