范 重，胡純煬，程書華，顧 昉，王義華，楊 蘇，欒海強(qiáng)

（1.中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院，北京 100044；2.長(zhǎng)江精工鋼構(gòu)（集團(tuán)）股份有限公司，浙江 紹興 312030；3.上海櫪匯機(jī)電科技有限公司，上海 201400）

0 引 言

帶有可開合屋蓋的建筑可以滿足全天候使用要求，能夠根據(jù)使用功能與天氣情況在室內(nèi)環(huán)境與室外環(huán)境之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使用者既能夠享受陽(yáng)光與新鮮空氣，又可以避免受到風(fēng)雨等惡劣天氣的影響。

帶有可開合屋蓋的建筑應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)拈_合驅(qū)動(dòng)與控制方式，確保其運(yùn)行的安全性、可靠性與耐久性。建筑物中的活動(dòng)屋蓋移動(dòng)方式與輪軌式起重機(jī)有很大差異，門式吊車對(duì)軌道的安裝精度與軌道的剛度要求較高，而活動(dòng)屋蓋的軌道設(shè)置在大跨度固定屋蓋頂部時(shí)，軌道將隨著結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著的變形。迄今為止，各國(guó)活動(dòng)屋蓋包括輪式驅(qū)動(dòng)、鋼絲繩牽引、齒輪／齒條、鏈條／鏈輪、液壓千斤頂這5種驅(qū)動(dòng)方式。其中，鋼絲繩牽引在活動(dòng)屋蓋中應(yīng)用最為普遍，如日本的大分縣體育場(chǎng)、小松穹頂和有明體育場(chǎng)、美國(guó)的瑞蘭特體育場(chǎng)和維斯康星州米勒運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、德國(guó)的Gerry Weber網(wǎng)球場(chǎng)和中國(guó)的南通體育會(huì)展中心等建筑物的開合屋蓋工程均采用了鋼絲繩牽引方式［1－10］。

開合屋蓋涉及的技術(shù)領(lǐng)域較多，屬于交叉學(xué)科，需要與相關(guān)部門的技術(shù)人員互相配合，共同完成開合屋蓋的設(shè)計(jì)工作，因此，需要結(jié)構(gòu)工程師對(duì)開合屋蓋所采用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)及適用性有較為深入的理解。開合屋蓋在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下基本原則：

（1）應(yīng)根據(jù)屋蓋開合的移動(dòng)方式與固定屋蓋、活動(dòng)屋蓋結(jié)構(gòu)的具體情況，選擇相適應(yīng)的驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)開合機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)，使其能夠?qū)⒒顒?dòng)屋蓋的作用力可靠地傳遞給固定屋蓋及下部支承結(jié)構(gòu)，確保活動(dòng)屋蓋的行走機(jī)能充分發(fā)揮。

（2）控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)與開合機(jī)械設(shè)備和活動(dòng)屋蓋移動(dòng)方式相適應(yīng)，并能隨時(shí)糾正活動(dòng)屋蓋運(yùn)行中的人為操作失誤。

（3）在活動(dòng)屋蓋運(yùn)行中部件受到摩擦、沖擊等作用，逐漸產(chǎn)生磨損與變形，需要考慮進(jìn)行維修或更換。開合裝置應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行檢修，保證其性能正常。在不影響其他設(shè)備與結(jié)構(gòu)安全的情況下，驅(qū)動(dòng)與控制裝置可進(jìn)行維修與零件更換。

（4）可以通過(guò)鎖定裝置在活動(dòng)屋蓋全開狀態(tài)、全閉狀態(tài)以及半開狀態(tài)進(jìn)行位置固定。

（5）在活動(dòng)屋蓋啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)，應(yīng)采用反向牽引裝置、端止設(shè)備等可靠措施，確保開合機(jī)械設(shè)備與開合結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行結(jié)束后，應(yīng)通過(guò)鎖定裝置進(jìn)行可靠固定。

（6）活動(dòng)屋蓋驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)應(yīng)由具有相關(guān)資質(zhì)與經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)廠家進(jìn)行深化設(shè)計(jì)、加工制作和安裝調(diào)試。

（7）應(yīng)切實(shí)做好驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)的運(yùn)行管理和日常維護(hù)工作。

驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)應(yīng)充分考慮固定屋蓋與活動(dòng)屋蓋的變形，其具有充足的自適應(yīng)與補(bǔ)償調(diào)整能力，機(jī)械液壓系統(tǒng)可靠、耐久，與控制系統(tǒng)相協(xié)調(diào)。施工時(shí)應(yīng)盡量消除結(jié)構(gòu)安裝誤差與變形的不利影響，減少卡軌力，并通過(guò)工廠試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試，確保開合屋蓋的順暢運(yùn)行［11－12］。

對(duì)于空間移動(dòng)式開合屋蓋，采用鋼絲繩牽引驅(qū)動(dòng)的方式最為普遍。由于被動(dòng)式臺(tái)車的體積較小，對(duì)建筑效果影響不大，得到建筑師與結(jié)構(gòu)工程師們的青睞。傳統(tǒng)的做法是將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置在被牽引活動(dòng)屋蓋的同一側(cè)，在接近固定屋蓋的頂部設(shè)置定滑輪，實(shí)現(xiàn)牽引方向的變換，如日本的小松穹頂與大分穹頂。同時(shí)，為了防止鋼索松弛，可以設(shè)置相應(yīng)的張緊裝置。

鋼絲繩牽引是在臺(tái)車上或其他部位設(shè)置電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)，通過(guò)電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)的卷筒纏繞鋼絲繩牽引活動(dòng)屋蓋，適用于活動(dòng)屋蓋在平面或空間的平行軌道上行走。鋼索驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力傳動(dòng)可靠性高、技術(shù)成熟、受軌道變形與臺(tái)車行走姿態(tài)的影響小、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障容易排除。由外力引起的鋼絲繩伸長(zhǎng)對(duì)精確定位有一定影響，且鋼索連接點(diǎn)容易引起結(jié)構(gòu)局部受力集中。在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與使用階段，應(yīng)避免鋼絲繩斷裂與松弛、電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)失效、電源故障等對(duì)活動(dòng)屋蓋運(yùn)行安全性的不利影響，通過(guò)日常檢修與維護(hù)保養(yǎng)使驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)處于良好的狀態(tài)，對(duì)電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)等關(guān)鍵部件設(shè)置預(yù)警系統(tǒng)，并能在發(fā)生突發(fā)事件時(shí)使活動(dòng)屋蓋立即制動(dòng)。

1 工程概況

鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，地上3層，總建筑面積100 451m2，共有觀眾座席40 500個(gè)，其中，固定座席35 100個(gè)，活動(dòng)座席5 400個(gè)。體育場(chǎng)固定屋蓋投影為橢圓形，長(zhǎng)軸為268m，短軸為220m，巨拱高度129m，跨度330m，拱與地面垂線夾角6.1°，屋蓋頂標(biāo)高54.742m。

鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)由看臺(tái)結(jié)構(gòu)、固定屋蓋、活動(dòng)屋蓋、巨拱＋鋼拉索以及裙房組成。體育場(chǎng)碗狀看臺(tái)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由斜柱、樓層梁與看臺(tái)梁形成的徑向剛架作為徑向抗側(cè)力體系；由環(huán)向樓面梁連接各榀徑向剛架形成環(huán)向框架，并在周邊柱頂處設(shè)置剛性環(huán)梁，形成環(huán)向抗側(cè)力體系。

體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)結(jié)合內(nèi)蒙古草原弓箭的造型，巧妙地采用鋼管拱橋的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)鋼索將屋蓋大部分重力荷載傳給巨拱，水平荷載則由下部看臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)承擔(dān)，使大跨度屋蓋桁架的高度大大降低，鋼材用量明顯減少，結(jié)構(gòu)體系新穎、合理。鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)屋蓋結(jié)構(gòu)的布置如圖1所示。

圖1 屋蓋結(jié)構(gòu)的布置Fig.1 Roof Structure Layout

鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)最大可開啟面積（水平投影）10 076.2m2，開啟或閉合時(shí)間為18min，是目前中國(guó)規(guī)模最大的開閉屋頂體育建筑。體育場(chǎng)單片活動(dòng)屋蓋質(zhì)量約500t，屋蓋的開閉采用鋼絲繩牽引方式?；顒?dòng)屋蓋采用管桁架結(jié)構(gòu)，屋面采用PTFE膜結(jié)構(gòu)，可有效地適應(yīng)活動(dòng)屋蓋的變形，且防水性能優(yōu)越，可全天候使用。體育場(chǎng)單片活動(dòng)屋蓋由位于兩側(cè)軌道的14個(gè)臺(tái)車支承。鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)短軸方向的剖面如圖2所示。

圖2 短軸方向的剖面Fig.2 Cross－section Along Short Axis Direction

鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)活動(dòng)屋蓋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本運(yùn)行方式是活動(dòng)屋蓋沿著圓弧形軌道從兩側(cè)向屋蓋中心移動(dòng)閉合或反向移動(dòng)開啟。采用創(chuàng)新的鋼絲繩牽引活動(dòng)屋蓋遠(yuǎn)端的驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)、鋼絲繩牽引活動(dòng)屋蓋，大大減小了鋼索轉(zhuǎn)向引起固定屋蓋的反力。每片活動(dòng)屋蓋兩邊各有7個(gè)臺(tái)車，活動(dòng)屋蓋通過(guò)臺(tái)車、軌道等部件將活動(dòng)屋蓋的荷載傳至固定屋蓋。

在鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)解決了以下技術(shù)難題：

（1）本工程的斜拱拉索＋固定屋蓋為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，活動(dòng)屋蓋運(yùn)行時(shí)，兩側(cè)的軌道將產(chǎn)生非對(duì)稱的豎向變形及水平變形。為適應(yīng)活動(dòng)屋蓋運(yùn)行過(guò)程中的相對(duì)變形及臺(tái)車姿態(tài)變化，臺(tái)車需要具有多方向的調(diào)節(jié)功能，保證活動(dòng)屋蓋順利運(yùn)行，且能夠應(yīng)對(duì)風(fēng)沙天氣等狀況，防止臺(tái)車導(dǎo)向輪過(guò)載和卡軌，消除過(guò)大的卡軌力損傷軌道和結(jié)構(gòu)。

（2）活動(dòng)屋蓋驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為多學(xué)科協(xié)作的系統(tǒng)工程，涉及到結(jié)構(gòu)工程、機(jī)械設(shè)備、自動(dòng)控制、加工制作、安裝與調(diào)試、施工驗(yàn)收等諸多方面，相關(guān)單位必須密切配合，共同制定技術(shù)方案，對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)精心設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制施工精度，才能確保開合屋蓋工程的順利實(shí)施。因此，機(jī)械開閉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡早介入，以使建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)械開閉系統(tǒng)三者之間相互協(xié)調(diào)。

2 活動(dòng)屋蓋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成

鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)采用2套雙繩卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)額定質(zhì)量為500t的單片活動(dòng)屋蓋，2片活動(dòng)屋蓋共采用4套卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。單片屋蓋上的2套卷?yè)P(yáng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置在水平投影為直線的2道主桁架上，每套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由2根鋼絲繩牽引。每套卷?yè)P(yáng)開合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由卷筒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、下部轉(zhuǎn)向滑輪、上部轉(zhuǎn)向滑輪、導(dǎo)向滑輪、托輥導(dǎo)向輪及均衡梁組成。2根鋼絲繩通過(guò)均衡梁作用在活動(dòng)屋蓋上，在卷筒的驅(qū)動(dòng)下?tīng)恳顒?dòng)屋蓋行走，活動(dòng)屋蓋的開啟是在鋼絲繩的牽引下依靠重力下滑。鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)采用的開合屋蓋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 開合屋蓋的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Fig.3 Driving System for Opening and Closing Roof

在固定屋蓋的2個(gè)主桁架上安裝魚腹式軌道梁，然后在軌道梁上鋪設(shè)軌道，活動(dòng)屋蓋由在軌道上行走的臺(tái)車支承。單片活動(dòng)屋蓋共由14個(gè)臺(tái)車支承，各臺(tái)車的布置如圖4所示。

圖4 活動(dòng)屋蓋臺(tái)車的布置Fig.4 Arrangements of Trolleys for Retractable Roof

由于單片活動(dòng)屋蓋由多個(gè)臺(tái)車支承，臺(tái)車支承反力的分布受到活動(dòng)屋蓋的形狀與尺寸、開閉位置、臺(tái)車位置、固定屋蓋及活動(dòng)屋蓋的剛度等因素的影響。通過(guò)結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算分析，可以得到各臺(tái)車的支承反力。

在自重的作用下，固定屋蓋主桁架及活動(dòng)屋蓋將產(chǎn)生一定的變形。活動(dòng)屋蓋除豎向變形外，其桁架下弦在垂直于軌道方向也將有所伸長(zhǎng)。同時(shí)，活動(dòng)屋蓋的重力荷載對(duì)主桁架產(chǎn)生反方向的橫向推力，因此，活動(dòng)屋蓋的臺(tái)車與固定屋蓋拱形桁架兩者之間存在顯著的橫向變形差異?；顒?dòng)屋蓋運(yùn)行在不同的位置，活動(dòng)屋蓋與固定屋蓋的縱向和橫向相對(duì)變形不同，全閉位置時(shí)最大。

此外，受到溫度作用、鋼絲繩牽引力以及施工安裝誤差的影響，活動(dòng)屋蓋的臺(tái)車與固定屋蓋拱形桁架在順軌道方向與垂直于軌道方向也會(huì)產(chǎn)生位移。

