摩天輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算方法的研究

王盼盼，王詩(shī)柔，宋曉光，徐　宏，孫　麗

（1.大連益網(wǎng)科技有限公司，遼寧大連116023；2.大連益利亞工程機(jī)械有限公司，遼寧大連116023）

摩天輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算方法的研究

王盼盼1，王詩(shī)柔2，宋曉光1，徐宏1，孫麗2

（1.大連益網(wǎng)科技有限公司，遼寧大連116023；2.大連益利亞工程機(jī)械有限公司，遼寧大連116023）

針對(duì)摩天輪驅(qū)動(dòng)裝置和系統(tǒng)進(jìn)行介紹，重點(diǎn)對(duì)沿摩天輪徑向單油缸雙向壓緊的驅(qū)動(dòng)形式進(jìn)行了介紹。對(duì)此種驅(qū)動(dòng)形式中壓緊油缸的受力進(jìn)行了分析，給出了其受力的計(jì)算方法。并對(duì)保證壓緊油缸可靠性的蓄能器進(jìn)行了分析，給出了蓄能器的選型和計(jì)算依據(jù)。

摩天輪；驅(qū)動(dòng)裝置；壓緊油缸；蓄能器

摩天輪是目前游樂場(chǎng)最為常見的高空載人游樂設(shè)備之一。由于其單次載客量大、高度高，設(shè)備的安全性一直是設(shè)計(jì)者和制造商最為關(guān)注的問題。目前常見的摩天輪驅(qū)動(dòng)方式多為液壓驅(qū)動(dòng)。通過電機(jī)帶動(dòng)泵工作，輸出高壓油，經(jīng)過各種控制閥，驅(qū)動(dòng)摩天輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。其旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)多為馬達(dá)帶動(dòng)輪胎旋轉(zhuǎn)，輪胎壓緊到設(shè)置在摩天輪輪輻側(cè)面的驅(qū)動(dòng)板上，從而通過摩擦力帶動(dòng)摩天輪旋轉(zhuǎn)。所需驅(qū)動(dòng)力的大小受輪胎壓緊力、摩擦面狀態(tài)、輪胎花紋等眾多因素的影響，計(jì)算復(fù)雜，本文主要研究的是單缸雙向壓緊形式驅(qū)動(dòng)裝置的計(jì)算方法。

1　驅(qū)動(dòng)裝置介紹

受到站臺(tái)、摩天輪輪輻形式等因素的影響，摩天輪驅(qū)動(dòng)和壓緊裝置的形式也多種多樣。輪胎可以沿摩天輪軸向橫向布置，也可沿摩天輪徑向縱向布置。摩天輪的驅(qū)動(dòng)裝置數(shù)量，根據(jù)摩天輪的高度通常分為多組驅(qū)動(dòng)。摩天輪的高度越高、乘客數(shù)量越多，所需的驅(qū)動(dòng)裝置越多。其驅(qū)動(dòng)裝置采用的動(dòng)力源可以使用液壓驅(qū)動(dòng)，也可使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。目前，單組驅(qū)動(dòng)裝置的類型包括單缸單輪胎壓緊、單缸雙輪胎壓緊和機(jī)械輪胎壓緊等。本文基于MTL180摩天輪的驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行研究，其動(dòng)力采用液壓驅(qū)動(dòng)，一組驅(qū)動(dòng)裝置包括四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪胎，輪胎沿摩天輪徑向縱向壓緊，壓緊裝置采用液壓油缸，單油缸驅(qū)動(dòng)雙輪胎壓緊。具體形式如圖1所示。

圖1　摩天輪驅(qū)動(dòng)裝置示意圖

由圖中可知，馬達(dá)和輪胎組成的單個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，一端通過銷軸與驅(qū)動(dòng)裝置的支架連接，可繞驅(qū)動(dòng)裝置支架旋轉(zhuǎn)。另一端通過油缸與對(duì)側(cè)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，為活動(dòng)端，通過油缸的回縮帶動(dòng)上下兩組驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)向驅(qū)動(dòng)板側(cè)靠攏壓緊。此時(shí)，馬達(dá)帶動(dòng)輪胎旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)由摩擦對(duì)驅(qū)動(dòng)板產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，使摩天輪旋轉(zhuǎn)。每組驅(qū)動(dòng)裝置包括4個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

