BC30大擺錘（A級）設計計算書

BC30大擺錘（A級）

設計計算書

編制：趙九峰

審核：趙九峰

批準：趙九峰

九峰CAD/CAE游樂設備工作室

2018年07月

九峰CAD/CAE游樂設備工作室

BC30大擺錘（A級）設計計算書

目錄

第一部分總論.................................................................1

1概述...........................................................................1

2工作依據.....................................................................2

3主要工作內容.................................................................3

4計算模型簡化說明與材料參數....................................................3

4.1計算模型簡化說明..........................................3

4.2大擺錘的材料參數.........................................3

5大擺錘載荷特性分析..........................................................5

5.1工作載荷..................................................5

5.2風載荷....................................................9

5.3雪載荷和溫度載荷.........................................13

5.4分析工況..................................................13

第二部分整體剛體動力學分析計算...............................................15

6剛體動力學分析..............................................................15

6.1概述....................................................15

6.2幾何模型.................................................16

6.3載荷與約束...............................................16

6.4剛體動力學分析結果.......................................19

6.4.1工況1：滿載+工作風載...............................19

6.4.2工況2：偏載+工作風載...............................21

6.5小結......................................................23

第三部分主體部件分析計算.....................................................24

7支架部件（BC30.01）...................................................24

7.1有限元模型................................................24

7.2載荷與約束...............................................26

7.3工況1：支架部件分析結果...................................28

7.4工況2：支架部件分析結果...................................33

7.5支架部件焊縫驗算.........................................38

7.5.1焊縫計算概述.......................................38

7.5.2支架部件焊縫計算...................................41

8懸臂部件（BC30.02）..................................................43

8.1有限元模型..............................................43

8.2載荷與約束.............................................44

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8.3工況1分析結果...........................................47

8.4工況2分析結果...........................................53

8.5懸臂部件焊縫計算........................................60

9轉盤部件(BC30.03)......................................................62

9.1有限元模型...............................................62

9.2載荷與約束...............................................63

9.3工況1分析結果...........................................66

9.4工況2分析結果...........................................69

9.5轉盤部件焊縫計算........................................72

10主體分析結果匯總..........................................................75

10.1結果匯總表..............................................75

10.2小結....................................................78

第四部分座椅組件分析計算.....................................................79

11座椅組件主體有限元分析(BC30.04).........................................79

11.1乘人加速度與安全帶驗算..................................79

11.2有限元模型..............................................80

11.3載荷與約束.............................................81

11.4座椅組件主體應力分析結果................................82

11.5座椅主架部件焊縫計算...................................85

12壓杠(BC30.04.03.03)、壓杠轉軸齒條拉耳(BC30.04.02.02)和壓杠機械鎖齒條

(BC30.04.04.03)............................................................86

12.1有限元模型..............................................86

12.2載荷與約束..............................................87

12.3壓杠組件應力分析結果....................................89

13壓杠轉軸齒條拉耳焊縫計算...................................................92

14軸和銷軸的計算..............................................................93

14.1概述.....................................................93

14.2壓杠轉軸(BC30.04.02.01)..............................95

14.3壓杠齒條銷軸(BC30.04.04.01)..........................96

15安全壓杠游動量計算.........................................................97

16座椅分析結果匯總..........................................................99

16.1結果匯總表...............................................99

16.2小結....................................................100

第五部分站臺部件分析計算....................................................101

17站臺面板有限元分析(BC30.05.04).........................................101

17.1有限元模型..............................................101

2

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17.2載荷與約束.............................................101

