500m口徑球面電弧望遠(yuǎn)鏡饋源支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)

500m口徑球面電弧望遠(yuǎn)鏡饋源支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)

500m地球反射望遠(yuǎn)鏡（fast）是國(guó)家科學(xué)和技術(shù)委員會(huì)提出的國(guó)家九大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施之一。FAST作為世界最大的單口徑望遠(yuǎn)鏡,建成后將在未來20～30年保持世界一流地位。全新的設(shè)計(jì)思路,加之得天獨(dú)厚的臺(tái)址優(yōu)勢(shì),使其突破了望遠(yuǎn)鏡的百米工程極限,開創(chuàng)了建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡的新模式。FAST主要由反射面、饋源支撐系統(tǒng)等6大系統(tǒng)組成,饋源支撐系統(tǒng)主要由6個(gè)支撐塔、6套索驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、饋源艙等子系統(tǒng)組成。索驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)、地面導(dǎo)向滑輪、塔頂導(dǎo)向滑輪、鋼絲繩、電纜光纜及其支撐結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱窗簾機(jī)構(gòu))、檢測(cè)與安全保護(hù)裝置、電氣設(shè)備及電氣控制系統(tǒng)等組成,見圖1。1輸入設(shè)計(jì)1.1入港工況及極端工況分析饋源支撐系統(tǒng)具有4種工作狀態(tài):跟蹤工況在望遠(yuǎn)鏡跟蹤觀測(cè)時(shí),饋源艙運(yùn)動(dòng)較為緩慢,但要求毫米級(jí)精度的定位控制;換源工況饋源艙由一個(gè)觀測(cè)目標(biāo)位置移動(dòng)到新的觀測(cè)目標(biāo)位置的過程稱為換源,在望遠(yuǎn)鏡換源時(shí),饋源艙運(yùn)動(dòng)較為迅速,但除運(yùn)動(dòng)終點(diǎn)外無其他定位要求;入港工況入港是指FAST在暫停使用期間(如設(shè)備檢修維護(hù),躲避惡劣天氣等情況),FAST饋源艙由觀測(cè)區(qū)域返回下降至主動(dòng)反射面中心的入港平臺(tái)的過程;極端工況極端工況是6根支撐索其中1根偶然發(fā)生斷繩的嚴(yán)重事故,原因包括艙索錨固頭或鋼絲繩疲勞損傷,導(dǎo)致艙索連接或索塔連接的突然斷裂。極端工況下,要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠緊急制動(dòng),待整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定下來,能夠?qū)佋磁摻抵寥敫燮脚_(tái)。以上4種工作狀態(tài)下,索驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠收放鋼絲繩,承載和驅(qū)動(dòng)饋源艙在百米尺度大工作空間內(nèi)運(yùn)動(dòng),滿足饋源艙4種工況的運(yùn)行需求。1.2換源時(shí)的主題饋源艙質(zhì)量:～30t;一級(jí)索驅(qū)動(dòng)控制精度:空間位置誤差最大值≤48mm,空間姿態(tài)誤差最大值≤1°;跟蹤時(shí)饋源艙的拖動(dòng)速度:0～4.9(11.6)mm/s(與跟蹤曲線相關(guān));換源時(shí)饋源艙的拖動(dòng)速度(無定位精度要求):0～400mm/s;在塔頂處,鋼絲繩張力方向的水平投影與塔分布圓的徑向所成夾角在±20°范圍變化,俯仰角變化范圍(與水平面夾角)為-25.17°～-13.65°,入港時(shí)為-42°;正常運(yùn)行時(shí)鋼絲繩張力約為179～388kN(包含纜線入艙機(jī)構(gòu)重力),在極端工況下可達(dá)700kN;繩長(zhǎng)變化范圍(自塔頂導(dǎo)向滑輪出索點(diǎn)至艙索錨固點(diǎn))為220～420m;單根鋼絲繩收/放精度(卷筒出繩點(diǎn)處):2mm。