（机械制造及其自动化专业论文）舞台机械中大型车载转台的设计与研究.pdf

兰州理。1 人学坝 ：学位淦殳 y 7 2 1 1 3 9 5 摘苤 摘要 本课题钏对舞台机械中对后区车载转台的发展要求，从后区车载转台的结构入 手，提出了一套全新的大型车载转台的设计方案。改良后的设计方案，将基本解决 现在在使用过程中存在的问题，有很大的实用价值，达到国内先进水平。 课题介绍了车载转台的总体设计方案，f f = 对其进行了静态和动态性能的分析， 计算和论述，验证了设计方案的合理性。此外还对车转台的驱动机构也进行了比较 具体的分析，解决了转台摩擦轮驱动由于打滑而产生的丢速度现象，并针对车转台在 运行过程中对定位精度及设备运行的平稳性等的较高要求，对系统用计算机控制的 方案进行了初步的探讨，分析和论证。 在课题开发过程中使用的方法有：( 1 ) 存结构设计及其理论分析计算中，运用 绘图软件m d t 进行建模，根据台面上载荷分南，自动分析转台各个部分受力情况； ( 2 ) 在对静态和动态性能进行分析时，运用大型有限元分析软件a n s y s 进行分析与 计算。 关键词：舞台机械车载转台车台转台有限元分析m d ta n s y s j 州理丁大学硕一i 学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h et h e s i sa i ma tr a p i dd e v e l o p m e n to fr e v o l in gs t a g eo ns t a g ew a g o ni n sr a g em a e h i n e r y ，c o m m e r c i n gf r o ms t f u c t u r e ，t op u tf o r w a r dafif e n e wd e s i g n p r o j e c t o fg o o d s i z e dr e v o l i n gs t a g eo ns t a g ew a g o n t h ei m p r o v e d d e s ig n p r o j e c tw i l l s o l v ee x i s t i n gp r o b l e m sint h ep r o c e s so fe q u i p m e n tu s i n g t h et h e s i sin t r o d u c ed e s i g np r o j e c to fr e v e l i d i n gs t a g e0 ns t a g ew a g o n a n dc a r r yo u ts t a t i cs t a t ea n dd y n a m i cs t a t ec a p a b i l i t ya n a ly s i s 、c o m p u t e a n dt r e a t is e ，v a l i d a t et h er a t i o n a l i t yo f p r o j e c t 。i na d d i t i o n ，c o n c f e t e l y a n a ly z i n gd r i v i n go r g a n i z a ti o no t 、r e v o lin gs t a g ea n ds o l v et h e1 0 s i n gs p e e d p h e n o m e n ad u et o f r i c t i o nw h e e ls k i d s o m em e t h o d sh a v eb e e nu s e di nt h es t u d yo ft h et h e s i s ，f i r s t ，inl h e p r o c e s so fs t r u c t u r ed e s i g na n dt h e o r e t i c a l l ya n a l y s i sa n dc a l c u l a t e 。u s in g p 1 0 t in gs o f t w a r em d tt om o d e l i n g ：s e c o n d ，m a k eu s eo fl a r g ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ea n s y st oc a r r yo u t s t a l i c a la n dd y n a m i c a la n a l y s i sa n d c o m p u t e0 fs t r u c t u r e k e y w o r d s ：s t a g em a c h i n e r y r e v o li n gs t a g eo ns t a g ew a g o n s l i d i n gs t a g e r e v o l i n gs t a g e f i n i t ee 1 e m e n ta n a ly s i sm d ta n a s y s i l 兰州里1 人学坝i 亨位论t绪般 1 1 舞台机械简介 第一章绪论 表演艺术是文明的象征，时代的心声，舞台机械是为了使舞台表演的效果更加 完美，最大限度的满足观众的视觉，听觉等要求以达到引领观众进入更深艺术境界 而采用的各类机械装置，是艺术创作必不可少的科学技术结晶，它不是传统的生产 机械，而是能够满足舞台演出习惯，便于使用，安全可靠的为艺术服务的机械，它 不仅能够为布景，照明提供条件，还要合乎演出的节奏，动作和各种特技，并儿为 观众欣赏演出提供视觉，音响等方面的条件。 