北京冬奧會升降臺試驗樣機的設計及試驗

    摘   要₪✘：

     介紹了北京冬奧會開閉幕式地面舞臺系統中的升降臺樣機的設計和試驗過程↟↟，供設計及道具試驗參考▩••◕▩。

1 概述

  北京冬奧會開閉幕式演出前期方案中地面舞臺系統的裝置尺寸大↟↟，升降臺的執行速度快▩╃、行程大↟↟，安全性要求高↟↟，控制精度要求嚴格▩••◕▩。為了適應開閉幕式演出要求↟↟，在演出工藝方案制定期間↟↟，設計一臺演出裝置試驗樣機↟↟，並針對此樣機進行各項試驗和研究↟↟，包括進行總體機械和控制系統試驗▩╃、各零

部件的可靠性試驗等↟↟，並將研究結果應用於真正演出裝置的設計製造↟↟，具有重要的意義▩••◕▩。

2 主要引數要求

設計任務書主要引數要求見表1▩••◕▩。

 

 

 

3 整機設計

整機設計如圖1所示▩••◕▩。

圖1 升降臺樣機設計圖

臺體分上下兩層↟↟，兩層之間可以儲存道具▩••◕▩。主臺驅動採用銷齒鏈條升降▩••◕▩。由於設定升降臺為獨立升降單元↟↟，周圍沒有鋼結構及其他建築↟↟，所以導向系統採用三副剪刀撐系統▩••◕▩。其中一副主導向↟↟，為兩級剪刀撐；另外兩副為四級剪刀撐輔助導向▩••◕▩。主副剪刀撐呈90°佈置↟↟，可以防止兩個方向發生側傾覆▩••◕▩。為了試驗多種驅動形式↟↟，上層子臺採用電動缸升降方式↟↟，子臺導向採用套筒導向系統▩••◕▩。

考慮到演出的重要程度↟↟，主臺驅動動力採用冗餘設計↟↟，為等功率一主一備電機▩••◕▩。當其中一臺發生故障時↟↟，另一臺可隨時起動↟↟，裝置執行速度不發生改變↟↟，保證演出連續▩••◕▩。主驅動系統如圖2所示▩••◕▩。

圖2 主驅動系統

主驅動系統使用四根100R銷齒剛性鏈頂升臺體↟↟，銷齒鏈載荷使用能力引數如圖3所示▩••◕▩。

圖3 銷齒鏈載荷引數

主臺體導向裝置採用多級剪刀撐導向↟↟，其中一主兩輔↟↟，如圖4所示▩••◕▩。

圖4 主臺體導向裝置

主剪刀撐起主要導向作用↟↟，基於空間所限↟↟，採用了兩級設計↟↟，為了加強支撐剛性↟↟，設計成框架式結構↟↟，如圖5所示▩••◕▩。

圖5 主剪刀撐設計圖

由於縱向空間限制↟↟，輔助導向剪刀撐設計成四級單臂形式↟↟，主要防止縱向傾覆↟↟，同時輔助主導向系統▩••◕▩。

二層升降子臺要基於土建基坑深度及儲存道具的演出工藝需求進行設計▩••◕▩。鑑於空間所限↟↟，也為了試驗多種頂升裝置的效能↟↟，子臺驅動採用了齒輪螺旋絲槓傳動機械缸方式升降↟↟，導向系統採用套筒形式▩••◕▩。

子臺驅動系統佈置如圖6所示↟↟，螺旋機械缸裝置如圖7所示↟↟，導向系統如圖8所示▩••◕▩。

圖6 子臺驅動系統

圖7 子臺螺旋機械缸裝置               圖8 子臺導向系統採用套筒形式

主臺升降行程控制採用拉線編碼器裝置控制↟↟，在臺體的對角方位設定兩臺↟↟，起到控制行程和監測檯面水平度的作用▩••◕▩。

為了測量臺體自重及載入情況↟↟，在每臺銷齒頂升鏈頂端與臺體連線處設定了壓力感測器↟↟，可分別測出每根銷齒鏈條的承重及總載荷▩••◕▩。壓力感測器裝置如圖9所示▩••◕▩。