17.3站臺面板應力分析結果....................................102

18轉動拉耳焊件(BC30.05.03.12)..........................................105

18.1有限元模型..............................................105

18.2載荷與約束.............................................105

18.3轉動拉耳應力分析結果....................................107

19站臺面板銷軸(BC30.05.05),站臺連接銷(BC30.05.03.01)和站臺傳動連接軸管

(BC30.05.03.14.02)計算.....................................................108

20站臺組件分析結果匯總......................................................111

20.1站臺組件應力結果匯總...................................111

20.2小結...................................................112

第六部分其他類型分析.......................................................113

21大擺錘的模態(tài)分析..........................................................113

21.1載荷及約束.............................................113

21.2大擺錘的模態(tài)分析結果..................................114

21.3小結..................................................115

22大擺錘支架部件屈曲分析(BC30.04)..........................................115

22.1屈曲分析結果............................................115

22.2小結....................................................116

23地震載荷計算..............................................................117

23.1載荷特性分析............................................117

23.2地震作用計算結果........................................118

23.2.1水平地震作用計算結果(擺動方向)..................121

23.2.2水平地震作用計算結果(側向).....................124

23.2.3水平地震作用計算結果(合成方向)..................127

23.3地震計算結果匯總.......................................130

24極限風載計算...............................................................131

24.1載荷特性分析...........................................131

24.2計算結果...............................................132

24.2.1擺動方向..........................................132

24.2.2側向............................................135

24.3極限風載荷計算結果匯總.................................138

25安裝工況...................................................................139

25.1載荷特性分析...........................................139

25.2計算結果...............................................139

25.3安裝工況計算結果匯總...................................143

26螺栓的計算.................................................................143

3

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26.1螺栓計算概述...........................................143