2設(shè)計(jì)輸出2.1機(jī)構(gòu)級(jí)別的確定根據(jù)索驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用工況,按照GB/T3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》確定索驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作級(jí)別為M6。2.2起升機(jī)構(gòu)的選擇根據(jù)GB/T3811—2008鋼絲繩安全系數(shù)規(guī)定選擇鋼絲繩,對(duì)于M6工作級(jí)別的機(jī)構(gòu),運(yùn)動(dòng)繩的安全系數(shù)為5.6;根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《ASMENOG-1核電廠用起重設(shè)備制造標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定,起升機(jī)構(gòu)其中一根鋼絲繩破斷,對(duì)另一根鋼絲繩的沖擊載荷,鋼絲繩安全系數(shù)不低于2.5;根據(jù)德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《KTA3902核電廠用起重設(shè)備設(shè)計(jì)》中規(guī)定,起升機(jī)構(gòu)其中一根鋼絲繩破斷,對(duì)另一根鋼絲繩的沖擊載荷,鋼絲繩安全系數(shù)不低于3。另外考慮索驅(qū)動(dòng)實(shí)際工況,完全裸露于室外,受氣候影響嚴(yán)重,而且維護(hù)困難,擬采用具有高破斷拉力、高抗腐蝕性、高抗疲勞強(qiáng)度等綜合特性的鋼絲繩。經(jīng)計(jì)算選擇鋼絲繩直徑50mm,在388kN拉力下安全系數(shù)為5.7。極端工況(其中一根鋼絲繩破斷)700kN拉力下安全系數(shù)為3.2,1根繩破斷5根繩平衡后最大拉力450kN時(shí)安全系數(shù)4.9。所選鋼絲繩完全滿足工況要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。2.3卷揚(yáng)機(jī)設(shè)計(jì)2.3.1合并牽引的空間合成速度饋源艙的運(yùn)行速度,無論是換源工況的速度400mm/s,還是跟蹤工況的最大速度11.6mm/s,均為6臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)并聯(lián)牽引的空間合成速度,當(dāng)饋源艙沿著某根鋼絲繩運(yùn)行時(shí),該卷揚(yáng)機(jī)最大運(yùn)行速度即為饋源艙的運(yùn)行速度,而其他卷揚(yáng)機(jī)的速度均小于饋源艙的運(yùn)行速度,當(dāng)饋源艙沿著其他方向(并非沿著某根鋼絲繩)運(yùn)行時(shí),所有卷揚(yáng)機(jī)的速度均小于饋源艙的運(yùn)行速度。在饋源艙運(yùn)行過程中,每臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)的速度及拉力都是不斷變化的,而且均非線性變化,甚至?xí)芯頁P(yáng)機(jī)出現(xiàn)接近0速跟蹤的工況。2.3.2轉(zhuǎn)速為6極電機(jī)+小電機(jī)根據(jù)換源工況與跟蹤工況所需功率不同,采用雙輸入單輸出行星減速器,利用大小電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)。換源工況所需功率182kW,選擇電機(jī)200kW,6極電機(jī),轉(zhuǎn)速989r/min,減速器速比330：1。跟蹤工況速度4.9mm/s時(shí)所需功率2.2kW,考慮電機(jī)1：10調(diào)速,低速穩(wěn)定運(yùn)行,電機(jī)功率需增加10倍,選擇電機(jī)22kW,6極電機(jī),轉(zhuǎn)速975r/min,減速器速比2656：7。跟蹤工況分2個(gè)階段運(yùn)行,速度為0～4.9mm/s時(shí),需要大小電機(jī)配合驅(qū)動(dòng),大電機(jī)按最小速度即5Hz反向運(yùn)行(98.9r/min),而小電機(jī)速度從40.4～45.4Hz正向運(yùn)行(787.8～885.3r/min);速度為4.9～11.6mm/s時(shí),小電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng),大電機(jī)側(cè)制動(dòng)器上閘。