КОМПАС 3D: Как спроектировать и построить колесо обозрения

Из первых уст — об инженерных ноу-хау, любимых аттракционах и высокой ответственности перед маленькими и взрослыми гостями парков развлечений.

Задумывались ли вы когда-нибудь, сколько весит колесо обозрения? А сколько времени требуется, чтобы спроектировать, построить и установить такой аттракцион? Наконец, как долго прослужит колесо при должном обращении? Эти и другие вопросы мы задали директору и главному конструктору компании «Русские аттракционные системы» Александру Лущикову. На счету компании 15 колес обозрения по всей стране: от побережья Черного моря до Иркутска. Компания также производит цепочные карусели, автодромы, детские аттракционы. В начале лета в Красноярске заработало новое колесо обозрения, все работы по его проектированию Александр выполнил в КОМПАС-3D. А партнеры из НТЦ «АПМ» обеспечили расчеты.

Подготовка работ

Прежде чем приступить к работе над колесом, мы выезжаем на местность с квадрокоптером и поднимаем его на все уровни будущего аттракциона. Потом рекомендуем заказчику тот диапазон высот, который был бы оптимален. Чем выше колесо, тем оно дороже. И часто строить высокое не имеет смысла: после 30 метров вид не меняется. Но такое колесо в итоге не окупится и через 20 лет. Если уж хочется, то заказчику выгоднее будет поставить два колеса одинаковой высоты.

Мы строим аттракционы для разных сейсмических и ветровых зон, каждое проектируем с запасом прочности. Например, сейчас разрабатываем колеса для Кавказа и Дальнего Востока. Оба региона сейсмоопасные, это четвертая ветровая зона. Нет смысла проектировать аттракцион с низким запасом прочности. Но в то же время наша конструкция может быть установлена в любом регионе. Просто, например, для Красноярска оно будет еще прочнее. Поэтому новые колеса не приходится проектировать с нуля.

Ветровая нагрузка — это длительное воздействие ветра на конструкции, определяется максимальной скоростью ветра за выбранный период времени. Всего ветровых районов в России насчитывается восемь.

Заранее я определяю форму конструкций. В зависимости от высоты колеса меняются лишь пропорции, но геометрически модель остается прежней. Те же углы, тот же набор узлов. При этом я могу до сантиметра рассчитать размер площадки. Передаю эти цифры заказчику, и если его все устраивает, то начинаю проектировать колесо обозрения.

Рождение модели

Работа над моделью начинается с эскиза. Мой любимый инструмент в КОМПАС-3D – это «фрагмент». В одном фрагменте я рисую сотни вариантов узлов, так что у меня это бесконечный лист. Там же я отмечаю направляющие временными линиями, которые делят работу на этапы, и начинаю проектирование сверху-вниз. В первую очередь отрисовываю общий вид, затем прорабатываю узлы.

Использую только КОМПАС, сейчас в v18.1. Знаю, что некоторые применяют одновременно две системы проектирования: с одного монитора работают над 3D-моделью в зарубежной программе, на другом открыт КОМПАС для оформления чертежей. Но на мой взгляд, это напротив совсем неудобно. Пользуюсь приложениями для КОМПАС, у нас установлен полный комплект для машиностроения.

Я учился работать в КОМПАСе самостоятельно, еще в одной из первых трехмерных версий, тогда даже не было никаких видеоуроков. И сейчас для меня он остается наиболее понятной системой, с которой я быстро решаю свои конструкторские задачи.

Работаю сначала в 2D, не люблю отрисовывать сразу в трехмерном виде, так как потом может быть проблематично исправить некоторые ошибки. Поэтому первым делом создаю во «фрагменте» двухмерную сборку, а потом из него беру эскизы для 3D-модели.

Меньше всего в проектировании мне нравится этап оформления чертежей по ЕСКД, гораздо проще подготовить модель. Сейчас такой работой занимается второй конструктор. Предварительно я даю ему пояснения по сварным швам или, например, по болтам, которые необходимо будет установить.

