趙九峰

河南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院 鄭州 450000

引言

摩天輪作為繞水平軸低速旋轉(zhuǎn)的觀覽車(chē)類(lèi)游樂(lè)設(shè)施，是一種大型輪盤(pán)狀的機(jī)械建筑設(shè)施［1］。具有集觀賞、美化觀景和游人乘坐于一體的功能，乘客坐在摩天輪的吊廂內(nèi)慢慢的往上轉(zhuǎn)動(dòng)，可以從高處遙望四周美景，深受年輕人喜歡，摩天輪成為各種游樂(lè)場(chǎng)最受歡迎的游樂(lè)設(shè)施［2］。

摩天輪吊廂隨著轉(zhuǎn)盤(pán)繞著中心軸公轉(zhuǎn)的同時(shí)，吊廂繞吊廂軸自轉(zhuǎn)，吊廂繞中心軸公轉(zhuǎn)一周，同時(shí)繞吊廂軸自轉(zhuǎn)一周。摩天輪通常采用尼龍?zhí)鬃鳛榈鯉罃[阻尼裝置，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期磨損會(huì)降低其防擺阻尼性能。另外摩天輪在室外安裝，不可避免地受到風(fēng)力作用，風(fēng)載荷是具有隨機(jī)性的動(dòng)載荷［3］，動(dòng)載荷引起的慣性力使摩天輪吊廂擺動(dòng)甚至出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。2016年5月8日，大風(fēng)襲擊日本兵庫(kù)縣阿古海濱公園3號(hào)，兩個(gè)位于50m摩天輪最上方的觀光吊廂，發(fā)生了360°翻轉(zhuǎn)；2019年4月17日，山東聊城摩天輪歡樂(lè)城，在7級(jí)大風(fēng)天氣下，高度133m摩天輪，兩個(gè)位于摩天輪頂部位置的吊廂被風(fēng)吹的360°空中翻轉(zhuǎn)；2020年8月19日，受臺(tái)風(fēng)“海高斯”影響，廣東佛山一座摩天輪的吊廂出現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)。因此吊廂防擺阻尼裝置成為摩天輪設(shè)計(jì)單位和運(yùn)營(yíng)管理單位關(guān)注、關(guān)心的問(wèn)題［4］，對(duì)其進(jìn)行研究和試驗(yàn)分析顯得十分重要。

1 摩天輪結(jié)構(gòu)與工作原理

摩天輪由轉(zhuǎn)盤(pán)、中心軸、立柱和驅(qū)動(dòng)裝置等結(jié)構(gòu)組成，供乘客乘搭的吊廂掛在轉(zhuǎn)盤(pán)邊緣，是一種大型轉(zhuǎn)輪狀的游樂(lè)設(shè)備［5］。摩天輪結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

摩天輪的工作原理：電動(dòng)機(jī)連接減速機(jī)，通過(guò)減速機(jī)減速，減速機(jī)的輸入端把電動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速低扭矩轉(zhuǎn)變?yōu)闇p速機(jī)輸出端低轉(zhuǎn)速高扭矩的機(jī)械動(dòng)力［6］，減速機(jī)輸出軸連接輪胎等中間機(jī)構(gòu)，輪胎作為一種有彈性和一定強(qiáng)度的部件壓在摩天輪轉(zhuǎn)盤(pán)的外輪緣上，在輪胎摩擦力驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤(pán)的低速轉(zhuǎn)動(dòng)［7］。根據(jù)摩天輪運(yùn)作機(jī)構(gòu)的差異，可分為重力式摩天輪和觀景摩天輪兩種［8］。重力式摩天輪的吊廂是掛在轉(zhuǎn)輪邊緣上，依靠重力維持水平；而觀景摩天輪上的吊廂則是懸在輪的外側(cè)，在較復(fù)雜的連桿類(lèi)機(jī)械結(jié)構(gòu)的作用下，隨著吊廂繞轉(zhuǎn)的位置來(lái)同步調(diào)整其保持水平［9］。

2 風(fēng)載荷與防擺阻尼裝置

2.1 吊廂擺動(dòng)原因

風(fēng)對(duì)摩天輪吊廂的作用是不規(guī)則的，風(fēng)壓隨風(fēng)向、風(fēng)速的變化而不停地改變，對(duì)于重力式摩天輪的吊廂，大風(fēng)容易使其產(chǎn)生較大的擺動(dòng)［10］。實(shí)際工程使用中，作用在游樂(lè)設(shè)備結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載可分為兩種成分：穩(wěn)定風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)［11］。穩(wěn)定風(fēng)是一種方向和速度基本上不隨時(shí)間變化的風(fēng)載荷，作用周期較長(zhǎng)，其性質(zhì)等效于靜力作用；脈動(dòng)風(fēng)是一種不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的風(fēng)，其強(qiáng)度隨時(shí)間隨機(jī)變化，有明顯的周期性，其性質(zhì)等效于動(dòng)力作用［12］。穩(wěn)定風(fēng)使吊廂產(chǎn)生一定的側(cè)移，而脈動(dòng)風(fēng)壓使吊廂在該側(cè)移附近左右擺動(dòng)［13］。

