摩天轮驱动系统计算方法的研究

王盼盼，王诗柔，宋晓光，徐　宏，孙　丽

（1.大连益网科技有限公司，辽宁大连116023；2.大连益利亚工程机械有限公司，辽宁大连116023）

摩天轮驱动系统计算方法的研究

王盼盼1，王诗柔2，宋晓光1，徐宏1，孙丽2

（1.大连益网科技有限公司，辽宁大连116023；2.大连益利亚工程机械有限公司，辽宁大连116023）

针对摩天轮驱动装置和系统进行介绍，重点对沿摩天轮径向单油缸双向压紧的驱动形式进行了介绍。对此种驱动形式中压紧油缸的受力进行了分析，给出了其受力的计算方法。并对保证压紧油缸可靠性的蓄能器进行了分析，给出了蓄能器的选型和计算依据。

摩天轮；驱动装置；压紧油缸；蓄能器

摩天轮是目前游乐场最为常见的高空载人游乐设备之一。由于其单次载客量大、高度高，设备的安全性一直是设计者和制造商最为关注的问题。目前常见的摩天轮驱动方式多为液压驱动。通过电机带动泵工作，输出高压油，经过各种控制阀，驱动摩天轮进行转动。其旋转驱动机构多为马达带动轮胎旋转，轮胎压紧到设置在摩天轮轮辐侧面的驱动板上，从而通过摩擦力带动摩天轮旋转。所需驱动力的大小受轮胎压紧力、摩擦面状态、轮胎花纹等众多因素的影响，计算复杂，本文主要研究的是单缸双向压紧形式驱动装置的计算方法。

1　驱动装置介绍

受到站台、摩天轮轮辐形式等因素的影响，摩天轮驱动和压紧装置的形式也多种多样。轮胎可以沿摩天轮轴向横向布置，也可沿摩天轮径向纵向布置。摩天轮的驱动装置数量，根据摩天轮的高度通常分为多组驱动。摩天轮的高度越高、乘客数量越多，所需的驱动装置越多。其驱动装置采用的动力源可以使用液压驱动，也可使用电机驱动。目前，单组驱动装置的类型包括单缸单轮胎压紧、单缸双轮胎压紧和机械轮胎压紧等。本文基于MTL180摩天轮的驱动装置进行研究，其动力采用液压驱动，一组驱动装置包括四个驱动轮胎，轮胎沿摩天轮径向纵向压紧，压紧装置采用液压油缸，单油缸驱动双轮胎压紧。具体形式如图1所示。

图1　摩天轮驱动装置示意图

由图中可知，马达和轮胎组成的单个驱动机构，一端通过销轴与驱动装置的支架连接，可绕驱动装置支架旋转。另一端通过油缸与对侧的驱动机构相连，为活动端，通过油缸的回缩带动上下两组驱动机构向驱动板侧靠拢压紧。此时，马达带动轮胎旋转时，就会由摩擦对驱动板产生一个驱动力，使摩天轮旋转。每组驱动装置包括4个驱动机构。

2　驱动系统介绍

摩天轮驱动系统简化图如图2所示。本次MTL180摩天轮使用了6组驱动装置，共24个驱动机构、12根压紧油缸。系统简化图中，仅设置1个马达和1根油缸进行示意。

系统由主电机3带动泵4提供液压油源，通过控制电磁换向阀12，驱动马达9的双向转动，从而实现摩天轮的正转和反转。顺序阀10及电磁换向阀11用于实现摩天轮的稳定刹车功能。由于摩天轮的旋转速度慢（通常每圈的运行时间在30～40 min），所以选用低速大扭矩马达进行驱动。通常在摩天轮驱动系统中，还会有备用的应急驱动装置（辅助泵5、辅助电机6、溢流阀7、手动换向阀8）和发电机组，用于主系统出现问题或失去电源时的应急救援，保证人员安全撤离。

压紧油缸2的驱动油路从主系统取出，经过减压阀17减压后，提供给油缸，电磁换向阀16控制油缸的压紧和松开。电磁换向阀16在压紧油缸到位后复位，随后，靠蓄能器1和液压锁15来保证压紧油缸的压力，确保摩天轮的正常工作。图2所示。

