摩天轮吊厢防摆阻尼装置的改进设计与试验分析*

赵九峰

河南省特种设备安全检测研究院 郑州 450000

引言

摩天轮作为绕水平轴低速旋转的观览车类游乐设施，是一种大型轮盘状的机械建筑设施［1］。具有集观赏、美化观景和游人乘坐于一体的功能，乘客坐在摩天轮的吊厢内慢慢的往上转动，可以从高处遥望四周美景，深受年轻人喜欢，摩天轮成为各种游乐场最受欢迎的游乐设施［2］。

摩天轮吊厢随着转盘绕着中心轴公转的同时，吊厢绕吊厢轴自转，吊厢绕中心轴公转一周，同时绕吊厢轴自转一周。摩天轮通常采用尼龙套作为吊厢防摆阻尼装置，但经过长期磨损会降低其防摆阻尼性能。另外摩天轮在室外安装，不可避免地受到风力作用，风载荷是具有随机性的动载荷［3］，动载荷引起的惯性力使摩天轮吊厢摆动甚至出现旋转。2016年5月8日，大风袭击日本兵库县阿古海滨公园3号，两个位于50m摩天轮最上方的观光吊厢，发生了360°翻转；2019年4月17日，山东聊城摩天轮欢乐城，在7级大风天气下，高度133m摩天轮，两个位于摩天轮顶部位置的吊厢被风吹的360°空中翻转；2020年8月19日，受台风“海高斯”影响，广东佛山一座摩天轮的吊厢出现360°旋转。因此吊厢防摆阻尼装置成为摩天轮设计单位和运营管理单位关注、关心的问题［4］，对其进行研究和试验分析显得十分重要。

1 摩天轮结构与工作原理

摩天轮由转盘、中心轴、立柱和驱动装置等结构组成，供乘客乘搭的吊厢挂在转盘边缘，是一种大型转轮状的游乐设备［5］。摩天轮结构示意如图1所示。

摩天轮的工作原理：电动机连接减速机，通过减速机减速，减速机的输入端把电动机高转速低扭矩转变为减速机输出端低转速高扭矩的机械动力［6］，减速机输出轴连接轮胎等中间机构，轮胎作为一种有弹性和一定强度的部件压在摩天轮转盘的外轮缘上，在轮胎摩擦力驱动下实现转盘的低速转动［7］。根据摩天轮运作机构的差异，可分为重力式摩天轮和观景摩天轮两种［8］。重力式摩天轮的吊厢是挂在转轮边缘上，依靠重力维持水平；而观景摩天轮上的吊厢则是悬在轮的外侧，在较复杂的连杆类机械结构的作用下，随着吊厢绕转的位置来同步调整其保持水平［9］。

2 风载荷与防摆阻尼装置

2.1 吊厢摆动原因

风对摩天轮吊厢的作用是不规则的，风压随风向、风速的变化而不停地改变，对于重力式摩天轮的吊厢，大风容易使其产生较大的摆动［10］。实际工程使用中，作用在游乐设备结构上的风荷载可分为两种成分：稳定风和脉动风［11］。稳定风是一种方向和速度基本上不随时间变化的风载荷，作用周期较长，其性质等效于静力作用；脉动风是一种不规则运动的风，其强度随时间随机变化，有明显的周期性，其性质等效于动力作用［12］。稳定风使吊厢产生一定的侧移，而脉动风压使吊厢在该侧移附近左右摆动［13］。

由于吊厢摆动的固有频率与脉动风脉动频率接近，吊厢摆动的固有频率正好处于脉动风的振动频率范围，在大风作用下容易产生振动效应［14］，在特定脉动风的影响下导致吊厢出现较大幅度的摆动甚至出现360°旋转。在游乐设施的设计计算中，考虑这个动力效应，通常采用加大风荷载的办法，在风压值上乘以风振系数折算成静载荷来处理。对于30m以下的摩天轮，脉动风压引起的结构振动效应比较小，一般不需要考虑脉动风振作用［15］，而仅考虑平均稳定风压作用；对于超过30m的摩天轮，脉动风压会产生不可忽略的动力效应［11］。

2.2 吊厢防摆阻尼

摩天轮吊厢无自锁装置，但出于安全运营的目的，并鉴于该游乐设施的现状［16］，《游乐设施监督检验规程（试行）》由原国家质检总局于2002年发布并实施，规程附表6.2规定：摩天轮转盘直径超过40m时，应设防止吊厢摆动装置［16］；根据《观览车类游乐设施通用技术条件》（GB／T 18164—2020）5.3.11节：吊挂式吊厢应设减小吊厢摆动频率和摆动角度的阻尼装置［17］。要确保乘客的安全及舒适性，既要保证吊厢绕吊厢轴的自由旋转，还要保证在吊厢遇到较大风力时能减小吊厢的晃动。故此，吊厢轴上安装防摆动的阻尼装置在摩天轮中有着广泛的应用，尼龙材料具有热稳定性显著、高温蠕变小、尺寸精度好、易加工、耐磨、阻尼性优良等特点［18］，因此摩天轮通常在吊厢与吊厢轴之间加装尼龙套作为吊厢防摆阻尼装置。