由于吊廂擺動(dòng)的固有頻率與脈動(dòng)風(fēng)脈動(dòng)頻率接近，吊廂擺動(dòng)的固有頻率正好處于脈動(dòng)風(fēng)的振動(dòng)頻率范圍，在大風(fēng)作用下容易產(chǎn)生振動(dòng)效應(yīng)［14］，在特定脈動(dòng)風(fēng)的影響下導(dǎo)致吊廂出現(xiàn)較大幅度的擺動(dòng)甚至出現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)。在游樂(lè)設(shè)施的設(shè)計(jì)計(jì)算中，考慮這個(gè)動(dòng)力效應(yīng)，通常采用加大風(fēng)荷載的辦法，在風(fēng)壓值上乘以風(fēng)振系數(shù)折算成靜載荷來(lái)處理。對(duì)于30m以下的摩天輪，脈動(dòng)風(fēng)壓引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)效應(yīng)比較小，一般不需要考慮脈動(dòng)風(fēng)振作用［15］，而僅考慮平均穩(wěn)定風(fēng)壓作用；對(duì)于超過(guò)30m的摩天輪，脈動(dòng)風(fēng)壓會(huì)產(chǎn)生不可忽略的動(dòng)力效應(yīng)［11］。

2.2 吊廂防擺阻尼

摩天輪吊廂無(wú)自鎖裝置，但出于安全運(yùn)營(yíng)的目的，并鑒于該游樂(lè)設(shè)施的現(xiàn)狀［16］，《游樂(lè)設(shè)施監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)程（試行）》由原國(guó)家質(zhì)檢總局于2002年發(fā)布并實(shí)施，規(guī)程附表6.2規(guī)定：摩天輪轉(zhuǎn)盤(pán)直徑超過(guò)40m時(shí)，應(yīng)設(shè)防止吊廂擺動(dòng)裝置［16］；根據(jù)《觀覽車(chē)類(lèi)游樂(lè)設(shè)施通用技術(shù)條件》（GB／T 18164—2020）5.3.11節(jié)：吊掛式吊廂應(yīng)設(shè)減小吊廂擺動(dòng)頻率和擺動(dòng)角度的阻尼裝置［17］。要確保乘客的安全及舒適性，既要保證吊廂繞吊廂軸的自由旋轉(zhuǎn)，還要保證在吊廂遇到較大風(fēng)力時(shí)能減小吊廂的晃動(dòng)。故此，吊廂軸上安裝防擺動(dòng)的阻尼裝置在摩天輪中有著廣泛的應(yīng)用，尼龍材料具有熱穩(wěn)定性顯著、高溫蠕變小、尺寸精度好、易加工、耐磨、阻尼性?xún)?yōu)良等特點(diǎn)［18］，因此摩天輪通常在吊廂與吊廂軸之間加裝尼龍?zhí)鬃鳛榈鯉罃[阻尼裝置。

2021年2月3日，洛陽(yáng)龍鳳山景區(qū)一42m摩天輪，由于當(dāng)日風(fēng)速超出設(shè)備的使用環(huán)境要求，設(shè)備處于停運(yùn)狀態(tài)，頂部?jī)蓚€(gè)吊廂受風(fēng)力影響繞吊廂軸發(fā)生360°旋轉(zhuǎn)。該摩天輪外掛24個(gè)透明吊廂，轉(zhuǎn)盤(pán)的回轉(zhuǎn)直徑為37m，為重力式摩天輪［19］。

在現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該摩天輪安裝有防止吊廂擺動(dòng)裝置，該防擺裝置為尼龍?zhí)?，如圖2a所示，具有一定的防擺阻尼作用，但不具有調(diào)節(jié)阻尼的能力，長(zhǎng)期的運(yùn)行磨損使阻尼力降低，另由于當(dāng)時(shí)瞬時(shí)陣風(fēng)達(dá)到9級(jí)，陣風(fēng)風(fēng)力大，同時(shí)脈動(dòng)頻率與吊廂擺動(dòng)頻率接近，發(fā)生共振現(xiàn)象導(dǎo)致出現(xiàn)吊廂發(fā)生360°旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

為提高摩天輪吊廂抗風(fēng)能力，改變吊廂擺動(dòng)的固有頻率。于2021年2月7日對(duì)該吊廂擺動(dòng)的阻尼裝置進(jìn)行改進(jìn)，利用尼龍材料彈性好、摩擦系數(shù)大的特點(diǎn)，在尼龍?zhí)鬃瞎ヂ菁y孔，安裝調(diào)節(jié)螺釘和螺母，通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘，改變尼龍?zhí)着c吊廂軸之間的接觸擠壓力，進(jìn)而改變尼龍?zhí)着c吊廂軸之間的摩擦力，摩擦力的增加，不但能提高吊廂阻尼抗力，還能改變吊廂擺動(dòng)的固有頻率；同時(shí)螺母起到鎖緊定位作用，當(dāng)螺釘調(diào)整到位，通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺母，向下擰緊，對(duì)螺釘進(jìn)行鎖定和防松，有利于吊廂長(zhǎng)久保持阻尼抗力的恒定，同時(shí)通過(guò)螺母標(biāo)線，能方便定期查看調(diào)節(jié)螺釘是否松動(dòng)。改進(jìn)后的摩天輪吊廂防擺阻尼裝置如圖2b所示。

