国家会议中心二期开合屋面传动系统技术研究与应用（2）

5?开合屋面传动系统组成

开合屋面传动系统主要由轨道系统、行走台车装置、机械驱动系统、机械限位缓冲装置和电气控制系统组成。

5.1?轨道系统

轨道系统是开合屋面台车行走的支撑和导向构件，其结构形式设计与台车结构和驱动布置密切相关。轨道节点包含铝合金轨道、防腐垫、不锈钢螺栓、铝合金密封罩、轨道梁和支撑等。

每根铝合金轨道设置有对称分布的14个凹坑。轨道凹坑的作用是：开合屋面的主要密封都采用压密封形式，当开合屋面到达关闭位置时，所有台车进入凹坑时，竖向密封胶条压紧，使得压密封胶条有一个紧密的压缩过程，提高了密封效果。凹坑宽78?mm，深8?mm，底部水平面宽为18?mm。当开合屋面打开时，台车出坑，屋面抬高8?mm，密封胶条脱离密封面，在开启过程中密封无摩擦，可延长使用寿命，并降低了运行中的摩擦损失。

为确保轨道凹坑的安全性，对轨道凹坑受力进行计算。在具备升降功能时，验算屋盖关闭位置爬出轨道凹坑时驱动力，此时屋盖的重心角度约为3.2°，简化为在3.2°的斜面上。36?m屋盖计算驱动力197.4?kN，45?m屋盖计算驱动力245.9?kN。

5.2?行走台车装置

（1）行走台车技术特征。行走台车是开合屋面支撑行走运行的关键机械装置，每片开合屋面均由多个台车支撑在轨道上滚动运行。台车除保证运行荷载要求外，其结构还必须满足适应屋盖变形的要求，同时，还台车应方便地进行安装、维护，方便运行调试时的屋盖姿态调整。

（2）行走台车结构组成。台车分轮有导向反钩轮台车和无导向反钩轮台车两种。轮箱为台车主体，通过轴承、轮轴与无缘车轮连接。

（3）在不同运行状态台车与凹坑的结合情况。在不同运行状态台车与凹坑进行结合，如开合屋面关闭状态时，台车下沉进入凹坑；开合屋面关闭状态时，台车跨越凹坑。

5.3?机械驱动系统

（1）机械驱动系统技术特征。驱动系统采用齿轮–齿条驱动形式，由驱动装置的齿轮输送动力给开合屋面上的齿条，齿轮与齿条相互作用实现屋顶的开启与关闭；采用浮动啮合机构，保证齿轮–齿条的精确啮合，不受结构变形和安装误差的影响。南花园每个开合屋面5套驱动系统，南花园每个开合屋面7套驱动系统，总共44套驱动系统。

（2）驱动系统结构组成。为保证驱动装置适应开合屋面与轨道梁之间的变形、设备安装过程中的误差、以及开合过程中高度方向、半径方向、圆弧方向的不断变形，必须采用浮动的驱动装置设计。

开合屋面在行走过程中，固定轨道梁和开合屋面齿条梁之间的距离是不可能绝对一致的。如果采用固定的齿轮齿条啮合系统，齿轮和齿条不可能正常啮合，不是顶齿，就是啮合松动，极端情况下甚至出现脱齿情况，对驱动系统的安全性和平稳性带来很大隐患。

浮动啮合装置可以适应轨道和齿条梁之间的距离误差最大值。这个误差与轨道梁和齿条梁的安装难度有一定关系，由于齿条和轨道都是圆弧，制作安装难度大，要适当考虑加大上下浮动行程，可以适应开合屋面行走过程中屋盖的左右的轻微滑动。采用轮组导向、球铰连杆的浮动机构，保证齿轮齿条的精确啮合，防止脱齿，避免了安装误差和结构变形对传动机构的影响。

齿条梁作为驱动系统的传力构件与开合屋面结构连接，其结构形式设计与开合屋面结构和驱动布置有密切的关系。齿条梁采用钢板焊接而成，工字形齿条梁的下表面采用不锈钢材质，可以防止滚动过程中锈蚀而污染环境。

齿条采用的高强度不锈钢材质，可以保证传动系统的寿命并具有较大的安全冗余度。齿条的宽度是根据驱动力矩和开合屋面左右滑移的距离确定，使得齿轮和齿条啮合面积最小时，满足驱动力矩和左右滑移的要求。

