单向间歇驱动传动装置设计在海盗船上的应用

摘?要 在传统双向驱动传动装置的基础上，对驱动传动装置进行了改进，介绍了海盗船驱动的原理、单项间歇驱动传动装置的设计原理以及针对设计的计算验证，为海盗船驱动传动装置设计提供了参考。

关键词 海盗船；单向间歇驱动传动装置；设计；应用

中图分类号 TN914 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)071-0146-02

作为一种大型的游艺设备，海盗船自进入我国那一天起就得到了游艺爱好者的青睐，其大幅度的摆脚模拟大海的风浪，置身其中的游艺爱好者随着船体缓慢交替的摆动，犹如置身于惊涛骇浪之中，惊险、刺激身临其境的感觉让每一个游艺爱好者心慕不已。目前，在全国各地的游乐场中海盗船已经成为必备的游艺设施。

1 海盗船驱动的原理

图1 海盗船实物图

如图1所示，海盗船的横梁被姥姥固定在四角的四根斜向立柱上，船体悬挂在中间的横梁上。其悬挂部位和横梁之间通过滚动轴承连接，这样可以保证船体在一定角度下往复摆动。为了给船体摆动提供动力，在船体的底部分别安装着传动系统，带动着驱动轮向着两个相反的方向进行转动，从而保证船体分别向两个方向往复摆动。由于船体的运动主要依靠驱动轮与导轨间的摩擦力进行驱动，因此驱动轮与导轨间必须紧密接触并且保证存在适当的正压力。在船体向右运动过程中，左面的驱动轮驱动，右面的驱动轮和船体导轨互相脱离；在船体向左运动时，右面的驱动轮驱动，左面的驱动轮和船体导轨互相脱离，这样可以避免船体在运动过程中因对侧驱动轮和船体导轨间的摩擦力过大而影响船体运动或者导致船体停止摆动。从而影响游艺者的心情。为了有效推动船体运动，整个运动系统必须在巧妙设计液压系统的基础上完成，并且要求其传动系统能够保持高度的协调一致，避免因传动系统障碍造成船体停摆事件发生。

2 单向间歇驱动传动装置

2.1 单向间歇驱动传动装置综述

和传统的双向驱动传动装置采用的两套传动装置不同，单项间歇驱动传动装置只采用一套驱动传动装置，并且其驱动装置安装在导轨的中间。和传统双向驱动传动启动方式不同，这种驱动方法需要驱动轮反复单项驱动几次后海盗船才能按照预设的摆角正常摆动。在驱动过程中，驱动轮只进行单方向的驱动，当船体达到最高点，驱动停止，船体依靠的重力作用实现回摆，当船体回摆到底部时，因惯性继续摆动，摆到最高点回摆，摆到底部时驱动轮再次进行驱动，再次使船体达到最高点，然后再次停止驱动，从而实现海盗船的往复摆动。

2.2 单向间歇驱动传动装置的机械传动设计

2.2.1 单向间歇驱动传动装置的机械传动原理

单向间歇驱动传动装置的机械传动结构主要包括电机、液压缸、驱动轮、三角传动带固定支座、活动支座等。驱动轮和大带轮安装在相同的驱动轴上，电机启动后，其转速、转矩经三角传动带传动到驱动轮，引发驱动轮转动。整个传动系统被固定在活动支座上，活动支座通过铰链和固定支座的一段相联接，这样就使得活动支座能够围绕固定支座摆动；活动支座的另一端通过铰链和液压缸的柱塞联接。在驱动过程中，电机启动后通过转动带带动驱动轮，此时液压缸柱塞缓慢将活动支座向上推动，船底导轨接触到驱动轮，推动船体运动，并不断升高，达到限值后，传送系统因重力下降，液压缸柱塞回缩，船底导轨脱离驱动轮，船体失去动力开始做反方向移动，并进行往复摆动。