舞台机械是伴随着舞台艺术对布景不断增长的要求而发展起来的，从剧场发展 的历史可以看出，中世纪的舞台用不同的景物象征剧情中的不同地点，古典舞台以 座固定不变的的建筑物的立面象征街道，寺院，皇宫等背景。从文艺复兴时期丌 始，随着观众对戏剧欣赏品味的提高，已经不满足于静态的舞台布景，更爱看有 二 富场景的戏，舞台设计人员开始尝试在舞台有限的空间内制造剧情中不同地点的幻 觉，探索运用一些简单的舞台机械来实现布景快速更换的方法，根据剧情的需要烘 托出气氛，制造出特殊的效果，把布景作为表现剧情的一部分，同时通过布景的新 奇来吸引观众。在这一发展过程中，舞台与观众厅的体积都迅速增大，舞台技术乜 臼趋复杂，复杂布景机械缘于意大利，以后在各国得到不断改进。从早期人力驱动 的舞台机械，到由液压，电力驱动的吊杆系统，升降台，车台和转台系统组成的机 械化舞台。如今，不论是传统的境框式舞台，还是中心式，伸出式等开敞式舞台， 以及各种试验式剧场，都离不开舞台机械的使用。 在古罗马的斗兽场中就出现了运送野兽或布景道具的简易的土升降设备。在1 5 、 1 6 世纪舞台的活动台板，便于演员和道具的出入，这些都可以说是早期的舞台l _ _ 部 机械的使用。大规模的，种类比较齐全的舞台下部机械是出现在“品”字形镜框式 舞台中，在这种舞台上，主台上装有升降台，两侧的侧台内有车台，可以丌到主台 上换景，后面的后舞台区内为转台装在车台上的车载转台，可以开出到主台上作为 转台使用，乐池也可以升降。从1 9 世纪末以来，这种舞台形式成为最主要的舞台形 式之一，其中以纽约大都会歌剧院，巴黎巴士底歌剧院为最具代表性。 现代舞台机械以机械、电气、液压、气动、电子及人工智能计算机技术为基础， l 司建筑、美术、文艺表演和观众心理及行为科学密切相关。它融科学技术和文化艺 术为一体，从一个侧面展示了一个国家的科学技术水平。舞台机械起源于欧洲也发 展在欧洲，国外舞台机械的发展成就尤以德国、奥地利和日本为典型，而我国的剧 场建造和舞台设各的形成与发展却一直比较落后。 1 2 舞台机械在我国的发展状况 我国传统的舞台艺术以戏剧为主，表现在表演艺术的高度综合性，虚拟性和对 程式的纯熟应用上。综合性是指唱，念，做，打的综合，即表演，唱歌，念白，旨 乐，杂技，武术等诸多因素融于一体；虚拟性是指表演戏剧空间和时间的灵活性， 兰，i , i 理： 大学硕i 学位论文 绪论 布景道具的以无代有，点剑即是，给戏剧以表现的自由；程式化是指包括了戏剧 音乐，曲牌和动作表演的程式化。由于中国戏曲这些独有的特点以及技术j 二的原因， 使得传统的宫廷戏台，民叫寺庙，茶园和会馆中的戏台都是敞丌式舞台，没有机械 设备。二十世纪初，随着镜框式舞台传入围内，在上海，北京，3 州，西安等地的 剧场开始有了简单的机械设备，如：人力推动的小转台，手动吊杆。从某种意义j ： 讲，在1 9 4 9 年以前，我国舞台机械还是一片空白。 新中国成立后，由十各种规模的国际文化交流活动，使得中幽传统戏曲与欧洲 话剧，歌剧，舞剧在国内舞台上同时并举，随着舞台艺术的蓬勃发展，促进了剧场 建设，同时对剧场和舞台设备提出了更高的要求。5 0 年代，我国建成了建国以来第 批具有机械化舞台的剧场，如：旅大人民文化俱乐部剧场，北京首都剧场，天桥 剧场和人民大会堂等。我们可以将7 0 年代以前定为起步阶段，此时还陆续建成了广 州友谊剧院，南宁剧院等，这些剧院都装备了成套的舞台机械。但此时的设备大都 是一些功能单的吊杆机，大幕拉幕机，固定式单层转台以及乐池液压升降机等发 备。但当时在国内并没有形成生产规模，而且水平不高，质量较低。 8 0 年代，国内设有各类舞台机械的剧场相继出现，国内舞台机械技术产业则进 入发展阶段。此时随着改革开放的步伐，科学技术突飞猛进，给舞台机械的发展创 造了极好的条件，电液比例同步技术，液压技术，数字脉冲吊杆自动定位技术等现 代控制技术的应用使中国的舞台机械有了一个良好的开端。 进入9 0 年代，以歌舞厅的蓬勃发展为标志，出现了第一个快速发展期。随着话 剧，戏曲，音乐，舞剧，杂技，电视等多元文化的兴起，包括人们自娱自乐方式的 多样发展，国内的剧场，文化馆，演播厅，歌舞厅的建设进入高潮，在国内基础工 业大力发展的基础上，国外新技术，新产品，新材料的不断涌入，使国内舞台机械 设备的成套能力大大增强，并涌现出一批舞台机械设计，制造厂家，从舞台机械设 计手段，采用标准，专用零部件的选用等方面逐步与国际接轨，从产品设计开发， 研, n n n 造安装的全过程，开发出了较高水平的产品，单项指标接近或正在接近国 际先进水平，并建成了一批包括各种舞台机械设备的大型剧场。