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飞行表演塔计算说明书
目录
一、 运动学、动力学分析
二、 销轴及螺栓等强度计算
三、 结构件强度计算
四、 立柱强度及刚度计算
五、 回转支承强度计算
六、 冲击计算
七、 基础校核
八、 焊接强度计算
九、 液压系统计算
十、 结论
1
一、运动学、动力学分析
1.1 设计参数
参照现有同类设备和用户的需要，确定以下设计参数： 座舱数： 12个
承载人数：24人
最大回转直径： D=16.5米
总高度：H=22米
总功率：P=31KW
回转体转速：n=7 r/min
最大提升速度：V=0.16米/秒
占地面积：280平方米
使用寿命：8年
1.2传动系统计算
回转支承型号：011，45，1800，Z=197，M=10
小齿轮：M=10，Z1=26
摆线针轮减速机：XLD11-7-7.5，电机7.5KW，n电机=1460 r/min 传动比: i摆线=17,输出轴使用转矩:M摆线=9550×P/n=9550×7.5/(1460/17 )=834(N.m) 传动比: i=Z/Z1×i摆线=197/26×17=128.8
回转体转速: n= n电机/i=1460/128.8
=11.3 r/min
最终调至7r/min。
对回转体的驱动矩:M=M摆线×Z/Z1=834×197/26
=6319(N.m)
1.3动力学计算
1.3.1人和座舱的受力计算
1.3.1.1 θ角的计算
回转体的角速度: ω=2πn/60=2X3.14X7/60=0.7327(rad/s)
2
图1
座舱及人的受力分析见1
由ΣF=0 得:
tg(θ)=F/mg
F=mω^2×R= mω^2（r+L×sinθ）
则：tg(θ)=mω^2×（r+L×sinθ）/（mg） =ω^2×(r+L×sinθ)/g
g tg(θ)= ω^2×(r+L×sinθ)
9.8×tg(θ)=0.7327^2×(5.570+4.30 ×sinθ)
解上述方程：θ=21.5°
1.3.1.2座舱及人对吊杆的拉力T的计算：
由于人和座舱的质量：m人座=2×70+78.6=218.6(kg) 人和座舱的离心力：F人座=m人座g tg(θ)
=218.6×9.8×tg(21.5°)=843(N)
坐舱及人对吊杆的拉力：T＝m人座g/cos（θ）
=218.6×9.8/ cos（21.5°） ＝2302（N）
1.3.2吊杆受力计算：
3
受力情况见图2所示
吊杆离心力：
F吊杆=m吊杆ω^2×R=62×0.7327^2×(5.57+4.3/2×sin（21.5°）= 211 (N) 重力与离心力合力：T吊杆＝F吊杆/sin（θ）＝211/sin（21.5°）=575(N)
1.3.3 各部分质量
转乘架部件质量：m转乘架＝1316（kg） 回转体部件质量：m回转体=2997(kg)
滑轮部件：m滑轮=1514(kg)
立柱部件：m立柱=11438(kg)
风伞部件：m风伞=149(kg)
吊杆：m吊杆=62(kg)，共12件
油缸座：m油缸座=58.7(kg)
减震器：m减震器=50(kg) 共12件
液压站：m液压站=826(kg)
油缸：m油缸=936(kg)
坐舱部件:m坐舱部件=78.6(kg) 12件
基础：m基础=90946(kg)
1.3.4提升加速度计算
最大提升速度V=0.16m/s
设3秒钟从静止到达最大提升速度，则加速度为 a＝△V/△t＝0.16/3＝0.05（m/s2）
1.3.5最大偏载计算
受力分析见图3
R＝5.57＋4.3×sin（21.5°）＝7.146（m） 单坐舱内两人惯性离心力：f＝mω^2×R ＝2×70×0.7327^2×7.146=537(N)
4
12人偏载离心力产生的倾翻合力：
F=2［f×cos15°+f×cos45°+f×cos75°］ =2×537［cos15°+cos45°+cos75°］ =2074(N)
惯性离心力所产生的倾翻力矩计算： 当提升至最高度时
在筒1下端：M1=2074×13.82=28662（N.m） 在筒2下端：M1=2074×9.80=20325（N.m） 乘客偏载时其重力产生的倾翻力矩 M2＝2×(mgRcos15°+ mgRcos45°+ mgRcos75°) =2×mgR(cos15°+ cos45°+ cos75°) =2×140×9.8×7.146×1.93
