超级摩天轮技术发展的解析和启示.doc

超级摩天轮技术发展的解析和启示北京朝阳公园正在筹建世界最高的摩天轮，高度为208米。“摩天轮”（GIANT WHEEL）又名“观览车”，也可以译为“巨人般的轮子”。习惯上把轮径在百米以上的巨型观览车叫做“摩天轮”，它那顶天立地的身躯确实称得上游艺机中的巨人，在游乐园中是最令人瞩目的标志性项目。特别巨大的摩天轮甚至可以成为一个城市的标识，而北京朝阳公园的这座摩天轮可以算是“超级摩天轮”了。它将成为北京市旅游娱乐产业的标志性提升，对于延伸奥运影响意义深远，对于拉动京城旅游、完善朝阳区景观规划和完善朝阳公园功能都是一个重要的亮点。不久以前，我有机会对这个“世界之最”的项目进行了一番剖析和论证。通过这一工作，对于摩天轮和其它大型游艺机的技术发展状况，有了一些新的认识。由此同时，也给予了我们许多有益的启示。摩天轮技术发展概述摩天轮是水平轴、垂直回转类、有多个乘坐轿舱的大型游艺机。主要结构是一个巨大的支架和一个巨大的轮盘。支架撑起一根水平的主轴，轮盘绕主轴缓缓旋转，在巨型轮盘的周边，均匀地悬挂着许多的吊厢，游客乘坐在吊厢之中，随轮盘的转动徐徐上升，视野逐渐开阔，饱览大地美景，俯瞰乐园全貌。举目远眺，城市景色一览无遗，令人心旷神怡。轮盘恒速转动，游客随上随下，极为快速方便。无轮是巨大的摩天轮，或是略小一些的观览车，其基本造型大体相同，但支架、轮辋、轮毂、轮辐和吊厢的设计有多种多样，驱动方式也各种各样，摩天轮的高度和大小也不相等。目前，中国也已经有了超过百米高度的摩天轮。作为游乐园醒目标志的摩天轮十分讲究外观装饰，还特别装有五颜六色的彩灯，由中心向外幅射，流光溢彩，如巨星闪烁，灿烂夺目。观览车是由一个名叫乔治的美国工程师发明的，最早出现在芝加哥的一个游乐园里，作为大型游艺机群中的一个新成员，很快受到游客的青睐。以后逐渐成为游乐园项目中不可或缺的重要游乐设备。观览车的设计和制造不断地发展创新，派生出了许多特色的造型、新奇的功能和越来越高大雄伟的身形。近几年来，追求摩天轮高度的风气日益盛行，100米以上身高的摩天轮已经屡见不鲜。1999年年底英国落成了一座名叫“伦敦眼”的摩天轮，以140米的身高保持了世界之最的纪录。但这一纪录还在不断地被刷新。如美国拉斯维加斯的摩天轮已高达152米；莫斯科市中心麻雀山上的摩天轮高度达到170米；日本东京一座名叫“钻石之花”的摩天轮身高117米；新加坡一个海滨的摩天轮高度已达到170米，可以俯看印尼和马来西亚。我国的台北、香港和内地许多城市也都在争相建造100米以上的摩天轮。近年来，国外摩天轮的设计与制造工艺技术，在以下三个方面有了重大的突破。壮观的英国航空公司伦敦眼(British Airways London Eye)是为了迎接千禧年而建造的，这个122米直径的世界上最大的观光轮是伦敦第四高建筑物。夜间的伦敦眼更有一种梦幻气质，把泰晤士河映衬得更加美丽。 （1）大转轮的钢索轮辐结构技术采用钢索轮辐结构使大转轮的重量大大减轻，这项技术的成功和成熟，为建造超大型摩天轮创造了条件。试想转盘直径在200米以上的超大型摩天轮上，桁架式的轮辋圈就有400多吨，甚至达到1000吨，如果仍然使用支撑钢梁作为轮辐的话，轮盘的重量就更要成倍的增加，这对于支架承载、基础要求，以及摩天轮的安装运行都会带来一系列很难解决的问题。因此，超大直径转盘的巨型摩天轮必须摒弃钢支撑结构的轮辐，采用钢索固定结构。