2　驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹

摩天輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖如圖2所示。本次MTL180摩天輪使用了6組驅(qū)動(dòng)裝置，共24個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、12根壓緊油缸。系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖中，僅設(shè)置1個(gè)馬達(dá)和1根油缸進(jìn)行示意。

系統(tǒng)由主電機(jī)3帶動(dòng)泵4提供液壓油源，通過控制電磁換向閥12，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)9的雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)摩天輪的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。順序閥10及電磁換向閥11用于實(shí)現(xiàn)摩天輪的穩(wěn)定剎車功能。由于摩天輪的旋轉(zhuǎn)速度慢（通常每圈的運(yùn)行時(shí)間在30～40 min），所以選用低速大扭矩馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。通常在摩天輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，還會(huì)有備用的應(yīng)急驅(qū)動(dòng)裝置（輔助泵5、輔助電機(jī)6、溢流閥7、手動(dòng)換向閥8）和發(fā)電機(jī)組，用于主系統(tǒng)出現(xiàn)問題或失去電源時(shí)的應(yīng)急救援，保證人員安全撤離。

壓緊油缸2的驅(qū)動(dòng)油路從主系統(tǒng)取出，經(jīng)過減壓閥17減壓后，提供給油缸，電磁換向閥16控制油缸的壓緊和松開。電磁換向閥16在壓緊油缸到位后復(fù)位，隨后，靠蓄能器1和液壓鎖15來保證壓緊油缸的壓力，確保摩天輪的正常工作。圖2所示。

圖2　摩天輪驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖

3　壓緊油缸受力分析

摩天輪驅(qū)動(dòng)所需的輪胎壓緊力由壓緊油缸提供，壓緊油缸的缸筒及活塞桿兩端分別連接上下驅(qū)動(dòng)輪胎。工作時(shí)，壓緊油缸縮回，使輪胎壓緊在驅(qū)動(dòng)板上，從而通過輪胎的旋轉(zhuǎn)提供驅(qū)動(dòng)力。壓緊油缸的受力分析如圖3所示。

圖3　壓緊油缸受力分析

以驅(qū)動(dòng)輪胎為分析對(duì)象。輪胎位于油缸連接鉸點(diǎn)與支架旋轉(zhuǎn)鉸點(diǎn)的正中間，其主要受力為自重G，驅(qū)動(dòng)板反壓緊力FN以及壓緊油缸的作用力F.對(duì)于液壓油缸而言，壓緊狀態(tài)油缸受拉，有桿腔為高壓腔，油液壓力同時(shí)作用在有桿腔活塞和缸筒的環(huán)形面積上，活塞桿端和缸筒端出力相等，均指向使油缸回縮的方向，即同時(shí)向上下輪胎提供壓緊力。另外，由于上下輪胎自重方向均為向下，上輪胎在無外力的作用下，靠自重向驅(qū)動(dòng)板靠緊，而下輪胎在無外力的作用下，自重會(huì)驅(qū)使輪胎遠(yuǎn)離驅(qū)動(dòng)板，所以，油缸還需承擔(dān)將下部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)向上提起的力。由此可知，壓緊油缸受力F應(yīng)為：

其中，驅(qū)動(dòng)板反壓緊力FN受摩天輪的結(jié)構(gòu)形式、乘客數(shù)量、偏載試驗(yàn)工況、輪胎和驅(qū)動(dòng)板花紋及環(huán)境濕度等影響，需根據(jù)具體的設(shè)計(jì)情況進(jìn)行確定。

4　蓄能器計(jì)算

圖2中所示的蓄能器1，在摩天輪正常工作過程中起著非常重要的作用，需保證摩天輪單日工作過程中輪胎壓緊力滿足驅(qū)動(dòng)要求，否則摩天輪的驅(qū)動(dòng)容易出現(xiàn)打滑或無法驅(qū)動(dòng)的情況。所以，其選型的基本要求，是保證摩天輪在一天工作時(shí)間內(nèi)，壓緊油缸壓力不低于設(shè)計(jì)計(jì)算壓力，從而保證足夠的驅(qū)動(dòng)力。

