空中自行车深化设计.docx

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空中自行车深化设计

二．演示的科学技术原理

空中自行车展示了力学中随机稳定平衡的原理。

自行车下面挂了一个重锤，挂在自行车的重力作用线上。

由于重锤的力矩远远大于自行车和骑车人的力矩，所以将人、车和重锤所组成的一个整体的重心在钢丝下方很低的位置，这样，系统就会产生一种始终趋向原始平衡位置的回复力，使整个系统保持稳定平衡的状态，自行车能稳定地立在钢丝上，即使骑车人水平不高致使自行车稍有晃动也能很快恢复平衡。

三．设计思路

根据初步设计要求，本展项由八部分组成：

1．左塔架组件

塔架总高8.8米，分别由垂直重锤式张紧装置、塔架、可调节定滑轮及支架等组成。

1）垂直重锤式张紧装置

由于钢缆在水平状态受力的情况下，比较容易变得松垮、弯曲，需要提供预紧力使其保持紧绷状态，所以要设置合理的张紧装置来提供预紧力。

根据本展项的使用情况，可选择垂直重锤式张紧装置和机械螺旋张紧装置相结合的形式，它结构简单，可保持恒定的张紧力，而且其大小决定于重锤的质量。

单纯的机械螺旋张紧方式，其张紧力大小不易控制，工作过程中，张紧力不能保持恒定，而且经常需要调节，使用比较麻烦。

（如图所示）

根据计算：

游客身体重量（100公斤）

自行车重量（70公斤）

自行车配重（120公斤）

钢缆直径18mm,跨度23米，钢缆自重（50公斤）

则总重量为100+70+120+50=340公斤

重锤的质量约为总重量的3倍即可，重锤质量约为1000公斤，在设计时考虑到实际的使用情况，可调整重锤的质量。

整个重锤的质量是由很多的小重锤的质量组成的，在实际使用时，可调整小重锤的数量即可。

同时在小配重块的两头分别加了两个把手，方便人的搬运，小配重块如下图所示：

2）塔架

整个塔架采用200x200x5的方钢管整体焊接而成，以增加整个塔架的强度，同时方便了现场的安装。

（如图所示）

外形尺寸2.2M×2.3M×8.3m

3）可调节定滑轮

由于左右两侧均设置了等高的塔架，但在加工和安装的过程中，左右塔架实际上不等高，可能影响使用和调试效果。

为了解决此问题，可在左侧塔架上设置一个可调节的定滑轮，使其能够进行上下调节，避免高度差造成的使用问题。

还能在以后的使用过程中，可根据实际的使用情况，进行必要的高度调节。

例如，如果将左侧调节的高于右侧，那么，观众从左侧骑向右侧就会比较省力。

本装置可机械螺旋方式进行助力调节，好比机械螺旋式千斤顶（如图所示）

2．右塔架组件

右塔架只承担受力作用，和左塔架配合使用，它也由塔架和定滑轮组成，功能和左塔架相似。

3．钢丝绳

本展项主钢缆选用密封钢丝绳，因为它比较适用于架空索道用的钢缆，密封性能好，不易生锈，摩擦力低。

本展项选用直径为18mm的密封钢丝绳为主钢缆使用，选用直径为16mm的密封钢丝绳为安全保险绳，选用直径为5mm的密封钢丝绳为救援绳。

4．楼梯

为了保证游客的顺利参与，游客可以直接从负一楼地面通过步行楼梯到达塔架上部平台参与骑行，因为游客在二楼才可以参与。

当然二楼的游客就可以直接进入塔架平台参与骑行。

（如图所示）

5．地基

M42预埋地脚螺栓与地面混凝土连接。

（如图所示）

6．双向自行车组件

由于自行车的轨道行程较长，达23米，而且自行车在轨道上不能转弯，如果是单行程体验，一个观众骑过去之后，就需要人工复位，轨道行程又较长，造成复位时间浪费，就会降低观众参与的效率。

为了有效的解决此问题，本展项的运行模式为：

①游客双向骑行，从单一出入口进出；②游客单行骑行，使用两个出入口。

本展项根据实际使用的情况，设置可左右都可以骑乘的自行车，无需人为复位。

体验时，一个观众从左边骑到右边，下车后，再由另一个观众从右边骑到左边，如此循环，大大提升了参与的效率。

此部分由双向自行车和配重组件组成：

双向自行车采用三轮结构，受力均匀、稳定，可左右互骑。

由于钢缆的弹性很大，三个轮子如果采用刚性连接，则导致了游客骑不动自行车，为了解决此问题，双向自行车的前后小轮采用弹性连接，则保证了三个轮子始终与钢缆的有效接触，而不会出现打滑的现象。

而且连接的弹性装置采用气动和弹簧相结合的形式，结构简单，而且可靠耐用。

轮子材料选用铸铁，摩擦性能好，可有效保护钢缆，延长适用寿命。

自行车的座子也采用一对双向结构，从而方便了游客的双向骑行

自行车的前后各有一个挂钩，在挂钩上连接着钢丝绳，是在救援时使用的。

当游客滞留钢丝绳中部无法返回时，在塔架上的管理员可以利用此钢丝绳对游客实施救援。

（如图所示）

双向自行车配重组件则负责配平观众和自行车的重量，使其重心始终稳定在钢缆的下方，使观众能够像杂技演员一样，在空中骑自行车。

根据人、车的重量，以及综合力矩的长度比（本展项较高，配重的力矩较长，相应的也就可降低配重的质量），本展项的配重大约为120公斤（取了较大值）。

游客身体重量（100公斤）

自行车重量（70公斤）

自行车配重（120公斤）

游客及自行车的重心距离钢缆的距离为1米

自行车配重距离钢缆的距离为5米

根据力矩原理计算

自行车配重的力矩为：

120X5=600

游客及自行车的力矩为：

170X1=170

所以自行车配重的力矩远远大于游客及自行车的力矩，整个系统的重心始终位于钢缆的下方，整个系统始终处于一种稳定的平衡状态。

当然，本展项的配重可随时进行调整，以适应不同的需要。

（如图所示）