然而，钢索轮辐安装、调整比较困难，要保证巨大轮盘在运转中的平稳、无抖动、无晃摆，首先应保证轮盘的均衡性，大轮盘的不圆度和不平面度（或翘曲度）都会造成运动的不稳定性。从理论上讲钢索轮辐在安装时，可以从经向和侧向两个方面调整轮辋，把轮盘调整到尽可能精确的程度，而刚性轮辐的钢支撑就无法进行这种安装调整工序。但这种调整是在30，000多平方米的轮盘面积上进行的，确实非常困难，而且比较繁琐，比自行车调整轮圈的“纳龙”要复杂千万倍。钢索轮辐在较大的风压下，常常会容易发生轮辋的球面变形，有一定频率的节点振动。一般要求轮盘边缘的极限变形量（也就是晃动量）为0.10%，但目前国外的钢索轮辐转盘已都能控制到0.05%以下，游客的晃动不稳定感消除了。尤其是当“吊舱”进行到顶端减速区时，一般的观览车都会产生晃动现象，但现在即使在大型摩天轮上也都能得到解决了。（2）内置自稳定系统的全景观光密封舱技术包括摩天轮在内的所有观览车，游客乘坐的轿舱，毫无例外地使用的都是挂在轮盘边缘的吊厢（或吊舱），大转盘运动中的吊厢靠自重随时保持其水平位置。这种悬吊着的乘坐装置增加了乘员的晃动感，特别在风力影响下，不稳定性更加明显。吊厢（或吊舱）的乘员数量一般也只能在4-10人范围内，无法大幅度地增加额定乘员的数量。吊厢式的观光舱在运动到顶端时，它不可能持续保持在大转盘的边缘外面，而是悬挂到了轮缘的内侧，自然会影响观光者远眺的视野。吊厢式座舱结构比较简单，但由于上述弊病的存在限制了摩天轮技术的发展。现在，出现了具有内置自稳定系统的全景观光密封舱后，轿舱始终固定在轮辋外侧随轮盘转动，依靠自身内置的伺服电机随机调整系统达到自稳定的效果，使舱体时刻保持水平位置，误差不超过1.5度。从此，悬挂的吊舱变成了位置固定而通过自我调整达到稳定的新颖密封舱，大大提高了摩天轮的稳定性。而且，这种密封舱容量大，可以载客25-40人/舱，一台巨型摩天轮，完全有可能达到同时承载800-2000人的能力。采用这种密封舱可以360度全景观光，有空调冷暧通风设备，有安全监控、消防报警和各种保护装置，有闭路电视、播音和照明系统，为游客提供了安全可靠、舒适享受的游乐观光环境。这种密封舱的问世，成为摩天轮设计制造突破性进展的一个重要标志。（3）现场拼接、调整、吊装和固定等成套安装系统工程技术摩天轮庞大的身躯，不可能整机出厂，整机安装，必须分部件制 作，甚至有的部件还必须拆成几段，进行分段制作，例如大转轮的桁架轮辋，就可以拆成若干个弧段分别制作，然后分部件、分段运输到现场，进行最后的拼装。拼装过程只能在转轮平放的状态下进行，要在4-5个足球场那么大的范围内，建一个临时的基础平台，完成组装、调整。最后采用翻转的起吊方式，把摩天轮竖立到确定的位置上。完成包括基础在内的现场安装系统工程，需要解决许多技术上的难点。随着一个个巨大的摩天轮的建立，现在摩天轮的现场拼接、调整、吊装、固定等整套技术已趋于成熟。因此，今后建造超大型的摩天轮已经不会再被安装的难点所困扰了。由于有了这些重大的技术突破，和其他相关技术的进一步完善，摩天轮制造技术在国外已经具有了很高的水平，现在世界上已有许多国家都能制造摩天轮，一些有名的游艺机公司，如美国的CHANCE INTERNATIONAL；意大利的MELARA，瑞士的INTAMIN和WESTECH，还有英国的GREAT WHEEL等公司，在制造摩天轮方面，都有比较丰富的经验和成熟的技术。