26.2螺栓的計算.............................................145

27回轉支承的計算.............................................................146

27.1載荷分析...............................................146

27.2懸臂驅動回轉支承.......................................148

27.3轉盤回轉支承...........................................149

27.4小結...................................................151

28大擺錘減速機和電動機的計算.................................................152

28.1懸臂減速機、電動機的計算................................152

28.1.1傳動比驗算........................................152

28.1.2懸臂驅動電機驗算..................................153

28.1.3懸臂驅動減速機驗算................................154

28.2轉盤減速機、電動機的計算................................155

29站臺電液推桿的計算(BC30.05)..............................................157

30軸承的計算..................................................................157

30.1關節(jié)軸承的計算........................................157

30.2支撐軸承的計算.........................................158

31基礎受力和基礎地腳螺栓的計算..............................................159

31.1基礎受力計算...........................................159

31.2基礎地腳螺栓的計算....................................160

32結論......................................................................161

附表1大擺錘結構分析結果一覽表..............................................163

附表2大擺錘其他類型分析結果一覽表.........................................166

4

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第一部分總論

1概述

隨著我國經濟的快速發(fā)展，游樂設施在人們日常生活等領域得到越來越廣

泛的應用，大擺錘是目前國際上流行的新型游樂項目。該設備造型美觀，結構

科學，氣勢磅礴。游客乘坐在高速旋轉的擺錘上往復擺蕩，令人目眩神迷，驚

心動魄；游客往往情不自禁的發(fā)出驚呼與歡笑，極大的提高了整個游樂場歡樂

氣氛，使許多游客留戀忘返，不愿離開。

“大擺錘”游藝機屬大擺錘類游樂設備。座椅朝外，固定式。游客坐在座

椅上，經設備頂部2臺電機驅動使“擺錘”沿水平面作最大±90°夾角地擺

動，同時座椅大轉盤在電機的驅動下旋轉。游客在極速地上擺與下落過程中，

盡情尋求驚險與刺激，在緊張生活之余，追求另一種快感。

“大擺錘”游藝機由支架、懸臂、驅動裝置、轉盤、座椅、站臺、升降平

臺等部分組成；設備中部為懸臂部件，懸臂部件中心是橫臂組焊件有二組驅動

裝置，分別由電機、減速器、小齒輪、回轉支承進行減速。

大擺錘的結構簡圖如圖卜1。

圖1-1大擺錘結構簡圖

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大擺錘的基本信息如表1T所示。

表1T大擺錘的基本信息

設備名稱大擺錘

主體材質

設計/制造單位

運行高度

設備總高

乘坐人數

驅動功率

技術參數輔助功率

座椅擺動最大角度

回轉直徑

最大復擺速度

轉盤速度

2工作依據

(1)“大擺錘”設計圖紙(圖紙編號:BC30)；

(2)GB8408-2008《游樂設施安全規(guī)范》；

(3)GB/T18164-2008《大擺錘類游藝機通用技術條件》；

(4)GB50009-2012《建筑結構荷載規(guī)范》；

(5)GB50011-2010《建筑抗震設計規(guī)范》；

(6)GB3811-2008《起重機設計規(guī)范》；

(7)JB2300-2011《回轉支承》；

(8)《大型游樂設施設計》同濟大學出版社，付恒生、林明、梁朝虎主編;

(9)《機械設計手冊》化學工業(yè)出版社；

(10)《起重機設計手冊》中國鐵道出版社，張質文主編；

(11)《工程力學》高等教育出版社，范欽珊主編，第二版；

(12)《機械設計》高等教育出版社，濮良貴主編，第二版；

(13)《機械裝備金屬結構設計》機械工業(yè)出版社，徐格寧主編，第二版；

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（14）《起重機械金屬結構》上海交通大學出版社，董達善主編。

3主要工作內容

（1）建立大擺錘立柱、懸臂、回轉機構和座椅轉盤的有限元數值分析模型;

（2）計算大擺錘立柱、懸臂、回轉機構和座椅轉盤在滿載作用下的應力；

（3）計算大擺錘立柱、懸臂、回轉機構和座椅轉盤在偏載作用下的應力；

（4）關鍵部位（銷軸、螺栓連接及關鍵焊縫）的強度分析及疲勞校核；

（5）座椅組件的強度分析及疲勞校核；

（6）站臺組件的強度分析及疲勞校核；

（7）大擺錘主體的模態(tài)分析；

（8）大擺錘立柱的屈曲分析；

（9）特殊載荷（風載和地震載荷）下的分析；

（10）電機、減速器、平鍵、螺栓、回轉支承和軸承等部件的驗算。

4計算模型簡化說明與材料參數

4.1計算模型簡化說明

大擺錘主體分析采用板殼單元和梁單元的力學模型。電機、齒輪、座椅、

螺栓、筋板等附屬質量產生的載荷，施加在大擺錘的整個鋼架結構上，模擬這

些附屬構件對整個大擺錘主體鋼架結構產生的影響。局部部件分析，考慮模型

細節(jié)（筋板、焊縫等），精細化建模，采用實體單元進行局部分析。

4.2大擺錘的材料參數

大擺錘部件在Solidworks軟件中進行精細化建模并提取質量，設備總重

00t,主要部件及質量如表4T。

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表4-1主要部件及質量

序號部件名稱圖號數量材料單重(Kg)總重(Kg)

Q345B

懸臂驅動安裝座BC30.01.012

20

爬梯BC30.01.021Q345B

支

Q345B

架立柱下節(jié)組件BC30.01.034

120

部

支架檢修平臺BC30.01.042Q345B

11

避雷針組件BC30.01.051Q345B

檢修平臺拉桿組件BC30.01.064Q345B

懸臂驅動電機防護罩BC30.01.072玻璃鋼

Q345B

懸臂驅動組件BC30.02.012

懸45

臂懸臂橫臂組件BC30.02.021Q345B

2

Q345B

部懸臂立臂組件BC30.02.031

20

件

懸臂立臂檢修平臺組件BC30.02.041Q345B

Q345B

轉轉盤驅動組件BC30.03.011

45

盤轉盤六方體組焊件BC30.03.021Q345B

3

部轉盤支臂組焊件BC30.03.036Q345B

件

轉盤圓弧圈組焊件BC30.03.046Q345B

Q345B

4座椅部件BC30.0423

45

Q345B

5站臺部件BC30.052

45

6圍欄部件BC30.061Q345B

主體結構材料：Q345B/20；銷軸的材料為：65Mn；螺栓采用高強螺栓

(1=800MPa)。材料力學參量為：彈性模量E=2X10'MPa,泊松比u=0.3。

由《機械設計手冊》化學工業(yè)出版社，游樂設施主要材料性能參數如表4-2

所小。

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表4-2主要材料性能表

強度設計值屈服強度破斷強度彎曲疲勞極限扭轉疲勞極限

厚度或直徑

牌號Osl60-1T-1

(mm)

