FAST工程索驱动机构方案研究

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(11.6)mm/s(与跟踪曲线相关)；换源时馈源舱的拖动速度 (无定位精度要求)：0-400 mm/s；在塔顶处，钢丝绳张力方向的水平投影与塔分布圆的径向所成夹角在 ±20。范围变化，俯仰角变化范围 (与水平面夹角)为 -25.17。～-13.65。，入港时为 -42。；正常运行时钢丝绳张力约为179～388 kN (包含缆线入舱机构重力)，在极端工况下可达700 kN；绳长变化范围 (自塔顶导向滑轮出索点至舱索锚固点)为220～420 rn；单根钢丝绳收/放精度 (卷筒出绳点处)：2 mm。

2 设计输出2.1 机构工作级别确定根据索驱动机构实际应用工况，按照 GB/T38112008《起重机设计规范》确定索驱动机构工作级别为 M6。

2.2 钢丝绳选择根据 GB/T 381120O8钢丝绳安全系数规定选择钢丝绳，对于 M6工作级别的机构，运动绳的安全系数为5.6；根据美国国家标准 《ASME NOG- 1核电厂用起重设备制造标准》中规定，起升机构其中-根钢丝绳破断，对另-根钢丝绳的冲击载荷，钢丝绳安全系数不低于 2.5；根据德国国家标准 《KTA3902核电厂用起重设备设计》中规定，起升机构其中-根钢丝绳破断，对另-根钢丝绳的冲击载荷，钢丝绳安全系数不低于3。

另外考虑索驱动实际工况，完全裸露于室外，受气候影响严重，而且维护困难，拟采用具有高破断拉力、高抗腐蚀性、高抗疲劳强度等综合特性的钢丝绳。

经计算选择钢丝绳直径 50 mm，在 388 kN拉力下安全系数为5.7。极端工况 (其中-根钢丝绳破断)700 kN拉力下安全系数为 3.2，1根绳破断5根绳平衡后最大拉力 450 kN时安全系数4.9。所选钢丝绳完全满足工况要求和相关标准。

2.3 卷扬机设计2.3.1 卷扬机运行速度分析馈源舱的运行速度，无论是换源工况的速度400 mm/s，还是跟踪工况的最大速度 11.6 mm/s，均为6台卷扬机并联牵引的空间合成速度，当馈源舱沿着某根钢丝绳运行时，该卷扬机最大运行速度即为馈源舱的运行速度，而其他卷扬机的速- 38 - 度均小于馈源舱的运行速度，当馈源舱沿着其他方向 (并非沿着某根钢丝绳)运行时，所有卷扬机的速度均小于馈源舱的运行速度。在馈源舱运行过程中，每台卷扬机的速度及拉力都是不断变化的，而且均非线性变化，甚至会有卷扬机出现接近0速跟踪的工况。

2.3.2 方案 1根据换源工况与跟踪工况所需功率不同，采用双输入单输出行星减速器，利用大小电机分别驱动。换源 工况所需 功率 182 kW，选择 电机200 kW，6极电机，转速 989 r/min，减速器速比330：1。跟 踪工况 速度 4.9 mm/s时所需 功率2.2 kW，考虑电机 1：10调速，低速稳定运行，电机功率需增加 10倍，选择电机 22 kW，6极电机，转速975 r/min，减速器速比2 656：7。

跟踪 工况 分 2个 阶段 运 行，速度 为 0-4.9 mm/s时，需要大小电机配合驱动，大电机按最小速度即5 Hz反向运行 (98.9 r/min)，而小电机速 度从 40.4～45.4 Hz正 向运 行 (787.8～885.3 r/min)；速度为 4.9～11.6 mm/s时，小电机单独驱动，大电机侧制动器上闸。

换源工况分 3个阶段运行，速度≤11.6 mm/8时，分2个阶段运行，同跟踪工况；速度 >11.6 mm/s时，小电机侧制动器上闸，大电机单独驱动。

两级高速轴均设置工作制动器与紧急制动器，低速轴设置安全制动器。正常工况，机构停止运行时，紧急制动器延时于工作制动器上闸，机构起动时，紧急制动器提前于工作制动器开闸，安全制动器不动作，始终处于开闸状态；事故状态，三级制动器同时上闸，如图2。