2.2 驅(qū)動(dòng)方式與臺(tái)車布置

結(jié)合建筑造型，經(jīng)多方案比選優(yōu)化后，確定采用鋼絲繩對(duì)拉驅(qū)動(dòng)方式，大大簡(jiǎn)化了機(jī)械驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜程度，解決了轉(zhuǎn)向滑輪受力過(guò)大的問(wèn)題，有效降低了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度。

在設(shè)計(jì)中利用建筑固定屋蓋的圓弧造型，通過(guò)調(diào)整屋蓋的圓弧半徑，使得臺(tái)車主要依靠活動(dòng)屋蓋自重下滑力完成開啟，僅需在活動(dòng)屋蓋爬升時(shí)利用臺(tái)車驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化了開合屋蓋的機(jī)械系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)置了下滑反向牽引保障系統(tǒng)，當(dāng)在特殊情況下活動(dòng)屋蓋無(wú)法開啟時(shí)，可用于克服初始摩擦力。

與以往工程相比，在鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)中對(duì)驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了重大改進(jìn)：活動(dòng)屋蓋全部采用被動(dòng)式臺(tái)車，將卷?yè)P(yáng)設(shè)備設(shè)置在軌道端部相應(yīng)的專用地下機(jī)房中，用鋼絲繩牽引相對(duì)較遠(yuǎn)一側(cè)的活動(dòng)屋蓋，傳力直接明確，轉(zhuǎn)向輪作用于固定屋蓋的反力大大減小，使鋼索系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化，適應(yīng)能力更強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)可靠性提高。2個(gè)方向鋼絲繩平面的位置錯(cuò)開，可以防止相互干擾。鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)鋼絲繩驅(qū)動(dòng)方式如圖5所示。

圖5 單側(cè)活動(dòng)屋蓋的驅(qū)動(dòng)方式Fig.5 Driving Mode for One of Retractable Roofs

鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)單側(cè)活動(dòng)屋蓋在跨度方向共有4道桁架，在機(jī)械開閉系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中，最初在單片活動(dòng)屋蓋每側(cè)各布置4個(gè)臺(tái)車，將臺(tái)車設(shè)置在活動(dòng)屋蓋桁架的端部。由于桁架間距接近20m，單個(gè)臺(tái)車的支承反力超過(guò)1 000kN。為了控制各臺(tái)車受力不均勻，需要適當(dāng)減小活動(dòng)屋蓋邊桁架的剛度。為了避免對(duì)活動(dòng)屋蓋桁架的側(cè)向穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，將活動(dòng)屋蓋每側(cè)臺(tái)車的數(shù)量由4臺(tái)增至7臺(tái)，除內(nèi)側(cè)1榀桁架負(fù)載較小保持不變外，其余均在桁架端部設(shè)置2個(gè)臺(tái)車，形成扁擔(dān)效應(yīng)，有效增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減小了單個(gè)臺(tái)車的負(fù)載，從而改善了結(jié)構(gòu)受力的均勻性和活動(dòng)屋蓋對(duì)運(yùn)行變形的適應(yīng)能力，大大降低了固定屋蓋拱形桁架桿件與軌道梁的局部壓力，取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。圖6為鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)調(diào)整前、后活動(dòng)屋蓋臺(tái)車的布置。

圖6 調(diào)整前、后活動(dòng)屋蓋臺(tái)車的布置Fig.6 Retractable Roof Trolley Layout Before and After Adjustment

3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要部件設(shè)計(jì)

3.1 臺(tái) 車

行走臺(tái)車由臺(tái)車架、垂直反鉤或反滾輪、彈簧裝置等組成。臺(tái)車在順軌道方向和垂直于軌道方向設(shè)有平衡機(jī)構(gòu)，其采用無(wú)輪緣的寬踏面車輪，適應(yīng)軌道梁可能產(chǎn)生的垂直于軌道方向的變形，垂直于軌道方向的水平力由水平輪承受。在與活動(dòng)屋蓋相連的臺(tái)車上，設(shè)置了垂直于軌道方向的滑槽，以適應(yīng)活動(dòng)屋蓋在開閉過(guò)程中產(chǎn)生的變形。在臺(tái)車上設(shè)置了垂直于軌道方向的彈簧裝置，以減緩活動(dòng)屋蓋在垂直于軌道方向的變形。

活動(dòng)屋蓋的支座通過(guò)法蘭盤和高強(qiáng)螺栓與臺(tái)車頂部相連。在臺(tái)車設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮臺(tái)車在運(yùn)行時(shí)承受的橫向力以及在風(fēng)荷載與地震作用下產(chǎn)生的拉力與側(cè)向力，在臺(tái)車上設(shè)置了垂直反鉤或垂直反滾輪，保持臺(tái)車在風(fēng)荷載、地震作用及運(yùn)行水平力作用下的位置，防止活動(dòng)屋蓋漂移、車輪脫軌。在活動(dòng)屋蓋運(yùn)行過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要適應(yīng)軌道水平方向與垂直方向的變形以及兩側(cè)軌道的變形差異。在斷電或故障維修狀態(tài)下，通過(guò)鎖定裝置將臺(tái)車固定在屋蓋軌道的任意位置上。鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)臺(tái)車的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 臺(tái)車的主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Main Design Parameters of Trolleys

根據(jù)國(guó)家現(xiàn)行《起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算，確定臺(tái)車輪寬250mm，車輪直徑Dc＝500mm，車輪軸直徑dc＝110mm，安全系數(shù)為2.5。鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)臺(tái)車的三維示意如圖7（a）所示。

本工程臺(tái)車采用油缸調(diào)整臺(tái)車和活動(dòng)屋蓋之間的相對(duì)位置，運(yùn)行時(shí)可以通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)每個(gè)臺(tái)車所承受的荷載，通過(guò)位移傳感器檢測(cè)油缸的行程以調(diào)整臺(tái)車頂部的高度，防止臺(tái)車過(guò)載。臺(tái)車頂部油缸的構(gòu)造如圖7（b）所示。

圖7 活動(dòng)屋蓋的臺(tái)車構(gòu)造Fig.7 Trolley Construction for Retractable Roof

為適應(yīng)活動(dòng)屋蓋在運(yùn)行過(guò)程中的相對(duì)變形及臺(tái)車姿態(tài)變化，支承活動(dòng)屋蓋的油缸具有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和橫向滑動(dòng)的自由度。通過(guò)在關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈安裝滑動(dòng)軸承，套在臺(tái)車的主軸上，可以在垂直于軌道方向左右滑動(dòng)。

臺(tái)車在運(yùn)行過(guò)程中，既要靈活適應(yīng)固定屋蓋和活動(dòng)屋蓋之間的水平相對(duì)變形，防止臺(tái)車導(dǎo)向輪過(guò)載和卡軌，又要保證固定屋蓋能夠提供足夠的約束反力，以便對(duì)活動(dòng)屋蓋進(jìn)行糾偏。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，在水平方向滑動(dòng)軸套與臺(tái)車之間通過(guò)有源阻尼器（油缸＋彈簧阻尼器）連接。