(MPa)(MPa)(MPa)(MPa)(MPa)

<16215235

>16?40205225

Q345B

>40~60200215

>60?100190205

65Mn<100\360

(軸類調質)100?200\345

Q345B<16\245

(結構用無縫16?30\235

鋼管)>30\225

5大擺錘載荷特性分析

5.1工作載荷

大擺錘的懸臂和轉盤部件，在懸臂驅動電機作用下沿橫臂的中心軸線做往

復擺動，座椅隨轉盤繞懸臂中心軸線做旋轉運動，整個座椅轉盤做擺動和旋轉

的復合運動。座椅的載荷作用示意圖如圖5T所示：

(1)懸臂擺動

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圖5-1大擺錘載荷示意圖

如圖5T(1),大擺錘轉盤從最高點下落過程中，下落高度：

H=RcosO(5-1)

其中：尺一擺臂的回轉半徑值為0.4m；

。一懸臂與豎直方向的夾角，即擺角。

下落過程中，僅受到重力的作用，機械能守恒：

2-

mgH=—mvt(52)

其中：〃2一大擺錘擺動部分的簡化質量；

g一標準重力加速度，9.8m/s2；

匕一大擺錘運動的瞬時速度。

大擺錘在擺動過程中，繞著橫臂中心軸線，做圓周運動，由圓周運動的向

心力公式：

2

Fn=m^~(5-3)

°R

沿立臂方向上，擺動部分受到重力和懸臂的拉力，如圖5-1(1),則：

FQ=F}-mgcos0(5-4)

其中：F}一擺臂的拉力。

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聯(lián)立公式（5-1）、（5-2）、（5-3）和（5-4）可得：

￡=3mgcos6（5-5）

懸臂部件在整個擺動周期，僅受到重力和向心力作用，公式（5-5）表明，

擺角。=0°,即大擺錘運動到最低點時，受到2g的加速度，屬于物理學中的超

重現象，重力勢能全部轉化為動能，懸臂部件受到的載荷最大。因此，僅對擺

角。=0°時，大擺錘擺動部件進行分析計算。

大擺錘擺動同時，乘人和座椅一起，繞懸臂筒的中心軸線做勻速圓周運動,

如圖5-1（2）,速度為彩=2.Om/s（見參數表1-1,回轉速度的驗算見第35.2節(jié)）。

則角速度：口="=空=0.4rad/s（5-6）

r2.6

其中：r一乘人與座椅質心相對于懸臂回轉軸的回轉半徑，值為2.6m。

則轉盤與座椅的連接部位，提供給乘人和座椅繞懸臂中心軸圓周運動的向

心力：

其中：叫一座椅組件質量（表4T,P3）,56.8kg；

色一乘人質量750N/人，則：鈾=/=肝=71.431^,保守計算按

75kg；

數據代入公式（5-7）得：

2

滿載時轉盤對座椅的向心力：鳥=（65.8+72）x巴20-二122N；

2.6

902

空載時去除乘人載荷牡，轉盤對座椅的向心力：f；=65.8x—=101N

2.6o

乘人與座椅繞立臂中心軸轉動的同時，還隨懸臂一起繞橫臂中心軸擺動，

由公式（5-5）可知，乘人與座椅受到的擺動向心力為：

F3=3（/^,+m2）gcos0（5-8）

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由公式（5-8）計算單個乘人和座椅擺動的向心力，得滿載時:

擺角6=0°：居=3義（56.8+72）X9.8XcosO°=4051N；

擺角6=30。：片=3X(56.8+72)X9.8Xcos30°=3509N；

擺角6=60°：.=3X(56.8+72)X9.8Xcos60°=2026N；

擺角8=90°：.=3X(56.8+72)X9.8Xcos90°=0N。

由公式(5-8)得空載時，單個座椅向心力：

擺角6=0°：居=3X56.8X9.8XcosO°=1935N；

擺角。=30°：K=3X56.8X9.8Xcos30°=1675N；

擺角。=60°：居=3X56.8X9.8Xcos60°=967N；

擺角。=90°:F,=3X56.8X9.8Xcos90°=0N；

滿載時擺動部件(包括懸臂、轉盤、座椅和乘人)總重量3478+2875+1513+23

X72=2588kg,偏載時擺動部件總重量3478+2875+1513+12X72=8730kg,最大

速度為12.8m/s(相當于角速度n=13.8r/min)。

則滿載時大擺錘的轉動慣量：

J=m=9522x9.42=4444444Kgm2(5-9)

則偏載時大擺錘的轉動慣量：

J=mR2=8730x9.42=771383Kgm2

由于大擺錘為單擺力學類型，分12次驅動，達到最大速度，模擬大擺錘在

整個運行周期內的各種參數?？偟尿寗訒r間為50s。

則滿載時大擺錘的驅動扭矩:

841364x13.8

=77766Nm(5-10)

9.55/9.55x36

則偏載時大擺錘的驅動扭矩:

Jn771383x13.8

=30963Nm

9.55「9.55x36

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大擺錘屬于旋轉類設備。由公式（5-2）最大的旋轉速度（線速度）為最低點

時的瞬時速度：

V"屈（5-11）

=—2x9.8x9.4=12.8m/s

由《游樂設施安全規(guī)范》釋義第4.2.3.2節(jié)：同類別的游樂設施采用同一

沖擊系數，顯然是不合理的，因此，以速度大小確定沖擊系數是比較科學的；

有的游樂設施其乘人部分有公轉也有自轉，還可能同時有升降，我們稱之為組

合運動，其速度的取值應取幾種運動合成速度的最大值。

根據GB8408-2008《游樂設施安全規(guī)范》中表1：大擺錘的速度最大值大于

lOm/s,通過插值，可取大擺錘的沖擊系數為K=l.644,保守計算，取K=1.7。

設備的自重為永久載荷（其中乘人用質量單元模擬，等效為永久載荷），

在沖擊載荷作用下，等效的重力加速度為：

g'=gK=9.8X1.7=14.7m/s2（5-12）

5.2風載荷

根據GB8408-2008《游樂設施安全規(guī)范》中4.2.2.7節(jié)：風載荷分為工作

狀態(tài)載荷和非工作狀態(tài)載荷；游樂設施的設計，按最大運行風速15m/s計算工

作狀態(tài)下的風載荷；非工作狀態(tài)載荷計算，按照在在靜止狀態(tài)應能承受當地氣

象數據提供的風載荷。

由《起重機機械金屬結構》：計算風載荷時，認為它是一種任意方向作用

的水平力，工作狀態(tài)風載荷是正常工作情況下所能承受的最大計算風載荷，非

工作狀態(tài)下風載荷是非正常工作情況下受到的最大計算風載荷。

根據GB50009-2001《建筑結構荷載規(guī)范》7.1.1的規(guī)定，計算主要承重結

構時，垂直于建筑物表面上的風荷載標準值：

wk=Pzusuzw0（5-13）

其中：唯一風載荷標準值；

隹一高度z處的風振系數，

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式中：《一對于鋼結構，根據《載荷規(guī)范》附錄E.1.1,基本自振

周期取大值；

T]=(0.007~0.013)//=0.013x10.7=0.14

2

則例"2=014x0.132=0.0024kNs7m,根據《載荷規(guī)范》

表7.4.3可知對于地面粗糙度B類地區(qū)應按基本風壓代入，即

0.0024kNsZ/nA利用線性插值法，得:

157-147

”1.47+————x(0.0024—0.01)=1.4

0.02-0.01''

