北京冬奥会开闭幕式中央升降台驱动裕度设计分析与验证
    时间:2023-01-09      来源:《演艺科技》       浏览量:      分享:

        摘   要:

          针对北京冬奥会开闭幕式的核心设备之一大型的主备升降系统单电机驱动方式,采取传动效率、转动惯量等设计参数极限包络的裕度设计计算方法,对大功率主备驱动卷扬传动系统进行设计计算,并通过试验进行参数修正,得出准确的传动参数。依据准确的传动参数,设计出新的大功率主备系统,并进行试验验证,再以准确的传动参数,为相关系统提供理论计算支撑。

    0 引言

    第24届冬季奥林匹克运动会(以下简称:北京冬奥会)开幕式上,中央升降台运行两次,分别在构建雪花台环节和主火炬出场环节。在构建雪花台环节,中央升降台由地仓-5 m上升至与舞台面平齐。主火炬出场环节,中央升降台先上升至与舞台面平齐再配合场景台升1 m。中央升降台如图1所示,活动台体重量约215 t,配重重量约90 t,总体驱动升降载荷约25 t。


    图1 中央升降台


    为了实现诸如中央升降台类大型设备的升降,可以通过单电机驱动,也可以通过两个电机或者更多电机驱动。单电机驱动方式往往配合机械同步实现,两个或多个电机同步往往通过控制同步实现,如图2所示。大型重载高刚度升降设备对安全要求比较高,相对于多电机控制同步,单电机机械同步更可靠。

    图2升降设备驱动布置


    为了进一步提高单电机驱动的可靠性,可采用一个主电机和一个备用电机配合使用的方式。笔者针对大型的主备升降系统单电机驱动方式,以110 kW驱动电机为例,采取传动效率、转动惯量等设计参数极限包络的裕度设计计算方法,对大功率主备驱动卷扬传动系统进行设计计算,并通过试验进行参数修正,得出准确的传动参数。依据准确的传动参数,设计出新的大功率主备系统,并进行试验验证,充分证明传动参数选取的准确性,为相关系统提供理论计算支撑。

    1 设计理论计算

    大型主备系统驱动系统的设计计算,通常依据传动链的布置采用正向载荷分析的方法,得出相应设备的力矩、转速等要求,再反向校核各设备的关键参数满足情况。通用的计算过程如下。

    (1)负载计算

    根据载荷分布情况,计算出负载的载荷大小。

    驱动总动载荷:

    驱动总静载荷:

    式中,Fzd 指总动载荷,指动载荷,设备自重载荷,其他额外载荷,如布设的钢格栅、木板、LED等载荷,Fzj指总静载荷,F 静载荷。

    (2)传动效率选取

    根据样本手册及机械设计手册进行传动效率η 选取,如表1所示


    根据驱动系统布置形式及传动效率表,计算系统效率:

    (3)转动惯量选取

    根据各部件的转动惯性,如表2所示,计算系统的转动惯性。


    系统转动惯量:

    式中,J指系统转动惯量,i指传动比。

    (4)电机功率计算

    匀速运行功率计算:

     
    式中,P指电机功率,v指升降速度。

    匀加速最大运行功率计算:

    式中,r 指转动半径,t 指加速时间。

    通过设计计算得出,110 kW主备电机驱动系统设计参数如表3所示。

    2 设计调试试验

    为了验证系统集成功能、性能,验证机

    电系统匹配性、系统传动参数、惯量匹配参数等设计参数的正确性,进行搭建实物系统进行验证。试验系统选用西门子S120变频驱动系统,如图3所示,运用STATER调试软件进行参数提取。系统搭建完毕后,进行200次运行,运行稳定的曲线如图4所示,相关参数如表4所示。


    图3 调试试验系统


    图4 110 kW主备电机驱动系统运行曲线


    通过试验验证,实测转动惯量和传动效率均小于理论分析值,能够通过参数包络的方式进行驱动参数设计。

    3 设计参数修正与验证

    从理论分析和实物测试结果可以看出,传动效率和转动惯量均存在一定的差异,具体因素如下:

    (1)传动效率、转动惯量等选取时,相对保守,选取效率较低;

    (2)传动效率计算时,采取极限包络方式,把整个传动效率均计算在内;

    (3)安装精度对传功效率的影响比较大,尤其是安装间隙对摩擦的影响比较大。

    通过转动惯量和传动效率的修正,得出计算参数,如表5所示。

    由表5可知,通过转动惯量和传动效率的修正,得出计算参数能够真实反映设备的实际运行情况。

    通过对导轨导向精度的控制、对传动轴同轴度、跳动的控制、润滑介质的控制等,将传动效率相对控制得更为准确一些。

    4 裕度设计推广

    采用类似的传动方式,设计出250 kW的跨度16 m、升降行程 10 m 的圆形升降台 。通过调试试验,测得250kW主备驱动系统的运动曲线,如图5所示,相关参数如表6所示。

    图5 250 kW主备电机驱动系统运行曲线

    通过与计算参数表6对比可知,负载惯量变动量相对较小,通过设计样本选型即可准确地选取电机匹配负载的传动惯量;传动效率按照极限包络方式设计计算能够满足使用需求,并有一定的设计裕度,通过参数修正,卷扬系统的综合传动效率约0.85,按照0.85的传动效率进行同类产品设计能够满足相对准确的驱动需求。

    5结论

    (1)通过正向传动设计的方法合理可行,能够满足大功率主备升降系统的使用需求。
    (2)通过转动惯量和传动效率的极限包络设计能够满足选型需求,并具有一定的裕度。
    (3)通过转动惯量和传动效率的修正能够准确地计算出设备的实际运行参数。
    (4)通过同种原理类似设计,能够预测设备的实际运行参数。
    (5)采用与本项目类似的主备驱动卷扬传动的升降系统总体传动效率约0.85。



    选自 2022年《演艺科技 冬奥特刊》 杨卫杰,赵劲彪,王 铂北京冬奥会开闭幕式中央升降台驱动裕度设计分析与验证转载请标注:演艺科技传媒。更多详细内容请参阅《演艺科技  冬奥特刊》。

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