關(guān)節(jié)軸承內(nèi)、外圈之間可自由轉(zhuǎn)動(dòng)與滑動(dòng)。油缸既可以在正常運(yùn)行時(shí)靈活運(yùn)動(dòng)，又可以在糾偏時(shí)提供可控的糾偏力。在導(dǎo)向輪上安裝測(cè)力裝置以及在阻尼油缸上安裝壓力和位移傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控臺(tái)車導(dǎo)向輪和軌道的橫向受力情況以及活動(dòng)屋蓋的偏斜姿態(tài)。為了控制建造成本與結(jié)構(gòu)的安全性，還應(yīng)嚴(yán)格控制臺(tái)車及附屬設(shè)備的質(zhì)量。

采用精密的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)總體調(diào)試，可有效避免兩側(cè)臺(tái)車偏斜導(dǎo)致的卡軌。通過(guò)日常檢查、運(yùn)行監(jiān)控、常規(guī)保養(yǎng)等措施，避免臺(tái)車車輪處的軸承、關(guān)節(jié)軸承與滑動(dòng)軸承等關(guān)鍵部件失效，防止雨水進(jìn)入與銹蝕，確保臺(tái)車處于正常工作狀態(tài)。

為保證臺(tái)車達(dá)到設(shè)計(jì)要求的承載能力，在出廠前進(jìn)行模擬實(shí)際工況的試驗(yàn)，可將運(yùn)行過(guò)程中臺(tái)車出現(xiàn)故障隱患的可能性降至最低。專門研制的試驗(yàn)設(shè)備完全可以模擬臺(tái)車運(yùn)行的實(shí)際情況，測(cè)試臺(tái)車在額定運(yùn)行速度下的承載力和耐久性、豎向與橫向調(diào)節(jié)能力、運(yùn)動(dòng)阻力與制動(dòng)裝置的可靠性等，試驗(yàn)如圖8所示。

圖8 臺(tái)車承載力與加載狀態(tài)下的運(yùn)行能力試驗(yàn)Fig.8 Trolley Test for Load Carrying Capacity and Movement Capacity Under Loading

3.2 軌 道

軌道對(duì)于活動(dòng)屋蓋順暢運(yùn)行至關(guān)重要，可以參照《通用門式起重機(jī)》（GB／T 14406—93）［13］和《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB／T 3811—2008）［14］中的相關(guān)規(guī)定，根據(jù)臺(tái)車的輪壓進(jìn)行設(shè)計(jì)。軌道應(yīng)滿足豎向承壓、受拉與側(cè)向壓力的需求，臺(tái)車運(yùn)行的側(cè)向壓力與輪壓大小相關(guān)。軌道應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度與剛度，減小臺(tái)車在運(yùn)行中的變形量。在滿足活動(dòng)屋蓋運(yùn)行軌道剛度要求的前提下，應(yīng)盡量減小軌道自重。軌道應(yīng)采用強(qiáng)度高、硬度與耐磨性好的材料。軌道對(duì)安裝精度的要求很高，在主體結(jié)構(gòu)卸載完成后方可安裝就位，使其連接構(gòu)造能夠充分適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)的變形。軌道及接頭部位應(yīng)平整光滑，在連接處將焊縫打磨平整，也可以采用設(shè)置伸縮縫的方式克服超長(zhǎng)軌道溫度變形的影響。臺(tái)車的軌道梁與支承結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 臺(tái)車的軌道梁與支承結(jié)構(gòu)Fig.9 Track Beam and Support Structure of Trolley

在固定屋蓋主桁架上安裝軌道梁時(shí)，應(yīng)對(duì)其位置進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。軌道梁校正包括標(biāo)高、平面位置和垂直度，保證軌道梁位于理想的圓弧曲線上。軌道接縫位置與軌道梁接縫位置不得重合，軌道的平面位置和垂直度的校正應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。垂直度采用掛線錘測(cè)量，發(fā)現(xiàn)偏差可在軌道梁底部加墊片進(jìn)行校正，軌道頂面圓弧應(yīng)平滑過(guò)渡。

軌道頂面平整度的允許誤差不應(yīng)大于1／1 000，全閉狀態(tài)同一截面內(nèi)2根平行軌道標(biāo)高的偏差不應(yīng)大于5mm，軌道接頭間隙不大于5mm。臺(tái)車軌道的施工安裝如圖10所示。

圖10 臺(tái)車軌道的施工安裝Fig.10 Construction and Installation of Trolley Tracks

3.3 牽引鋼絲繩

本工程共采用4臺(tái)110kW電機(jī)，電機(jī)功率與活動(dòng)屋蓋運(yùn)行動(dòng)力需求相匹配。牽引鋼絲繩應(yīng)具有良好的性能，選用強(qiáng)度高、柔韌性好、耐久性好的大直徑鋼絲繩，同時(shí)應(yīng)考慮啟動(dòng)與制動(dòng)時(shí)慣性力引起的動(dòng)力放大系數(shù)。由于鋼絲繩承受反復(fù)荷載，安全性至關(guān)重要，安全系數(shù)應(yīng)在6.0以上。鋼索彎折角度不能太小，卷筒直徑與鋼索直徑之比不應(yīng)小于20。

牽引鋼絲繩與活動(dòng)屋蓋的連接構(gòu)造應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)體系之間傳遞牽引力的要求，避免產(chǎn)生顯著的偏心荷載。在鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)活動(dòng)屋蓋驅(qū)動(dòng)鋼索連接處設(shè)置了均衡梁，從而有效避免了結(jié)構(gòu)偏心受力的不利影響。本工程活動(dòng)屋蓋與均衡梁的連接構(gòu)造如圖11所示。鋼絲繩繞過(guò)均衡梁的2個(gè)滑輪，兩邊鋼絲繩均經(jīng)過(guò)托輥和滑輪后其端部與卷筒固定。這樣既保證了兩邊鋼絲繩受力均等，又避免繩頭與活動(dòng)屋蓋鉚固連接，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。在均衡梁上安裝測(cè)力銷，可隨時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行過(guò)程中兩邊鋼絲繩拉力之和，作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)操作的重要控制參數(shù)。本工程鋼絲繩驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

圖11 活動(dòng)屋蓋與均衡梁的連接構(gòu)造Fig.11 Connection Structure of Retractable Roof and Balance Beam

表2 活動(dòng)屋蓋鋼絲繩驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Design Parameters of Wire Rope Driving System for Retractable Roof

設(shè)置4個(gè)均衡梁，單個(gè)質(zhì)量為8t，外形尺寸為2 176.3mm×800mm×800mm。在活動(dòng)屋蓋安裝完成后焊接均衡梁與邊桁架下弦的連接件，待電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)、輪系等部件安裝完成后安裝主鋼絲繩。