同理，非工作風載時，J=1.57

。一脈動影響系數，總高度和寬度比值近似為1,根據《載荷

規(guī)范》表7.4.4-3,10m時,取0.46；

"一型振系數，如圖5.3所示，保守計算，取最大值為1.0；

4—風壓高度變化系數，如圖5-4所示。

表F.0.2高聳結構的振型系數

相對高度振型序號

z/H1234

0.10.02-0.090.23-0.39

0.20.06-0.300.61-0.75

0.30.14-0.530.76-0.43

0.40.23-0.680.530.32

0.50.34-0.710.020.71

0.60.46-0.59-0.480.33

0.70.59-0.32-0.66-0.40

0.80.790.07-0.40-0.64

0.90.860.520.23-0.05

1.01.001.001.001.00

圖5-3高聳結構的振型系數

心?十,aLi'c.1.4x0.46x1.0,八

綜上，工作風載時：幺=1+----------=1.6

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非工作風載時：d=1+--------------------=1.7

*1.0

人—風荷載體型系數，大擺錘支架、懸臂和轉盤。考慮到大擺錘的

主體結構為桁架結構，因此可類比《建筑結構載荷規(guī)范》表7.3.1中

第32項來計算體型系數。

側向擋風系數。=與=爺=0.15（4為大擺錘的靜投影面積；A

為大擺錘的輪廓面積），考慮到座椅、橫梁等因素影響，取。=0.2。

大擺錘主體結構由圓管桿件構成，則體形系數"=1.3,所以，體形系

數〃,=〃。=1.3X0.2=0.260

生一風壓高度變化系數，大擺錘的高度10.7m,地面粗糙可類比

7.2.1中的B類（稀疏的城鎮(zhèn)和城市郊區(qū)），查下表可得不同

高度下的人,10m取1.0,風壓高度變化系數，如圖5.4所示。

離地面或地面粗微度類別

海平面高度（m）ABCD

51.171.000.740.62

101.381.000.740.62

151.521.140.740.62

201.631.250.840.62

301.801.421.000.62

401.921.561.130.73

502.031.671.250.84

602.121.771.350.93

702.201.861.451.02

802.271.951.541.11

902.342.021.621.19

1002.402.091.701.27

1502.642.382.031.61

2002.832.612.301.92

2S02.992.802.542.19

3003.122,972.752.45

3503.123.122.942.68

4003.123.123.122.91

.>4503.123.123.123.12

圖5-4風壓高度變化系數

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BC30大擺錘（A級）設計計算書

%—基本風壓值。工作狀態(tài)下，風速為15m/s,對應的風壓為140N/m2

（標準狀況下，風壓=140N/m2）；非工作狀態(tài)下，根據GB50009

《建筑結構載荷規(guī)范》，中國沿海地區(qū)（如廈門）50年一遇的風

2

壓值為800N/mo

以上數據代入公式（5-13）求的：

工作狀態(tài)下的風荷載標準值：

2

wk=吸）=L6X0.26X1.0X140=58N/m；

非工作狀態(tài)下的風荷載標準值：

2

wk=?必牝頊=1.7X0.26X1.0X800=243N/m；

擺動方向迎風輪廓面積：A=108m2

側向方向迎風輪廓面積：A=142m2

大擺錘上受到的側向力：Fw=（5-14）

數據代入公式（5-14）,求得：

擺動方向風載荷：

工作狀態(tài)下的各部件總的側向力：F=wfc/4=58x108=6264N

非工作狀態(tài)下的各部件總的側向力：F=w^=243x108=25315N

側向方向風載荷：

工作狀態(tài)下的各部件總的側向力：F=w/=58x142=2531N

非工作狀態(tài)下的各部件總的側向力：F=卬〃=243*142=26584N

風載作為外載荷，施加在大擺錘最不利的方向（由于是對稱結構，施加在

迎風面積最大方向上，工作狀態(tài)下，擺動部分可自由擺動，因此工作狀態(tài)僅考

慮側向風載荷影響，非工作狀態(tài)下，考慮側向和擺動方向風載荷影響）。

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