BC30大摆锤（A级）设计计算书

BC30大摆锤（A级）

设计计算书

编制：赵九峰

审核：赵九峰

批准：赵九峰

九峰CAD/CAE游乐设备工作室

2018年07月

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BC30大摆锤（A级）设计计算书

目录

第一部分总论.................................................................1

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

2工作依据.....................................................................2

3主要工作内容.................................................................3

4计算模型简化说明与材料参数....................................................3

4.1计算模型简化说明..........................................3

4.2大摆锤的材料参数.........................................3

5大摆锤载荷特性分析..........................................................5

5.1工作载荷..................................................5

5.2风载荷....................................................9

5.3雪载荷和温度载荷.........................................13

5.4分析工况..................................................13

第二部分整体刚体动力学分析计算...............................................15

6刚体动力学分析..............................................................15

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

6.2几何模型.................................................16

6.3载荷与约束...............................................16

6.4刚体动力学分析结果.......................................19

6.4.1工况1：满载+工作风载...............................19

6.4.2工况2：偏载+工作风载...............................21

6.5小结......................................................23

第三部分主体部件分析计算.....................................................24

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

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

7.2载荷与约束...............................................26

7.3工况1：支架部件分析结果...................................28

7.4工况2：支架部件分析结果...................................33

7.5支架部件焊缝验算.........................................38

7.5.1焊缝计算概述.......................................38

7.5.2支架部件焊缝计算...................................41

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

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

8.2载荷与约束.............................................44

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8.3工况1分析结果...........................................47

8.4工况2分析结果...........................................53

8.5悬臂部件焊缝计算........................................60

9转盘部件(BC30.03)......................................................62

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

9.2载荷与约束...............................................63

9.3工况1分析结果...........................................66

9.4工况2分析结果...........................................69

9.5转盘部件焊缝计算........................................72

10主体分析结果汇总..........................................................75

10.1结果汇总表..............................................75

10.2小结....................................................78

第四部分座椅组件分析计算.....................................................79

11座椅组件主体有限元分析(BC30.04).........................................79

11.1乘人加速度与安全带验算..................................79

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

11.3载荷与约束.............................................81

11.4座椅组件主体应力分析结果................................82

11.5座椅主架部件焊缝计算...................................85

12压杠(BC30.04.03.03)、压杠转轴齿条拉耳(BC30.04.02.02)和压杠机械锁齿条

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

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

12.2载荷与约束..............................................87

12.3压杠组件应力分析结果....................................89

13压杠转轴齿条拉耳焊缝计算...................................................92

14轴和销轴的计算..............................................................93

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

14.2压杠转轴(BC30.04.02.01)..............................95

14.3压杠齿条销轴(BC30.04.04.01)..........................96

15安全压杠游动量计算.........................................................97

16座椅分析结果汇总..........................................................99

16.1结果汇总表...............................................99

16.2小结....................................................100

第五部分站台部件分析计算....................................................101

17站台面板有限元分析(BC30.05.04).........................................101

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

2

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17.2载荷与约束.............................................101

17.3站台面板应力分析结果....................................102

18转动拉耳焊件(BC30.05.03.12)..........................................105

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

18.2载荷与约束.............................................105

18.3转动拉耳应力分析结果....................................107

19站台面板销轴(BC30.05.05),站台连接销(BC30.05.03.01)和站台传动连接轴管

(BC30.05.03.14.02)计算.....................................................108

20站台组件分析结果汇总......................................................111

20.1站台组件应力结果汇总...................................111

20.2小结...................................................112

第六部分其他类型分析.......................................................113

21大摆锤的模态分析..........................................................113

21.1载荷及约束.............................................113

21.2大摆锤的模态分析结果..................................114

21.3小结..................................................115

22大摆锤支架部件屈曲分析(BC30.04)..........................................115

22.1屈曲分析结果............................................115

22.2小结....................................................116

23地震载荷计算..............................................................117

23.1载荷特性分析............................................117

23.2地震作用计算结果........................................118

23.2.1水平地震作用计算结果(摆动方向)..................121

23.2.2水平地震作用计算结果(侧向).....................124

23.2.3水平地震作用计算结果(合成方向)..................127

23.3地震计算结果汇总.......................................130

24极限风载计算...............................................................131

24.1载荷特性分析...........................................131

24.2计算结果...............................................132

24.2.1摆动方向..........................................132

24.2.2侧向............................................135

24.3极限风载荷计算结果汇总.................................138

25安装工况...................................................................139

25.1载荷特性分析...........................................139

25.2计算结果...............................................139

25.3安装工况计算结果汇总...................................143

26螺栓的计算.................................................................143

3

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26.1螺栓计算概述...........................................143

