500m口徑球面電弧望遠鏡饋源支撐系統(tǒng)設(shè)計

500m口徑球面電弧望遠鏡饋源支撐系統(tǒng)設(shè)計

500m地球反射望遠鏡（fast）是國家科學(xué)和技術(shù)委員會提出的國家九大科學(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)計思路,加之得天獨厚的臺址優(yōu)勢,使其突破了望遠鏡的百米工程極限,開創(chuàng)了建造巨型射電望遠鏡的新模式。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個支撐塔、6套索驅(qū)動機構(gòu)、饋源艙等子系統(tǒng)組成。索驅(qū)動機構(gòu)由驅(qū)動卷揚機、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)(簡稱窗簾機構(gòu))、檢測與安全保護裝置、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):跟蹤工況在望遠鏡跟蹤觀測時,饋源艙運動較為緩慢,但要求毫米級精度的定位控制;換源工況饋源艙由一個觀測目標位置移動到新的觀測目標位置的過程稱為換源,在望遠鏡換源時,饋源艙運動較為迅速,但除運動終點外無其他定位要求;入港工況入港是指FAST在暫停使用期間(如設(shè)備檢修維護,躲避惡劣天氣等情況),FAST饋源艙由觀測區(qū)域返回下降至主動反射面中心的入港平臺的過程;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)動系統(tǒng)能夠緊急制動,待整個系統(tǒng)穩(wěn)定下來,能夠?qū)佋磁摻抵寥敫燮脚_。以上4種工作狀態(tài)下,索驅(qū)動機構(gòu)能夠收放鋼絲繩,承載和驅(qū)動饋源艙在百米尺度大工作空間內(nèi)運動,滿足饋源艙4種工況的運行需求。1.2換源時的主題饋源艙質(zhì)量:～30t;一級索驅(qū)動控制精度:空間位置誤差最大值≤48mm,空間姿態(tài)誤差最大值≤1°;跟蹤時饋源艙的拖動速度:0～4.9(11.6)mm/s(與跟蹤曲線相關(guān));換源時饋源艙的拖動速度(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°,入港時為-42°;正常運行時鋼絲繩張力約為179～388kN(包含纜線入艙機構(gòu)重力),在極端工況下可達700kN;繩長變化范圍(自塔頂導(dǎo)向滑輪出索點至艙索錨固點)為220～420m;單根鋼絲繩收/放精度(卷筒出繩點處):2mm。2設(shè)計輸出2.1機構(gòu)級別的確定根據(jù)索驅(qū)動機構(gòu)實際應(yīng)用工況,按照GB/T3811—2008《起重機設(shè)計規(guī)范》確定索驅(qū)動機構(gòu)工作級別為M6。2.2起升機構(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,對于M6工作級別的機構(gòu),運動繩的安全系數(shù)為5.6;根據(jù)美國國家標準《ASMENOG-1核電廠用起重設(shè)備制造標準》中規(guī)定,起升機構(gòu)其中一根鋼絲繩破斷,對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)德國國家標準《KTA3902核電廠用起重設(shè)備設(shè)計》中規(guī)定,起升機構(gòu)其中一根鋼絲繩破斷,對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)動實際工況,完全裸露于室外,受氣候影響嚴重,而且維護困難,擬采用具有高破斷拉力、高抗腐蝕性、高抗疲勞強度等綜合特性的鋼絲繩。經(jīng)計算選擇鋼絲繩直徑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)標準。2.3卷揚機設(shè)計2.3.1合并牽引的空間合成速度饋源艙的運行速度,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臺卷揚機并聯(lián)牽引的空間合成速度,當饋源艙沿著某根鋼絲繩運行時,該卷揚機最大運行速度即為饋源艙的運行速度,而其他卷揚機的速度均小于饋源艙的運行速度,當饋源艙沿著其他方向(并非沿著某根鋼絲繩)運行時,所有卷揚機的速度均小于饋源艙的運行速度。在饋源艙運行過程中,每臺卷揚機的速度及拉力都是不斷變化的,而且均非線性變化,甚至會有卷揚機出現(xiàn)接近0速跟蹤的工況。2.3.2轉(zhuǎn)速為6極電機+小電機根據(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,利用大小電機分別驅(qū)動。換源工況所需功率182kW,選擇電機200kW,6極電機,轉(zhuǎn)速989r/min,減速器速比330：1。跟蹤工況速度4.9mm/s時所需功率2.2kW,考慮電機1：10調(diào)速,低速穩(wěn)定運行,電機功率需增加10倍,選擇電機22kW,6極電機,轉(zhuǎn)速975r/min,減速器速比2656：7。跟蹤工況分2個階段運行,速度為0～4.9mm/s時,需要大小電機配合驅(qū)動,大電機按最小速度即5Hz反向運行(98.9r/min),而小電機速度從40.4～45.4Hz正向運行(787.8～885.3r/min);速度為4.9～11.6mm/s時,小電機單獨驅(qū)動,大電機側(cè)制動器上閘。換源工況分3個階段運行,速度≤11.6mm/s時,分2個階段運行,同跟蹤工況;速度>11.6mm/s時,小電機側(cè)制動器上閘,大電機單獨驅(qū)動。兩級高速軸均設(shè)置工作制動器與緊急制動器,低速軸設(shè)置安全制動器。