图2　摩天轮驱动液压系统简化图

3　压紧油缸受力分析

摩天轮驱动所需的轮胎压紧力由压紧油缸提供，压紧油缸的缸筒及活塞杆两端分别连接上下驱动轮胎。工作时，压紧油缸缩回，使轮胎压紧在驱动板上，从而通过轮胎的旋转提供驱动力。压紧油缸的受力分析如图3所示。

图3　压紧油缸受力分析

以驱动轮胎为分析对象。轮胎位于油缸连接铰点与支架旋转铰点的正中间，其主要受力为自重G，驱动板反压紧力FN以及压紧油缸的作用力F.对于液压油缸而言，压紧状态油缸受拉，有杆腔为高压腔，油液压力同时作用在有杆腔活塞和缸筒的环形面积上，活塞杆端和缸筒端出力相等，均指向使油缸回缩的方向，即同时向上下轮胎提供压紧力。另外，由于上下轮胎自重方向均为向下，上轮胎在无外力的作用下，靠自重向驱动板靠紧，而下轮胎在无外力的作用下，自重会驱使轮胎远离驱动板，所以，油缸还需承担将下部驱动机构向上提起的力。由此可知，压紧油缸受力F应为：

其中，驱动板反压紧力FN受摩天轮的结构形式、乘客数量、偏载试验工况、轮胎和驱动板花纹及环境湿度等影响，需根据具体的设计情况进行确定。

4　蓄能器计算

图2中所示的蓄能器1，在摩天轮正常工作过程中起着非常重要的作用，需保证摩天轮单日工作过程中轮胎压紧力满足驱动要求，否则摩天轮的驱动容易出现打滑或无法驱动的情况。所以，其选型的基本要求，是保证摩天轮在一天工作时间内，压紧油缸压力不低于设计计算压力，从而保证足够的驱动力。

正常工作过程中，造成压紧油缸压力不足的主要原因就是系统的泄漏，包括油缸的内泄、液压锁的泄漏。参照标准要求，油缸内泄漏量［1］计为q1；液压锁泄漏量，可参考配套厂家产品及论文等资料，取q2；摩天轮每天的运行时间取t，则总泄漏量Q为：

取泄漏量最大时即为对蓄能器压缩前后体积差的最低要求，系统减压阀17设置压力P2，而蓄能器释放后后压力应大于压紧油缸计算工作压力P1，则当系统达到减压阀设定压力时，蓄能器体积计为V'2，则有：

由此可得：

按蓄能器产品样本［2］要求，为保证蓄能器的最佳效率和工作寿命，其预充压力P0应满足：

为获得蓄能器的最大储量，建议P0取值：

由此，可通过计算得出蓄能器的初始容积：

按蓄能器样本选型后，可确定初始容积，随后核算蓄能器压缩后体积V2：

按前面提到的，蓄能器需保证摩天轮在一天工作时间内，压紧油缸压力不低于设计计算压力，也就是说蓄能器释放后体积差：△V=V1-V2大于初始计算的泄漏量Q，即说明蓄能器满足使用要求。

以MTL180为例，摩天轮运行参数及蓄能器计算结果如表1所示。

表1　MTL180蓄能器选型计算

由计算结果可以看出，蓄能器压缩释放后体积为2.52 L，大于初始计算的泄漏量1.5 L（考虑计算系数后）的要求，蓄能器满足要求。

5　结束语

本文对摩天轮的驱动形式类型和驱动系统进行了介绍，重点介绍了MTL180摩天轮驱动装置的形式以及工作原理，并对MTL180摩天轮所使用的压紧油缸受力进行了分析，给出了其受力的计算方法。另外，针对液压系统中用来保证压紧油缸工作可靠性的蓄能器，分析了其使用工况和需满足的要求，给出了蓄能器的选型和计算依据。为摩天轮驱动部分的设计和计算提供了设计参考。

［1］JB2146-77，液压元件出厂试验技术指标［S］.

［2］西德福.蓄能器［Z］.上海：西德福液压件公司，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，吉林农安人，硕士，工程师，研究方向：工程机械等液压和动力系统的设计计算与分析。