目前由于新建改建 的一批现代化剧场已列入计划，加上由民俗文化村、世界之窗开创的含演出舞台的 主题公园的建设方兴未艾及电视系统、礼堂、会堂、歌舞厅等对舞台技术的需求不 断升级，正迎来第二个快速发展期。 1 3 车载转台在舞台机械中的作用 随着人民群众对舞台表演要求的提高，频繁迁换布景，增加特殊表演艺术效果 成为舞台表演艺术不可或缺的重要组成部分。换景是舞台机械为演出服务的最重要 的功能之一，布景，道具的迁换可成为演出内容的一部分，即在观众的视线范围内， 完成场景的转换，配合场景变换的当场表演，可创造出意想不到的演出气氛。从目 前布景，道具的使用情况来看，布景的设置由单一平面布置转向多画面立体空间布 置，道具的设计由轻便，仿真，静止转向多机构，多动作，真实而具体，这样的变 化使得迁换布景，道具的设备载荷和变换速度都有加大的趋势，同类或不同类换景 设备要有编组运行的可能。 转台和车台都是舞台机械中的重要设备，转台主要通过使部分舞台旋转运动以 达到快速变化场景或制造一些特殊的舞台效果的目的；车台是通过使部分舞台水平 运动进行换场，两者都需要在舞台中央使用。但是转台安装机械的位置常常与车台 2 兰州删r 人学领i 。学位论持【 = 的运动路径及升降台群的安装发生十涉，为了使上述几种设备统于整体舞台，以 满足多方位多功能的需要，就必须解决它们之i h j 的矛盾，j 二是车载转台运用f m 乍。 自行式车载转台就是将大型转台安装到一个可以移动的车台上，使用时移动到舞台 中央，不用时移动到后舞台区去。在大规模的，舞台卜部机械比较齐全的“品， 形舞台中，乇舞台区域设有升降台群。两侧的侧台内装有车台，可以丌到卜舞台f 1 换景，后面的后舞台内为转台装在车台上的车转台，使用时可开出到主舞台区域f 1 为转台使用，不使用时丌回后附台，可避免和侧车台及升降台群的使用发牛 涉 | | 是j 驴。 l 带蚺、嚣 毒一 x 矗 图1 1 舞台台下机械位置示意图 f i g1 1m a c h i n e p o s i t i o nu n d e rt h e s t a g e 1 4 本课题的指导思想及主要工作 骶j j 由前面的论述可知，伴随着剧场文化的发展，舞台机械也得到了很大的发展。 鉴于布景和道具的频繁变换在话剧、歌剧等大型舞台表演中所起到的越来越重要的 辅助作用，对车载转台等舞台台面设备的使用要求也越来越高了。本课题针对舞台 机械中的大型车载转台，从理论上论证了大型车载转台满足旋转平移组合功能时整 体结构的动态性能和力学性能。在尽可能减轻车台和转台重量的前提下，设计车台 和转台的架体结构，对车载转台进行刚度计算。 辫 、 孥 黪 ，) ，h 删v 人学倾l 学位论文个载转i 功能改汁 第三章车载转台功能设计 3 ，1 初定传动减速比 根据电机的输出转速，驱动轮的初定直径，可以初步确定传动减速比。计算过 程如下： 3 1 1 车台减速器传动比 传动装置的总传动比为： i 。：笠 n w l r d n 。 6 0 x 1 0 0 0 v 。， 式中 i l - - 车台传动系统减速比： n 。电动机同步转速，月。= 1 5 0 0 r m i n ； r w - - - 车台驱动轮转速，r m i n ； d 车台驱动轮直径，初定d = 4 9 0 m m ： v 车台最大运行速度，要求= 0 6 0 m s 。 有： f 1 = 6 4 1 4 3 1 2 转台减速器传动比 传动装置的总传动比为： i ，。垒 n n z r d n i 。- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 6 0 x 1 0 0 0 v m 。 式中 i ：转台传动系统减速比 兰卅i 理r 大学碗i 学位论艾 乍载转台功能垃汁 n 。电动机同步转速，n 。= 1 5 0 0 r r a i n ： n n 转台摩擦轮转速，r m i n ； d 转台摩擦轮直径，仞定d = 4 0 0 r a m ： v 。摩擦轮轮面最大线速度即转台旋转边缘最大线速度，要求= 0 8 m s 。 有： i 2 = 3 1 4 2 3 。2 车载转台强度计算 车载转台的架体为刚架结构，刚架上的杆件型材选用结构用冷弯方形空心型钢 ( g b t 7 6 7 2 8 - - - 1 9 8 6 ) ；材料选用碳素结构钢q 2 3 5 a ，该材料韧性良好，有一定的强 度和伸长率，铸造性，冲压和焊接性均良好，符合使用要求。材料属性为：诌崩应 力p 】。1 6 1 m p a ，材料密度p = 7 8 x 1 0 3 k g m3 ，弹性模量e = 2 0 6 9 g p a ，泊松比 “= 0 3 。 3 2 1 转台结构梁的强度计算 装修后转台木地板重量m ，为： 卅，一v p = 石r 2 h p ；玎r 2 ( 1 + 2 ) p 式中 r - 一转台半径，r 。