大型活动屋顶联接结构的设计.doc

大型活动屋顶联接结构的设计
朱忠厚[1] 索双富[2]
1 华北科技学院 河北燕郊 065200 2 清华大学精密仪器系 北京海淀 100084

摘要：本文对大型体育场活动屋盖的联接结构进行了分析讨论，提出了5种可行的联接结构，初步建立了结构的选择原则，确定了适应实际需要的，满足经济性要求的结构。

关键词：体育场 活动屋顶 联接结构 选择原则

随着我国经济水平的提高，各个城市将建造一系列的大型体育场馆，以满足大型体育运动、文化活动、产品展览等需求，由于气候变化多样，能够建立屋顶可以开合的大型场馆以消除天气对活动的影响，已经成为国民经济的一个重要需求，并逐步的显现出来。有些城市已经开始筹划并实施这个方面的工程，其中南通市会展中心可开合屋顶场馆的建设就是一个这类典型的项目。
1 屋盖开闭方式的基本原理
1.1开闭屋盖的组成
开闭屋盖主要由钢结构活动屋盖(包括：太阳膜)、运行台车、牵引机构、锁定装置、止挡装置等组成。活动屋盖支承在运行台车上，台车运行在钢结构拱肋上铺设的轨道上。固定屋架底部设开闭牵引机构。由钢丝绳牵引开闭屋盖，带动支承台车在轨道上运行，完成屋盖的开闭。开闭屋盖由两片球面屋盖组成，分全开、全闭和开闭途中状态，从全开状态到全闭状态的行走时间大约二十至三十分钟。为了体育场内草坪的生长，以全开状态作为非使用的正常状态。活动屋盖可根据使用要求打开或关闭。
1.2屋盖开闭机械系统的基本功能：
① 闭合行程：打开锁定装置——控制人员发出关闭屋盖指令——开闭驱动机构启动——开闭传动系统牵引活动屋盖和运行台车运行——屋盖逐渐闭合，在闭合过程中通过力传感器、速度传感器、位置传感器测定闭合过程的情况，保证闭合机构能同步协调地工作，保证能安全、平稳地闭合：当到达闭合位置时，开闭驱动机构停止运行，待调整到合适位置时,屋盖闭合锁定装置安全插销在控制系统引导下自动锁定两片活动屋盖。防止活动屋盖在重力作用下滑动。只有当所有安全销都锁定到位后，开闭驱动机构才能反向运转放松驱动钢丝绳。为了安全工作，屋盖开闭驱动机构同样设置有制动器，保证屋盖可以安全可靠地停止在任何位置，但是该工况不是屋盖的正常位置，屋盖在正常情况下必须停止在完全开闭或闭合位置。完全闭合时，锁定装置承受闭合屋盖的全部载荷，开闭传动系统的钢丝绳仅限制屋盖停止的位置。
② 开启行程：打开锁定装置——控制人员发出开启屋盖指令——开闭驱动机构启动——动力台车工作——屋盖继续向闭合方向微调—开闭驱动钢丝绳逐渐受力而解除锁定装置的载荷——确认锁定装置解除后，可通过力传感器信号——活动屋盖在其重力和动力台车驱动下，驱动屋盖开启。在开启过程中通过力传感器、速度传感器、速度传感器、位置传感器测定开启过程的情况，保证闭合机构能同步协调地工作，保证能安全、平衡地开启屋盖；当到达最终位置时，开闭驱动机构停止运行。
③ 开闭状态保持装置：开闭屋盖在全开或全闭状态下，缓冲止挡和安全锁定装置保持状态，防止意外滑动。牵引钢丝绳保持一定张力。
1.3 联接锁销的功能及其要求
锁销的作用是活动屋顶在完全闭合状态下当驱动力撤消后活动屋顶仍能稳定地固定在拱肋钢结构的顶部，同时还能保证即使在钢结构发生变形的情况下仍有可靠的联结。根据屋盖的变形计算结果得知，当活动屋顶处于顶部位置时两侧的活动屋顶的前部各点会发生3个轴向位置变形和三个轴向角度误差，当固定钢结构具有结构不对称等现象时，可能会使原有所设计的连接方式出现问题，同时还考虑到安装制造误差存在的可能。
在锁销结构方案深化设计过程中，提出了5个可能的联接方案，并进行了分析和设计。从设计屋盖闭合固定机构要求而言，其结构和机构要具有简单、可靠、操作更换方便、对各种变形或误差的适应性强等特性。
2 联接结构方案
从满足功能和可靠性要求等角度，提出了五种机构设计方案。它们分别是：锥形筒插销结构，活动挂钩结构，下位固定销结构，拟人机械手结构，固定板结构。下面分别进行简单介绍。
2.1锥形筒插销结构
活动屋顶上部依靠插销装置完成顶部的固定，其结构仿照航天器的对接机构，并进行了大量的简化，首先一侧是锥形面，一侧是锥形，为何能够保证联结到准确位置，采用每侧都有可以摆动的一个自由度，这样就能够完成初步的定位，在行走的轨道方向，采用长形孔，这样就能够补偿三个空间位置以及三个角度位置的误差，具体见如下原理图。