圖9 壓力感測器裝置

4 傳動系統選型計算

主臺的計算和選型結果見表2↟↟，子臺的計算和選型結果見表3▩••◕▩。

 

 

 

5 主臺體結構計算

透過對升降臺的使用工況進行分析↟↟，建立了升降臺主臺體結構的模擬計算模型↟↟，對上升到位工況進行了有限元模擬計算↟↟，得出了主臺體結構的應力▩╃、位移和安全係數▩••◕▩。計算結果表明↟↟，升降臺主臺體結構設計滿足要求▩••◕▩。

 

5.1 有限元模型

升降臺有限元模型如圖10所示↟↟，材料為Q235↟↟，採用ABAQUS梁單元建模↟↟，網格大小20 mm↟↟，單元數量為95 746個↟↟，結點數量為95 786個↟↟，單元型別B31▩••◕▩。臺體▩╃、剛性鏈為一個整體↟↟，剪刀撐與臺體結構連線如圖10▩╃、表4所示▩••◕▩。

圖10 舞臺升降臺有限元模型示意

 

 

 

5.2 載荷工況

升降臺將檯面上升到最高位置時↟↟，剛性鏈伸出的距離最大▩╃、剪刀撐的伸長量最大▩╃、舞臺升降臺的受力工況最惡劣▩••◕▩。此時的載荷工況如表5所示▩••◕▩。

5.3 計算結果

5.3.1 工況一

計算結果如圖11▩╃、圖12所示▩••◕▩。

5.3.2 工況二

計算結果如圖13▩╃、圖14所示▩••◕▩。

5.3.3 工況三

計算結果如圖15▩╃、圖16所示▩••◕▩。

5.3.4 工況四

計算結果如圖17▩╃、圖18所示▩••◕▩。

5.3.5 工況五

計算結果如圖19▩╃、圖20所示▩••◕▩。

5.3.6 計算結果

計算結果彙總見表6▩••◕▩。

 

6 升降臺樣機試驗

6.1 試驗目的

試驗目的如下₪✘：驗證控制系統▩╃、驅動系統及升降臺本體的匹配性；驗證升降臺的剛度▩╃、強度；驗證升降臺在各工況的功能▩╃、效能滿足情況▩••◕▩。

 

 

圖 20 主臺試驗中                          圖 21 主臺升降試驗中

 

 

圖22 子臺升降試驗中

 

6.2 部分試驗結果

現摘錄部分試驗結果及故障分析▩••◕▩。

6.2.1 升降臺水平偏移量試驗

對裝置進行了1 000次升降記錄了銷齒鏈頂端水平方向位置變化見表7▩••◕▩。

 

 

結果分析₪✘：舞臺面單維水平方向執行公差值不大於0.01 mm↟↟，說明臺體剛度滿足要求↟↟，雙向剪刀導向機構導向精度較高↟↟，比較適合獨立臺體升降舞臺形式▩••◕▩。

6.2.2 試驗問題一

2021年12月17日↟↟，現場進行主升降平臺滿載▩╃、全速1 000次重複升降測試時↟↟，當升降臺運動到第42次下降動作時↟↟，在控臺沒有給出停止指令的情況下↟↟，升降臺異常停止▩••◕▩。隨後對控臺報警資訊和變頻器報警資訊進行收集↟↟，並對線路和機械結構進行了檢查↟↟，控臺和變頻器報警資訊均顯示為變頻器出現故障↟↟，線路和機械結構無異常▩••◕▩。諮詢變頻器廠家意見後↟↟，決定重啟裝置系統↟↟，並繼續執行裝置↟↟，使故障復現↟↟，同時監控裝置電流▩╃、電壓和位置偏差曲線↟↟，並分析▩••◕▩。在此後的測試中↟↟，此故障又多次出現↟↟，在獲得了更多曲線資料的情況下對故障原因進行了分析▩••◕▩。