8 m h 1 细木厚度，h ，一2 5 m m h 2 - - - 毛木厚度，h 2 = 2 5 m m p 复合木地板的密度r 一般选用0 8 4 0 8 8 9 c m3 ，取o 8 5 9 c m 3 有： m l = 8 5 4 5 培 估算木龙骨的重量，整个木结构的重量约为优。t 0 0 0 0 k g 9 ! 州理f 人学硕f 学位论文 车载转矗功能垃 转台钢结构质量为m ：= 4 4 3 5 k g 取转台架体t ：- - 根连接梁进行强度校核，如图3 1 e l , ， j 0 ； f f 甘卜监 v 等效模4 u 彩掺萨 图3 1 转台架体连接梁受力示意图 f i g 3 1b e a mo f r e v o l v i n gs t a g e 厶= 扣+ f 2 ) 幽 ，1 ；2 h t g a ，2 = 2 一a h ) x t g a a s 一( 2 h 一幽) x a h x t g a q 。a s x q i2 ( 2 h 一1 1 ) x 幽x t g a x q ， 由上式可得载荷g 与 成线性关系 式中 1 0 s 、是 llllllllf 。 = t 兰帅i 理t 人学f l ! i l j 学位沦t牟城转台功能世汁 厶微小载荷衙积，m 2 q 等效后连接梁卜承受的均稚载荷，n m 2 q ，转台承受的均布载荷，n m 2 见图3 2 ? t l ： i il。 ! 上一! t卜lt， t r 一 图3 2 f i 9 3 2 ”羔垤 式中 q l 转台自重，q l = l + m 2 ) gt o o o o o + 4 4 3 5 ) x 9 8 = 1 4 1 x 1 0 3 n q2 - - - 外加静载，q 2 = 4 0 0 0 n m 2 有： q l ；1 4 1 x 1 0 3 + 4 0 0 0 ；4 7 0 0 n 脚2 2 0 1 q 3 = q 1x s l 式中 q ，线性分布载荷等效后的集中力，n s ，连接梁承担的均布载荷分布的面积，s ，= 1 6 2 m 2 见图3 3 。 图3 3 f i 9 3 3 一一b 一弼7 7 一 一 m 一一 ： 一。【i 一 二 二一 1 # 一 h ，_ 兰州胖i 人尹坝l 学位论文乍栽转台功能吐 千j ： q 、= 4 7 0 0 1 6 2 = 7 6 1 4 n l = j 2 q ，= 亏2 7 6 1 4 = 5 0 7 6 = ；q 、= x 7 6 1 4 = 2 5 3 8 n “弯曲矛应力强度条件： 。= 号= 百m m a x 咖】 截面c 处的弯矩 m 。= q 3 x 。一i 1 ，) 一k x = 7 6 1 4 2 5 4 7 x ( o s x s 3 ) 式中 f 简支粱的长度，f - 3 m 有 m = 7 6 1 4 n 。m 连接梁型材选用冷弯方形空心型钢，尺寸为1 0 0 x 5 0 x 3 。 其截面图如图3 4 - 。= 等- 2 8 3 m p a 巾】 从计算结果可以看出，连接梁的最大弯曲应力大于材料的许用应力，从理论上 来说不符合使用要求，但考虑到转台由许多杆件焊接而成，对整体来说由 力量分 担，在实际使用过程中卡下件可能达到使用要求，具体在第五章节中进行分析。 3 2 2 车台结构梁的强度计算 矩形空心型，代号j a 长边，1 00 m n b 一一短边，b0 1 丌 ? 壁厚3 m m r 外圆弧半径 f 惯性矩1 3 4 1 2l o m 旷。 w 抗弯截面模量2682 4r q - ：3 图3 4 f i 9 3 4 车载转台重量( 不包括车台驱动机构，承重轮，驱动轮重量) 小。；5 0 0 0 0 t g 1 2 x一 手i 一 f ! 、 i 。 ，= 一 i l 一 1 i i 一l jli 纠1 剧工大学硕r i 学位论义可载转i f 功能改“ 装修后转台木地板的重荣m ：= 1 0 0 0 0 k g 装修后车台木地板的重曼脚，为 州3 = vx p = hx s x p 二h ( s 车台一s 转什) 。p ；1 0 5 1 0 4x 5 0 8 5 ，4 4 6 2 k g 总重量州= m l + 肌2 + m ，= 6 4 4 6 2 k g 取车台架体上一根短纵梁进行强度校核，如图3 ，5 ”悬 式中 q 2 外加静载，q 2 = 4 0 0 0 n m 2 图3 5 f i t 9 3 5 q 。车载转台自重，q 1 = m g 一6 4 4 6 2 9 8 = 6 3 1 7 2 7 6 q ，车台承受的均布载荷，n m 2 有： q l ：6 3 1 7 2 7 6 + 4 0 0 0 ；6 0 6 4 5 n m 2 3 0 6 见图3 6 与一 嬲震霹蕊廨弼 图3 6 f i 9 3 6 1 3 1 川炒|，| j寸 一 一 ，n v 1 、挫 兰州删工大学碳卜学位论义 j ：载转弁功能致i f 3 8 q = a sx q l = l a h 。q l 由上式可看出，等效后短纵粱j 二各处承受的载荷相等，等效为均靠载荷。 式中 q 等效后短纵粱上承受的均布载荷，m 2 见图3 7 ffiil y “iq 1 a 。 