这类公司中的大多数是大型游艺机制造公司，摩天轮只是众多游艺机产品中的一种。而英国的GREAT WHEELC（伦敦大飞轮公司）是一家专业的摩天轮制造公司。他们的成功之作，就是叫做“伦敦眼”的摩天轮，已经享誉世界。随着我国经济的持续发展和休闲娱乐业的快速兴起，大型游乐园在全国各地不断涌现。国内的游戏机制造商们从引进到仿制、从仿制到开始自行设计制造，游戏机的品种、数量、技术水平和产品质量都有了较大的提高和进步。基本上能满足国内一般游乐园的配套需要。北京、上海、武汉、广州、沈阳、西安、等城市，以及浙江的一些地区都有制造游乐园大型设备的公司。其中也不乏有制造观览车的公司，但其观览车的高度多在20米至60米，属于中小型观览车，而不是真正意义上的百米高摩天轮。几乎都是钢支撑的转轮轮辐，悬挂式的吊厢，双支承的支架。概括地说，国内大多数观览车制造商还处于仿制国外产品的阶段，尚不具备制造特别高大的摩天轮的条件。不过，上海游戏机工程有限公司引进了日本著名的摩天轮制造公司冈本制作所的技术，完成了上海锦江乐园的摩天轮“上海大转盘”的设计和制造，首先为我国的摩天轮制造突破了百米高度的大关（108米），成为全国第一。上海大转盘的成功显示了我国的游艺机制造水平，并为巨型摩天轮的制造积累了宝贵的经验。从2002年5月建成后，开始运行的情况来看，“上海大转盘”的性能、质量、安全可靠性等方面都是比较好的。它的技术特点是：直径98米的大转盘采用7个支撑梁加上钢索作为轮辐的复合式轮辐结构；采用多设吊舱（63个）的方法，提高额定乘员数量，达到同时可以乘坐378人的巨型规模；采用多个电机驱动的方案。动力性能良好，运行全过程感觉平稳，无明显晃动，抗风能力强。尤其是现场拼接、吊装、调试技术，展现了我国工程技术人员的创造能力和现场经验，为设计制造超大型级摩天轮做好了必要的技术准备。下面举三种摩天轮规格的技术参数，作为实例供参考。名称上海大转盘伦敦眼钻石与花地点上海锦江乐园伦敦泰晤士河畔日本东京葛西临海公园建成日期2002年5月1日1999年底2001年3月17日总高108米140米117米转轮直径98米135米111米最大线速度17米/分17米/分20.5米/分运转时间18分/转25分/转17分/转轿厢数63个32个68个额定乘员378人800人408人结构特点1.钢梁支撑和钢索结合的复合轮辐2.两侧支承架悬吊式吊舱，6人/舱1.钢索轮辐2.A框架支承悬臂悬挂转盘3.内置自稳定系统全景密封舱，25人/舱1.钢梁支撑轮辐2.两侧支承架3.悬吊式吊舱，6人/舱伦敦眼上海大转盘 钻石与花北京超级摩天轮技术的解析将要建在北京朝阳公园的摩天轮是当今世界第一高度的超级摩天轮。主要结构由飞轮、轴与支架、轿舱、游客登载平台、驱动系统和控制系统等六大部分组成。飞轮是摩天轮的主要部件。通过飞轮的缓缓旋转把飞轮下端登载平台上的游客带到208米高的顶端。朝阳公园的摩天轮设计了1920人的承载能力，对于这样一个承受巨大静载荷和动载荷的运动盘体，无论在结构刚性，工艺精度和动态稳定性等方面，都必须达到很高的技术要求。飞轮的轮辋是由桁架结构组成，外圈直径185米，轮宽9米，由两个用0.4-0.5米直径圆形钢管弯成的平行的圆环组成，内圈直径170米，位居两个外环的中间位置，也是用圆形管弯成。三个圆环形成了经向截面中的三角位置。轮辋尺寸巨大，制造分成多个弧段进行预制加工，最后在安装现场完成拼接。飞轮的轮辐全部采用了钢缆辐条，使整个飞轮的重量减轻很多。