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1、大型活动屋顶联接结构的设计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
2、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屋盖开闭方式的基本原理1.1 开闭屋盖的组成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
3、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：屋盖开闭机械系统的基本功能： 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
4、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。 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
5、屋盖； 当到达最终位置时，开闭驱动机构停止运行。 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
6、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
7、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 活动挂钩结构活动挂钩结构挂钩的联结方式工作原理为
8、：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
9、轴的误差，依靠挂钩的摆动进行补偿。2.3 下位固定销结构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。图 3 下位挡块的布置与升降结构原理图图 2 活动挂钩结构原理图下下2.4 拟人机械手结构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 固定板结构固
10、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
11、，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 0.054 结论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
