黃迎春，申展超，王 鑫，陳里楠，王盼盼

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0 摩天輪座艙概述

目前，摩天輪座艙有兩種形式：吊廂式座艙和回轉(zhuǎn)式座艙。吊廂式座艙主要適用于中小型摩天輪，其吊廂頂部設(shè)有軸套，套接在支撐架的轉(zhuǎn)軸上，吊廂依靠重力可以繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)吊廂地板持續(xù)水平。吊廂式座艙結(jié)構(gòu)緊湊，單艙荷載人數(shù)較少，運轉(zhuǎn)時易產(chǎn)生晃動，整艙成本低。回轉(zhuǎn)式座艙主要適用于大型摩天輪，其座艙外部設(shè)有吊廂掛耳，通過銷軸與摩天輪轉(zhuǎn)盤鉸接在一起。

本文設(shè)計了一種應(yīng)用于180 m摩天輪的回轉(zhuǎn)式座艙?；剞D(zhuǎn)式座艙在摩天輪運轉(zhuǎn)時，可以繞其自身形心回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)座艙地板持續(xù)水平狀態(tài)。

本文設(shè)計的回轉(zhuǎn)式座艙滿足《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》、《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》、GB8408-2018《游樂設(shè)施安全規(guī)范》及GB/T 18164-2008《觀覽車類游藝機通用技術(shù)條件》等法規(guī)標準的要求[1-2]。

摩天輪營運的環(huán)境條件為：風(fēng)速 ＜15 m/s，環(huán)境溫度：-10℃～40℃，環(huán)境濕度 ＜90%。當出現(xiàn)或預(yù)計有可能出現(xiàn)雷電、大雨、雪霜、風(fēng)速大于15 m/s等惡劣天氣和停電等緊急情況時，應(yīng)停止營運。

1 座艙組成及主要動作

本文設(shè)計的回轉(zhuǎn)式座艙整體外觀為十邊形，長6 m，外徑3.5 m，可承載16～20人。結(jié)構(gòu)主要由框架及觀景窗系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、調(diào)平驅(qū)動系統(tǒng)、出入門系統(tǒng)、對講及視頻監(jiān)控系統(tǒng)、空調(diào)及換氣系統(tǒng)、消防及急救系統(tǒng)、多媒體系統(tǒng)等組成。

艙體結(jié)構(gòu)由中艙段、左右外艙段、左右掛耳、左右回轉(zhuǎn)支承等部件組成。各艙段由板材和型鋼管材焊接而成，全部采用全熔透焊接連接而成，經(jīng)嚴格強度和剛度校核計算，滿足使用和規(guī)范要求。左掛耳外部設(shè)置了檢修爬梯，右掛耳外部設(shè)有避雷系統(tǒng)確保設(shè)備安全。中艙頂部設(shè)有出入口，頂部出入口設(shè)有外部鎖定機構(gòu)，須有工作人員在艙外打開后才能啟用頂部出入口，艙內(nèi)人員無法打開此出入口。觀景窗采用PC耐力板，透光性好，不易碎，安全環(huán)保。艙體密封良好，確保不漏雨。

艙內(nèi)由地板將座艙空間分割為上部乘客區(qū)域及艙底設(shè)備區(qū)域，將驅(qū)動系統(tǒng)、空調(diào)及電氣系統(tǒng)布置在艙底設(shè)備區(qū)，設(shè)備與乘客分離，保證安全。艙內(nèi)扶手、座椅、內(nèi)飾等裝置全部采用安全環(huán)保、不燃燒的材料。為應(yīng)對游客觀覽過程中的應(yīng)急問題，備有應(yīng)急處理系統(tǒng)以確保應(yīng)急降落。煙霧傳感系統(tǒng)、無線對講與視頻監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)地面與座艙的溝通，方便管理和處理應(yīng)急情況。艙內(nèi)消防及急救工具固定于座椅下部，便于緊急情況下取用。

座艙兩端設(shè)有出入門，乘客從座艙一側(cè)上，從座艙另一側(cè)下，實現(xiàn)乘降分離，保證安全。座艙門采用電動外開平移門，同時還設(shè)置了雙重機械門鎖，確保艙內(nèi)游客不能自行開門。座艙門泵系統(tǒng)具有防夾功能，關(guān)門過程中如遇障礙，門可自動打開。如遇門泵系統(tǒng)故障，不能正常開門，工作人員可以將艙外的門泵分離手柄轉(zhuǎn)向手動側(cè)，即可手動打開艙門。

整艙動作有：艙體調(diào)平和出入門開閉動作。

2 伺服調(diào)平驅(qū)動系統(tǒng)