i ：k ；l f 图3 7 f i g 3 7 q 3 = q 1 s 式中 0 3 - - 均夼载荷q 等效后的集中力，n s 短纵梁承担的均靠载荷分稚的面积，5 ：l m x k = l m 2 有： q 3 = 6 0 6 4 5 x l = 6 0 6 4 5 n 匕= ；蜴= 3 0 3 2 2 5 j 1 m ，l z q ，o 一妄) 一3 0 3 2 2 5 3 0 3 2 2 5 x ( 0 车x s l ) 所以m 。= 3 0 3 2 。2 5 n m 式中 简支梁的长度，；加 车台中间架体型材选用冷弯方形空心型钢，尺寸为1 2 0 8 0 x 5 ，其截面图如图 根据弯曲时正应力的强度条件 d 一争巾】 有： 1 4 叶人：l _ ； 州型i - 人学倾f + 学位论史 = i 以皇。心垄，7 气专 一 长边，12 。、 ，：短迎80 一 壁厚j 广1 。 妒雹弧半圣 。 一f 贯性矩11 7 上。| 1 一一 。v 一一抗弯截面拶量o 。j = 7 、 图3 8 f i g 3 8 仃一303225”103 6 4 6 m p as 【盯】 。4 6 9 3 6 。 计算结果表明，材料强度符合发计要求。 3 3 驱动总功率的计算 尸。k 三旦 1 0 0 0 r r q g 。f ) z f= a l o o o , 7 式中 k 一考虑轮径误差及轮缘与导轨偏置时的系数，取1 1 c 一牵引力， g ；一台体钢檠自重，转台为4 6 2 0 2 n ，车转台为5 4 4 8 8 0 n g 。一台体木地板自重，转台为9 8 0 0 0 n ，车转台为1 4 1 7 2 8 n f 一外动载总力，转台f ；4 0 2 0 0 0 n ，车转台f = 6 1 2 0 0 0 n 弘，一运行阻力当量摩擦系数，转台为挂胶轮对钢轨，取0 0 0 6 2 5 ；车台为 钢轮对钢轨，取0 0 1 5 町传动总效率，取0 8 5 有： f 车自a1 5 1 2 k w ，特自= 4 4 k w 3 4 电机选用 ! 州理1 ：= 大学碰i j 学位论文下载转台功能设计 由舞台机械的特点，i 乜机功率选择时己满载考虑，再_ ! j l | 上车载转台自重较大， 所以根据其负载特性，即启动力矩较大，电动机功率选择的基本思路为： 以启动力矩要求计算为主，又要适当考虑启动后的负载情况。在此基础l ，适 当加长电机启动时间，减小电机功率，节约能源。 电机选用电磁铁制动二相异步电机y e j 系列电机，机座号为1 0 0 l 。 车台驱动电机选用s e w - 一平行轴斜齿轮减速电机，型号为f a f 8 7 ，d v l 0 i ) i a b m g h f - - 3 k w 的电机6 台。该电机自带减速器，输出转速为2 5 r m i n ，实际传动 比i 。= 5 6 。7 5 ，所以经换算后牟台实际运行速度v = 0 6 3 3 m s 。 转台驱动电机选用s e w - 一斜齿轮涡轮减速电机，型号为$ 7 7 d v l 0 0 1 i 3 k w 的电机2 台。该电机输出转速为4 3 r m i n ，实际传动比f ：= 3 2 3 8 ，换算后转台旋转 边缘线速度v = 0 9 1 m s 。 电机基本技术参数见表3 1 ： 表3 1y e j l 0 0 l - 4 电机主要参数 t a b l e3 1t h em a i np a r a m e t e r so f y e j l o o 卜4m o t o r 转速功率转矩功率因数堵转转矩 【极数效率 r m l nk wn m _ c o s 妒 额定转矩 l41 4 0 034 08 4 5o 8 32 _ 2 车载转台启动时间不但和它的转速，质量，结构等参数有关，还与电气控制的 方式有关。 如采用降压启动方式，则可以延长启动时间，减小启动电流；而采用变频调速 控制电机转速，则启动时间又和变频器的性能参数有关，同时，变频器的使用，使 电机在低频时的过载能力降低很多，使电机启动时闯大大加长。 1 6 兰州罡l ! 人学l i ! i ! f 学位论文1 - 载转台结构系统中部分部件性能j ，柑i 第四章车载转台结构系统中部分部件性能分析 4 1 车台刚架结构承载变形对行走轮与钢轨摩擦的影响 由于车台架体跨度较大从而决定了其刚性变化较大，当其变形超过一定范嗣 时，行走轮与钢轨之问将会发生啃道现象。这一现象对车台有较大影响，会使其在 运行过程中发生晃动和噪音。 车台结构对支撑轮座采用固定连接并采用圆锥滚子轴承支撑行走轮，以f 就刚 架变形对该结构的影响程度进行验证。 由车载转台结构示意图可看出，车台友右两侧侧梁与走轮连接，所以选车台侧 梁为研究对象。选左端点( 第一个支承点) 为原点o ，重力方向为y 轴负方向，水 平向右为x 轴正方向，垂直纸面向外为z 轴i f 方向，建立坐标系。则其在x y 平 面内轴截面，惯性矩受力分析，支承力，挠度，弯矩经m d t 模拟和计算结果如 图4 1 所示： l oui 。 ； ，t 汀_ r ； 0 c ，。一 f d i r 7 _ 广才丁77 - 7 一 i 1 1 。