3.4 轉(zhuǎn)向滑輪、導(dǎo)向滑輪與托輥

鋼索的轉(zhuǎn)向滑輪受到很大的集中力，其固定支架應(yīng)與主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠連接，但同時(shí)也應(yīng)避免連接構(gòu)造引起明顯局部偏心彎矩。為了防止臺(tái)車運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)牽引亂繩與鋼索滑脫的情況，沿鋼索長(zhǎng)度方向在一定間隔處設(shè)置了托輥與導(dǎo)向滑輪，其構(gòu)造如圖12所示。

圖12 托輥與導(dǎo)向滑輪Fig.12 Idlers and Guide Wheels

托輥為主要受壓部件，其安裝前必須根據(jù)上部轉(zhuǎn)向滑輪軸線位置進(jìn)行定位安裝，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際位置進(jìn)行配裝。

3.5 插 銷

為了防止活動(dòng)屋蓋自由滑動(dòng)，當(dāng)活動(dòng)屋蓋閉合后，作為保護(hù)措施，采用液壓驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)插銷將2片活動(dòng)屋蓋相互鎖定在一起。2片活動(dòng)屋蓋之間可以傳遞水平力，有效增加了活動(dòng)屋蓋的穩(wěn)定性。安全插銷裝置如圖13所示。

圖13 安全插銷裝置Fig.13 Safety Latch Device

當(dāng)屋蓋在全開和全閉狀態(tài)下時(shí)，使用安全插銷將屋蓋可靠固定，使其保持靜止?fàn)顟B(tài)。安全插銷只承受順軌道方向的荷載，垂直于軌道方向的荷載由水平輪承受，豎向荷載由運(yùn)行輪承受。作為一種安全手段，在開合行程兩端設(shè)置緩沖限位裝置。

插銷在活動(dòng)屋蓋拼裝結(jié)束后進(jìn)行焊接。屋蓋合龍后，插銷需經(jīng)過(guò)不小于10次的開合操作，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際位置進(jìn)行配裝。

3.6 車 擋

在軌道端部設(shè)置臺(tái)車運(yùn)行端止裝置（車擋）與緩沖器?；顒?dòng)屋蓋達(dá)到最大開啟位置后，由固定屋蓋上的車擋對(duì)其限位。車擋采用液壓裝置，減少接觸時(shí)的撞擊并減小活動(dòng)屋蓋與車擋接觸的不均勻性。車擋及連接構(gòu)造應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，能夠阻止正常速度運(yùn)行的開合式屋蓋，并有效控制各個(gè)車擋受力的同步性。當(dāng)個(gè)別車擋出現(xiàn)超載時(shí)，可以自動(dòng)將作用力轉(zhuǎn)移至其他車擋，以確保結(jié)構(gòu)體系的安全性。上部車擋共有4處，用于活動(dòng)屋蓋全閉狀態(tài)；下部車擋緩沖器共有12處，用于活動(dòng)屋蓋全開狀態(tài)，如圖14所示。單個(gè)下部車擋質(zhì)量為3t，外形尺寸2 040mm×400mm×1 158mm。車擋在安裝完畢后，需經(jīng)過(guò)不小于10次的開合操作，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行安裝調(diào)試。

圖14 活動(dòng)屋蓋端部限位裝置Fig.14 End Limit Device for Retractable Roof

3.7 自鎖裝置

在大風(fēng)與地震作用下活動(dòng)屋蓋發(fā)生事故的可能性較大，單靠行走機(jī)構(gòu)的制動(dòng)裝置可靠性不高。為防止地震及臺(tái)風(fēng)作用下活動(dòng)屋蓋產(chǎn)生移動(dòng)，在行走機(jī)構(gòu)上設(shè)置鎖定銷栓裝置。在軌道兩端和中間區(qū)域的軌道支承結(jié)構(gòu)上布設(shè)插座，以便在半開狀態(tài)以及發(fā)生地震、暴風(fēng)、故障等緊急狀態(tài)時(shí)，臺(tái)車上的銷栓插入軌道支承結(jié)構(gòu)的插座后即可鎖定活動(dòng)屋蓋。自鎖銷栓與插座之間允許存在一定的偏差，用于適應(yīng)溫度變化引起屋蓋結(jié)構(gòu)的伸縮變形。由于地震作用時(shí)的滑移與反復(fù)撞擊，需要充分考慮作用于自鎖銷栓水平力的不均勻性。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 基本原則

控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，確保活動(dòng)屋蓋能夠在軌道上無(wú)偏斜移動(dòng)。為防止人工誤操作，引入了自動(dòng)控制操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)／手動(dòng)2種操作模式之間的自由切換。活動(dòng)屋蓋控制系統(tǒng)主要包括以下6個(gè)方面：

（1）啟動(dòng)、停止（制動(dòng)）加速度控制。

（2）速度與同步性控制，防止出現(xiàn)卡軌、蛇形運(yùn)動(dòng)，對(duì)于軌道不均勻變形具有即時(shí)調(diào)適能力。

（3）緊急制動(dòng)控制可以防止開合屋蓋在電氣故障、供電突然中斷或機(jī)械系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)出現(xiàn)滑落現(xiàn)象，保證活動(dòng)屋蓋在風(fēng)、地震及其他特殊情況下的安全性。

（4）防止運(yùn)行過(guò)程中的輻射電信干擾。

（5）防雷保護(hù)。

（6）在活動(dòng)屋蓋上安裝前照燈、傳感器、風(fēng)速儀等安全報(bào)警裝置。

開合屋蓋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)娜哂喽龋?dāng)某一個(gè)部位出現(xiàn)故障時(shí)，不應(yīng)影響其他部位。

4.2 基本要求

開合屋蓋采用多臺(tái)車驅(qū)動(dòng)方式，運(yùn)行時(shí)需要有一個(gè)完善、精確的控制系統(tǒng)，操作人員需要時(shí)刻了解各處設(shè)備的運(yùn)行情況?？刂葡到y(tǒng)自身構(gòu)成多級(jí)閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)，在正常情況下，操作人員只需按下啟動(dòng)按鈕，活動(dòng)屋蓋就可以自動(dòng)完成開合。各工程開合屋蓋系統(tǒng)所選用的控制器各不相同，但控制框架基本相似，都采用總線結(jié)構(gòu)，將各個(gè)控制設(shè)備連接在一起。采用總線的優(yōu)點(diǎn)是減少了各個(gè)設(shè)備之間的接線，將復(fù)雜的指令、數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)一根總線傳達(dá)到每個(gè)終端設(shè)備，同時(shí)將需要了解的運(yùn)行參數(shù)上傳到總控制器中。