在摩天輪運轉(zhuǎn)的過程中，伺服調(diào)平驅(qū)動系統(tǒng)能夠保證座艙地板處于水平狀態(tài)，且確保乘客在艙內(nèi)走動時或者在其它外力作用時座艙無晃動[3]。系統(tǒng)具有精度高、反饋快、性能穩(wěn)定、安全性高等特點。在系統(tǒng)斷電或緊急情況下，電磁離合器脫開嚙合，座艙可靠自重進行調(diào)平。

伺服調(diào)平驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由伺服電機、減速機、電磁離合器、回轉(zhuǎn)支承、檢測及控制系統(tǒng)組成。在摩天輪運轉(zhuǎn)過程中，角度傳感器實時檢測座艙的傾斜角度，將檢測信號傳遞給控制器，控制伺服電機驅(qū)動減速機、電磁離合器、小齒輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)座艙傾斜角度在控制值范圍內(nèi)。GB/T 18164-2008標準10.1.4.6節(jié)[2]規(guī)定座艙最大傾斜度不大于2.5°，本座艙傾斜角度控制值設(shè)定為1°。

伺服電機及減速機的選取需滿足以下條件：

式中：M電機為通過減速機后的伺服電機自鎖扭矩；M1為乘客集中在座艙一側(cè)產(chǎn)生的偏載扭矩；M2為座艙傾斜角度為2.5°時，自重對回轉(zhuǎn)中心點的扭矩；M3為風(fēng)載荷對座艙所形成的扭矩。

3 安全防護措施

回轉(zhuǎn)式座艙的安全防護措施可分為主動預(yù)防措施和被動安全防護措施。主動預(yù)防措施見表1所示。

表1 回轉(zhuǎn)式座艙主動預(yù)防措施

回轉(zhuǎn)式座艙可能出現(xiàn)的故障形式及被動安全防護措施見表2所示[4]。

表2 回轉(zhuǎn)式座艙故障形式及被動安全防護措施

4 有限元分析計算

座艙鋼結(jié)構(gòu)材料主要采用Q345B，極限應(yīng)力470 MPa，根據(jù)GB/T8408-2018[1]相關(guān)規(guī)定安全系數(shù)取5，因此許用應(yīng)力為94 MPa。

模型主要采用shell181和beam188單元，對模型的四個鉸耳進行全約束。受力主要包括座艙自重、乘客重量（按20人計算）及風(fēng)載，計算工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下共計9種工況。見圖1。

圖1 工況一計算結(jié)果

本文僅列出工況一的應(yīng)力和位移云圖，其他工況計算結(jié)果如表3所示。

表3 各工況計算結(jié)果

根據(jù)表3的計算結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

（1）以上所有工況，座艙最大應(yīng)力均在規(guī)定的許用應(yīng)力范圍內(nèi)；

（2）工作狀態(tài)下，座艙所處高度對應(yīng)力和形變影響很??；

（3）非工作狀態(tài)下，座艙的高度對應(yīng)力影響較小，對座艙的變形影響較大；

（4）相同高度下，乘客側(cè)向偏置對應(yīng)力和變形的影響大于乘客正向偏置狀態(tài)。

5 回轉(zhuǎn)式座艙的創(chuàng)新點、設(shè)計要點與應(yīng)用價值

5.1 創(chuàng)新點

（1）十邊形外觀，現(xiàn)代動感；

（2）電動伺服調(diào)平，平穩(wěn)準確；

（3）多重安全防護，配合對講及視頻監(jiān)控系統(tǒng)，全方位保證游客安全；

（4）空調(diào)及多媒體系統(tǒng)，使艙內(nèi)溫度適宜，確保乘客心情放松并保持愉悅。

5.2 設(shè)計要點

（1）座艙鋼結(jié)構(gòu)需滿足相關(guān)設(shè)計標準的要求；

（2）伺服調(diào)平系統(tǒng)要確保人員走動或受到外力時座艙無晃動；

（3）游客安全要有多重保護系統(tǒng)，并且均可靠；

（4）針對突發(fā)身體不適的游客有安全有效的解決辦法，并緩解乘客在座艙升降過程中的緊張情緒。

5.3 應(yīng)用價值

此種回轉(zhuǎn)式座艙應(yīng)用于大型摩天輪，其運行平穩(wěn)，安全可靠。艙內(nèi)備有空調(diào)和多媒體系統(tǒng)，可舉行餐飲、酒會、結(jié)婚典禮、紀念日等多種形式的活動，使乘客在欣賞一覽眾山小的高空美景的同時，度過人生中有重要意義的節(jié)日，一定是與眾不同的精彩體驗。

6 結(jié)束語

本文主要設(shè)計了一種大型摩天輪的回轉(zhuǎn)式座艙，分析了其特點、組成、伺服調(diào)平驅(qū)動系統(tǒng)及安全防護措施等，有限元分析結(jié)果表明強度滿足相關(guān)設(shè)計標準，可應(yīng)用于實際產(chǎn)品。