钢缆的直径为120毫米，将轮辋连接到轮毂上去。整个飞轮共有96根钢索，通过钢索在安装调整时施加的预应力，保持飞轮的刚性和稳定性。轮毂是飞轮的中心，通过轴承把全部飞轮的重载施加在主轴上，大飞轮的轮毂长度为29米，外径4米。轴承安放在轮毂的内孔两端，采用特制的重型特宽轴承，轴承装置有润滑系统的自动状态控制，随时得到监控，并有防水、防尘装置。主轴由两侧A形支架固定，离地高为115米。支架和主轴共同组成了飞轮承载的主体。4根支柱采用了外径为 3.2米，壁厚为50毫米的大型钢管。支架的一侧还有一根作为辅助的支柱， 采用外径为3米，壁厚40毫米的大型钢管。这5根支柱组成了飞轮支架的主体。此外，在地面还有一组交叉支架和支柱一起架起了弯曲平台，担负着登机人流的重载。朝阳公园摩天轮的轿舱采用固定式的内置自稳定系统的密封舱，是三维椭圆形的结构,共有48个，均匀分布在飞轮轮辋580多米的周边上。轿舱和轮辋的连接靠一对间隔5米的安装环，安装环直接刚性连接到轮辋的支臂上。密封舱式的轿舱为游客提供360度全景视界，对城市地平线的无障碍和无阻隔视野。密封舱由框架结构的椭圆形（更确切地说是“蛋形”）船舱、自稳定系统、消防系统、空调系统、通信系统和自控系统等组成,密封舱两侧有自动开启的舱门,为平台上的乘客上下轿舱提供了方便。这种轿舱特有的优势是巨大的客容量，曲面玻璃的全景外舱，精确的内置自稳定系统保证乘客平稳站立，以及通风空调、闭路电视、等离子液晶显示器、照明自控门、扶手、火灾控测和报警等完善的安全和服务设施。轿舱的稳定系统确保游客乘坐在舱内保持稳定。在飞轮每转一转期间，该系统保持每一个舱室的地板始终在一个水平面上，不管乘客是否活动，地板水平倾斜限制在1.5度。内置自稳定性非常重要，关系到游客乘坐摩天轮的安全性和舒适性。因此，密封舱内有两台伺服电动机，一台作为备用。对轿舱的稳定性还有一套监视系统，自诊断系统和动力失去后的重力稳定系统，还有一套应急处理系统，以确保轿舱内乘客的安全。密封舱设有采暖通风空调系统。保证冬天室外-15时，舱室温度16，相对湿度40%（最大），夏天室外温度35时，舱室温度24，相对湿度50%（最大）。舱室的室外供风量保证8升/秒/人。密封舱的空调系统保证了舱室四季全天候的舒适性。制造轿舱的材料都选用了不燃或阻燃的材料。而且把地板下的空隙用隔板与乘客区隔开，通风管设自动防火门，出入窗有防火密封剂防火。此外，在舱室内还设计和安装了一个人工的火警系统。两个烟探头，一个设在吊顶中心位置，还有一个设在密封舱地板下的隔火室内。火警系统用无线电遥测监控，在密封舱探到烟火，可自动打开舱顶窗，并自动隔断冷暖系统。密封舱还有专门的防雷击的设计。轿舱设有通信系统，这是中央控制信息传递，游客服务和安全保障的需要。密封舱内还安装了一个广播和联通系统，它可以借助无线电通信链建立控制室和每个舱室间的工作联系。通过广播对乘客安全出舱做出指示，对乘客的旅行提供解说和音乐服务。密封舱的电视安全系统24小时监控舱室情况，确保运行安全，视频信息传递是通过设置在舱室的多个广角监视器执行的。整个通信系统担负着飞轮运行的重要安全保证。密封舱还有三个自控系统：一是包括空调、照明、通信和内置自稳定的自动控制系统；二是包括对运行设备、零件的监督和对运行舱室自诊断的自动控制系统；三是包括自动报警、自动探测和事件触发时自动动作的自动控制系统。