大型游乐设施销轴的强度校核方法

胡青峰

摘要：大型游乐设施是以经营为目的承载乘客游乐的设施，是指在特定的区域内运行，承载游客游乐的载体。而在大型游乐设施中，销轴是大型游乐设施的重要零件之一，一切作回转运动的传动零件都必须装在销轴上才能进行运动及动力的传递，同时只承受弯矩和剪切应力而不承受扭矩的心轴在大型游乐设施中也普遍存在。而这些销轴一旦因设计强度不足而发生变形甚至断裂，则会产生严重的事故。因此对于销轴的强度效核尤为重要。

关键词：销轴承载力；设计；效核；安全系数；弯矩扭矩

前言

游乐设施包括具有动力的游乐器械，为游乐而设置的构筑物和其他附属装置以及无动力的游乐载体。销轴是游乐设施的重要零件之一，销轴链接是机械金属结构中常用的连接方式，它可以满足两构件相对转动的需要，并便于拆装。在销轴强度效核中，很多研究者常分别效核销轴的弯曲正应力和剪应力，而不对复合应力进行校核，显然不够全面。根据材料力学可知，细长销轴的控制因素通常是弯曲正应力，一般不校核剪应力，若销轴的跨度较短，才需校核剪应力。

一、销轴受力性能分析

销轴是铰接连接中常用的一种结构部件，即一根销轴将分别与二相邻构件连接的两片下耳板和一块上耳板联系起来，径向荷载通过各相关部件间的接触传递。根据销轴和耳板间的应力分布情况找出销轴受到的等效集中力作用点，进而对销轴按照简支梁进行计算。在筒支梁的某一截面上，既有弯矩又有剪力，他们存在于相互垂直的平面内，所以截面内的同一点既承受正应力又承受剪应力，且相互垂直，只不过再特殊位置上某一值为零。针对销轴节点的受力和构造特点，利用有限元方法对销轴直径、上下耳板宽度等进行了参数分析，结果发现销轴上有两处受力较大，分别为跨中处和下耳板对销轴的挤压处。

二、销轴的设计重点

1、销轴的设计

（1）销轴的工作能力设计：主要进行销轴的强度设计、刚度设计，对于转速较高的销轴还要进行振动稳定性的计算。

（2）销轴的结构设计：根据销轴的功能，销轴必须保证销轴上零件的安装固定和保证销轴系在机器中的支撑要求，同时应具有良好的工艺性。一般的设计步骤为选择材料、初估销轴径、结构设计、强度效核等，必要时要进行刚度效核和稳定性计算。

2、销轴的材料

销轴是主要的支承件，常采用机械性能较好的材料。常用材料包括：普通碳素钢、合金钢、铸铁等。

3、销轴的组成

销轴的毛坯一般采用圆钢、锻造或焊接获得，由于铸造品质不易保证，较少选用铸造毛坯。

4、结构设计步骤

设计中常采用这几个设计步骤:A、分析所设计销轴的工作状况，拟定销轴上零件的装配方案和销轴在机器中的安装情况。B、根据已知的销轴上近似载荷，初估销轴的直径或根据经验确定销轴的某径向尺寸。C、根据销轴上零件受力情况、安装、固定及装配时对销轴的表面要求等确定销轴的直径尺寸。D、根据销轴上零件的位置、配合长度、支承结构和形式确定销轴的销轴向尺寸。E、考虑加工和装配的工艺性，使销轴的结构更合理。

5、零件在销轴上的安装

保证销轴上零件可靠工作，需要零件在工作过程中有准确的位置，即零件在销轴上必须有准确的定位和固定。零件在销轴上的准确位置包括销轴向和周向两个方面：A、零件在销轴上的销轴向定位和固定。常见的销轴向定位和固定的方法采用销轴肩、各种挡圈、套筒、圆螺母、锥端销轴头等的多种组合结构；B、零件在销轴上的周向定位和固定。常见的周向定位和固定的方法采用键、花键、过盈配合、成形联接、销等多种结构。

6、销轴的结构工艺性

（1）从装配来考虑：应合理的设计非定位销轴肩，使销轴上不同零件在安装过程中尽量减少不必的配合面。

（2）从加工来考虑：根据表面安装零件的配合需要，合理确定表面粗糙度和加工方法：为改善销轴的抗疲劳强度，减小销轴径变化处的应力集中，应适当增大其过渡圆角半径，但同时要保证零件的可靠定位。

三、销轴的强度校核方法

1、强度校核的定义

强度校核就是对材料或设备的力学性进行检测并调节的一种方式，并且这种方式以不破坏材料或设备性能为前提。

2、销轴的强度校核计算

进行销轴的强度校核计算时，应根据销轴的具体承载及应力情况，采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。

3、常用的计算方法

（1）按弯曲强度条件计算：由于考虑启动、停车等影响，弯矩在销轴载面上所引起的应力可视为脉动循环变应力。

（2）按弯扭合成强度条件计算：由于前期销轴的设计过程中，销轴的主要结构尺寸销轴上零件位置及外载荷和支反力的作用位置均已经确定，则销轴上载荷可以求得，因而可按弯扭合成强度条件对销轴进行强度校核计算。

一般计算步骤如下：

A、做出销轴的计算筒图，即力学模型：通常把销轴当做置于铰链支座上的梁，支反力的作用点与销轴承的类型及布置方式有关，通过销轴的主要结构尺寸销轴上零件位置及外载荷和支反力的作用位置，计算出销轴上各处的载荷。通过力的分解求出各个分力，完成销轴的受力分析。

B、做出弯矩图：在进行销轴的校核过程中最大的难度就是求剪力和弯矩，画出剪力图和弯矩图，因此在此简单介绍下求剪力和弯矩的简便方法：梁的不同截面上的内力是不同的，即剪力和弯矩是随截面的位置而变化；为了便于形象的看到内力的变化规律，通常是将剪力和弯矩沿梁长的变化情况用图形来表示一剪力图和弯矩图；剪力图和弯矩图都是函数图形，其横坐标表示梁的截面位置，纵坐标表示相应的剪力和弯矩；剪力图和弯矩图的画法是先列出剪力和弯矩随截面而位置变化的函数式，再由函数式画出函数图形；绘剪力图和弯矩图的基本方法，首先分别写出梁的剪力方程和弯矩方程，然后根据它们作图。

4、精确计算（安全系数校核计算）：安全系数校核计算分为按疲劳强度条件和按精度条件进行精确计算。

5、按疲劳强度条件进行精确计算：这种效核计算的实质在于确定变应力情况下销轴的安全程度。

结束语

销轴的设计时应考虑多方面的因素和要求，其中主要问题是销轴的选材、结构、强度和刚度。通过校核来确定销轴的设计是否能达到使用要求，最终实现产品的完整设计。由此看来合理的进行销轴的强度校核成为销轴设计的主要内容，同时也是评定销轴的设计成败的先决条件。校核结果如不满足承载要求时，则必须修改原结构设计结果，再重新校核。

参考文献

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