图1锥形筒插销结构示意图
需要考虑的是两个轨道平行度对于联结过程的影响，由于两侧轨道的不平行、从轨道到屋盖销所在位置的距离、以及屋盖在自重、风载等外力作用下的变形，两个联结装置会出现三个位置坐标、三个角度坐标的误差，对于这些误差，我们一方面通过结构的合理设计、结构的制造精度、安装精度等来消除，另一个方面是我们设计的装置能够适应这些容差，保证在一定误差的条件下，我们的联结过程仍然能够运行。
2.2活动挂钩结构
挂钩的联结方式工作原理为：在活动屋盖的左侧，布置固定的挂钩，固定挂钩相对于水平轴线可以做微小的摆动。活动屋盖的右侧，布置活动挂钩，盖挂钩在重力作用下，如图示的位置，在需要进行结合的时候，依靠右端的电动推杆，把活动挂钩右端推下左端抬起，在两个活动屋盖被牵引索牵引到上部的位置的时候，两个挂钩实现接挂。放松牵引索，作用两个屋架被挂钩固定在一起。
系统绕X轴的误差，可以通过右端活动挂钩的摆动进行补偿，沿着X轴的位置误差，依靠挂钩的宽度进行补偿。绕这Y轴的误差，依靠左边固定挂钩的微小摆动实现补偿，沿着Y轴的误差，依靠安装以及受力变形差异进行补偿。绕Z轴的误差，依靠挂钩的冗余进行补偿，沿着Z轴的误差，依靠挂钩的摆动进行补偿。
图2 活动挂钩结构原理图

2.3下位固定销结构
为了避免上部结构的误差及其困难，这里提出的屋盖固定方案是在5根支撑梁上，安装固定装置，由于安装在屋盖上位的下部，避免的活动屋盖上端峰面的各种变形，但是其形成相对较大。
下

图3 下位挡块的布置与升降结构原理图
2.4拟人机械手结构
这个结构是从利用机械手拧入螺栓的方法而来，在一侧的活动屋顶锋面上，固定一个螺母，另一片活动屋顶的前锋上，设置一个三自由度的机械手，机械手的前端为一个大型螺栓，通过调整机械手的位姿，将螺栓拧入螺母，从而完成两片活动屋盖的上部联接。
2.5固定板结构
这个方案是将两侧锋面的误差，通过两个联接板的孔径扩大来补偿的，在分别安装好两个活动屋盖后，依靠拖动系统将两片屋盖拖到上部位置，划好联接板的安装位置，并依靠联接板的孔径远远大于联接销的直径，以便于联接销的插入，缺点是各个联接销的载荷分配不均匀，如果系统经过较长时间后，发生整个结构的变形，这些变形如果不能通过孔径的误差满足，需要重新按照联接板的位置。由于每块联接板的重量较大，实际操作比较困难。
3 方案的选择原
活动屋盖联接结构是保证系统正常固定，整个结构安全的重要机构，虽然如上的5种方案都能够从功能上满足要求，但是，其价格、性能、装配的难易程度等有很大的差别，为此，我们按照多目标决策的原理，对系统建立了AHP评价矩阵，经过多位专家的评价，得到最终的评价系统。这里考虑的因素有：
1） 装置工作的可靠性
2） 装置的性能及其对结构变形的适应性
3） 装置的制造成本
4） 装置的安装调节难易度及其可行性
最终的专家评价加权值为：[可靠性0.6, 适应性0.15,经济性0.2,安装调节0.05]
4 结论
经过专家的评审，方案1和方案5的得分没有大的差异，对此，对方案五的各种不利情况的受力，再次进行了分析计算，结构计算的结果是，每个联接位置的受力变化为54%,这个力的绝对值对系统的影响并不是很大，因此采用了经济性最好，性能也能满足要求的方案5最为专家设计的最终结果。并推荐给项目的主管单位。

5 参考文献
1 吴宗泽， 高等机械设计， 清华大学出版社， 1991
2 黄纯颖等， 机械创新设计，高等教育出版社， 2000.7
3 葛成远， 煤矿提升设备的改造，煤炭工业出版社，1988.8
4 顿静安 海燕，大直径圆筒楔环联接结构的研究与设计，山西机械，1999.12