В среднем на создание проекта колеса уходит около месяца. У меня был опыт и двухнедельной работы над 3D-моделью, но больше его повторять не хочется: я тогда просто не спал.

Расчеты: от ветровых нагрузок до обледенения

Расчетные работы мы передаем нашим партнерам из НТЦ «АПМ». Используя продукт APM FEM, я могу проверить только какой-либо конечный элемент, рассчитать узел или болтовое соединение, но полностью колесо нужно рассчитывать в динамике. Поэтому мы передаем модель в формате КОМПАС-3D, и уже в НТЦ «АПМ» ее переносят в расчетную программу на суперкомпьютере. Там проверяются и сейсмика, и ветровые нагрузки, и обледенение — все одновременно. Плюс накладывается нагрузка от пассажиров. Все это учитывается в комплексе, и по каждому аттракциону составляется отчет на 500 страниц, который называется «Проверочный расчет несущей конструкции и обоснование безопасности». Работы над таким отчетом занимают еще около месяца.

Работа конструктором начиналась как хобби. Дело в том, что я за кульманом с шести лет: мама работала конструктором на заводе и часто брала меня с собой. До сих пор иногда пользуюсь кульманом, например для оформления скетчей. Когда требуется красивая визуализация сложных объектов, сначала я оформляю ее на бумаге, представляю, как изделие будет выглядеть в объеме, а затем в САПР вставляю сканированный скетч и продолжаю работать с ним в цифровом формате.

‍Производство и сборка

Самый продолжительный процесс в работе над колесом обозрения — это производство, оно занимает до девяти месяцев, даже несмотря на то, что аттракцион по большей части состоит из повторяющихся элементов.
Качество работ постоянно инспектируется, от этого никто не увиливает по понятным причинам. Электрику проверяют приглашенные специалисты. После сварки мы передаем металлоконструкции на проверку сварных швов в лабораторию или применяем неразрушающий контроль.
Еще около трех месяцев уходит на монтаж, включая перевозку колеса к месту установки. Доставка обычно организована параллельно с монтажом: последнее колесо привозили по очереди на площадку 24 фуры.

Историческая справка‍

Одно из первых колес обозрения в современном понимании было представлено на Всемирной выставке в Чикаго в 1893 году. Автором проекта стал инженер Джордж Вашингтон Гейл Феррис-младший (с тех пор колеса обозрения в англоязычном мире называются ferris wheels, колесами Ферриса), а сам аттракцион задумывался как ответ французской Эйфелевой башне. Колесо имело диаметр 75 метров, весило 2 тыс. тонн и могло одновременно принять в 36 кабинках размером с автобус 2160 пассажиров. До наших дней первое ferris wheel, к сожалению, не дошло.

Если вам интересны и другие колеса обозрения с историей, то в московском Измайловском парке вас ждет аттракцион, которому в этому году исполнилось 64 года. «Колесо обозрения-40» появилось здесь в 1957 году по личному распоряжению Н. С. Хрущева. Из его 40 открытых кабинок открывается вид на безграничный парк. Сегодня это колесо — старейшее из установленных в столице.

Монтаж выглядит следующим образом. Сначала в горизонтальный уровень устанавливаются основания и опоры, затем фиксируется центральный вал — самая тяжелая часть аттракциона. Одну за другой к нему начинают крепить спицы и проворачивают колесо. Один кран держит спицы так, чтобы центральный вал стоял неподвижно, другой подает спицу, ее устанавливают, монтируют перемычки и переходят к установке следующей. Так постепенно «собирают» круг. Получается, что один кран держит колесо, с другого идет работа над спицами. В сборке колеса в среднем задействованы пять человек.

Как правило, колеса обозрения устанавливает отдельная компания. Собственной монтажной бригады у нас нет: мы производим 2-3 колеса в год, иногда их монтаж пересекается по срокам, поэтому иметь собственную монтажную команду нам нецелесообразно. Но за установкой всегда следит один представитель от завода, обеспечивая шеф-монтаж, а также помогают заказчики.

