游乐设施驱动机构功率计算及电动机选型

赵九峰

(河南省特种设备安全检测研究院，河南 郑州 450000)

0 引言

电动机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置,俗称马达，它的主要作用是产生驱动转矩，可作为各种机械的动力源[1]。电动机是游乐设施上的一个非常重要的电气设备，游乐设施的旋转、摆动、起升、运行等操作均离不开电动机的使用，因此，在设计游乐设施驱动机构时，电动机的功率计算及型号选择是非常重要的一环。

游乐设施中的运动形式主要有两种，即直线运动和旋转运动。本文针对直线运动和旋转运动的驱动功率，分别给出了详细的计算公式，其计算方法为游乐设施驱动功率的计算和电动机的选型提供了参考，对于提高设计能力具有现实意义。

1 电动机功率计算

选择电动机的原则[2]如下：①根据要拖动的机械功率决定电动机的功率；②根据电动机的功率选择电源电压(游乐设施中常用380 V电压)；③根据机械设备和传动装置决定电动机的转速。因此电动机功率的计算是游乐设施电动机选型的前提条件，应根据游乐设施运行所需要的功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行。电动机功率选择时应注意以下两点[3]：①如果电动机功率选得过小，就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长期过载，不仅会导致启动力矩不足，启动缓慢，更有甚者使其绝缘因发热而损坏，甚至电动机被烧毁；②如果电动机功率选得过大，就会出现“大马拉小车”现象，造成启动过猛，产生过大的惯性载荷，给乘员造成大的冲击，另一方面使其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利，而且还会造成电能浪费。

1.1 直线运动的电动机功率计算

直线运动游乐设施的负载功率P(kW)由下式计算[4]：

(1)

其中：F为运行阻力，N；v为运行速度，m/s；η为传动装置的效率，行星齿轮传动时η为0.8～0.85。

直线运动又分为水平直线运动和竖直直线运动(倾斜方向直线运动可以分解为水平和竖直直线运动)。

竖直方向直线运动，比如高空飞翔的起升运动，运行时克服提升体和乘员的重力(扣除配重)做功。F就是提升体和乘员的总净重力，v就是提升速度。竖直运行阻力为：

F=mg.

(2)

其中：m为提升体的总质量(包括乘员，扣除配重质量)，kg；g为重力加速度，取值为9.8 m/s2。

水平方向直线运动，比如游乐设施中的小火车，其运行阻力主要有摩擦阻力、轨道不平和轨道变形导致的坡道阻力、工作风载荷作用在设备上的风阻力[5]。水平直线轨道上稳定运行时总阻力为：

F=Fm+Fp+Fw.

(3)

其中：Fm为摩擦阻力，N；Fp为坡道阻力，N；Fw为风阻力，室内游乐设施取Fw=0 N。

1.2 旋转运动的电动机功率计算

旋转运动游乐设施的负载功率P(kW)由下式计算：

(4)

其中：T为运行阻力矩，N·m；n为旋转速度，r/min。

比如游乐设施中的自控飞机，运行时克服回转支承的运行阻力矩做功，T就是回转机构的静阻力矩，n就是旋转设备运行的转速。

回转机构的静阻力矩为[6]：

Tj=Tm+Tp+Tw+Tg.

(5)

其中：Tm为回转支承装置的摩擦阻力矩，N·m；Tp为坡道阻力矩，N·m，当坡度不超过0.5%时，可不计入；Tw为风阻力矩，室内游乐设施取Tw=0 N·m；Tg为惯性阻力矩，N·m，仅出现在启动和制动时。

回转摩擦阻力矩由下式计算：

(6)

其中：μ为回转阻力因数，对于滚珠式轴承μ=0.01，对于滚柱式轴承μ=0.012；D为回转支承滚道直径，m。

惯性阻力矩由下式计算：

(7)

其中：J为转动部件(包含乘员)对回转中心的转动惯量，kg·m2；t为回转机构启动时间，s。

游乐设施通常为对称结构，另外有一部分安装在室内，大部分游乐设施安装有调平要求，因此可忽略风阻力矩和坡道阻力矩，按以上公式求出功率P，所选电动机的额定功率应等于或稍大于计算所得的功率。

2 实例

2.1 高空飞翔提升电动机选型计算

高空飞翔是飞行塔类游艺机中的一个品种，主要由塔架、提升系统、旋转提升总成等几部分组成，旋转提升总成的提升动力由电动机、减速机驱动卷筒卷绕钢丝绳实现[7]。

高空飞翔的结构简图如图1所示。以43 m高空飞翔为计算对象，旋转提升部分的净质量m=3 000 kg(含36名乘客，扣除配重的质量)，稳定运行时的提升速度v=1 m/s，提升驱动机构装置的效率η=0.8。

由公式(2)得提升运行阻力：F=mg=3 000×9.8=29 400 N。由公式(1)得到高空飞翔的提升静功率：P=36.75 kW。

选择额定功率为45 kW的电动机，查表选择型号为YP225M-4三相异步电动机。

1-塔架；2-旋转提升总成；3-提升系统

2.2 转马旋转电动机选型计算

转马是旋转类的游乐设施，转马启动之后转盘匀速转动，形态各异的转马随之上下起伏，使游乐者产生纵马扬鞭、驰骋疆场的感觉。转马主要由立柱、驱动部件和旋转部件组成，转马运行过程中绕竖直中心轴旋转，旋转功能是通过回转驱动机构来实现的。转马结构简图如图2所示。

以38座转马为计算对象，转马转动部分的质量m=18 000 kg(含38名乘客)，稳定运行时的回转速度n=3.5 r/min，回转半径r=5.5 m,回转支承型号为011.35.1250.001，为单排4点接触球式回转支承，回转支承滚道直径D=1.25 m，驱动机构装置的效率η=0.8，启动时间为8 s。

1-旋转部件；2-驱动部件；3-立柱

由公式(2)得回转支承承受的总压力：F=18 000×9.8=176 400 N。由公式(6)得回转摩擦阻力矩：Tm=1 102.5 N·m。

转马可以等效为均质圆盘，转动惯量J=272 250 kg·m2，由公式(7)得惯性阻力矩:Tg=12 472.2 N·m。

转马的回转支承安装时都需进行校平，故无需计算坡道阻力矩，即Tp=0。由于转马安装在室内，不考虑风阻力矩，即Tw=0。

由公式(5)得转马回转机构的静阻力矩：Tj=13 574.7 N·m。

由公式(4)得转马回转电动机的等效功率：Pe=6.2 kW。

选择额定功率为7.5 kW的电动机，查表选择型号为Y132M-4三相异步电动机。

3 结论

电动机是最常用的标准原动机，根据负荷的大小、转速等因素确定电动机的功率，选择合适的电动机型号。电动机的设计制造生产都有严格的标准，功率和转速对应相应的电动机轴直径，轴直径又对应相应的键规格，这是电动机设计制造中的“等强度”原则，电动机的轴和键无需再进行核算。

本文以游乐设施用电动机选型计算为例，对直线运动和旋转运动的电动机功率进行了详细计算，给出了一些参数和计算公式的确定方法，并通过实例进行计算，完成了高空飞翔和转马驱动功率的计算及电动机选型。由于篇幅有限，对电动机的发热验算和过载能力校核本文不再赘述，可参考相应的书籍。

游乐设施的实际运行工况复杂多样，驱动机构的型式也不尽相同，因此，在做游乐设备驱动功率的计算时应结合实际工况，对机构载荷进行针对性的计算，以满足游乐设备的使用要求。