摩天輪驅動系統計算方法的研究

王盼盼，王詩柔，宋曉光，徐　宏，孫　麗

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

摩天輪驅動系統計算方法的研究

王盼盼1，王詩柔2，宋曉光1，徐宏1，孫麗2

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

針對摩天輪驅動裝置和系統進行介紹，重點對沿摩天輪徑向單油缸雙向壓緊的驅動形式進行了介紹。對此種驅動形式中壓緊油缸的受力進行了分析，給出了其受力的計算方法。并對保證壓緊油缸可靠性的蓄能器進行了分析，給出了蓄能器的選型和計算依據。

摩天輪；驅動裝置；壓緊油缸；蓄能器

摩天輪是目前游樂場最為常見的高空載人游樂設備之一。由于其單次載客量大、高度高，設備的安全性一直是設計者和制造商最為關注的問題。目前常見的摩天輪驅動方式多為液壓驅動。通過電機帶動泵工作，輸出高壓油，經過各種控制閥，驅動摩天輪進行轉動。其旋轉驅動機構多為馬達帶動輪胎旋轉，輪胎壓緊到設置在摩天輪輪輻側面的驅動板上，從而通過摩擦力帶動摩天輪旋轉。所需驅動力的大小受輪胎壓緊力、摩擦面狀態、輪胎花紋等眾多因素的影響，計算復雜，本文主要研究的是單缸雙向壓緊形式驅動裝置的計算方法。

1　驅動裝置介紹

受到站臺、摩天輪輪輻形式等因素的影響，摩天輪驅動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。摩天輪的驅動裝置數量，根據摩天輪的高度通常分為多組驅動。摩天輪的高度越高、乘客數量越多，所需的驅動裝置越多。其驅動裝置采用的動力源可以使用液壓驅動，也可使用電機驅動。目前，單組驅動裝置的類型包括單缸單輪胎壓緊、單缸雙輪胎壓緊和機械輪胎壓緊等。本文基于MTL180摩天輪的驅動裝置進行研究，其動力采用液壓驅動，一組驅動裝置包括四個驅動輪胎，輪胎沿摩天輪徑向縱向壓緊，壓緊裝置采用液壓油缸，單油缸驅動雙輪胎壓緊。具體形式如圖1所示。

圖1　摩天輪驅動裝置示意圖

由圖中可知，馬達和輪胎組成的單個驅動機構，一端通過銷軸與驅動裝置的支架連接，可繞驅動裝置支架旋轉。另一端通過油缸與對側的驅動機構相連，為活動端，通過油缸的回縮帶動上下兩組驅動機構向驅動板側靠攏壓緊。此時，馬達帶動輪胎旋轉時，就會由摩擦對驅動板產生一個驅動力，使摩天輪旋轉。每組驅動裝置包括4個驅動機構。

2　驅動系統介紹

摩天輪驅動系統簡化圖如圖2所示。本次MTL180摩天輪使用了6組驅動裝置，共24個驅動機構、12根壓緊油缸。系統簡化圖中，僅設置1個馬達和1根油缸進行示意。

系統由主電機3帶動泵4提供液壓油源，通過控制電磁換向閥12，驅動馬達9的雙向轉動，從而實現摩天輪的正轉和反轉。順序閥10及電磁換向閥11用于實現摩天輪的穩定剎車功能。由于摩天輪的旋轉速度慢（通常每圈的運行時間在30～40 min），所以選用低速大扭矩馬達進行驅動。通常在摩天輪驅動系統中，還會有備用的應急驅動裝置（輔助泵5、輔助電機6、溢流閥7、手動換向閥8）和發電機組，用于主系統出現問題或失去電源時的應急救援，保證人員安全撤離。

壓緊油缸2的驅動油路從主系統取出，經過減壓閥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　摩天輪驅動液壓系統簡化圖

3　壓緊油缸受力分析

摩天輪驅動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動輪胎。工作時，壓緊油缸縮回，使輪胎壓緊在驅動板上，從而通過輪胎的旋轉提供驅動力。壓緊油缸的受力分析如圖3所示。

圖3　壓緊油缸受力分析

以驅動輪胎為分析對象。輪胎位于油缸連接鉸點與支架旋轉鉸點的正中間，其主要受力為自重G，驅動板反壓緊力FN以及壓緊油缸的作用力F.對于液壓油缸而言，壓緊狀態油缸受拉，有桿腔為高壓腔，油液壓力同時作用在有桿腔活塞和缸筒的環形面積上，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，靠自重向驅動板靠緊，而下輪胎在無外力的作用下，自重會驅使輪胎遠離驅動板，所以，油缸還需承擔將下部驅動機構向上提起的力。由此可知，壓緊油缸受力F應為：

其中，驅動板反壓緊力FN受摩天輪的結構形式、乘客數量、偏載試驗工況、輪胎和驅動板花紋及環境濕度等影響，需根據具體的設計情況進行確定。

4　蓄能器計算

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動要求，否則摩天輪的驅動容易出現打滑或無法驅動的情況。所以，其選型的基本要求，是保證摩天輪在一天工作時間內，壓緊油缸壓力不低于設計計算壓力，從而保證足夠的驅動力。

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的泄漏，包括油缸的內泄、液壓鎖的泄漏。參照標準要求，油缸內泄漏量［1］計為q1；液壓鎖泄漏量，可參考配套廠家產品及論文等資料，取q2；摩天輪每天的運行時間取t，則總泄漏量Q為：

取泄漏量最大時即為對蓄能器壓縮前后體積差的最低要求，系統減壓閥17設置壓力P2，而蓄能器釋放后后壓力應大于壓緊油缸計算工作壓力P1，則當系統達到減壓閥設定壓力時，蓄能器體積計為V'2，則有：

由此可得：

按蓄能器產品樣本［2］要求，為保證蓄能器的最佳效率和工作壽命，其預充壓力P0應滿足：

為獲得蓄能器的最大儲量，建議P0取值：

由此，可通過計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間內，壓緊油缸壓力不低于設計計算壓力，也就是說蓄能器釋放后體積差：△V=V1-V2大于初始計算的泄漏量Q，即說明蓄能器滿足使用要求。

以MTL180為例，摩天輪運行參數及蓄能器計算結果如表1所示。

表1　MTL180蓄能器選型計算

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

5　結束語

本文對摩天輪的驅動形式類型和驅動系統進行了介紹，重點介紹了MTL180摩天輪驅動裝置的形式以及工作原理，并對MTL180摩天輪所使用的壓緊油缸受力進行了分析，給出了其受力的計算方法。另外，針對液壓系統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算依據。為摩天輪驅動部分的設計和計算提供了設計參考。

［1］JB2146-77，液壓元件出廠試驗技術指標［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，吉林農安人，碩士，工程師，研究方向：工程機械等液壓和動力系統的設計計算與分析。