換源工況分3個(gè)階段運(yùn)行,速度≤11.6mm/s時(shí),分2個(gè)階段運(yùn)行,同跟蹤工況;速度>11.6mm/s時(shí),小電機(jī)側(cè)制動(dòng)器上閘,大電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。兩級(jí)高速軸均設(shè)置工作制動(dòng)器與緊急制動(dòng)器,低速軸設(shè)置安全制動(dòng)器。正常工況,機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行時(shí),緊急制動(dòng)器延時(shí)于工作制動(dòng)器上閘,機(jī)構(gòu)起動(dòng)時(shí),緊急制動(dòng)器提前于工作制動(dòng)器開閘,安全制動(dòng)器不動(dòng)作,始終處于開閘狀態(tài);事故狀態(tài),三級(jí)制動(dòng)器同時(shí)上閘,如圖2。2.3.3高速與低頻運(yùn)行根據(jù)換源工況及跟蹤工況,采用調(diào)速比范圍大(1000：1)的交流變頻電機(jī)或交流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)高速與低速運(yùn)行,按照最大功率182kW,選擇電機(jī)200kW,6極電機(jī),額定轉(zhuǎn)速989r/min(50Hz),低速穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)速可以接近0,減速器速比330：1。制動(dòng)器的設(shè)置及動(dòng)作同方案1,見圖3。2.3.4主加速器驅(qū)動(dòng)方式的確定根據(jù)換源工況及跟蹤工況,采用雙電機(jī)雙減速器互相交替驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)高速與低速運(yùn)行,分別適用于換源工況與跟蹤工況。按照換源工況最大速度400mm/s,所需最大功率182kW,選擇大電機(jī)200kW,6極電機(jī),額定轉(zhuǎn)速989r/min,主減速器速比330：1,大電機(jī)通過電動(dòng)離合器驅(qū)動(dòng)主減速器;根據(jù)跟蹤工況,最大跟蹤速度11.6mm/s,所需最大功率5.5kW,選擇電機(jī)、減速器、制動(dòng)器三合一驅(qū)動(dòng)單元,功率5.5kW,輸出轉(zhuǎn)速12.1r/min,最小跟蹤速度可以達(dá)到1.16mm/s,三合一驅(qū)動(dòng)單元通過電動(dòng)離合器驅(qū)動(dòng)主減速器的另一端高速軸。無論是換源工況還是跟蹤工況,按照運(yùn)行速度卷揚(yáng)機(jī)分為2種驅(qū)動(dòng)方式,當(dāng)速度大于11.6mm/s時(shí),大電機(jī)與主減速器結(jié)合并驅(qū)動(dòng),三合一驅(qū)動(dòng)單元與主減速器脫開;當(dāng)速度不大于11.6mm/s時(shí),三合一驅(qū)動(dòng)單元與主減速器結(jié)合并驅(qū)動(dòng),大電機(jī)與主減速器脫開。制動(dòng)器的設(shè)置及動(dòng)作同方案1,見圖4。2.3.5電機(jī)、單抗組合的匹配給付方式方案1采用雙電機(jī)、行星減速器布置型式,優(yōu)點(diǎn)是各外購件均為標(biāo)準(zhǔn)件,易于采購;缺點(diǎn)是控制復(fù)雜,因?yàn)榘凑者\(yùn)行速度分為3個(gè)階段控制,尤其在0～4.9mm/s階段,2個(gè)電機(jī)配合使用,必須連續(xù)計(jì)算進(jìn)行匹配給定,才能最終輸出所需速度及力矩,所以對(duì)控制要求較高。方案2采用單電機(jī)、單減速器布置型式,優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)鏈簡(jiǎn)單,控制方便;缺點(diǎn)是電機(jī)需要特殊定制,價(jià)格較高,采購周期較長(zhǎng)。綜合比較方案1、方案2:在部件配置方面方案1比方案2多1個(gè)電機(jī)、1套控制系統(tǒng)、2臺(tái)高速軸制動(dòng)器以及減速器行星包,但是相對(duì)方案2的高價(jià)格電機(jī),2方案整體價(jià)格基本相當(dāng)。所以方案2作為首選。