摩天轮液压驱动系统中实现平滑刹车功能的探索

毛洪艳，孙红霞

(1.沈阳交通工程学校，辽宁沈阳 110026;2.铁岭师范高等专科学校，辽宁铁岭 112001)

在通常情况下，在公园开园期间，当摩天轮运行后，即便有乘客频繁地登机、离机，中途也很少停车，除非遇到紧急情况，才会中途停车。

国内某些正在运行的摩天轮，经过一段时间的运行后发现，当摩天轮上有乘客，并偶遇突发事件需要中途停车时，因为停车动作很突然、不平滑、不顺畅，造成两个比较严重的问题:(1)乘客感觉不舒适，因为吊舱在停车动作开始的20 s左右会像钟摆一样较大幅度地前后摇摆，给乘客心理造成较为严重的恐慌;(2)液压管路会产生振动性的噪声，液压马达和驱动轮胎之间的驱动轴有损坏现象，大大缩短了该驱动轴的使用寿命，并会因此产生其他更为严重的危险，如断轴以后出现飞车事故;这个问题可以归结为“刹车抱死”问题。

另外，每当夜间停车遇6级以上大风时，第二天早上发现，摩天轮会被动转动50°～90°，平均70°转角，这说明停车后摩天轮的抗风性能不佳。

1 问题分析及解决方法

1.1 问题分析

经分析国内这些摩天轮的液压马达驱动回路(如图1所示)，发现控制液压马达的主换向阀22是一个普通的具有开关特性的O型电液换向阀。

图1 摩天轮液压马达驱动回路液压原理图

原设计意图是想通过电液换向阀的O型机能实现停车及停车时的抗风功能，但是，由于阀芯在中位时的内泄问题，使得这种方式的抗风能力不够理想。

正常运行时，A通路是高压油路，压力在7 MPa左右;B通路是回油油路，因回油节流阀23的作用，正常运行时B通路的压力在3.5～4 MPa之间，这也是马达30正常运转时的背压;顺序阀25和电磁阀26构成刹车油路，顺序阀25的开启压力设定为12 MPa;当执行停车动作时，主换向阀22关闭，电磁换向阀26打开;停车瞬间使得正常运转的液压马达的来油和回油油路突然被切断，然而因摩天轮由匀速运转状态要在瞬间切换到停车状态，这就造成了吊舱因惯性而前后摇摆;摇摆幅度的大小取决于摩天轮的转速。

另外正是由于摩天轮巨大的惯性，在停车瞬间液压马达30将被迫继续旋转，此瞬间，驱动摩天轮的所有液压马达(通常为8～12个)将由马达变成了液压油泵，使得原本的低压回油B通路瞬间变成高压油路，因电磁阀26已经打开，当油路B的压力增大到顺序阀25的开启压力时，顺序阀25打开，液压油将从B通路流回到A通路;当B通路的压力低于顺序阀25的开启压力时，顺序阀关闭，如此周而复始地打开、关闭、打开、关闭，造成停车初始时液压管路的振动噪声。

现场实测数据:正常运行时，液压马达A油路上的压力为6～7 MPa，B油路上的压力为3.5～4 MPa;中途停车瞬间，液压马达A油路上的压力为0～1 MPa，B油路上的压力为11.5～12 MPa;

如果将顺序阀25的开启压力调低，比如10 MPa，会增加刹车距离。

1.2 解决办法

在图2中，将图1中的普通O型电液换向阀22换成Y型比例电液换向阀22;并在该阀下方叠加一个双联液控单向阀24。

图2 改造后的摩天轮液压马达驱动回路液压原理图

其中叠加式液控单向阀24是用来解决抗风问题的，因为当电液比例换向阀22的阀芯在中位时，液控单向阀24可以完全防止A、B油路内液压油的逆向流动，可以克服换向阀22的阀芯在中位时的内泄问题，从而解决抗风问题。从实际看，新系统装机后，摩天轮在停运状态下，在6～7级的大风天，一个晚上摩天轮自转大约5°～15°，平均转动10°;效果还是非常明显的。

与电液比例换向阀22配套的比例放大板23的斜坡时间选择0～5 s，即最大可延时5 s。这样，在摩天轮正常匀速旋转时，如果中途突然执行停车指令，电液比例换向阀22不是突然关闭油路，而是在初始的5 s内，按比例均匀地逐渐将阀口关闭，这很像轿车刹车系统中的ABS防抱死功能。因为这5 s钟内摩天轮的惯性最大，5 s之后，电液比例换向阀22的阀口完全关闭，此后系统的运行状态同改造前一样，即靠顺序阀来释放剩余的压力。

经过现场实测，改造后，在摩天轮匀转速不变的前提下 (即不改变节流阀25的截流状态)，当中途执行停车动作时，吊舱前后摆动的幅度很小，乘客的感觉比较舒适，大约5 s左右就能自动停下来。

当摩天轮的转速较快时，如果中途执行停车动作，B油路的压力在前5 s内从4 MPa逐渐升至12 MPa，这也是顺序阀27的设定压力，并在12 MPa附近压力表读数不稳定;停车后，压力表的读数逐渐降至4 MPa左右，而且此后压力表的读数在4 MPa附近能维持2 h以上;2 h以后没有记录。

当摩天轮的转速较慢时，B油路的压力在前5 s内从4 MPa逐渐升至10 MPa左右，然后读数变小，并趋于4 MPa，此后压力表的读数基本上没有变化。因为整个过程B油路的压力没有达到12 MPa附近，所以可以判断，当摩天轮的转速较慢时执行停车操作，刹车顺序阀没有工作。

为此，可以将刹车顺序阀的开启压力调低，如10 MPa，可以进一步降低摩天轮在停车时的惯性冲击。

2 试验结果

(1)抗风问题解决的实际效果比较理想:摩天轮被风推动被动旋转的角度由原来的平均70°，降低为平均10°，下降比例a=(70－10)/70=85.7%;

(2)停车瞬间刹车的平滑性改进明显;目测吊舱在改造前，前后摆动的持续时间大约为20 s，改进后，吊舱持续摆动的时间大约5 s，下降比例b=(20－5)/20=75%;

(3)刹车瞬间吊舱前后摆动的幅度在改造后明显降低，乘客只有较轻微的摆动感觉;

(4)因为改进后刹车比较平滑，管路的振动噪声也消失了;

(5)不仅刹车平滑了，而且也实现了平滑启动，消除了以前启动时很突兀的抖动现象。

【1】王春行.液压控制系统［M］.北京:机械工业出版社，2004.

【2】李新德.液压系统故障诊断与维修技术手册［M］.北京:中国电力出版社，2009.

【3】《机械设计手册》编委会.机械设计手册单行本:液压传动与控制［M］.北京:机械工业出版社，2007.