2021年2月3日，洛阳龙凤山景区一42m摩天轮，由于当日风速超出设备的使用环境要求，设备处于停运状态，顶部两个吊厢受风力影响绕吊厢轴发生360°旋转。该摩天轮外挂24个透明吊厢，转盘的回转直径为37m，为重力式摩天轮［19］。

在现场检验中发现该摩天轮安装有防止吊厢摆动装置，该防摆装置为尼龙套，如图2a所示，具有一定的防摆阻尼作用，但不具有调节阻尼的能力，长期的运行磨损使阻尼力降低，另由于当时瞬时阵风达到9级，阵风风力大，同时脉动频率与吊厢摆动频率接近，发生共振现象导致出现吊厢发生360°旋转现象。

为提高摩天轮吊厢抗风能力，改变吊厢摆动的固有频率。于2021年2月7日对该吊厢摆动的阻尼装置进行改进，利用尼龙材料弹性好、摩擦系数大的特点，在尼龙套座上攻螺纹孔，安装调节螺钉和螺母，通过调节螺钉，改变尼龙套与吊厢轴之间的接触挤压力，进而改变尼龙套与吊厢轴之间的摩擦力，摩擦力的增加，不但能提高吊厢阻尼抗力，还能改变吊厢摆动的固有频率；同时螺母起到锁紧定位作用，当螺钉调整到位，通过旋转螺母，向下拧紧，对螺钉进行锁定和防松，有利于吊厢长久保持阻尼抗力的恒定，同时通过螺母标线，能方便定期查看调节螺钉是否松动。改进后的摩天轮吊厢防摆阻尼装置如图2b所示。

图2 吊厢防摆阻尼装置Fig.2 Pod anti-swing damping device

3 吊厢防摆阻尼抗力检测

3.1 力学理论

由图2b可知，通过调节螺栓，螺栓挤压尼龙套，尼龙套压紧吊厢轴，可增大尼龙套与吊厢轴的挤压力，进而提高摩天轮吊厢尼龙套与吊厢轴的摩擦力。但摩擦力难以直接测定，需根据扭矩平衡原理间接测量吊厢尼龙套与吊厢轴的摩擦力，以评价改进后吊厢防摆阻尼装置的阻尼性能。吊厢防摆阻抗力检测原理如图3所示。

图3 阻抗力检测原理Fig.3 Schematic diagram of damping resistance detection

由工程力学可得，摩擦力作用下，吊厢尼龙套与吊厢轴的摩擦阻力矩［20］：

式中：f为阻尼装置的摩擦阻力（N）；D为吊厢轴的直径（mm）。

测试拉力作用下，拉动吊厢产生的力矩（阻抗力矩）：

式中：F为测试拉力（N）；H为拉力的作用线到吊厢轴的距离（mm）。

拉动吊厢底部，使得吊厢偏离一定的距离，则根据力矩平衡可得：

式中：Tm为拉动吊厢偏转后的附加力矩（N·mm）。

联立式（1）～式（3）可得：

原设计工况下，吊厢阻尼无法调节，由式（4）可得：

改进设计工况下，通过阻尼调节装置增加摩擦力，由式（4）可得：

由图3可知，阻尼装置调节前后，在吊厢偏离相同距离时，吊厢的附加力矩Tm不变。联立式（4）、式（5）可得：

由式（7）可知，通过改进设计，计算阻尼装置调节前后拉力（阻抗力）的变化，能够反映阻力的变化，进而判断改进阻尼装置前后对阻尼性能的影响。

3.2 检测方法及数据分析

钢板尺固定在平台上，吊坠悬挂在吊厢上，利用数显式推拉力计拉动吊厢底部的横框，拉动吊厢使得吊线坠移动距离为100mm，读取数显式推拉力计显示的数据。

分别对吊厢在改进阻尼装置前后进行拉力试验，读取拉力计的数据，并对数据进行汇总（数据依照实际吊厢编号填写，该摩天轮未设置尾号为4的编号）。每个吊厢的检测数据见表1。

表1 吊厢防摆阻抗力检测数据（单位：N）Tab.1 Summary of anti-pendulum damping resistance detection data（unit：N）

由表1可知，未改进阻尼装置前（原设计）的拉力平均值为43N，改进阻尼装置后，阻尼抗力平均增加36N。保守计算，不考虑吊厢附加扭矩，改进阻尼装置后阻抗力提高了84%。

4 结论

1.对于高度超过30m的摩天轮，需要加装吊厢防摆阻尼装置；

2.改进吊厢防摆阻尼装置后阻尼抗力显著提高（提高84%），能够有效提升吊厢的防摆动能力，消除了设备运行时吊厢摆动幅度较大产生的安全隐患；

此外，设备使用单位应对吊厢防摆阻尼调节装置定期（每3个月）进行检查和维护，保证吊厢防摆阻尼装置保持一定的阻抗力，检查维护情况应做详细记录。

洛阳龙凤山摩天轮在加装吊厢防摆阻尼装置之后，通过后期观察，在大风天气下，至今未出现轿厢大幅度摆动和360°旋转事件，为安装在山区和沿海地区摩天轮吊厢的防摆设计提供了技术参考。