一 1 i 一一7 。 _ 广i 一 l l l 一 i 矩形自i20 0 120 。b! i 1 1l mr n “4 20 1 9 8 0 00 j 2r m m “4 j9 0 s 4s 0 n l s ( m m l6 0 1 js f f m m j60 a 【n m 62 】3 5 9 6 【 j 圳1 人学坝i ，学位论文车载转台结构系统中部分部俐悱能分析 售支撑直y 轴方自支撑女( 向上为正) 支貅鹇择者( i t l ) 0 1 9 7 1 1 0 aa 8 3 6 1 6 b3 8 3 8 7 2 (c 9 6 4 8 6 d4 8 9 9 8 3 4 1 0 8 4 5 f4 0 1 6 5 6 5 1 3 6 4 0 h3 9 5 20 4 i4 3 1 7 7 7 j3 9 9 2 8 4 k4 7 8 8 7 l1 9 7 66 4 吝支默y 魑方日支撑力( 向上舡) 辙髋矩 1 1f m 时】2 0 1 9 8 0 0 0 有鼓惯惶矩 1 2m m “】9 06 4 5 0 0 叛懂馘l e f f。m 时l 最大过雾难离i m m i6 0 魁缄 72 0 4 0 蒜触氍n r a m 6 2 )2 2 8 傩糊 n r a m 2 】1 9 9 8 榔碳蠹磐钢q 2 3 5 a 戢麦腱s 1 【n m l8 23 4 1 5 1 e 一3 戢鞭m 1i n m 】7 2 97 0 歙盘雅s 2 m f n l0 最大张m b 2n mj 0 糍女r e s h ，昏鼍148 3 州 最大麦： 量s r e sm 】8 2 3 4 1 5 最大赣h b r e s。n m 】7 2 97 0 粼角a 14 】 04 4 6 7 l 艘如眦错1 5 0 0 0 ：1 馘矗壤鲤兜舅 1 ：1 图4 1 f i g 4 1f o r c e 、m o m e n ta n d f l e x i b i l i t yo fs l i d i n gs t a g eb e a m 说明： 1 主要受力点截面为2 0 0 x 1 2 0 6 ，所以以该截面为基准建立等截面模型； 2 陔梁受外载及自身重力作用，单位载荷为3 n i m m ； 3 侧梁材质为碳素结构钢q 2 3 5 a 。 由计算结果可看出，在走轮支撑粱上，最大挠度为0 0 8 2 r a m ，部o 5 l 1 1 0 0 0 ( l 为跨度) ，在跨度1 8 m 的台架中央最大挠度为2 6 r a m ，即1 4 l 1 0 0 0 ，就台体变形程 度( 当【y 1 = ( 0 0 0 1 一o 0 0 2 ) l 时，符合网4 度条 牛) 两言己满足刚度性能要求。 有时为了更好的抑制台体的刚性变形，可在安装车台架体梁前，先对结构梁进 行变形处理，使其本身具有一定的挠度，抵消其安装后的刚度变形。 支点处最大转角为0 4 4 6 7 。，倾斜后轮缘受力变形如图4 2 所示，忽略支撑轮 架变形，走轮与钢轨受力接触点从a 点移动到6 点，轮压力r 倾斜6 度，且产生了轮 缘压力r ，此力将引起钢轨与走轮之间的磨损加重且增大了运行阻力，程度如何经 推导其关系为： 1 刊1 理1 人学硕士学位论义 1 载转白绡构系统r 扣部竹部件怿能分忻 r ：r sn d ：r s j n 4 。：；旦rjri04 6 70 0 0 7 8 r 4 - - 1 。 1 ( ) 0 0 卜式计算结果表明，于钢架结构变形而使轮缘产q 二的附加阻力只相当于轮压 的0 ，7 8 ，再则车载转台运行速度较低，所以该附加阻力小会对车台的f 常运行造 成影响，在实际工作中该阻力可以忽略。 走轮 1 1 l j 钢轨 图4 2 倾斜后轮缘受力 f i g 4 2f o r c eo fw h e e la f t e ri n c l i n i n g 4 2 车台驱动轮数量的确定 自行结构的驱动轮设计是值得重视的问题，否则将会出现驱动功率配置有余而 实际驱动力不足的现象，此结构的牵引力取决于驱动轮与承重导轨之间的滑动摩擦 力：反牵引阻力取决于承重轮与承重导轨间的滚动摩擦力总合。 驱动轮数量的确定原则是保证足够的轮压使其不打滑。通常用运行阻力与驱动 力的比值求得。 运行阻力w ；w 。+ w ，+ w ，= g 坐壁堕卢 ( 1 ) 驱动力q 一嗽屿w = k r g 掣卢 则 u r - - z k r 竺警芦 式中 w l 轴承阻力，n m 走轮滚动阻力， - w 3 - - - 轮缘摩擦及走轮安装误差等综合附加阻力，n g 含自重的总动载荷，n ，g 。g 。+ g 。+ f 1 9 ( 2 ) ( 3 ) 下载转白结构系统中部分部件件能分析 “轴承摩擦系数，圆锥滚子轴承= 0 0 2 ( 一驱动轮轴径，d 一8 d r a m ，滚动摩擦系数，平顶轨o 2 5 o 8 ，根据轮径选取厂= 0 5 口一附加阻力系数，滚动轴承，分别驱动时为1 5 d 一驱动轮直径，d = 4 9 0 r a m r 驱动轮轮压力， 中一附着系数，钢对钢静摩擦中= 0 1 2 k 。