=37880 (N.m)
以此作为基础设计的依据。
1.3.6风力载荷
风力载荷按下式计算：
F=0.5PACkV^2
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上式中：P为空气密度，P=0.1228kg·S^2/m^4
K:风向影响系数，取K＝1.22
A:迎风面积
V：风速
8级风时，V=15m/s
12级风时V=30m/s
迎风面积计算：
立柱部分面积：A1=0.98×2+15×1.4+4×2=31（m2）
三脚架部分面积：A2=2×（0.48×cos15°+0.48×cos45°+0.48×cos75°）
=2×0.48（cos15°+ cos45°+ cos75°）
=1.84（m2）
吊臂部分的面积：A3=12×4.67×0.10=5.6（m2）
座舱部分面积：A4=12×1.6×0.8=15（m2）
风伞部分面积：A5=3.14×1.2^2/2=2.26（m2）
总面积：A=A1+A2+ A3+ A4+ A5=31+1.84+5.6+15+2.26
=55.7（m2）
八级风的推力：
F8=0.5PACkV^2=0.5×0.1228×55.7×1.29×1.22×15^2
=1211（kg）
12级风推力：
F12=0.5PACkV^2=0.5×0.1228×55.7×1.29×1.22×15^2
=4844（kg）
8级风的倾翻力矩
在筒体1的下端:
M8=1211×9.8×20/2=118678(N.m)
12级风的倾翻力矩
M12=4844×9.8×20/2=474712(N.m)
M1+ M2+ M8=28662+37880+118678=185220(N.m)< M12
所以就依据M12进行基础设计。
二、销轴及螺栓等强度计算
2.1空载时+12级风载
6
这时设备不营业,只需校核立柱抗弯强度、地脚螺栓强度。
2.1.1 立柱抗弯强度的校核
2.1.1.1 筒体4下端强度计算
风伞部分的迎风面积
A风伞＝3.14×1.7679^2/2+1×0.335+0.774×0.2=5.40(m^2)
作用在风伞部分上的风力
F风伞=0.5PA风伞CkV^2=0.5×0.1228×5.40×1.29×1.22×30^2
=469(kgf)
立柱4的迎风面积：
A立柱4=1×2=2(m^2)
作用在立柱4上的风力
F立柱4=0.5PA立柱4CkV^2=0.5×0.1228×2×1.29×1.22×1.22×30^2 =174(kgf)
作用在立柱4下端的力矩：
M＝(F风伞×2+F立柱4×0.5)×9.8=469×2+174×0.5=1025×9.8=10045(N.m) 抗弯模量：W=π（D^4-d^4）/（32D）=3.14×（2^4-1.980^4）/32/2 =0.0309（m^3）
应力：σ=G/A+M/W
=（m风伞+M立柱4）/A+M/W
=9.8×（149+781）/（1/4×3.14（2^2-1.980^2））+10045/0.0309 =0.46(MPa)
设动载系数k为1.5，则安全系数
材料为Q235A，σb＝400MPa
立柱4 下端安全系数：n＝σb/σ/K=400/0.46/1.5=579>6
安全。
2.1.1.2筒体2下端强度计算
筒体2和3的迎风面积：
A筒体23=1.4×15=21（m2）
作用在筒体2和3上的风力
F筒体23=0.5PA筒体23CkV^2=0.5×0.1228×21×1.29×1.22×30^2 =1826(kgf)
作用在筒体2下端的力矩：
7
M=（F风伞×17+F筒体4×15.5+ F筒体23×7.5）×9.8
=(469×17+174×15.5+1826×7.5)×9.8
=238777(N.m)
抗弯模量: W=π(D^4-d^4)/(32D)=3.14×(1.4^4-1.38^4)/32/1.4
=0.015(m^3)
应为: σ=G/A+M/W=(m风伞+m简体4+m简体32+m其它)g/A+M/W
=(149+781+2808.74+2875.36+38957)×9.8/(1/4×3.14×(1.4^2-1.38^2)+238777/0.015 =26.2(MPa)
材料为Q235A, σb=400MPa
设动载系数k为1.5
筒体2下端安全系数:n=σb/σ/k=400/26.2 /1.5=10.2>4
安全。