朝阳公园摩天轮上轿舱的线速度较快,所以,在游客上下轿舱的平台上设有步行电梯,以保证电梯和轿舱同步。运转中的轿舱始终在作圆运动。因此，摩天轮的登载平台大都是曲面形的。但一般都把平台从地面做起，和摩天轮支架本身不在一体上。然而，北京大飞轮是和支架联接在一起的曲面板形平台。密封舱在进入登载平台时，舱门自动打开，乘客在轿舱经过平台时完成上下，并关闭轿舱门。所以平台是人机交互的重要地点。平台顶部有玻璃顶棚，登载平台有电梯直通到大飞轮底下的地面大厅，游客可以从大厅直接登上平台，既安全又方便。刚性连接在轮盘两侧A形框架支柱上的限制塔是保证大飞轮运转的重要部件，执行着飞轮的驱动、导向和制动功能。有4块很大的U形槽钢板组成，尺寸约为1564米。两两相对应地置于轮辋最外圈的两侧。限制塔U形钢板的槽形内设置了数量对应的两排大轮胎。驱动功率通过轮胎和飞轮轮辋的摩擦传动带动飞轮缓缓转动。通过导向轮，限制飞轮旋转时的偏摆和晃动。同时，当飞轮制动时，传递制动力矩，使飞轮减速或停止。因此，限制塔承受着巨大的动载荷、静载荷、风载和制动载荷等重载影响。驱动系统由电源通过大功率电动机带动液压泵，经过双向液压管的进给，把动力传递给驱动机构，机构靠作为驱动轮的轮胎，用摩擦传动推动大飞轮缓缓转动，每个驱动轮胎后面都有一对双向液压传递动力。北京摩天轮驱动的特点是多个轮胎多点推动，驱动力量大而稳定。在游客上下时，飞轮不停地连续转动，只有在紧急情况下，或运行日终止时，或为了适应运行需要才停止；安全客运能力强，满载乘客达1920人/循环，恒速转动，平稳乘坐，为了应急疏散，驱动设备中有备用发动机作为辅助动力，能以0.15米/秒的速度驱动。辅助电源能维持至少4小时的驱动运行。制动方式有两种：一种是正常的运行停止制动，是在驱动力脱开后，运动慢慢地自然减速停转，在到达停止位置时实施制动，弹簧压紧惰轮，把制动力传给飞轮的轮辋两侧，使轮盘停止；第二种是驱动力停止后立即实施紧急制动，迫使轮盘较快的停止。在全偏心负载状态的恶劣情况下，飞轮运行速度达到0.54米/秒时，实施紧急制动的制动距离应在12.5米以内停止。满负荷条件下的急停，停止距离更应小于12.5米。飞轮不能减速过快，不能超过了密封舱内游客的安全要求。北京摩天轮还设有动力失效情况下，启用手动模式的控制系统，自动地、可靠地锁定或打开飞轮，这是一个确保乘客安全的保险模式。综合上述分析，我认为朝阳公园的超级摩天轮具有以下明显的技术特点：1.“游艺机之王”朝阳公园的超级摩天轮无论在高度、重量和同时载客能力方面都是目前摩天轮中雄踞首位的。208米的高度，4700吨的重量，1920人的同时载客能力，这在目前所有的游艺机家族中，也是没有一个可以和它相比的。这座运动中的“摩天大楼”完全可以被誉为“游艺机之王”。2.科学的计算程序和完美的数学模型超级摩天轮有很大的静载荷和动载荷，在露地运行还要考虑强劲的风压带来的冲击载荷。在设计计算书中，无论是支架、轮辋、钢索、辐条、轮轴、轮毂及地基，在不同节点都一一作了详细的力学分析，有一套科学完整的计算程序，并且构建了数学模型。在容易产生受力变形和发生晃动的轮辋各节点，还详细地作了频率计算分析。这一切，对于超级摩天轮如此巨大的运动物体是必需的，只有严格计算才能保证万无一失。3.十分注意体现人性化的设计在超级摩天轮的设计中，充分体现了“以人为本”，为游客着想的人性化设计原则，对于每一个细节都要保证游客安全、便捷、舒适、享受。