圖2 吊廂防擺阻尼裝置Fig.2 Pod anti-swing damping device

3 吊廂防擺阻尼抗力檢測(cè)

3.1 力學(xué)理論

由圖2b可知，通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓，螺栓擠壓尼龍?zhí)?，尼龍?zhí)讐壕o吊廂軸，可增大尼龍?zhí)着c吊廂軸的擠壓力，進(jìn)而提高摩天輪吊廂尼龍?zhí)着c吊廂軸的摩擦力。但摩擦力難以直接測(cè)定，需根據(jù)扭矩平衡原理間接測(cè)量吊廂尼龍?zhí)着c吊廂軸的摩擦力，以評(píng)價(jià)改進(jìn)后吊廂防擺阻尼裝置的阻尼性能。吊廂防擺阻抗力檢測(cè)原理如圖3所示。

圖3 阻抗力檢測(cè)原理Fig.3 Schematic diagram of damping resistance detection

由工程力學(xué)可得，摩擦力作用下，吊廂尼龍?zhí)着c吊廂軸的摩擦阻力矩［20］：

式中：f為阻尼裝置的摩擦阻力（N）；D為吊廂軸的直徑（mm）。

測(cè)試?yán)ψ饔孟?，拉?dòng)吊廂產(chǎn)生的力矩（阻抗力矩）：

式中：F為測(cè)試?yán)Γ∟）；H為拉力的作用線到吊廂軸的距離（mm）。

拉動(dòng)吊廂底部，使得吊廂偏離一定的距離，則根據(jù)力矩平衡可得：

式中：Tm為拉動(dòng)吊廂偏轉(zhuǎn)后的附加力矩（N·mm）。

聯(lián)立式（1）～式（3）可得：

原設(shè)計(jì)工況下，吊廂阻尼無(wú)法調(diào)節(jié)，由式（4）可得：

改進(jìn)設(shè)計(jì)工況下，通過(guò)阻尼調(diào)節(jié)裝置增加摩擦力，由式（4）可得：

由圖3可知，阻尼裝置調(diào)節(jié)前后，在吊廂偏離相同距離時(shí)，吊廂的附加力矩Tm不變。聯(lián)立式（4）、式（5）可得：

由式（7）可知，通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，計(jì)算阻尼裝置調(diào)節(jié)前后拉力（阻抗力）的變化，能夠反映阻力的變化，進(jìn)而判斷改進(jìn)阻尼裝置前后對(duì)阻尼性能的影響。

3.2 檢測(cè)方法及數(shù)據(jù)分析

鋼板尺固定在平臺(tái)上，吊墜懸掛在吊廂上，利用數(shù)顯式推拉力計(jì)拉動(dòng)吊廂底部的橫框，拉動(dòng)吊廂使得吊線墜移動(dòng)距離為100mm，讀取數(shù)顯式推拉力計(jì)顯示的數(shù)據(jù)。

分別對(duì)吊廂在改進(jìn)阻尼裝置前后進(jìn)行拉力試驗(yàn)，讀取拉力計(jì)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總（數(shù)據(jù)依照實(shí)際吊廂編號(hào)填寫(xiě)，該摩天輪未設(shè)置尾號(hào)為4的編號(hào)）。每個(gè)吊廂的檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 吊廂防擺阻抗力檢測(cè)數(shù)據(jù)（單位：N）Tab.1 Summary of anti-pendulum damping resistance detection data（unit：N）

由表1可知，未改進(jìn)阻尼裝置前（原設(shè)計(jì)）的拉力平均值為43N，改進(jìn)阻尼裝置后，阻尼抗力平均增加36N。保守計(jì)算，不考慮吊廂附加扭矩，改進(jìn)阻尼裝置后阻抗力提高了84%。

4 結(jié)論

1.對(duì)于高度超過(guò)30m的摩天輪，需要加裝吊廂防擺阻尼裝置；

2.改進(jìn)吊廂防擺阻尼裝置后阻尼抗力顯著提高（提高84%），能夠有效提升吊廂的防擺動(dòng)能力，消除了設(shè)備運(yùn)行時(shí)吊廂擺動(dòng)幅度較大產(chǎn)生的安全隱患；

此外，設(shè)備使用單位應(yīng)對(duì)吊廂防擺阻尼調(diào)節(jié)裝置定期（每3個(gè)月）進(jìn)行檢查和維護(hù)，保證吊廂防擺阻尼裝置保持一定的阻抗力，檢查維護(hù)情況應(yīng)做詳細(xì)記錄。

洛陽(yáng)龍鳳山摩天輪在加裝吊廂防擺阻尼裝置之后，通過(guò)后期觀察，在大風(fēng)天氣下，至今未出現(xiàn)轎廂大幅度擺動(dòng)和360°旋轉(zhuǎn)事件，為安裝在山區(qū)和沿海地區(qū)摩天輪吊廂的防擺設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。