2.1.1.3筒体1下端强度计算
筒体1的迎风面积:
A筒体1=2×4=8(m2)
作用在筒体1上的风力
F筒体1=0.5PA筒体1CkV^2=0.5×0.1228×8×1.29×1.22×30×^2
=695(kgf)
作用在立柱1下端的力矩:
M=(F风伞×21+ F筒体4×19.5+F筒体23×11.5+ F筒体1×2)×9.8
=(469×21+174×19.5+1826×11.5+695×2)×9.8
=349183(N.m)
抗弯模量:W=π(D^4-d^4)/(32D)=3.14(2^4-1.976^4)/32/2
=0.037(m^3)
面积:A=1/4×3.14×(2^2-1.976^2)=0.0749(m^2)
应力:σ=G/A+M/W
=g(m立柱+m 风伞+m咸震器+m其它)/A+M/W
=9.8×(11438+149+200+38957)/0.0749+349183/0.037
=16.1(MPa)
8
设动载系数k为1.5，则安全系数
材料为Q235A，σb=400MPa
筒体2下端安全系数：n=σb/σ/k=400/16.1/1.5=16.6>4 安全。
2.1.2空载时+12级风载时，地脚螺栓强度计算 见图
4
螺栓M36，性能等级5.6
9
L1=244
L2=478
L3=694
L4=884
L5=1039
L6=1155
L7=1126
L8=1250
螺栓所受最大力：FD=M×·Lma×/ΣLi2 =349183·1.25/［2（0.244^2+0.478^2+0.694^2+0.884 ^2+1.093^2+1.155^2+1.226^2+1.25^2）］= 30542(N)
σ=1.3FD/A=1.3×305402/（1/4×3.14×0.036^2） =39(MPa)
地脚螺栓为5.6级，其σb=500（MPa） 动载系数k取1.5，则
安全系数：n=σb/σ/k=500/39/1.5=8.5>6 安全。
2.2 偏载+15m/s 风载时
2.2.1 立柱强度计算
2.2.1.1 筒体4下端强度计算 风伞部分的迎风面积
A风伞=3.14×1.7679^2/2+1×0.335+0.774×0.2=5.40(m^2) 作用在风伞部分上的风力 F风伞=0.5PA风伞CkV^2=0.5×0.1228×5.40×1.29×1.22×15^2 =117(kgf)
立柱4的迎风面积：
A立柱4=1×2=2（m^2） 作用在立柱4上的风力 F立柱4=0.5PA立柱4CkV^2=0.5×0.1228×2×1.29×1.22×15^2 =43（kgf）
作用在立柱4下端的力矩： M=（F风伞×2+F立柱4×0.5）×9.8=（117×2+43×0.5）×9.8 10
=2503（N.m）
抗弯模量:W=π(D^4-d^4)/(32D)=3.14×(2^4-1.980^4)/32/2 =0.0309(m^3)
应力: σ=G/A+M/W
=(m风伞+m立柱4)/A+M/W
=9.8×(149+781)/(1/4×3.14(2^2-1.980^2))+2503/0.0309 =0.23(MPa)
设动载系数k为1.5,则安全系数
材料为Q235A,σb=400MPa
立柱下端安全系数:n=σb/σ/k=400/0.23/1.5=1159>4
安全。
2.2.1.2筒体2下端强度计算
筒体2和3的迎风面积:
A筒体23=1.4×15=21(m2)
作用在筒体2和3上的风力
F筒体23=0.5PA筒体23CkV^2=0.5×0.1228×21×1.29×1.22×15^2 =456(kgf)
作用在筒体2下端的力矩: 风伞×17+F筒体4×15.5+F筒体23×7.5)×9.8
=(117×17+43×15.5+456×7.5)×9.8
=59540(N.m)
偏载时人的离心力所产生的力矩
M1=2074×9.80=20325（N.m）
偏载时人的重力所产生的力矩
M2=37880 (N.m)
(上面已求得,见第5页)
抗弯模量:W=π(D^4-d^4)/(32D)=3.14×(1.4^4-1.38^4)/32/1.4 =0.015(m^3)
M总=M+M1+M2=59540+20325+37880=117745(N.m)
11
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筒体2下端应力:
σ=G/A+M总/W=(m风伞+m筒体4+m筒体23+m外)g/A+M总/W
=(149+781+5683+38957)×9.8/(1/4×3.14×(1.4^2-1.38^2))+ 117745 /0.015=18.1(MPa)
设动载系数k为1.5
材料为Q235A,σb=400MPa
筒体2下端安全系数:n=σb/σ/k=400/18.1/1.5=14.7>4
安全。
2.2.1.3筒体1下端强度计算
筒体1的迎风面积:
A筒体1=2×4=8(m2)
作用在筒体1上的风力
F筒体1=0.5PA筒体1CkV^2=0.5×0.1228×8×1.29×1.22×15^2 =174(kgf)
M=(F风伞×21+F筒体4×19.5+F筒体23×11.5+F筒体1×2)×9.8 =(469×21+174×19.5+1826×11.5+174×2)×9.8
=339872(N.m)
抗弯模量:W=π(D^4-d^4)/(32D)=3.14×(2^4-1.976^4)/32/2 =0.037(m^3)
偏载时人的离心力所产生的力矩
M1=2074(N)×13.82(m)=28662(N.m)
偏载时人的重力所产生的力矩
M2=37880(N.m) (上面已求得,见第5页)
M总=M+M1+M2=339872+28662+37880=406414(N)
面积:A=1/4×3.14×(2^2-1.976^2)=0.0749(m^2)
12
σ=G/A+M总/W=(m总-m基础-m液压站)g/A+M总/W
=(112068-90946-826)×9.8/(1/4×3.14×(2^2-1.976^2)+ 406414/0.037 =13.6(MPa)
设动载系数k为1.5
材料为Q235A, σb=400MPa
筒体1下端安全系数:n=σb/σ/k=400/13.6/1.5=19.6>4
安全。
2.2.2 有关销轴、螺栓等强度计算
2.2.2.1座舱与吊杆连接销轴(KT24-03-04)强度计算
受力简图见图
5
由1.3.1.2可知:
人和座舱的离心力F人座=843(N)
单个座舱部分面积:A座舱=1.6×0.8=1.28(m2)
8级风对其的施加的风力:F风=0.5PA座舱CkV^2
=0.5×0.1228×1.28×1.29×1.22×15^2=27.8(kgf)
座舱和人的重力:m=2×70+78.6=218.6(kgf)
合力F=[(F风+F人座)2+(mg)2]1/2=[(27.8×9.8+843)2+(218.6×9.8)2]1/2 =2415(N)
13
座舱及人对吊杆的拉力:T人座舱=F=2415(N) 连接销轴(KT24-03-04)所受力
Fpin=F/2=2415/2=1207.5(N)
销轴的截面积:A=1/4X3.14X0.025^2=4.9X10-4(m^2) 剪切应力:τ=Fpin/A/2=1207.5/2/(4.9X10-4)=1.2(MPa) 材料为45钢调质,σb=600(MPa) τ0=300(MPa) 动载系数 k=1.5
则安全系数:n=τ0/τ/k=300/1.2/1.5=167>6 安全。
2.2.2.2吊臂与转乘架连接销(KT24-07-02)强度计算 受力分析见图
6
T=((F人舱+F风+F吊杆)^2+(m人舱g+m吊杆g)^2)1/2
=((843+27.8X9.8+211)^2+(218.6X9.8+62X9.8)^2)^(1/2) =3053(N)
连接销所受剪力计算:
已知: d=40mm
τ=T/(1/4πd^2)
14
=3053/(1/4π×0.040^2)
=2.43(MPa)
45钢调质, τ0=300(MPa)
动载系数k取1.5,则安全系数
n=τ0/τ/k=300/2.43/1.5=82>6
安全
2.2.2.3三脚架与副回转体连接螺栓强度计算 受力分析见图7所示:
图7
ΣM=F×0.730-mg×1.3-F三角架×0.48-T×3.783=0 F三脚架=86×0.7327^2×3.4=157(N)
F=(mg×1.3+F三脚架×0.48+T×3.783)/0.730
=(86×9.8×1.3+157×0.48+3053×3.783)/0.730=17425(N) 三脚架底端支力F支的计算,通过矢量法求出,见图8 三角形
支
图8
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