開合屋蓋的每一片屋蓋均設(shè)置單獨(dú)的控制系統(tǒng)，可以單獨(dú)啟動(dòng)，活動(dòng)屋蓋的數(shù)量和終端控制器的數(shù)量相一致，各片屋蓋的控制器通過(guò)總線和監(jiān)控中心的主控設(shè)備相連?？刂泼科萆w的子站和該屋蓋上的驅(qū)動(dòng)設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，屋蓋終端控制器只要接到指令，就可以按照既定程序運(yùn)行。

4.3 驅(qū)動(dòng)同步控制

由于開合屋蓋具有多個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，如果多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的同步性不好，就會(huì)出現(xiàn)活動(dòng)屋蓋走偏、歪斜的現(xiàn)象。如何實(shí)現(xiàn)高精度的同步控制，成為開閉屋蓋技術(shù)的關(guān)鍵。在屋蓋開閉的不同階段，精度優(yōu)先保證的參數(shù)是各不相同的，通常開閉動(dòng)作基本可分為啟動(dòng)階段、運(yùn)行階段和停止階段。啟動(dòng)階段加速運(yùn)動(dòng)，距離一般不長(zhǎng)，多在1～5m之間，該階段各種因素所造成的誤差較小，重點(diǎn)是對(duì)加速度的控制，以保證在預(yù)定位置達(dá)到一定速度，加速度的變化要平穩(wěn)，避免加速度大幅度的變化對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊。運(yùn)行階段勻速運(yùn)動(dòng)，各驅(qū)動(dòng)機(jī)械相互協(xié)調(diào)，通過(guò)調(diào)節(jié)速度，保證各點(diǎn)位置同步、姿態(tài)良好。停止階段減速運(yùn)行，達(dá)到預(yù)設(shè)減速位置時(shí)，觸發(fā)器發(fā)出信號(hào)，進(jìn)入減速停止階段，要求各點(diǎn)到停止前位移相同，避免碰撞。在屋蓋開閉過(guò)程中對(duì)軌道兩側(cè)偏移的限值要求較高，鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)活動(dòng)屋蓋行程約為60m，允許相對(duì)偏差為0.08%～0.24%。

對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)械的高精度同步控制是開合屋蓋的關(guān)鍵技術(shù)，以電機(jī)與液壓馬達(dá)為同步控制對(duì)象。電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)用變頻調(diào)速器實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，用力矩和張力控制，液壓馬達(dá)則通過(guò)伺服系統(tǒng)對(duì)流量的控制實(shí)現(xiàn)調(diào)速。屋蓋在運(yùn)行時(shí)是動(dòng)態(tài)的，運(yùn)行時(shí)位移是關(guān)于時(shí)間的函數(shù)，對(duì)位移的控制是通過(guò)其對(duì)時(shí)間的倒數(shù)——速度控制實(shí)現(xiàn)的。

4.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用西門子S7控制器、Profibus工業(yè)總線分布式控制系統(tǒng)，主控制器采用S7－300，從控制器采用S7－200，每個(gè)臺(tái)車上安裝有S7－200控制器對(duì)臺(tái)車進(jìn)行終端控制。與PLC相匹配，安裝有研華工控系統(tǒng)記錄運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行自診斷程序，中控室內(nèi)還裝有多路視頻監(jiān)視系統(tǒng)，可直觀顯示設(shè)備運(yùn)行狀況。

4.4.1 屋蓋開啟過(guò)程

屋蓋開啟過(guò)程為電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)放出鋼絲繩、活動(dòng)屋蓋在重力作用下緩慢下移的過(guò)程。屋蓋開啟過(guò)程可以分為以下3個(gè)階段：

（1）打開安全插銷。屋蓋在關(guān)閉時(shí)，2個(gè)屋蓋用安全插銷緊固在一起，使屋蓋不會(huì)下滑，鋼絲繩在全閉時(shí)處于松弛狀態(tài)，所以需要首先打開安全插銷?？刂葡到y(tǒng)控制電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)緩慢張緊鋼絲繩，待鋼絲繩達(dá)到一定的張力后，控制系統(tǒng)控制起動(dòng)機(jī)，拔出安全插銷。

（2）控制屋蓋開啟。安全插銷完全打開后，控制系統(tǒng)控制電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)減小牽引力，屋蓋在重力作用下緩慢下移，屋蓋按照一定的加速度下移，逐漸達(dá)到正常速度，這時(shí)電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。

（3）減速停止過(guò)程。當(dāng)活動(dòng)屋蓋接近全開位置時(shí)，控制系統(tǒng)開始增大電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)的牽引力，使活動(dòng)屋蓋逐漸減速，當(dāng)檢測(cè)到完全開啟信號(hào)時(shí)，控制臺(tái)車上的制動(dòng)器停止屋蓋移動(dòng)，并控制電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)使鋼絲繩保持較小的張力，命令電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)上的制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，屋蓋開啟過(guò)程完成。

4.4.2 屋蓋關(guān)閉過(guò)程

屋蓋關(guān)閉是開啟的反過(guò)程，控制系統(tǒng)先控制電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)使鋼絲繩達(dá)到一定的張力，然后繼續(xù)控制電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)增加牽引力，使屋蓋緩慢上移，并按一定的加速度達(dá)到正常速度后保持均速。當(dāng)屋蓋快要關(guān)閉時(shí)，控制電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)減小牽引力，使活動(dòng)屋蓋逐漸減速，當(dāng)檢測(cè)到接近安全插銷位置的信號(hào)時(shí)（通過(guò)屋蓋位移傳感器信號(hào)），控制電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)逐漸減小牽引力，并啟動(dòng)安全插銷電機(jī)，插進(jìn)安全插銷；當(dāng)屋蓋完全閉合時(shí)（屋蓋位移傳感器檢測(cè)到的距離小于一定值），緩慢減小鋼絲繩張力，達(dá)到預(yù)定張力后，控制臺(tái)車上的制動(dòng)器制動(dòng)，并繼續(xù)放松鋼絲繩，使鋼絲繩處于松弛狀態(tài)；電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)制動(dòng)器制動(dòng)，屋蓋完成關(guān)閉過(guò)程。鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)活動(dòng)屋蓋開合控制系統(tǒng)流程如圖15所示。

4.4.3 均載控制

本工程控制系統(tǒng)在活動(dòng)屋蓋上的每個(gè)臺(tái)車裝有一個(gè)均載油缸?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)對(duì)油缸行程和壓力檢測(cè)，計(jì)算出每個(gè)臺(tái)車的荷載，通過(guò)調(diào)整頂升油缸的壓力和位移，使得每個(gè)臺(tái)車在運(yùn)行過(guò)程中的荷載基本相同。

