大型游乐设备主轴静动态特性分析及结构优化分析

谢永胜

摘要：本文主要以大型游乐设备为核心，对大型游乐设备的主轴静动态特征进行探索，希望可以为这类装置的结构分析与优化提供参考和帮助。

关键词：大型游乐设备 主轴静动态特征 结构优化 思考

针对于大型游乐设备YGPPZ型游艺机来讲，其是由长排座椅组成的，因为这类游戏设备需要来回复合运动，回转装置可以说是YGPPZ型游艺机的重要组件，运动形式即为在摇臂上升阶段，传动机构与配重会一同连带主轴和摇臂，进而形成转动，而在摇臂下降阶段，传动机构与摇臂会共同带动主轴，然后配重转动[1]。主轴在运动时的受力情况较为复杂，一些位置的受力相对集中，还有一些位置则受力较小，其刚度与强度会有一定的富余。所以，在这一背景下，需要科学且合理的对主轴结构进行优化，平衡主轴的受力情况，这对于提升使用寿命和材料利用率有着极大的作用和意义。

一、大型游乐设备主轴静动态特性分析

（一）回转装置有限元静态特征分析

有限元法理论需要依照变分原理和加权余量法为核心，其思想即为物体离散为小单元之后，借助对每一个单元的深入分析来将结果进行组合，以此来实现对对象结构的整体分析。在过程中，通过对大型游乐设备回转装置主要承载位置的工况与受力以及约束条件进行分析，可以有效判断每一个工况的不理情况，进而进一步确定结构的许用值范围。针对于构建回转装置有限元模型来讲。可以运用ANSYS Workbench，其有诸多优势，如协同仿真与的项目管理以及双向参数传输功能等等，在过程中可参考回转装置二维图，然后在ANSYS Workbench DesignModeler模块中构建三位简化模型，这种方式可以全面提升求解速度与求解精准度，回转装置属于一个装配体，零件较多，科学且合理的合并，并适当添加不同的接触来更好满足受力平衡[2]。

（二）瞬态动力学分析

借助对YGPPZ型游乐设备回旋装置的工作状态与主轴在不同工况下的力学情况进行分析，可以发现一些危险工况与危险位置。另外，在主轴操作阶段，其属于一个动态且变化的过程，需要注意的是主轴运动阶段的受力情况较为复杂，会随着时间的变化而发生改变，如果主轴受到变化的影响，那么就会产生疲劳，甚至失效的严重问题。在大型游乐设备主轴运行阶段，其瞬态动力学性能会直接影响到回转装置转动的准确度与运行的安全性，同时主轴结构与摇臂以及负载和配重对主轴增加的压力也会直接影响到主轴瞬态动力性能的影响。

二、大型游乐设备主轴结构优化分析

（一）拓扑优化理论

拓扑优化即为在已知设计空间中探索材料的最佳分布方式，以此来保障主轴结构在移动位置与应力以及应变等约束的基础上转变结构受力位置，同时还可以将外荷载传递到受力点中，确保荷载传递路径是最佳的，最为的重要的是能够使主轴结构性能指标达到最佳。在过程中可以以主轴最小柔度为优化目标，然后构建连续型拓扑优化数学模型，例如施加约束与荷载对主轴回转装置的重要位置与主轴运行情况以及主轴承载能力的数学模型表述[3]。

（二）主轴拓扑优化

主轴拓扑的优化即为对主轴的轴承接触面进行约束，针对于靠近主轴摇臂端的约束设置成为限制X、Y、Z方向的平移与限制绕Z轴的转动，针对于靠近主轴配重端的约束设置为限制X、Y方向的平移与限制绕Z轴的转动。然后在这一基础上对主轴两端施加水平径向力，即为Force（即Fr4 ） ， Force 2（即Fr5），然后在主轴中间右侧一阶梯面施加轴向力，即为Force 3（即Fn），最后在主轴配重端间隔一百八十度的位置配置两个键槽挤压面施加绕Z轴的转矩Moment 2（即T2）。

另外，还可以在ANSYS Workbench Shape Optimization的模块中加入Shape Finder选项，在删除率增加的背景下，想要保障拓扑的优化就需要删除一些低应力区域的材料，以此来保障主轴结构应力的平衡。如果删除率较低，那么就会导致拓扑优化效果难以达到最佳水平，反之则会造成拓扑优化出现过度删除的问题，进而造成优化终结。所以，在这一背景下，需要科学判别拓扑优化的科学性与合理性，可以将删除率设置成为百分之二十、百分之四十、百分之六十以及百分之七十。然后在这一基础上对比与删除率相对应的主轴拓扑优化效果，针对于结构内部区域材料来讲，其比外部区域材料去除率更多，保障目标删除率在科学范围内就可以建立最好的荷载传递方式[4]。由于主轴内部会删除诸多材料，这样主轴支撑位置与键槽位置都会受到大弯矩进而应力的影响，需要在凸起位置体现出保留材料的位置，因为左侧的凸起的区域长度较短、坡度较大，而右侧凸起位置的长度较长且坡度较缓。所以，在优化和完善主轴内部结构的过程中，应保障外部结构不会发生变化。在优化拓扑的背景下，主轴结构会从实心变为空心，但需要注意的是，这种优化方式还处在设计阶段，真实且具体的构造与尺寸还需要深入分析和探索。在过程中如果依照主轴拓扑的优化结果来对其进行改造，那么将会增加毛坯制取的复杂度和加工难度。因此，可以选取主轴的最小内径来作为整体主轴的内径，这样的方式不仅简单且十分便捷。

结束语：

结合全文，在大型游乐设备主轴静动态特征分析与主轴结构优化中，可以借助拓扑优化方式来对主轴结构进行优化，然后在這一基础上选取主轴配重端最小的内径来作为整轴内径的参考，这样的方式不仅可以达到优化主轴结构的目标，同时还可以降低设计变量数目，进而提升主轴结构优化的整体效果。

参考文献：

[1]谢军、廖映华、廖川. 立式加工中心主轴箱静动态特性分析及拓扑优化[J]. 机床与液压， 2020， v.48;No.521（23）：171-175.

[2]崔立， 张洪生. 紧凑型高速电主轴拉刀机构静动态特性分析与优化[J]. 制造技术与机床， 2020， No.692（02）：150-157.

[3]丘立庆. 基于ANSYS Workbench的高速电主轴静动态性能仿真分析及优化[J]. 设备管理与维修， 2019， No.456（18）：32-34.

[4]孙战强， 常国强. 某游乐设施防护装置联锁结构设计科学性的探究[J]. 特种设备安全技术， 2019， 000（004）：53-53.

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