КРАСНОЯРСКОЕ КОЛЕСО ОБОЗРЕНИЯ В ЦИФРАХ

Высота: 50 м

Вес: 160 т

Кабинки: 24 шт., включая 2 vip-кабинки и одну для маломобильных посетителей

Вместимость кабинок : 6 человек и 4 в vip-кабинках

Время одного оборота: 11 минут

Чем примечательно красноярское колесо обозрения

Самая любопытная часть в красноярском колесе — его опоры. Подобные, такой сложной конфигурации, как у нас, никто не делал. Обычно их основания расположены по периметру прямоугольника, жестко связаны между собой и не имеют возможности двигаться относительно друг друга. Наши опоры в этом колесе практически не связаны, их перемычка находится очень высоко. Кроме того, они геометрически составляют другую фигуру, проходят по касательной к радиусу. Опоры рассчитаны и установлены так, чтобы точка переворота была одинаково отделена от центра, куда бы ни дул ветер. Для ветровой устойчивости это самая оптимальная конструкция.

На создание таких опор нас вдохновила швейцарская компания, которой при строительстве горной канатной дороги потребовалось оборудование для доставки материалов на высоту. Тогда была сооружена временная канатная дорога с подобными быстровозводимыми, но устойчивыми опорами.

Наши колеса легче многих других на 30-40%. Мне, как конструктору, принять это было поначалу тяжело. Любой инженер будет закладывать больший запас прочности, никогда он не станет умышленно разрабатывать слабую конструкцию. Сразу думаешь: «Там же люди, я буду за них отвечать». И в то же время, чем больше запас прочности, тем тяжелее колесо. Мы от этого ушли как раз благодаря грамотным расчетам и оптимизации. Но честно говоря, не всегда бывает просто согласиться с расчетчиками, которые предлагают сократить толщину металла на 40% или топологически оптимизировать тот или иной узел. Тем не менее в результате при неизменной прочности колеса становятся легче, а значит, и дешевле для заказчиков.

Другая особенность заключается в том, что здесь специально усиливали склон перед установкой колеса, чтобы грунт не проседал. Были вбиты буронабивные сваи, на которые устанавливали бетонные блоки весом 22 тонны. Эти блоки не плоские, как под колесом в Иркутске, а напротив высокие. В итоге получается, что красноярское колесо на метр больше своей номинальной высоты. К тому же, оно установлено в самом высоком месте города.

Приводы у колеса сжимаются пружинами, хотя больше распространены пневмоподушки. Правда, с последними есть опасность, что подушка может лопнуть и тогда аттракцион станет неконтролируемым. Поэтому мы отказались от такого инженерного решения.

Из 24 кабинок одна рассчитана на маломобильных граждан и еще две — это vip-кабинки. Их, например, бронируют для проведения переговоров и сразу на несколько кругов. Время брони может доходить и до четырех часов. Кроме стандартной вентиляции, здесь предусмотрена система климат-контроля (пульт для нее тоже был спроектирован в КОМПАС-3D) и подогрев сидений в холодное время года.

Во всех кабинках установлены дверцы с разработанным нами механизмом открытия и закрытия. Они синхронизированы: одна дверь тянет за собой другую. Вроде бы механизм несложный, но, насколько я знаю, такого на колесах других производителей нет.

Как бы разные колеса обозрения ни были друг на друга похожи, полностью одинаковых не бывает. Практически все они отличаются друг от друга, даже если мы работаем над двумя колесами одновременно. Красноярское колесо похоже на иркутское, но на самом деле около 80% конструкций было переработано. Этому есть несколько причин. Во-первых, со временем изменяются стандарты. Во-вторых, обслуживая другие колеса и замечая трудности с сервисом некоторых элементов или узлов, мы затем вносим изменения в последующие конструкции.

Техническое обслуживание колес обозрения

Создание и эксплуатация колеса обозрения — это прежде всего вопрос безопасности его посетителей. И его обслуживание подчинено строгому расписанию.

«Рабочий день» колеса начинается с осмотра. Оно прокручивается, а технические специалисты в это время проверяют, как качаются кабинки, буквально на слух определяют, не издают ли подшипники лишних звуков и нет ли лишнего биения и вибрации. Первый круг за день — всегда без пассажиров. После экспресс-осмотра в журнал заносится запись о том, что колесо готово к работе.