26.2螺栓的计算.............................................145

27回转支承的计算.............................................................146

27.1载荷分析...............................................146

27.2悬臂驱动回转支承.......................................148

27.3转盘回转支承...........................................149

27.4小结...................................................151

28大摆锤减速机和电动机的计算.................................................152

28.1悬臂减速机、电动机的计算................................152

28.1.1传动比验算........................................152

28.1.2悬臂驱动电机验算..................................153

28.1.3悬臂驱动减速机验算................................154

28.2转盘减速机、电动机的计算................................155

29站台电液推杆的计算(BC30.05)..............................................157

30轴承的计算..................................................................157

30.1关节轴承的计算........................................157

30.2支撑轴承的计算.........................................158

31基础受力和基础地脚螺栓的计算..............................................159

31.1基础受力计算...........................................159

31.2基础地脚螺栓的计算....................................160

32结论......................................................................161

附表1大摆锤结构分析结果一览表..............................................163

附表2大摆锤其他类型分析结果一览表.........................................166

4

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第一部分总论

1概述

随着我国经济的快速发展，游乐设施在人们日常生活等领域得到越来越广

泛的应用，大摆锤是目前国际上流行的新型游乐项目。该设备造型美观，结构

科学，气势磅礴。游客乘坐在高速旋转的摆锤上往复摆荡，令人目眩神迷，惊

心动魄；游客往往情不自禁的发出惊呼与欢笑，极大的提高了整个游乐场欢乐

气氛，使许多游客留恋忘返，不愿离开。

“大摆锤”游艺机属大摆锤类游乐设备。座椅朝外，固定式。游客坐在座

椅上，经设备顶部2台电机驱动使“摆锤”沿水平面作最大±90°夹角地摆

动，同时座椅大转盘在电机的驱动下旋转。游客在极速地上摆与下落过程中，

尽情寻求惊险与刺激，在紧张生活之余，追求另一种快感。

“大摆锤”游艺机由支架、悬臂、驱动装置、转盘、座椅、站台、升降平

台等部分组成；设备中部为悬臂部件，悬臂部件中心是横臂组焊件有二组驱动

装置，分别由电机、减速器、小齿轮、回转支承进行减速。

大摆锤的结构简图如图卜1。

图1-1大摆锤结构简图

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大摆锤的基本信息如表1T所示。

表1T大摆锤的基本信息

设备名称大摆锤

主体材质

设计/制造单位

运行高度

设备总高

乘坐人数

驱动功率

技术参数辅助功率

座椅摆动最大角度

回转直径

最大复摆速度

转盘速度

2工作依据

(1)“大摆锤”设计图纸(图纸编号:BC30)；

(2)GB8408-2008《游乐设施安全规范》；

(3)GB/T18164-2008《大摆锤类游艺机通用技术条件》；

(4)GB50009-2012《建筑结构荷载规范》；

(5)GB50011-2010《建筑抗震设计规范》；

(6)GB3811-2008《起重机设计规范》；

(7)JB2300-2011《回转支承》；

(8)《大型游乐设施设计》同济大学出版社，付恒生、林明、梁朝虎主编;

(9)《机械设计手册》化学工业出版社；

(10)《起重机设计手册》中国铁道出版社，张质文主编；

(11)《工程力学》高等教育出版社，范钦珊主编，第二版；

(12)《机械设计》高等教育出版社，濮良贵主编，第二版；

(13)《机械装备金属结构设计》机械工业出版社，徐格宁主编，第二版；

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（14）《起重机械金属结构》上海交通大学出版社，董达善主编。

3主要工作内容

（1）建立大摆锤立柱、悬臂、回转机构和座椅转盘的有限元数值分析模型;

