黄迎春，申展超，王 鑫，陈里楠，王盼盼

（1.大连益利亚工程机械有限公司，辽宁 大连116025；2.大连益网科技有限公司，辽宁 大连116025）

0 摩天轮座舱概述

目前，摩天轮座舱有两种形式：吊厢式座舱和回转式座舱。吊厢式座舱主要适用于中小型摩天轮，其吊厢顶部设有轴套，套接在支撑架的转轴上，吊厢依靠重力可以绕转轴旋转，实现吊厢地板持续水平。吊厢式座舱结构紧凑，单舱荷载人数较少，运转时易产生晃动，整舱成本低。回转式座舱主要适用于大型摩天轮，其座舱外部设有吊厢挂耳，通过销轴与摩天轮转盘铰接在一起。

本文设计了一种应用于180 m摩天轮的回转式座舱。回转式座舱在摩天轮运转时，可以绕其自身形心回转，实现座舱地板持续水平状态。

本文设计的回转式座舱满足《中华人民共和国特种设备安全法》、《特种设备安全监察条例》、GB8408-2018《游乐设施安全规范》及GB/T 18164-2008《观览车类游艺机通用技术条件》等法规标准的要求[1-2]。

摩天轮营运的环境条件为：风速 ＜15 m/s，环境温度：-10℃～40℃，环境湿度 ＜90%。当出现或预计有可能出现雷电、大雨、雪霜、风速大于15 m/s等恶劣天气和停电等紧急情况时，应停止营运。

1 座舱组成及主要动作

本文设计的回转式座舱整体外观为十边形，长6 m，外径3.5 m，可承载16～20人。结构主要由框架及观景窗系统、电控系统、调平驱动系统、出入门系统、对讲及视频监控系统、空调及换气系统、消防及急救系统、多媒体系统等组成。

舱体结构由中舱段、左右外舱段、左右挂耳、左右回转支承等部件组成。各舱段由板材和型钢管材焊接而成，全部采用全熔透焊接连接而成，经严格强度和刚度校核计算，满足使用和规范要求。左挂耳外部设置了检修爬梯，右挂耳外部设有避雷系统确保设备安全。中舱顶部设有出入口，顶部出入口设有外部锁定机构，须有工作人员在舱外打开后才能启用顶部出入口，舱内人员无法打开此出入口。观景窗采用PC耐力板，透光性好，不易碎，安全环保。舱体密封良好，确保不漏雨。

舱内由地板将座舱空间分割为上部乘客区域及舱底设备区域，将驱动系统、空调及电气系统布置在舱底设备区，设备与乘客分离，保证安全。舱内扶手、座椅、内饰等装置全部采用安全环保、不燃烧的材料。为应对游客观览过程中的应急问题，备有应急处理系统以确保应急降落。烟雾传感系统、无线对讲与视频监控系统可实现地面与座舱的沟通，方便管理和处理应急情况。舱内消防及急救工具固定于座椅下部，便于紧急情况下取用。

座舱两端设有出入门，乘客从座舱一侧上，从座舱另一侧下，实现乘降分离，保证安全。座舱门采用电动外开平移门，同时还设置了双重机械门锁，确保舱内游客不能自行开门。座舱门泵系统具有防夹功能，关门过程中如遇障碍，门可自动打开。如遇门泵系统故障，不能正常开门，工作人员可以将舱外的门泵分离手柄转向手动侧，即可手动打开舱门。

整舱动作有：舱体调平和出入门开闭动作。

2 伺服调平驱动系统

在摩天轮运转的过程中，伺服调平驱动系统能够保证座舱地板处于水平状态，且确保乘客在舱内走动时或者在其它外力作用时座舱无晃动[3]。系统具有精度高、反馈快、性能稳定、安全性高等特点。在系统断电或紧急情况下，电磁离合器脱开啮合，座舱可靠自重进行调平。

伺服调平驱动系统为闭环控制系统，系统由伺服电机、减速机、电磁离合器、回转支承、检测及控制系统组成。在摩天轮运转过程中，角度传感器实时检测座舱的倾斜角度，将检测信号传递给控制器，控制伺服电机驱动减速机、电磁离合器、小齿轮转动，实现座舱倾斜角度在控制值范围内。GB/T 18164-2008标准10.1.4.6节[2]规定座舱最大倾斜度不大于2.5°，本座舱倾斜角度控制值设定为1°。

伺服电机及减速机的选取需满足以下条件：

式中：M电机为通过减速机后的伺服电机自锁扭矩；M1为乘客集中在座舱一侧产生的偏载扭矩；M2为座舱倾斜角度为2.5°时，自重对回转中心点的扭矩；M3为风载荷对座舱所形成的扭矩。

3 安全防护措施

回转式座舱的安全防护措施可分为主动预防措施和被动安全防护措施。主动预防措施见表1所示。

表1 回转式座舱主动预防措施

回转式座舱可能出现的故障形式及被动安全防护措施见表2所示[4]。

表2 回转式座舱故障形式及被动安全防护措施

4 有限元分析计算

座舱钢结构材料主要采用Q345B，极限应力470 MPa，根据GB/T8408-2018[1]相关规定安全系数取5，因此许用应力为94 MPa。

模型主要采用shell181和beam188单元，对模型的四个铰耳进行全约束。受力主要包括座舱自重、乘客重量（按20人计算）及风载，计算工作状态和非工作状态下共计9种工况。见图1。

图1 工况一计算结果

本文仅列出工况一的应力和位移云图，其他工况计算结果如表3所示。

表3 各工况计算结果

根据表3的计算结果，可以得到以下结论：

（1）以上所有工况，座舱最大应力均在规定的许用应力范围内；

（2）工作状态下，座舱所处高度对应力和形变影响很小；

（3）非工作状态下，座舱的高度对应力影响较小，对座舱的变形影响较大；

（4）相同高度下，乘客侧向偏置对应力和变形的影响大于乘客正向偏置状态。

5 回转式座舱的创新点、设计要点与应用价值

5.1 创新点

（1）十边形外观，现代动感；

（2）电动伺服调平，平稳准确；

（3）多重安全防护，配合对讲及视频监控系统，全方位保证游客安全；

（4）空调及多媒体系统，使舱内温度适宜，确保乘客心情放松并保持愉悦。

5.2 设计要点

（1）座舱钢结构需满足相关设计标准的要求；

（2）伺服调平系统要确保人员走动或受到外力时座舱无晃动；

（3）游客安全要有多重保护系统，并且均可靠；

（4）针对突发身体不适的游客有安全有效的解决办法，并缓解乘客在座舱升降过程中的紧张情绪。

5.3 应用价值

此种回转式座舱应用于大型摩天轮，其运行平稳，安全可靠。舱内备有空调和多媒体系统，可举行餐饮、酒会、结婚典礼、纪念日等多种形式的活动，使乘客在欣赏一览众山小的高空美景的同时，度过人生中有重要意义的节日，一定是与众不同的精彩体验。

6 结束语

本文主要设计了一种大型摩天轮的回转式座舱，分析了其特点、组成、伺服调平驱动系统及安全防护措施等，有限元分析结果表明强度满足相关设计标准，可应用于实际产品。