Еженедельно осмотр колеса расширяется до уже более углубленного техобслуживания (ТО). На центральный вал поднимается механик и «слушает» колесо со стетоскопом. Стетоскоп у него почти такой же, как у врачей, но у нашего на конце трубочка для шумоподавления лишних звуков с улицы. Так как вся конструкция колеса едина, то, прислонив ухо к центральному валу, инженер услышит и идентифицирует все его звуки. Опытному механику не требуется слушать каждый узел по отдельности. Во время еженедельного ТО также смазываются определенные узлы и контролируется количество смазки в редукторах.

Следующий этап — ежемесячное ТО, когда более пристально проверяются болтовые соединения. После первоначальной покраски становится видно, было ли раскручивание или нет. Так что краска имеет не только декоративную, но и маркировочную функцию.

На ежеквартальном техосмотре исследуется уже больший процент болтовых соединений. Колесо запускается не на один тестовый круг, а на пять, а некоторые кабинки дополнительно загружаются. Параллельно инспектируется вся электрика. На этом ТО работают обычно три человека: механик, электрик и администратор, который следит за тем, чтобы в кабинках было чисто, не было царапин и других повреждений.

Самое масштабное — это ежегодное ТО. В каждую кабинку загружается 450 кг песка и под нагрузкой проверяется работа колеса. Мы резко его останавливаем, снова запускаем. Моделируется ситуация перегрузки, когда одна сторона кабинки загружена, а другая нет. Проверяются все узлы и приводы, подтягиваются болтовые соединения.

Законом или стандартами срок службы колеса обозрения никак не ограничен. Если следить за ним, вовремя проводить техобслуживание и ремонт, оно прослужит как можно дольше. Но обычно в паспорте отражается срок от 12 до 15 лет. На состояние аттракциона влияют не только условия эксплуатации, но и внешняя среда, та же ветровая нагрузка. К примеру, в Сочи это период может быть сокращен до 12 лет, а у нас в Красноярске наоборот продлен. Но в любом случае по истечении этого времени колесу потребуется капитальный ремонт, необходимо будет просвечивать металл — основную конструкцию и все несущие узлы, чтобы выявить, насколько коррозия повлияла на колесо. Сейчас у нас в стране есть аттракционы, которые работают бесперебойно по 35-40 лет и даже дольше. Но это только потому, что за ними постоянно следят, не допускают глубокой коррозии, своевременно подкрашивают, меняют смазку и пр.

БЛИЦ-ОПРОС

Создание аттракционов для вас — это работа мечты?

Мне всегда нравилась конструкторская работа. Я уверен, что конструктором может быть только человек, который искренне любит свое дело, другие в профессии не задерживаются. Но, когда мне предложили взяться за проектирование колеса обозрения, первой реакцией был категорический отказ. «Это люди, ответственность! Если сделаю что-то неправильно, буду потом отвечать». И долго себя убеждал, что могу взяться за эту работу. А после запуска первого колеса в Новосибирске еще неделю не мог спокойно спать, переживал. Но это было уже 10 лет назад, сейчас такого страха нет. Остается только моя, парадоксальная для конструктора колес обозрения, боязнь высоты.

‍Ваше любимое колесо, из тех, над которыми работали?

‍Это колесо обозрения в Иркутске, тоже 50-метровое, как в Красноярске. Я считаю его самым красивым. Оно было первым колесом в новой конструкции и получило от коллег по отрасли много положительных отзывов.‍

Устройство какого колеса вам бы хотелось изучить с инженерной точки зрения?

‍«Лондонский глаз», London Eye. Сегодня это не самое высокое колесо, но, на мой взгляд, технически оно выполнено очень интересно. У него всего две опоры, и они установлены с одной стороны, а вся конструкция, по большому счету, удерживается с помощью натянутых тросов. Кабины синхронизированы с колесом и тоже вращаются.

Это колесо проектировали архитекторы, они подошли к конструкции с точки зрения своего профессионального опыта, и она получилась удачной.