（2）计算大摆锤立柱、悬臂、回转机构和座椅转盘在满载作用下的应力；

（3）计算大摆锤立柱、悬臂、回转机构和座椅转盘在偏载作用下的应力；

（4）关键部位（销轴、螺栓连接及关键焊缝）的强度分析及疲劳校核；

（5）座椅组件的强度分析及疲劳校核；

（6）站台组件的强度分析及疲劳校核；

（7）大摆锤主体的模态分析；

（8）大摆锤立柱的屈曲分析；

（9）特殊载荷（风载和地震载荷）下的分析；

（10）电机、减速器、平键、螺栓、回转支承和轴承等部件的验算。

4计算模型简化说明与材料参数

4.1计算模型简化说明

大摆锤主体分析采用板壳单元和梁单元的力学模型。电机、齿轮、座椅、

螺栓、筋板等附属质量产生的载荷，施加在大摆锤的整个钢架结构上，模拟这

些附属构件对整个大摆锤主体钢架结构产生的影响。局部部件分析，考虑模型

细节（筋板、焊缝等），精细化建模，采用实体单元进行局部分析。

4.2大摆锤的材料参数

大摆锤部件在Solidworks软件中进行精细化建模并提取质量，设备总重

00t,主要部件及质量如表4T。

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表4-1主要部件及质量

序号部件名称图号数量材料单重(Kg)总重(Kg)

Q345B

悬臂驱动安装座BC30.01.012

20

爬梯BC30.01.021Q345B

支

Q345B

架立柱下节组件BC30.01.034

120

部

支架检修平台BC30.01.042Q345B

11

避雷针组件BC30.01.051Q345B

检修平台拉杆组件BC30.01.064Q345B

悬臂驱动电机防护罩BC30.01.072玻璃钢

Q345B

悬臂驱动组件BC30.02.012

悬45

臂悬臂横臂组件BC30.02.021Q345B

2

Q345B

部悬臂立臂组件BC30.02.031

20

件

悬臂立臂检修平台组件BC30.02.041Q345B

Q345B

转转盘驱动组件BC30.03.011

45

盘转盘六方体组焊件BC30.03.021Q345B

3

部转盘支臂组焊件BC30.03.036Q345B

件

转盘圆弧圈组焊件BC30.03.046Q345B

Q345B

4座椅部件BC30.0423

45

Q345B

5站台部件BC30.052

45

6围栏部件BC30.061Q345B

主体结构材料：Q345B/20；销轴的材料为：65Mn；螺栓采用高强螺栓

(1=800MPa)。材料力学参量为：弹性模量E=2X10'MPa,泊松比u=0.3。

由《机械设计手册》化学工业出版社，游乐设施主要材料性能参数如表4-2

所小。

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表4-2主要材料性能表

强度设计值屈服强度破断强度弯曲疲劳极限扭转疲劳极限

厚度或直径

牌号Osl60-1T-1

(mm)

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

<16215235

>16〜40205225

Q345B

>40~60200215

>60〜100190205

65Mn<100\360

(轴类调质)100〜200\345

Q345B<16\245

(结构用无缝16〜30\235

钢管)>30\225

5大摆锤载荷特性分析

5.1工作载荷

大摆锤的悬臂和转盘部件，在悬臂驱动电机作用下沿横臂的中心轴线做往

复摆动，座椅随转盘绕悬臂中心轴线做旋转运动，整个座椅转盘做摆动和旋转

的复合运动。座椅的载荷作用示意图如图5T所示：

(1)悬臂摆动

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图5-1大摆锤载荷示意图

如图5T(1),大摆锤转盘从最高点下落过程中，下落高度：

H=RcosO(5-1)

其中：尺一摆臂的回转半径值为0.4m；

。一悬臂与竖直方向的夹角，即摆角。

下落过程中，仅受到重力的作用，机械能守恒：

2-

mgH=—mvt(52)

其中：〃2一大摆锤摆动部分的简化质量；

g一标准重力加速度，9.8m/s2；

匕一大摆锤运动的瞬时速度。

大摆锤在摆动过程中，绕着横臂中心轴线，做圆周运动，由圆周运动的向

心力公式：

2

Fn=m^~(5-3)

°R

沿立臂方向上，摆动部分受到重力和悬臂的拉力，如图5-1(1),则：

FQ=F}-mgcos0(5-4)