6.2.2.1 問題定位

(1)控臺故障檢查₪✘：檢查控臺報警資訊↟↟，顯示為“變頻器狀態異常”▩••◕▩。排除控制檯故障↟↟，並初步判斷為下降過程中因變頻器內部引數設定不當或機械機構卡頓等問題引起的過壓現象▩••◕▩。

(2)變頻器故障檢查₪✘：檢查變頻器故障報警資訊↟↟，顯示故障資訊為“過壓”▩••◕▩。

(3)機械機構故障檢查₪✘：檢查機械機構↟↟，目視沒有干涉及阻滯部位↟↟，傳動結構螺絲沒有鬆動↟↟，部件無脫開部分▩••◕▩。

6.2.2.2 故障分析

(1)控臺故障分析₪✘：透過對控臺報警資訊分析↟↟，初步得出故障原因是由於變頻器報警↟↟，導致裝置異常停止↟↟，報警狀態資訊傳遞到控臺▩••◕▩。除此之外↟↟，控臺無其他報警資訊▩••◕▩。

(2)變頻器故障分析₪✘：透過檢查變頻器報警資訊↟↟，顯示報警程式碼為“過壓”▩••◕▩。隨後調取變頻器發生故障時的電流▩╃、電壓和位置偏差曲線↟↟，並進行分析▩••◕▩。

圖23的電流曲線（綠色曲線）主要透過變頻器內部的電流值反映變頻器的速度輸出情況▩••◕▩。透過曲線可以明顯看出↟↟，在變頻器執行過程中出現速度震盪的情況↟↟，並且震盪波形不收斂↟↟，直至曲線發散一定程度後變頻器出現異響↟↟，但沒有過壓▩╃、急停▩••◕▩。

 

圖 23 變頻器異響時電流曲線

經過對過壓時電流曲線分析↟↟，發現與變頻器異響時的曲線相似↟↟，均出現了震盪▩╃、發散的趨勢↟↟，當發散後的數值超過極限值後↟↟，便出現過壓▩╃、急停等現象▩••◕▩。

同時↟↟，透過對電壓▩╃、位置偏差曲線的分析↟↟，發現裝置在出現故障前↟↟，均發生了“超調”現象▩••◕▩。位置偏差逐漸加大↟↟，直到超過極限值後↟↟，故障出現▩••◕▩。

 

 

6.2.2.3 故障處理措施及驗證

在與變頻器廠家溝通後↟↟，決定調整變頻器引數第3.010項↟↟，即“速度控制器比例增益”↟↟，此引數為變頻器PID調節的比例係數▩••◕▩。參照出現的故障↟↟，將此引數調低後繼續對裝置進行測試↟↟，隨後裝置正常執行↟↟，無故障出現▩••◕▩。由於PID引數並無固定參考數值↟↟，需要根據實際情況不斷修正↟↟，因此後續將會透過大量測試對此引數進行驗證↟↟，直至引數完全適應裝置剛性需求↟↟，避免因PID引數不當再次引起超調現象▩••◕▩。

6.2.3 試驗問題二

2020年12月30日↟↟，現場進行主升降平臺滿載試驗↟↟，在當天下午升降臺共執行5次↟↟，其中在後4次的下降過程中均發生變頻器過流報警↟↟，造成升降臺異常急停▩••◕▩。

隨後對控臺報警資訊和變頻器報警資訊進行收集↟↟，並對線路和機械結構進行了檢查↟↟，控臺和變頻器報警資訊均顯示為變頻器出現故障↟↟，線路和機械結構無異常▩••◕▩。