一载荷不均衡系数，在l 4 之间选取，理想均载时选1 式( 3 ) 可作为确定驱动轮数量的判断式，左式为轮压与总动荷之比，右式为 d1 按实际参数计算的算式。将该设备的各项参数带a h - 式，则兰z7 。( k 。= 2 3 ) ，即驱 uo 1 动轮数量不少丁总支撑走轮数量的 。 b 当驱动轮数量不足时，将驱动装置通过链轮传动可扩大驱动轮数量。 以、 ：对车台驱动轮数量的确定过程给出了车台运行动力特性，具体分析如f ： ( 1 ) d 值对确定驱动轮数量有很明显的作用，由( 3 ) 式可看出d 越大所需驱 动轮数量越少。在结构允许的条件下，应尽可能增大d 值； ( 2 ) 卢值与多种因素有关，在驱动机对称布置的条件f ，卢与台体变形误差， 走轮安装误差，轮径大小误差以及轮缘导行误差等产生的附加阻力有关，所以，卢是 一个综合性附加阻力系数，忽略弹性滑移，其值般在1 1 1 2 之间变化，各项误 差越大卢应取值越大。 ( 3 k 。值的大小与载荷不均匀状况及台架尉度有关，当不均匀载荷偏离驱动 轮越远时其取值应越大，其与台体自重与外动载荷的比值有关，一般来说，台体重 力对走轮是均布的，所以，台体比重越大k 。应取值越小；同时台体刚度越小，k 。应 取值越大，反之亦然。可用计算机模拟定量计算； ( 4 ) 卢值与k 。值的大小直接影响运行阻力的大小，故也是选取驱动功率的依 据，所以应尽可能改善上述分析的相关条件降低声值与k 。疽。 4 。3 转台承重轮设计 承重轮的机构设计直接影响静载时的支撑力及动载时的牵引力。将承重轮设计 为弹性体时，根据转台受力，弹性体承重轮将有很大的变形，不可取，剐体承重轮 噪音太大也不宜采用，故采用弹性体与刚体结合的设计结构。取聚胺脂材料为弹性 车载转台结构系统中部分部件一能分析 体殴n 其在7 0 动载荷下不超过1 0 的变形量，然后由钢夹轮承力，这样既由弹 性体吸振而减少了噪音，又能承受最大支撑力。计算承重轮布局数最时应取8 5 的 数量为有效数量，虽然设计要求安装调整需1 0 0 的均衡受力，但由j 安装凋整时的 条件所限，致使受力均衡性有很大的误差。 转台旋转时，转台承重轮在绕着转台中心轴作圆周运动的同时，而也绕着自 身的中心轴做纯滚动。由于承重轮与支撑钢轨为线接触，对圆周运动来说，接触点 处内外线速度不一致，而对于承重轮自身的滚动运动来说，接触点处的线速度相等， 两种运动产生矛盾，从而造成转台台面的晃动和噪音。 为r 解决这一问题，将承重轮做为锥形轮，很好的解决了这。题。具体推导 过程如下： 图4 3 所示为普通承重轮组件： 1 承重轮埘转台中心轴0 所作的圆周运动其边缘线速度为： v i 55 7 l 一 ! f l 0 7# 承币轮1 ”l 2 9 ，r r2 r 1 图4 3 普通承重轮组件 f i 9 4 3c o m m o m w h e e l 2 承重轮相对于中心轴0 ：所作的滚动其边缘线速度为 p 2 口= v2 b = w2 ， 式中； m 。一一转台做圆周运动时的角速度，r a d n ：一一承重轮做纯滚动式的角速度，r a d ，一一承重轮半径，m m r ，一一承重轮内圈到转台中心轴距离，m m 转台中心轴 r，i l l ，砖kl b 兰n燃一韫惜： 心 【。 “h 哩i 凡学倾 学位论文乍栽转竹结构系统中音l f 分音l f 件能舒析 r ：一一承重轮外圈到转台中心轴距离， m 以卜各式可以看出，因为承重轮t j 导轨为线接触，因而在转台转动过程中， i 上= | ，外接触点处线速度不相等。但由一承重轮自身的滚动，造成内，外点处线速度 相等，从而使其在运动过程中发生卡滞，造成台面的震动和噪音。 针对由以上问题而造成的转台在转动过程中出现的台面的震动和噪皆现象，对 转台承囊轮做相应改进，将普通承重轮改为锥行承重轮，克服这一缺点，具体分析 过程如f ： 图4 4 所示为锥形承重轮组件： 1 承重轮对转台中心轴o 。所作的圆周运动其边缘线速度为 ，rt p 轮 一 蔷 v l = 8 1 r 2 ”i b = ”1 r l 图4 3 锥形承重轮组件 f i g 4 3t a p e rw h e e l 2 承重轮相对于中心轴0 ：所作的滚动其边缘线速度为 i 2 。口2 r 2 ， v 2 b2 ”2o 需满足的条件为 ， v l d = y 2 ， 8 lx r 2 = 材2 r 2 转台中心轴 ，警 置 2 玎 辛 州理工人学硕i 学位论史 f 救转竹结构表统中部分邵竹性能分析 j 4 1x r l2 4 2 x r 式中： 一一一锥形承重轮内圈半径，m m r 1 一一锥形承重轮外圈半径，m m 根据以上推导出的比例关系对承重轮进行改造，从理论二很好地解决了由于两 种运动在轮面同一点处由于速度不一致而引发的运动不平稳现象。 4 4 转台驱动机构设计 在驱动机构的设计中，考虑到转台直径较大，将转台驱动机构设计为摩擦轮驱 动机构。 转台在运行过程中，它的正常运转是靠摩擦轮驱动驱动带( 工字钢) 完成的。 但在实际的加工过程中，由于加工工艺及各项技术条件的限制，驱动带不可能加工 的完全符合标准，这样会造成转台在转动过程中出现运动不平稳的现象。