其中：F}一摆臂的拉力。

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联立公式（5-1）、（5-2）、（5-3）和（5-4）可得：

£=3mgcos6（5-5）

悬臂部件在整个摆动周期，仅受到重力和向心力作用，公式（5-5）表明，

摆角。=0°,即大摆锤运动到最低点时，受到2g的加速度，属于物理学中的超

重现象，重力势能全部转化为动能，悬臂部件受到的载荷最大。因此，仅对摆

角。=0°时，大摆锤摆动部件进行分析计算。

大摆锤摆动同时，乘人和座椅一起，绕悬臂筒的中心轴线做匀速圆周运动,

如图5-1（2）,速度为彩=2.Om/s（见参数表1-1,回转速度的验算见第35.2节）。

则角速度：口="=空=0.4rad/s（5-6）

r2.6

其中：r一乘人与座椅质心相对于悬臂回转轴的回转半径，值为2.6m。

则转盘与座椅的连接部位，提供给乘人和座椅绕悬臂中心轴圆周运动的向

心力：

其中：叫一座椅组件质量（表4T,P3）,56.8kg；

色一乘人质量750N/人，则：铀=/=肝=71.431^,保守计算按

75kg；

数据代入公式（5-7）得：

2

满载时转盘对座椅的向心力：鸟=（65.8+72）x巴20-二122N；

2.6

902

空载时去除乘人载荷牡，转盘对座椅的向心力：f；=65.8x—=101N

2.6o

乘人与座椅绕立臂中心轴转动的同时，还随悬臂一起绕横臂中心轴摆动，

由公式（5-5）可知，乘人与座椅受到的摆动向心力为：

F3=3（/^,+m2）gcos0（5-8）

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由公式（5-8）计算单个乘人和座椅摆动的向心力，得满载时:

摆角6=0°：居=3义（56.8+72）X9.8XcosO°=4051N；

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

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

摆角8=90°：.=3X(56.8+72)X9.8Xcos90°=0N。

由公式(5-8)得空载时，单个座椅向心力：

摆角6=0°：居=3X56.8X9.8XcosO°=1935N；

摆角。=30°：K=3X56.8X9.8Xcos30°=1675N；

摆角。=60°：居=3X56.8X9.8Xcos60°=967N；

摆角。=90°:F,=3X56.8X9.8Xcos90°=0N；

满载时摆动部件(包括悬臂、转盘、座椅和乘人)总重量3478+2875+1513+23

X72=2588kg,偏载时摆动部件总重量3478+2875+1513+12X72=8730kg,最大

速度为12.8m/s(相当于角速度n=13.8r/min)。

则满载时大摆锤的转动惯量：

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

则偏载时大摆锤的转动惯量：

J=mR2=8730x9.42=771383Kgm2

由于大摆锤为单摆力学类型，分12次驱动，达到最大速度，模拟大摆锤在

整个运行周期内的各种参数。总的驱动时间为50s。

则满载时大摆锤的驱动扭矩:

841364x13.8

=77766Nm(5-10)

9.55/9.55x36

则偏载时大摆锤的驱动扭矩:

Jn771383x13.8

=30963Nm

9.55「9.55x36

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大摆锤属于旋转类设备。由公式（5-2）最大的旋转速度（线速度）为最低点