正常工況,機構(gòu)停止運行時,緊急制動器延時于工作制動器上閘,機構(gòu)起動時,緊急制動器提前于工作制動器開閘,安全制動器不動作,始終處于開閘狀態(tài);事故狀態(tài),三級制動器同時上閘,如圖2。2.3.3高速與低頻運行根據(jù)換源工況及跟蹤工況,采用調(diào)速比范圍大(1000：1)的交流變頻電機或交流伺服電機實現(xiàn)高速與低速運行,按照最大功率182kW,選擇電機200kW,6極電機,額定轉(zhuǎn)速989r/min(50Hz),低速穩(wěn)定運行轉(zhuǎn)速可以接近0,減速器速比330：1。制動器的設(shè)置及動作同方案1,見圖3。2.3.4主加速器驅(qū)動方式的確定根據(jù)換源工況及跟蹤工況,采用雙電機雙減速器互相交替驅(qū)動實現(xiàn)高速與低速運行,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200kW,6極電機,額定轉(zhuǎn)速989r/min,主減速器速比330：1,大電機通過電動離合器驅(qū)動主減速器;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、減速器、制動器三合一驅(qū)動單元,功率5.5kW,輸出轉(zhuǎn)速12.1r/min,最小跟蹤速度可以達到1.16mm/s,三合一驅(qū)動單元通過電動離合器驅(qū)動主減速器的另一端高速軸。無論是換源工況還是跟蹤工況,按照運行速度卷揚機分為2種驅(qū)動方式,當速度大于11.6mm/s時,大電機與主減速器結(jié)合并驅(qū)動,三合一驅(qū)動單元與主減速器脫開;當速度不大于11.6mm/s時,三合一驅(qū)動單元與主減速器結(jié)合并驅(qū)動,大電機與主減速器脫開。制動器的設(shè)置及動作同方案1,見圖4。2.3.5電機、單抗組合的匹配給付方式方案1采用雙電機、行星減速器布置型式,優(yōu)點是各外購件均為標準件,易于采購;缺點是控制復(fù)雜,因為按照運行速度分為3個階段控制,尤其在0～4.9mm/s階段,2個電機配合使用,必須連續(xù)計算進行匹配給定,才能最終輸出所需速度及力矩,所以對控制要求較高。方案2采用單電機、單減速器布置型式,優(yōu)點是傳動鏈簡單,控制方便;缺點是電機需要特殊定制,價格較高,采購周期較長。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個電機、1套控制系統(tǒng)、2臺高速軸制動器以及減速器行星包,但是相對方案2的高價格電機,2方案整體價格基本相當。所以方案2作為首選。由于方案3中電動離合器應(yīng)用在起升機構(gòu),性能不是很可靠,而且多數(shù)應(yīng)用在運行機構(gòu)或平移機構(gòu),在起升機構(gòu)或其他位能變化的機構(gòu)應(yīng)用很少,另外也不能完全實現(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,對于工作級別M6的機構(gòu),輪繩直徑比大于22.4?，F(xiàn)采用標準系列滑輪,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)置防護罩,避免回轉(zhuǎn)支承及滑輪受雨淋日曬而影響潤滑,且防止鋼絲繩在松弛狀態(tài)下脫出繩槽。2.5滑車的不嚴格設(shè)置窗簾機構(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。窗簾機構(gòu)采用電纜滑車型式設(shè)計,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。窗簾機構(gòu)設(shè)計2種方案。方案1:電纜滑車分固定滑車和運行滑車兩種,滑車的長度約為4倍的光纜彎曲半徑。每根鋼絲繩設(shè)置2個固定滑車,即饋源艙端設(shè)置一個,塔頂端設(shè)置一個,兩固定滑車之間全部采用運行滑車,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)境及維護條件,盡量延長其使用壽命,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。當饋源艙靠近支撐塔時,該支撐塔鋼絲繩上的滑車靠攏在一起;當饋源艙遠離支撐塔時,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)鋼絲繩的運行量設(shè)計電纜滑車的數(shù)量,塔艙之間最小距離為220m,最大距離為420m,最大距離時滑車之間距離設(shè)定5m,除兩端2個固定滑車外,中間設(shè)置83個運行滑車。塔艙之間最小距離時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)置一個固定滑車,其余全部采用運行滑車,相鄰運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影響?zhàn)佋磁撟藨B(tài)調(diào)整;方案2饋源艙附近不會形成滑車的堆集,但維護極不方便。由于饋源艙移動速度慢,滑車的維修頻次低,權(quán)衡利弊,方案2作為首選。2.6自動監(jiān)測系統(tǒng)卷揚機構(gòu)電機帶超速開關(guān)、過熱保護、增量型編碼器,低速軸(卷筒組軸端)安裝增量型編碼器、絕對值編碼器、旋轉(zhuǎn)限位開關(guān),制動器附帶閘瓦間隙自動補償裝置、閘皮磨損監(jiān)測裝置,導(dǎo)向滑輪軸端安裝絕對值編碼器,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)有二次保護裝置,防止傳感器破壞后鋼絲繩與饋源艙脫開。所有檢測與保護裝置均是為了確保索驅(qū)動機構(gòu)的安全