透過外部計算機對變頻器的執行狀態監測↟↟，獲取其了母線電壓▩╃、工作電流▩╃、位置超差▩╃、抱閘狀態等資訊↟↟，並據此進行故障分析▩••◕▩。

 

 

 

6.2.3.1 故障分析

透過檢查變頻器報警資訊↟↟，顯示報警程式碼為“過流”↟↟，隨後調取變頻器發生故障時以及正常工作時的電流▩╃、電壓和位置偏差曲線↟↟，並進行對比分析▩••◕▩。

透過兩種情況下的曲線對比↟↟，不難定位出故障發生時曲線的位置▩••◕▩。為了方便分析↟↟，將區域性影象放大觀察▩••◕▩。

圖29▩╃、圖30透過不斷地區域性放大↟↟，可以準確地定位到故障區域性點▩••◕▩。透過區域性區域圖片的曲線▩╃、時序關係↟↟，可以清晰地分析出故障原因▩••◕▩。

 

 

經分析↟↟，為變頻器內部電流控制環的PID引數設定不當↟↟，在下降過程中變頻器工作電流不夠穩定↟↟，產生震盪↟↟，並且在震盪過程中的某一瞬間↟↟，電流值觸發變頻器的閾值下限↟↟，電流過小造成電機沒有力矩輸出↟↟，因此變頻器立即做出判斷↟↟，控制抱閘動作▩••◕▩。抱閘關閉後↟↟，電機並未停止執行↟↟，由於抱閘過大的制動力矩致使執行中的電機工作一定時間後發出過流報警↟↟，隨即變頻器報警並急停▩••◕▩。

6.2.3.2 採取的措施及驗證

決定調整變頻器引數4.013↟↟，即“電流Kp值”↟↟，此引數為變頻器電流PID調節的比例係數↟↟，將原有的150降低至100▩••◕▩。引數修改後↟↟，升降臺持續測試20餘次↟↟，均無報警情況發生↟↟，暫認為故障問題解決↟↟，後續依舊保持觀察▩••◕▩。

6.2.4 主要試驗問題彙總

試驗過程中出現的主要問題見表8▩••◕▩。

透過升降臺樣機一個月時間的執行試驗↟↟，其中有間斷和連續編組執行↟↟，獲取了裝置實際執行的主要效能資料↟↟，發現裝置存在的一些主要問題涉及到裝置的設計▩╃、安裝▩╃、控制▩╃、電氣▩╃、外購裝置▩╃、維護使用等諸多方面↟↟，也針對各種問題提供瞭解決方案▩••◕▩。

 

 

7 結語

經過了升降臺樣機的設計▩╃、製造▩╃、安裝▩╃、試驗的整體流程↟↟，收穫包括₪✘：基本把握了一些配套裝置的質量情況及供貨週期；檢驗驗證了裝置各項功能▩╃、效能；驗證了控制系統▩╃、驅動系統及升降臺本體的匹配性；驗證了升降臺的剛度▩╃、強度；檢測了行程開關▩╃、安全防剪下▩╃、感測器等零部件的靈敏性；驗證升降臺在各工況的功能▩╃、效能滿足情況；發現了一些設計▩╃、製造▩╃、安裝▩╃、使用過程中的問題和潛在的裝置風險▩••◕▩。升降臺樣機的設計及試驗↟↟，為後續工程中裝置的設計▩╃、製造▩╃、安裝和使用提供了借鑑↟↟，本試驗樣機亦可作為冰立方升降及拋冰等各種演出創意試驗的後備載體▩••◕▩。

 

 

 

選自 2022年《演藝科技 冬奧特刊》劉雙佔↟↟，趙勁彪↟↟，申紀剛《北京冬奧會升降臺試驗樣機的設計及試驗》▩••◕▩。轉載請標註₪✘：演藝科技傳媒▩••◕▩。更多詳細內容請參閱《演藝科技  冬奧特刊》▩••◕▩。

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