游乐设备大摆锤的结构研究

游乐设备大摆锤的结构研究

宋新武尹超波

关键字：游乐设备；大摆锤；结构；研究

引言

大摆锤是一种大型游乐设施，现如今许多游乐场所都安装了大摆锤来吸引游客和市民，但游乐设施在我国的发展起步较晚，尤其是对于大摆锤这种危险性较强的设备缺乏丰富的经验积累，在设计、制造和维护上出现了许多不足之处，针对这种现象需要对大摆锤的结构进行深入了解，以便在今后的建设中加强整体结构的稳定性，提高安全系数。

1游乐设备中的大摆锤简介

大摆锤是一种大型的游乐设施，其主要运功结构分为两个部分，其中之一是通过大臂绕着水平轴进行正反两个方向的转动，而另一个是大臂外侧人们乘坐的圆盘转动，圆盘与大臂垂直相交，而随着这种组合式的转动，人们则会体会到惊险刺激，像摆脱了引力一样的感觉。

大摆锤虽然十分有趣，但其运行过程还是存在一定的危险性，由于其运动结构较为复杂，传统的理论计算方法很难充分考虑到各种复杂情况对整体设备的影响，也就无法做到精确的运动计算。

2影响大摆锤结构安全的因素分析

大摆锤从结构上可以粗略分成三个部分，第一是连接地面的整体支架结构，起到了稳定摆锤的作用，为摆锤的运行提供一个可靠的支持，第二是摆臂结构，也是整个大摆锤中运动幅度最大的结构，其主体是一根可旋转的摆臂，最后一个就是连接在摆臂上的圆环，也就是我们游客乘坐的地方，这三个机构的安全隐患都不相同，在实际情况下要独立分析。

2.1基座结构的安全隐患分析

基座是支撑整个大摆锤的基础，由于摆臂在来回进行运动，导致基座承受的力在不停的变化，当摆臂运动到最下方时，由于惯性和重力此时摆臂依靠的中轴承受了整个运动过程中最大的力，这个力的方向是向下的，但是在摆臂运行到左右两端时，这个向下的力会分散到于其运行状态相同的方向上，从而给与中轴一个横向的切力，轴承在这种急剧变化的力的作用下，可能会出现严重的磨损，同时四个底座与地面连接的不稳定也会使整个大摆锤处于危险之中，导致危险事故的发生。

2.2摆臂结构的安全隐患分析

摆臂承担的是左右摇摆的任务，同时也传递了圆环转动所需要的力，所以摆臂需要在两个层面上保证质量，首先就是与圆环和中轴稳定的连接，只有这一结构的稳定才会使圆环上的游客得到安全保障，否则摆臂发生结构性断裂则会导致圆环顺着当前运动方向飞出，而摆臂同样也要做到稳定的转动，由于游客乘坐的区域是圆环的末端，摆臂的转动出现一丁点问题都会被放大，最终导致游客的安全受到影响。

2.3圆环结构的安全隐患分析

圆环是游客乘坐的地方，分析这里安全隐患要着重从游客的座椅处入手，如果游客在游玩过程中，大摆锤的座椅没有牢牢地束缚住游客，则很可能会发生严重的安全事故，在设计时要充分考虑到各种不同体型的人，完善座椅的设计理念，保证游客的人身安全。

2.4大摆锤设计的总结分析

在大摆锤设计时要充分考虑到各种条件的影响，比如自然界中风的影响，由于风速过快可能导致摆臂的摆动不平衡，这要从发动机工作机理和整个传动结构处寻找解决方案，而大摆锤承受的重量会随着摆动变化，例如重70KG的人在摆锤运行到最下端时一定会给一个更大的重力，所以要充分结合摆锤的摆动速度，运动的角速度和摆臂的长度来合理分析整体结构承受的力，确保满足基本的运行要求。在摆臂运动时要分析周围环境的影响，避免游客的身体接触到周围的障碍物，同时制动装置的制动力矩应不小于1.5倍的额定负荷力矩，以达到保证安全的效果。