时的瞬时速度：

V"屈（5-11）

=—2x9.8x9.4=12.8m/s

由《游乐设施安全规范》释义第4.2.3.2节：同类别的游乐设施采用同一

冲击系数，显然是不合理的，因此，以速度大小确定冲击系数是比较科学的；

有的游乐设施其乘人部分有公转也有自转，还可能同时有升降，我们称之为组

合运动，其速度的取值应取几种运动合成速度的最大值。

根据GB8408-2008《游乐设施安全规范》中表1：大摆锤的速度最大值大于

lOm/s,通过插值，可取大摆锤的冲击系数为K=l.644,保守计算，取K=1.7。

设备的自重为永久载荷（其中乘人用质量单元模拟，等效为永久载荷），

在冲击载荷作用下，等效的重力加速度为：

g'=gK=9.8X1.7=14.7m/s2（5-12）

5.2风载荷

根据GB8408-2008《游乐设施安全规范》中4.2.2.7节：风载荷分为工作

状态载荷和非工作状态载荷；游乐设施的设计，按最大运行风速15m/s计算工

作状态下的风载荷；非工作状态载荷计算，按照在在静止状态应能承受当地气

象数据提供的风载荷。

由《起重机机械金属结构》：计算风载荷时，认为它是一种任意方向作用

的水平力，工作状态风载荷是正常工作情况下所能承受的最大计算风载荷，非

工作状态下风载荷是非正常工作情况下受到的最大计算风载荷。

根据GB50009-2001《建筑结构荷载规范》7.1.1的规定，计算主要承重结

构时，垂直于建筑物表面上的风荷载标准值：

wk=Pzusuzw0（5-13）

其中：唯一风载荷标准值；

隹一高度z处的风振系数，

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式中：《一对于钢结构，根据《载荷规范》附录E.1.1,基本自振

周期取大值；

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

2

则例"2=014x0.132=0.0024kNs7m,根据《载荷规范》

表7.4.3可知对于地面粗糙度B类地区应按基本风压代入，即

0.0024kNsZ/nA利用线性插值法，得:

157-147

”1.47+————x(0.0024—0.01)=1.4

0.02-0.01''

同理，非工作风载时，J=1.57

。一脉动影响系数，总高度和宽度比值近似为1,根据《载荷

规范》表7.4.4-3,10m时,取0.46；

"一型振系数，如图5.3所示，保守计算，取最大值为1.0；

4—风压高度变化系数，如图5-4所示。

表F.0.2高耸结构的振型系数

相对高度振型序号

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

图5-3高耸结构的振型系数

心।十,aLi'c.1.4x0.46x1.0,八

综上，工作风载时：幺=1+----------=1.6

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非工作风载时：d=1+--------------------=1.7

*1.0

人—风荷载体型系数，大摆锤支架、悬臂和转盘。考虑到大摆锤的

主体结构为桁架结构，因此可类比《建筑结构载荷规范》表7.3.1中

第32项来计算体型系数。

侧向挡风系数。=与=爷=0.15（4为大摆锤的静投影面积；A

为大摆锤的轮廓面积），考虑到座椅、横梁等因素影响，取。=0.2。

大摆锤主体结构由圆管杆件构成，则体形系数"=1.3,所以，体形系

数〃,=〃。=1.3X0.2=0.260

生一风压高度变化系数，大摆锤的高度10.7m,地面粗糙可类比

7.2.1中的B类（稀疏的城镇和城市郊区），查下表可得不同

高度下的人,10m取1.0,风压高度变化系数，如图5.4所示。

离地面或地面粗微度类别

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

图5-4风压高度变化系数

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BC30大摆锤（A级）设计计算书

%—基本风压值。工作状态下，风速为15m/s,对应的风压为140N/m2

（标准状况下，风压=140N/m2）；非工作状态下，根据GB50009

《建筑结构载荷规范》，中国沿海地区（如厦门）50年一遇的风

2

压值为800N/mo

以上数据代入公式（5-13）求的：

工作状态下的风荷载标准值：

2

wk=吸）=L6X0.26X1.0X140=58N/m；

非工作状态下的风荷载标准值：

2

wk=?必牝顼=1.7X0.26X1.0X800=243N/m；

摆动方向迎风轮廓面积：A=108m2

侧向方向迎风轮廓面积：A=142m2

大摆锤上受到的侧向力：Fw=（5-14）

数据代入公式（5-14）,求得：

摆动方向风载荷：

工作状态下的各部件总的侧向力：F=wfc/4=58x108=6264N

非工作状态下的各部件总的侧向力：F=w^=243x108=25315N

侧向方向风载荷：

工作状态下的各部件总的侧向力：F=w/=58x142=2531N

非工作状态下的各部件总的侧向力：F=卬〃=243*142=26584N

风载作为外载荷，施加在大摆锤最不利的方向（由于是对称结构，施加在

迎风面积最大方向上，工作状态下，摆动部分可自由摆动，因此工作状态仅考

虑侧向风载荷影响，非工作状态下，考虑侧向和摆动方向风载荷影响）。

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BC30大摆锤