在此种情 况下，需对转台摩擦驱动机构作出一定的改进，以克服存在的问题。 针对驱动带的问题，我们将摩擦轮驱动装置设计为浮动式，在驱动带不可能做 得完全圆的情况下，转台运行过程中，可以使摩擦轮随着驱动带的圆整情况进行随 机的浮动，解决由于这一原因而造成的转台运动不平稳的状况。 摩擦轮驱动装置机构简单，结构紧凑，易于减震和降低噪音。但如果摩擦轮的 张紧力不够，会在驱动的过程中出现打滑的现象，所以要考虑张紧措施以防摩擦轮 打滑。在综合转台自身的特点及驱动机构的安装位置后，将张紧装置设计为弹簧压 紧式。这种压紧方式比较简单，但在使用过程中很有效。当张紧力不够而使摩擦轮 出现打滑现象时，可通过调节螺母来增加弹簧压紧力，拉动两块活动底板绕转动轴 转动，使主、从动摩擦轮产生相向运动，重新夹紧驱动带，从而使驱动机构恢复证 常工作状态。 根据转台自重和所承受的动载荷的大小，确定转台摩擦轮驱动机构为两个。在 转台启动时，有时由于电机启动时间的差异等原因，会造成其中一个摩擦轮驱动机 构在起动时的滞后，这时，两个摩擦轮驱动机构出现不同步的现象，这种现象是否 会对转台的运动平稳性造成影响是我们所关心的。下面，对这种现象进行说明：在 此种情况下，先起动的摩擦轮会打滑，产生丢速度现象，这是由于驱动力不够而造 成的，相应的该驱动装置的电机功率上升，这时的转台仅仅是不能够被正常驱动， 并不会出现台面晃动现象，即不会对转台的运动平稳性造成影响。直到后启动的摩 擦轮正常转动时，这时转台驱动力足够，可驱动转台j 下常运转。 下图( 图4 4 ) 所示为摩擦轮驱动装置结构示意图。 经过改进后的摩擦轮驱动装置，简单有效，使用方便，基本克服了以往的驱动 装置中存在的问题，能够满足机构实际的工作要求，且这种驱动装置结构尺寸较小， 节省了台面空间。 = ，i，k j 兰州理r 人学舰l 学位论殳1 栽转仃结构系统中部分部件雌能分析 摩擦 一 l r l | 。盯孤 卜- l inj ( 主 压紧弹 p 动1 9 名斌震 燃鹫 池一f 酲l 螺 簧一7 德 瞪 e 葺e 萄 图4 4 转台驱动装置结构示意图 f i g 4 4d r i v i n g e q u i p m e n t o f r e v o l v i n gs t a g e 从以上的分析中得知，活动底板在弹簧力的作用下使摩擦驱动轮压紧驱动带，o 轴传递的主动扭矩使主摩擦轮带动驱动带旋转，那么丰摩擦轮在满足什么条件下才 不至于打滑而能带动驱动带旋转，弹簧力应满足什么条件呢? 以下对此进行分析。 4 4 1 摩擦传动所需要的法向压力 图4 5 所示中，己知驱动带1 转动时的切向工作阻力( 即转台承受的载荷及台 体自重) 为f i ，则主动摩擦轮2 对驱动带1 的切向驱动力，2 一f 1 ，传动正常工作时 驱动带1 与主动摩擦轮2 之间的摩擦力f 。= 。若主动摩擦轮2 与驱动摩擦带 1 之间的摩擦系数为，压紧弹簧提供的法向压力为n ，则主动摩擦轮2 与驱动摩 擦带1 间的极限摩擦力为民。一，。正常传动( 摩擦轮不打滑) 必须满足条件 鼻。之f ，即 f 1 或专f 1 4 4 2 固定在活动底板上的弹簧必须满足的条件 在图4 6 中，取整体活动底板为平衡体，对d 轴取矩，则有： ”州理r 大学钡i 学位论迂车载转台结构系统中部竹部件件能分析 n 1 驱动带2 主动摩擦轮3 从动摩擦轮 图4 5 摩擦传动示意图 f i g 4 5f r i c t i o nd r i v e 图4 6 活动底板传动简图 f i g 4 6d r i v i n gs k e t c h t 1 一f t h t + f h f 式中： 正主摩擦轮受到的主动力矩 b 活动底板受到的弹簧压力 0 o 下拽转白结构系统中部分部件性能分析 f 作用rl ：摩擦轮上的摩擦力，：f h ，对o 。轴的力臂 h ，f7 4 0 轴的力臂，等于转台摩擦轮半径r 由 二式可得出： 只：盟： 。hr 五一，1 h ， 由以上的推导得出了保证摩擦轮压紧驱动带时所需的弹簧压紧j 。 车载转台结构系统力学性能v 村 第五章车载转台结构系统力学性能分析 5 1 本章涉及到的相关理论和方法 5 1 ，i 力学分析的有限元理论 随着计算机技术和计算方法的发展，复杂的工程问题可以采用离散化的数值技 术并借助计算机得到满足工程要求的数值解。数值模拟技术是现代工程学形成和发 展的重要推动力之一。 目前，在工程领域中应用最广泛的数值模拟方法是有限元法，有限元i t 算结果 已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据和有效手段。 有限元法的基本思想是将一个其有无限多个自由度的连续体离散化为有限个力 学单元，将整个集合体看作是由这有限个力学小单元相互联接而成的等效集合体。 有限元法利用在每一个单元内假设的近似函数来分片的表示全求解域上待求的未知 场函数，单元内的近似函数由未知场函数在单元的各个节点的数值和其差值函数来 表示。这样一来，一个连续体的有限元分析中，未知场函数在各个节点上的数值就 成为新的未知量，使问题简化为适合于数值解法的结构型问题。这