2.2.2 单向间歇驱动传动装置的机械传动参数设计

选择24座海盗船作为设计对象，其船体重量3?000 kg，每位乘客体重65 kg，那么满载时乘客的总重量为：

M乘客=65 kg×24=1?560 kg

此时整个船体满载时的总重量为：

M满载总重=M船体+M乘客

=3?000 kg+1?560 kg

=4?560 kg

G满载总重=M满载总重×9.8 N

=4?560 kg×9.8 N

=44?688 N

若船体的回转半径为R=8 m，船体的重心和回转中心间距为L=7.0 m，驱动轮直径D=400 mm，三角带传动比I=3，大带轮直径d大=375 mm，小带轮直径则为d小=125 mm，传动效率η=0.7，电机选择上海南阳电机有限公司生产的起重三相异步电动机，型号YZR180L-6，额定功率P=15 kw；额定转速n=960 r/min，最大输出转矩=3.2×额定输出转矩（负荷率为40%）。

由此可计算出驱动轮的输出功率为：

N=pη

=15 kw×0.7

=10.5 kw

驱动轮输出转速为：

n1=n/I

=960r/min/3

=320r/min

驱动轮输出转矩为：

T=9?550×N/n1

=9?550×10.5 kw/320 r/min

=313.36 Nm

驱动轮最大驱动力为：

F=2T/D·3.2

=2×313.36 Nm/0.4 m×3.2

=1?566.8 N×3.2

=5?013.76 N

驱动轮第一次驱动船体时的驱动转矩随着船体偏离铅直位置的偏角的增大而增大。假设第一次驱动船体时的驱动转矩随着船体偏离铅直位置的偏角为5°，那么船体重力瞬时回转阻力矩为：

T瞬时=GLsin5°

=44?688 N×7.0 m×sin5°

≈27?215 Nm

然后在通过静力平衡方程，计算出驱动轮的最大输出驱动力为：

F最大=T瞬时/R

=27?215 Nm/8 m

=3?401.87 N

通过计算可以看出，驱动轮的最大输出驱动力的值3?401.87 N小于驱动轮最大驱动力5?013.76 N，这样能够满足机械传动的要求，实现海盗船往复摆动。

2.2 单向间歇驱动传动装置的液压传动设计

为了避免驱动轮和船底导轨之间相对滑动，能够保持滚动运动，经测定其摩擦系数f=0.6，此时当船体运动时，船体对船体导轨的最大正压力为：

N船体=F最大/f

=3?401.87 N/0.6

=5?669.78 N

驱动轮支撑点和铰链点之间的距离为1?000 mm，液压缸柱塞和活动支座通过铰链连接的部位和另一端铰链点之间的距离为1?250 mm，那么液压柱栓塞向上推动驱动轮，并且使船底导轨相接触并且产生正压力时需要的最大推力为：

F推=N船体·1?000 mm/1?250 mm

=5?669.78 N·1?000 mm/1?250 mm

≈4?535.82 N

将F推当作液压缸柱塞推动的最大负载，柱塞液压缸的直径d=60 mm，行程S=140 mm，工作压力P=3 MPa。则液压缸柱塞能够产生的最大推力为：

F柱塞=PA

=3лd2/4

=3×3.14×602/4

=8?478 N

由于液压缸柱塞能够产生的最大推力8?478N大于液压柱栓塞向上推动驱动轮，并且使船底导轨相接触并且产生正压力时需要的最大推力4?535.82N，能够满足单向间歇驱动传动装置的液压传动设计的要求，能够进行使用。

3 小结

经过精密的数学计算，单向间歇驱动传动装置设计在海盗船上性能良好，动力充足，完全能够满足设计的要求，可以进行推广使用。

参考文献

[1]高长青,高勇.海盗船安全杠组件有限元分析[J].现代制造技术与装备,2010,01.

[2]史向东."太空船"游艺机回转臂的强度校核计算分析[J].机械设计与制造,2010,07.

[3]郭荣安.几种游艺机的结构介绍(续1)[J].中国锅炉压力容器安全,2004,05.