由于方案3中電動(dòng)離合器應(yīng)用在起升機(jī)構(gòu),性能不是很可靠,而且多數(shù)應(yīng)用在運(yùn)行機(jī)構(gòu)或平移機(jī)構(gòu),在起升機(jī)構(gòu)或其他位能變化的機(jī)構(gòu)應(yīng)用很少,另外也不能完全實(shí)現(xiàn)接近0速跟蹤的基本功能,所以該方案只供參考。2.4地面導(dǎo)向滑輪根據(jù)GB/T3811—2008規(guī)定,對(duì)于工作級(jí)別M6的機(jī)構(gòu),輪繩直徑比大于22.4?，F(xiàn)采用標(biāo)準(zhǔn)系列滑輪,直徑1800mm,輪繩直徑比36。地面導(dǎo)向滑輪見圖5。塔頂導(dǎo)向滑輪見圖6,支撐座通過法蘭連接于回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈部分,回轉(zhuǎn)支承外圈部分通過法蘭連接于塔頂固定基礎(chǔ),這樣塔頂導(dǎo)向滑輪即可滿足鋼絲繩在水平面內(nèi)±20°夾角變化范圍,導(dǎo)向滑輪均設(shè)置防護(hù)罩,避免回轉(zhuǎn)支承及滑輪受雨淋日曬而影響潤(rùn)滑,且防止鋼絲繩在松弛狀態(tài)下脫出繩槽。2.5滑車的不嚴(yán)格設(shè)置窗簾機(jī)構(gòu)的功能是將饋源艙的控制光纜及供電電纜沿著牽引鋼絲繩送到地面中控室及供電處。窗簾機(jī)構(gòu)采用電纜滑車型式設(shè)計(jì),根據(jù)饋源艙電纜與光纜的類型、數(shù)量盡量均勻分布于6根鋼絲繩。窗簾機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2種方案。方案1:電纜滑車分固定滑車和運(yùn)行滑車兩種,滑車的長(zhǎng)度約為4倍的光纜彎曲半徑。每根鋼絲繩設(shè)置2個(gè)固定滑車,即饋源艙端設(shè)置一個(gè),塔頂端設(shè)置一個(gè),兩固定滑車之間全部采用運(yùn)行滑車,相鄰滑車之間采用小直徑鋼絲繩(牽引繩)相連使其相互牽引,以免電纜或光纜受力,且運(yùn)行滑車兩端均設(shè)置緩沖器,以免滑車之間相互碰撞造成損壞?？紤]滑車使用環(huán)境及維護(hù)條件,盡量延長(zhǎng)其使用壽命,滑車框架整體熱浸鍍鋅,滾輪采用不銹鋼材質(zhì)(考慮質(zhì)量輕,可以采用鋁合金),牽引繩采用鍍鋅鋼絲繩,采用橡膠緩沖器。當(dāng)饋源艙靠近支撐塔時(shí),該支撐塔鋼絲繩上的滑車靠攏在一起;當(dāng)饋源艙遠(yuǎn)離支撐塔時(shí),滑車通過牽引繩互相牽引拉開基本均布于鋼絲繩。結(jié)構(gòu)型式見圖7。根據(jù)鋼絲繩的運(yùn)行量設(shè)計(jì)電纜滑車的數(shù)量,塔艙之間最小距離為220m,最大距離為420m,最大距離時(shí)滑車之間距離設(shè)定5m,除兩端2個(gè)固定滑車外,中間設(shè)置83個(gè)運(yùn)行滑車。塔艙之間最小距離時(shí)滑車之間平均距離為2.6m(除了塔附近的滑車處于拉開狀態(tài),其余滑車均堆集于饋源艙側(cè)),最大懸垂2.8m。方案2:電纜滑車分固定滑車(固定夾)和運(yùn)行滑車兩種,每根鋼絲繩距饋源艙100m的范圍內(nèi)設(shè)置固定滑車,塔頂端設(shè)置一個(gè)固定滑車,其余全部采用運(yùn)行滑車,相鄰運(yùn)行滑車之間采用小直徑鋼絲繩相連使其相互牽引,以免電纜或光纜受力,運(yùn)行滑車兩端均設(shè)置緩沖器,以免相互碰撞造成損壞。見圖8。運(yùn)行滑車的布置同方案1。方案1維修方便,但是饋源艙附近滑車的堆集會(huì)影響?zhàn)佋磁撟藨B(tài)調(diào)整;方案2饋源艙附近不會(huì)形成滑車的堆集,但維護(hù)極不方便。由于饋源艙移動(dòng)速度慢,滑車的維修頻次低,權(quán)衡利弊,方案2作為首選。2.6自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)電機(jī)帶超速開關(guān)、過熱保護(hù)、增量型編碼器,低速軸(卷筒組軸端)安裝增量型編碼器、絕對(duì)值編碼器、旋轉(zhuǎn)限位開關(guān),制動(dòng)器附帶閘瓦間隙自動(dòng)補(bǔ)償裝置、閘皮磨損監(jiān)測(cè)裝置,導(dǎo)向滑輪軸端安裝絕對(duì)值編碼器,鋼絲繩與饋源艙固定端設(shè)置拉力傳感器,且在傳感器處設(shè)有二次保護(hù)裝置,防止傳感器破壞后鋼絲繩與饋源艙脫開。所有檢測(cè)與保護(hù)裝置均是為了確保索驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的安全