驱动齿轮主要参数为8模数15齿。这样齿轮的分度圆直径为120?mm，根据6?m/min的驱动速度，驱动齿轮的转速为16?r/min。开合屋面按55?t的重量计算，在全开位置时，驱动的驱动力88?kN，单边驱动齿轮力为18?kN，驱动齿轮所受力矩为1056?N·m。机械传动的安全系数可以达到2倍以上。

5.4?机械限位缓冲装置

开合屋面在运行到上止点或者下止点时，通常电气控制系统会根据行程自动停止。如果一旦电气控制出现问题时，机械限位就起作用。所以为了保证开合的运行安全，必须设置机械限位缓冲装置，形成双保险作用。

在台车运行到铝型材轨道的上行程终点进入凹坑，距离凹坑3~5?mm设置聚氨酯弹性缓冲器上限位装置。下限位缓冲装置支架与主梁、轨道梁焊接在一起，支架上部安装聚氨酯弹性缓冲器，并防止发生刚性碰撞。

5.5?电气控制系统

（1）电气控制系统特性及功能。电气控制系统主要由强电电气控制和弱电电气控制两部分组成。强电电气控制主要是开合屋面的开闭提供强电电源相配套的单元等构成。弱电电气控制系统主要是开合屋面的机械设备各个部位设置有必备的传感器和数据分析处理器，组成开合屋面的运行状态，包括速度、位 置、力等多种参数的检测监控与自诊断等构成。

电气控制系统负责对开闭机械系统的集中同步控制，计算机智能化控制系统设计具有变频和自动调节功能，使每个驱动装置的动作严格保持一致，从而保证开合屋面的精确控制。每个屋盖配有一套独立的控制系统，单个屋盖配置5~7台驱动装置驱动，每个驱动装置配有位移传感器和变频调速装置，驱动装置通过变频调速装置和位移传感器组成闭环系统，所有驱动系统通过同一个控制器协调控制，保证屋盖各驱动点位移同步，同步精度控制在5?mm之内，当同一开启屋面出现大于15?mm以上的不同步现象时，控制系统将发指令，屋面将停止移动，应进行调整维修。

（2）电气控制系统原理。检测、监控与自诊断系统采用闭环控制，闭环控制的优点是能够自动修正外部因素的影响，保持目标值的稳定。为了实现闭环控制必须有完整的控制系统，每个开合屋面配有以下列出主要的检测环节。为了确保系统的安全运行，检测系统的检测信号具有不同的冗余校验功能，由于主要状态均实现冗余检测，因此本系统具备了自校验故障的报警功能。虽不能形成多数表决的容错控制。但可使系统源一旦发生故障，立即切入最安全的事故工况。确保系统的安全。

信号采集记录与自诊断系统装有一套HMI系统，通过系统软件，可将设备的运行状态实时地显示在屏幕上，HMI的存储器可将运行数据准确无误地记录在存储设备上，准备随时查验。

由于HMI具备快速数据处理能力。本设计的检测系统又满足冗余和自校验的功能，因此可以根据检测信号互相之间的关联关系，编制自诊断程序，一旦某一关联关系遭到破坏，即可判断为故障，HMI的自诊断程序根据失常的检测信号，指明故障位置和故障性质，使操作人员可在第一时间进行故障排除。

控制系统是对主传动采用变频调速和位置控制，PLC通过工业总线控制驱动装置电机的转速和位移。依靠测量行程，保证屋盖同步和按照一定速度移动。

控制系统采用西门子控制器，Profibus工业总线分布式控制系统，每个驱动设备控制箱安装有变频控制器进行终端控制。与PLC相关联另安装有西门子HMI系统记录运行参数和运行自诊断程序。

操作系统采用简单的按钮操作，操作员可以通过HMI的图表显示来支配设备的状态，也可通过控制台或遥控器的按钮操作，支配屋顶的运行。

消防联动的紧急状态下，屋盖开启与消防报警装置具备联动功能，开合屋面的使用有利于火灾状态的排烟，一旦出现消防警报，屋盖可在第一时间打开屋盖，便于消防通风。

6?结束语

国家会议中心二期项目开合屋面面积大，传动系统安全性、可靠性和精度要求高，同时需满足密封要求，通过对开合屋面技术参数及难点进行分析，研究应用了国内首创的开合屋面传动系统，其各方面性能均满足设计要求，做到了传动系统与幕墙系统的完美结合，开合屋面的气密性及水密性达到国家3级密封试验标准，技术优势明显，可为类似开合屋面提供技术指导，具有广泛的推广价值。

（本文已完结）