如安全登机平台自动开启舱门，消除减速区的晃动，传动系统设置备用动力，人员保护应急预案和应急疏散系统，360度全景观光，25英里视距，轿舱的空调冷暖通风，密封舱照明、播音和闭路电视系统，可靠的内置自稳定系统，安全监视系统和火灾报警系统等等，把游客登机后可能发生的一切情况和各种需要都予以考虑到了，应该说超级摩天轮的人性化设计使乘载摩天轮变成了一次最温馨的空中观光旅行。4.严格的工艺规程和质量标准摩天轮的加工制造，规定了所有零部件的严格的工艺规程，所用的材料、工具、加工工艺，检验方法等都按规程的要求分步实施，严格工艺纪律，遵守操作规程是摩天轮质量得以保证的关键。工艺规程中明确制订了符合国家钢结构规范要求的公差标准、有关钢结构的材料质量标准、焊接质量标准、防护处理的质量标准、轴承的技术规范以及装配、检测的技术标准。正是这一系列完整的“规范”、“规程”和“标准”，形成了摩天轮加工制造中质量保证体系的基础。5.充分的安全保障措施安全是摩天轮设计和制造中最主要的考虑因素。超级摩天轮的设计中提出了一系列安全保障措施，充分显示了安全设计的可靠性和严密性。如在传动系统设计中考虑了充分的备用能力，结构设计中考虑了足够的安全系数，在事故预防中准备了仔细的应急预案。此外，大飞轮公司还准备了一套“故障”模式及效果分析，其中演示了发生部件故障时，平台上的人员及舱内人员得到确切安全保护，而且保证结构不会倒塌。密封舱有一套故障防治系统，安全监视系统、报警系统及火警报警模式，人员快速撤离的安全疏散模式，可以自动识别摩天轮的顺时针、逆时针转动的最短路径，使密封舱尽快返回访问平台的高度等等。科学的事故预防措施和应急处置措施，能够有效地保证摩天轮运行的安全性。6.庞大的拼装现场和复杂的装配程序超级摩天轮要在现场进行拼接、调整、起吊、安装等施工程序,现场占地约40,000平方米,仅轮盘的安装就需要30,000平方米的圆形面积，事前还必须先做好临时基础，要有多台起重吊装设备和液压顶升设备，完成翻转竖立，一次就位，不可能在竖起后再进行任何的移动。摩天轮巨大的身躯坐落在预先准好的基础上，这里的地面建筑有地下两层，地上三层，三层的顶面和登载平台相接。地面建筑用于配套的娱乐、服务、机房和管理。从准备临时基础、轮辋拼接，轮辐调整、支架、轮盘结构的整体起吊到完成全部安装的装配工艺步骤是正确有序的，科学地组织好这样庞杂的系统工程，可以作为超级摩天轮装配工艺的范例。我相信：朝阳公园摩天轮的建成将会有力地推动我国游艺机技术的发展。超级摩天轮给我们的几点启示（一）从英国“伦敦眼”的成功和上海锦江乐园百米高摩天轮的成功，以及当今世界各地追赶摩天轮高度成风的情况看，游乐行业都想争创“世界之最”，极力制造轰动效应以提升项目的感召力。朝阳公园208米高的超级摩天轮不但能够成为世界最高、技术最先进的摩天轮，而且抢占了2008年北京奥运会的最好时机，它的成功应该是毫无疑义的。事实又一次告诉我们，轰动效应对于游乐园是至关重要的。要学会把握人们的娱乐心理，不断努力出新、出奇，营造出一定范围的轰动效应来。“世界之最”能够产生轰动，“世界之奇”也能造成轰动；“大得吓人”足以引起轰动，“小巧玲珑”而“妙趣横生”也会出现轰动。轰动世界、轰动全国的项目固然极好，但能够轰动一省一地也会形成客源市场的诱惑力。现在旅游业的发展势头很快，休闲娱乐的需求很大。但是，那种平淡、重复、粗糙、乏味的东西也实在太多了。这不能不说是一个遗憾。（二）超级摩天轮为我