4.4.4 糾偏控制

控制系統(tǒng)中臺(tái)車的糾偏控制是為避免安裝誤差或結(jié)構(gòu)變形引起臺(tái)車受卡及活動(dòng)屋蓋運(yùn)行過(guò)程中的走偏而形成的卡軌。每個(gè)臺(tái)車上設(shè)有糾偏調(diào)整油缸、壓力傳感器和位移傳感器，主控制器把這些壓力傳感器和位移傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一定的計(jì)算，即時(shí)調(diào)整臺(tái)車動(dòng)作以及鋼絲繩牽引力大小，并隨時(shí)調(diào)整屋蓋的運(yùn)行姿態(tài)，使活動(dòng)屋蓋平穩(wěn)、安全地開啟與閉合。

4.4.5 檢測(cè)、監(jiān)控與自診斷系統(tǒng)

（1）檢測(cè)系統(tǒng)的冗余和自校驗(yàn)

在設(shè)計(jì)時(shí)大量采用閉環(huán)控制，閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是能夠自動(dòng)修正外部因素的影響，保持目標(biāo)值的穩(wěn)定。為了確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行，檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)信號(hào)具有不同的冗余校驗(yàn)功能：有些是直接冗余，如插銷間隙檢測(cè)采用雙位移傳感器，同一屋蓋有2組轉(zhuǎn)角檢測(cè)等；有些是通過(guò)間接關(guān)聯(lián)形成冗余，如張力檢測(cè)與變頻電機(jī)力矩檢測(cè)、卷筒碼盤同步檢測(cè)與臺(tái)車接近開關(guān)檢測(cè)等。

圖15 活動(dòng)屋蓋開合控制系統(tǒng)流程Fig.15 Flowchart of Opening and Closing Control System for Retactable Roof

由于主要狀態(tài)均實(shí)現(xiàn)冗余檢測(cè)，因此本系統(tǒng)具備了自校驗(yàn)故障的報(bào)警功能，當(dāng)系統(tǒng)源一旦發(fā)生故障時(shí)，立即切入最安全的事故工況。

（2）監(jiān)控系統(tǒng)

為便于操作人員遠(yuǎn)程監(jiān)控屋蓋的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置了多個(gè)攝像頭，可以監(jiān)控各個(gè)臺(tái)車、2片活動(dòng)屋蓋之間的插銷位置以及牽引驅(qū)動(dòng)機(jī)房等實(shí)時(shí)情況。通過(guò)操作室的大屏幕多畫面顯示器，可以監(jiān)控機(jī)械設(shè)備各個(gè)部分的運(yùn)行狀況。監(jiān)控系統(tǒng)可保存視頻信號(hào)，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障可以通過(guò)歷史記錄查找故障原因［15］。

（3）信號(hào)采集記錄與自診斷

本工程控制系統(tǒng)裝有一套工控機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)組態(tài)軟件可將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)地顯示在屏幕上，工控機(jī)的海量存儲(chǔ)器可將安裝運(yùn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤地記錄在硬盤上，以備隨時(shí)查驗(yàn)。

由于工控機(jī)具備快速數(shù)據(jù)處理能力，檢測(cè)系統(tǒng)滿足冗余和自校驗(yàn)的功能，因此可以根據(jù)檢測(cè)信號(hào)相互之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，編制自診斷程序，一旦某一關(guān)聯(lián)關(guān)系遭到破壞，即可判斷為故障。工控機(jī)的自診斷程序根據(jù)失常的檢測(cè)信號(hào)，指明故障位置和故障性質(zhì)，可使操作人員在第一時(shí)間進(jìn)行故障排除。

4.5 安全應(yīng)急保障系統(tǒng)

（1）停電狀況下的安全應(yīng)急措施

牽引系統(tǒng)全部采用斷電抱閘控制，在高速轉(zhuǎn)軸上裝有斷電抱閘制動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)在低速轉(zhuǎn)軸上裝有夾緊制動(dòng)裝置，斷電抱閘制動(dòng)系統(tǒng)能單獨(dú)提供相當(dāng)可靠的停電制動(dòng)功能。

（2）控制系統(tǒng)故障時(shí)的安全應(yīng)急措施

開閉系統(tǒng)在正常狀態(tài)下通過(guò)控制系統(tǒng)安全有序地工作，通過(guò)采集和發(fā)出信號(hào)，一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，整個(gè)開閉系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行。

（3）斷索狀況下的安全應(yīng)急措施

控制系統(tǒng)在每根鋼絲繩上均裝有測(cè)力裝置，一旦發(fā)生斷索現(xiàn)象，立即會(huì)發(fā)出信號(hào)，同時(shí)該信號(hào)會(huì)傳輸?shù)街醒肟刂破?。在發(fā)生斷索的情況下，其余變頻電機(jī)上的力矩檢測(cè)會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)力矩增大情況，該情況會(huì)通過(guò)信號(hào)傳輸?shù)街醒肟刂破?，從而使中央控制器做出反?yīng)。2種檢測(cè)信號(hào)均反映到中央控制器上，通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)異常信號(hào)做出反應(yīng)，第一時(shí)間通知操作人員，并能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)停止。這種安全措施能使某根鋼絲繩斷裂的情況下及時(shí)制止其繼續(xù)發(fā)生，從而不會(huì)發(fā)生多根索斷裂的惡性循環(huán)。

鋼絲繩采用的安全系數(shù)為6.0，一個(gè)電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)控制箱控制2根鋼絲繩。由于控制系統(tǒng)的安全措施，不會(huì)發(fā)生2根及以上鋼絲繩斷裂的情況。在某根鋼絲繩斷裂的情況下，對(duì)應(yīng)的臺(tái)車能及時(shí)做出制動(dòng)響應(yīng)，與其他沒(méi)有斷裂的鋼絲繩一起作用將活動(dòng)屋蓋緩慢停在原位，從而能安全地牽引整個(gè)活動(dòng)屋蓋，不致發(fā)生整個(gè)系統(tǒng)癱瘓的惡劣狀況。

電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)制動(dòng)器采用的安全系數(shù)為1.5，在某根鋼絲繩斷裂的情況下，引起的其余制動(dòng)器的力矩增加不會(huì)導(dǎo)致非正常工作狀態(tài)的發(fā)生，因此，該系統(tǒng)在斷索情況下具有良好的安全保障措施。

（4）火災(zāi)狀況下的安全應(yīng)急措施

體育場(chǎng)館發(fā)生火災(zāi)的可能性很小，但在開閉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中必須考慮各種最不利因素，制動(dòng)的冗余設(shè)計(jì)，特別是機(jī)械制動(dòng)能力（臺(tái)車制動(dòng)能力、鋼絲繩制動(dòng)能力、電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)制動(dòng)器等常閉型制動(dòng)能力）設(shè)計(jì)讓開閉系統(tǒng)在火災(zāi)發(fā)生時(shí)使整個(gè)系統(tǒng)處于安全狀態(tài)下。

鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)活動(dòng)屋蓋控制系統(tǒng)的操作臺(tái)見(jiàn)圖16，建成后的體育場(chǎng)實(shí)景見(jiàn)圖17。