3游乐设备大摆锤的应力分析与测试

当一种材料在外力的作用下而不能产生位移时，其几何形状和受力方向上的尺寸就会发生变化，这种形变我们称之为应变，而如果材料内部产生了大小相同，方向却相反的作用力来抵抗外力时，这种单位面积上的反作用力就是应力。依据应力和应变的方向关系，可以将应力分为正应力σ和切应力τ，正应力的方向与应变方向平行，而切应力的方向应与应变方向垂直，按照载荷作用的形式不同，应力也可以分为拉伸压缩应力、扭转应力和弯曲应力。应力的一大特点就是会随着外力的增加而增加，所以在大摆锤的应力测试中，需要科学制定测试方案，尽可能保证测试结果满足实际需求的同时不会对材料造成严重的破坏。

为了测试材料是否会因应力而发生断裂，需要进行最大拉应力测试，而这一过程需要考虑到许多影响，首先就是摆臂的自重和圆环的重量，然后是角速度以及摆臂的长度，最终得到摆臂真实承受的应力结果，但这种测试并不是十分准确的，由于理想状况下游客乘坐的座舱是平均分布在圆环上，同时其自转的力也没有进行充分考虑，所以可能会导致测试结果小于大摆锤实际承受的力，这就需要我们在设计中添加一个常量，以满足各种情况下的应力变化，一般这个数值设置在1.5，也就是说材料的应力承受能力要大于实际测量得到数值的1.5倍才能保证整体结构强度，提高设备的安全性能。具体的应力测量方法可以选用电阻应变测量，利用电阻应变片作为传感元件，把被测量的物体表面的物理量、力学量和机械量等非电量转化成电量进行测量的一种方法，在实际测量时要考虑到大摆锤运动速度十分快，可能传统的有线连接会出现许多困难，这时就需要遥控测试数据记录系统的帮助，通过与计算机的连接实现对所有终端的无线控制。

4游乐设备设备大摆锤结构研究

由于大摆锤运动的方式主要有两种，摆臂以横梁的中轴为支点进行摆动的同时，座舱也会进行自转，所以这种受力模型很难进行理论上的精确计算，可以通过两种运动方式的函数图像进行结合来明确整体运行时最大力产生的时间和位置，从而针对这一部分的结构进行特殊强化。

大型游乐设施与其他的机械设备不同，其在运行时由于载重的游客数量不同，导致大摆锤在实际运行时，可能会出现偏载运行的情况，设置一个极限值分析后发现，在座舱游客全分布在一侧占据整个圆环的二分之一时，由于偏载作用导致载荷量减小，惯性的力也随之减小，导致回转支承在不同时间内所受的力矩方向变动十分明显，但力的大小变化不大。但就算力的大小没有变化，依然也要在实际运行中合理分配游客，保证座舱连接的圆环受力均衡，这样才能最大限度的延长整体结构的寿命，更好的保证安全。

结语

游乐设施的发展需要充分考虑到安全因素，所以需要对大摆锤的整体结构进行详细的分析并测量其运功过程中的各种状态，实际中要对不同结构和材料的设备进行研究，从而找到最科学合理的大摆锤结构，更好的对当下设计进行改进。

参考文献

[1]宋伟科,单宇佳,赵欣.大摆锤驱动头动力学建模与仿真研究[J].机电工程技术,2015,44(11):16-20.

[2]杨建辉.一种大摆锤游乐装置[P].北京：CN201426968,2010-03-24.

[3]郑太松.大摆锤机械模型[P].广东：CN206961412U,2018-02-02.

第一作者

宋新武1984.10.1男湖北随州本科深圳华侨城文化旅游科技股份有限公司机械设计工艺工程师518100游乐设备钢结构设计制作

第二作者

尹超波1983.2.4男湖北应城本科深圳华侨城文化旅游科技股份有限公司厂长518100游乐设备钢结构设计制作