正常工作過程中，造成壓緊油缸壓力不足的主要原因就是系統(tǒng)的泄漏，包括油缸的內(nèi)泄、液壓鎖的泄漏。參照標(biāo)準(zhǔn)要求，油缸內(nèi)泄漏量［1］計(jì)為q1；液壓鎖泄漏量，可參考配套廠家產(chǎn)品及論文等資料，取q2；摩天輪每天的運(yùn)行時(shí)間取t，則總泄漏量Q為：

取泄漏量最大時(shí)即為對(duì)蓄能器壓縮前后體積差的最低要求，系統(tǒng)減壓閥17設(shè)置壓力P2，而蓄能器釋放后后壓力應(yīng)大于壓緊油缸計(jì)算工作壓力P1，則當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到減壓閥設(shè)定壓力時(shí)，蓄能器體積計(jì)為V'2，則有：

由此可得：

按蓄能器產(chǎn)品樣本［2］要求，為保證蓄能器的最佳效率和工作壽命，其預(yù)充壓力P0應(yīng)滿足：

為獲得蓄能器的最大儲(chǔ)量，建議P0取值：

由此，可通過計(jì)算得出蓄能器的初始容積：

按蓄能器樣本選型后，可確定初始容積，隨后核算蓄能器壓縮后體積V2：

按前面提到的，蓄能器需保證摩天輪在一天工作時(shí)間內(nèi)，壓緊油缸壓力不低于設(shè)計(jì)計(jì)算壓力，也就是說蓄能器釋放后體積差：△V=V1-V2大于初始計(jì)算的泄漏量Q，即說明蓄能器滿足使用要求。

以MTL180為例，摩天輪運(yùn)行參數(shù)及蓄能器計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　MTL180蓄能器選型計(jì)算

由計(jì)算結(jié)果可以看出，蓄能器壓縮釋放后體積為2.52 L，大于初始計(jì)算的泄漏量1.5 L（考慮計(jì)算系數(shù)后）的要求，蓄能器滿足要求。

5　結(jié)束語

本文對(duì)摩天輪的驅(qū)動(dòng)形式類型和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)介紹了MTL180摩天輪驅(qū)動(dòng)裝置的形式以及工作原理，并對(duì)MTL180摩天輪所使用的壓緊油缸受力進(jìn)行了分析，給出了其受力的計(jì)算方法。另外，針對(duì)液壓系統(tǒng)中用來保證壓緊油缸工作可靠性的蓄能器，分析了其使用工況和需滿足的要求，給出了蓄能器的選型和計(jì)算依據(jù)。為摩天輪驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)和計(jì)算提供了設(shè)計(jì)參考。

［1］JB2146-77，液壓元件出廠試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)［S］.

［2］西德福.蓄能器［Z］.上海：西德福液壓件公司，2005.

Research on the Calculation Method of the Ferris WheelDrive System

WANG Pan-pan1，WANG Shi-rou2，SONG Xiao-guang1，XU Hong1，SUN Li2
（1.Dalian Yiwang Technology Co.，Ltd.，Dalian Liaoning 116023，China；2.Dalian YILIYA Construction Machinery Co.，Ltd.，Dalian Liaoning 116023，China）

According to the driving device and the system of the ferriswheel，mainly introduces the driving form of the two-way compression of the single cylinder along the radial of ferris wheel.The force of the compression cylinder is analyzed，and the calculation method of the force is given.The accumulator which be used to ensure the reliability of the compression cylinder is analyzed，and the selection and calculation basis of the accumulator are given.

ferriswheel；drive device；compression cylinder；accumulator

TP271.31

A

1672-545X（2016）05-0065-03

2016-02-18

王盼盼（1983-），女，吉林農(nóng)安人，碩士，工程師，研究方向：工程機(jī)械等液壓和動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算與分析。