5 活動(dòng)屋蓋驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)的管理

鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)活動(dòng)屋蓋機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)屬于重要的特殊設(shè)施，需要通過(guò)嚴(yán)格的管理措施確保其安全性、可靠性與耐久性。切實(shí)做好驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)的維護(hù)管理工作對(duì)保障活動(dòng)屋蓋正常運(yùn)行非常重要。在開合方式和驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮方便運(yùn)行操作與維修管理，加注潤(rùn)滑脂等使維護(hù)保養(yǎng)容易進(jìn)行，在軌道上的所有部位均可進(jìn)行維修，需要修理的部件拆卸、更換方便。應(yīng)通過(guò)人員或攝像監(jiān)控設(shè)備對(duì)屋蓋開合過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，專用監(jiān)控室應(yīng)設(shè)在能夠看到活動(dòng)屋蓋運(yùn)行情況、視線良好的位置，并通過(guò)定期檢查或臨時(shí)檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障與缺陷。根據(jù)開合屋蓋基本狀態(tài)與使用要求，明確全開、全閉狀態(tài)以及開合屋蓋運(yùn)行的條件，并制定相應(yīng)的管理措施。

5.1 運(yùn)行管理

制定開合屋蓋使用手冊(cè)，對(duì)運(yùn)行條件（氣溫、風(fēng)力、降雪、降雨等）做出明確規(guī)定，相關(guān)人員專門培訓(xùn)，運(yùn)行管理專人負(fù)責(zé)。應(yīng)制定活動(dòng)屋蓋運(yùn)行與維護(hù)的相關(guān)規(guī)定與注意事項(xiàng)，確保活動(dòng)屋蓋安全操作和使用，制定活動(dòng)屋蓋發(fā)生事故時(shí)的應(yīng)急預(yù)案。

保證定期運(yùn)行、保養(yǎng)，確保機(jī)械零件處于良好的工作狀態(tài)。活動(dòng)屋蓋在全開、全閉以及運(yùn)行過(guò)程中保持姿態(tài)正確無(wú)誤，機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)5年而不大修。在外部天氣條件允許的情況下對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行檢查，機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在軌道上的所有部位都可以進(jìn)行維修。

5.2 維護(hù)保養(yǎng)

（1）定期進(jìn)行運(yùn)行檢查，屋蓋每月至少打開或關(guān)閉1次，保持設(shè)備的良好運(yùn)行狀態(tài)。

（2）每次動(dòng)作前，應(yīng)檢查鋼索位置與張拉是否正確，軌道處不準(zhǔn)有任何雜物；夾軌器是否能夠打開，電動(dòng)插銷推桿是否正常工作。

（3）每月進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，注意檢查各個(gè)行程開關(guān)，使其保持良好的狀態(tài)。檢查各部件連接螺栓的緊固狀況，防止螺栓松脫；檢查焊接部位的情況，發(fā)現(xiàn)焊接裂紋及時(shí)記錄報(bào)告。

（4）每月檢查各個(gè)控制臺(tái)、配電柜、配電箱等設(shè)備，使其保持良好的工作狀態(tài)；檢查內(nèi)容填寫到維護(hù)保養(yǎng)記錄表中。

（5）每半年對(duì)整個(gè)機(jī)械、控制系統(tǒng)進(jìn)行一次全面的維護(hù)保養(yǎng)；各個(gè)加油點(diǎn)每半年加注一次潤(rùn)滑脂，必須保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性，并填寫半年維護(hù)保養(yǎng)記錄表。

（6）嚴(yán)格按照使用要求定期更換潤(rùn)滑脂與電池。

（7）每2年由專業(yè)維護(hù)工程師對(duì)整個(gè)屋蓋機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行一次全面的檢查與維護(hù)保養(yǎng)。

（8）電氣設(shè)備均應(yīng)防雨、防潮，如果出現(xiàn)淋雨和受潮現(xiàn)象，立即擦拭干凈，并用烘干機(jī)烘干，檢查絕緣性能符合要求后，才允許通電使用。

（9）遇到緊急情況時(shí)，應(yīng)立即停止設(shè)備運(yùn)行。

（10）如果設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中突然停止工作，必須查明原因，才允許其繼續(xù)工作。

（11）及時(shí)清理設(shè)備污漬，保持設(shè)備的整潔。

（12）定期對(duì)固定屋蓋、活動(dòng)屋蓋進(jìn)行全面檢查，出現(xiàn)異常情況應(yīng)及時(shí)記錄處理。

5.3 屋蓋開合操作

（1）每次屋蓋開合操作前，維修人員應(yīng)對(duì)機(jī)械、控制設(shè)備進(jìn)行全面檢查。

（2）在開合操作過(guò)程中，操作人員與指揮人員用對(duì)講機(jī)隨時(shí)聯(lián)系，根據(jù)指令動(dòng)作。

（3）在屋蓋開合的全過(guò)程中，操作人員嚴(yán)禁脫離崗位。

（4）操作前應(yīng)檢查控制系統(tǒng)是否正常，并啟動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。

（5）檢查風(fēng)速儀數(shù)據(jù)，并記錄。

（6）屋蓋在半開狀態(tài)的停留時(shí)間不能超過(guò)10 min，在全閉狀態(tài)應(yīng)插上插銷。設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，要利用監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控開合全過(guò)程，觀察系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)是否有異常，并及時(shí)填寫屋蓋開合運(yùn)行記錄表。

（7）以下情況嚴(yán)禁屋蓋開合操作：①災(zāi)害性天氣（如風(fēng)速超過(guò)12m·s－1的大風(fēng)、地震、中雨及以上）；②機(jī)械設(shè)備檢查有異常情況，機(jī)械工程師不同意運(yùn)行；③控制系統(tǒng)檢查有異常情況，自控工程師不同意運(yùn)行；④屋蓋設(shè)備（如燈光、音響等）、排水系統(tǒng)等檢修維護(hù)；⑤其他非正常工作狀態(tài)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的鋼絲繩驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行改進(jìn)，使鋼索系統(tǒng)作用于固定屋蓋的反力顯著減小，驅(qū)動(dòng)可靠性提高。在活動(dòng)屋蓋每榀桁架端部設(shè)置2個(gè)臺(tái)車，增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減小單個(gè)臺(tái)車的負(fù)載，大大降低了軌道桁架桿件與軌道梁的局部壓力，取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果?？刂葡到y(tǒng)具有高智能化、高冗余度的特點(diǎn)，可以確保開合操作在各種緊急情況下的安全性。在臺(tái)車設(shè)置了多向調(diào)節(jié)裝置，可以根據(jù)運(yùn)行情況調(diào)整臺(tái)車姿態(tài)與反力，成功地解決了活動(dòng)屋蓋的左、右軌道變形不對(duì)稱問(wèn)題。針對(duì)本工程制定了詳細(xì)的活動(dòng)屋蓋運(yùn)行管理規(guī)定，對(duì)于確保開合屋蓋長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的可靠性具有重大意義。

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