图2 双电机行星减速器方案2.3.3 方案 2根据换源工况及跟踪工况，采用调速比范围大 (1000：1)的交流变频电机或交流伺服电机实《起重运输机械》 2013(2)图6 塔顶导向滑轮窗帘机构采用电缆滑车型式设计 ，根据馈源舱电缆与光缆的类型、数量尽量均匀分布于 6根钢丝绳。窗帘机构设计2种方案。

方案 1：电缆滑车分固定滑车和运行滑车两种，滑车的长度约为 4倍的光缆弯曲半径。每根钢丝绳设置2个固定滑车，即馈源舱端设置-个，塔顶端设置-个，两固定滑车之间全部采用运行滑车，相邻滑车之间采用小直径钢丝绳 (牵引绳)相连使其相互牵引，以免电缆或光缆受力，且运行滑车两端均设置缓冲器，以免滑车之间相互碰撞造成损坏〖虑滑车使用环境及维护条件，尽量延长其使用寿命 ，滑车框架整体热浸镀锌，滚轮采用不锈钢材质 (考虑质量轻，可以采用铝合金)，牵引绳采用镀锌钢丝绳，采用橡胶缓冲器。

当馈源舱靠近支撑塔时，该支撑塔钢丝绳上的滑车靠拢在-起；当馈源舱远离支撑塔时，滑车通过牵引绳互相牵引拉开基本均布于钢丝绳♂构型式见图7。根据钢丝绳的运行量设计电缆滑车的数量，塔舱之间最朽离为 220 rn，最大距离为420 m，最大距离时滑车之间距离设定 5 m，除两端2个固定滑车外，中间设置 83个运行滑车。塔舱之间最朽离时滑车之间平均距离为2.6 m (除了塔附近的滑车处于拉开状态，其余滑车均堆集于馈源舱侧)，最大悬垂2.8 m。

图7 全滑车方案方案2：电缆滑车分固定滑车 (固定夹)和运. - . - - 40 .---行滑车两种，每根钢丝绳距馈源舱 100 m的范围内设置固定滑车，塔顶端设置-个固定滑车，其余全部采用运行滑车，相邻运行滑车之间采用小直径钢丝绳相连使其相互牵引，以免电缆或光缆受力，运行滑车两端均设置缓冲器，以免相互碰撞造成损坏。见图8。运行滑车的布置同方案 l。

图 8 固定夹与滑车结合方案方案 1维修方便，但是馈源舱附近滑车的堆集会影响馈源舱姿态调整；方案2馈源舱附近不会形成滑车的堆集，但维护极不方便。由于馈源舱移动速度慢，滑车的维修频次低，权衡利弊，方案2作为首眩2.6 检测与保护装置设计卷扬机构电机带超速开关 、过热保护、增量型编码器，低速轴 (卷筒组轴端)安装增量型编码器、绝对值编码器、旋转限位开关，制动器附带闸瓦间隙自动补偿装置、闸皮磨损监测装置，导向滑轮轴端安装绝对值编码器，钢丝绳与馈源舱固定端设置拉力传感器，且在传感器处设有二次保护装置，防止传感器破坏后钢丝绳与馈源舱脱开。所有检测与保护装置均是为了确保索驱动机构的安全可靠运行。

3 结论本文简单介绍了 FAST工程 、馈源支撑系统、索驱动机构之间的关系及基本组成，详细分析论证了索驱动机构中卷扬机及窗帘机构的几种方案设计 ，并通过相互 比较优先选择了最佳方案。随着世界重大装配制造业及各领域重大科技的迅速发展，新、大、杂、高、精、尖的设备将不断涌现，对设计者提出更高的挑战。本文阐述的各种方案可为各领域 (尤其起重运输领域)设计提供借鉴依据。

作 者：张全福地 址：大连市西岗区华春街4号大连华锐重下集团股份有限公司设计研究院李贺龙转邮 编：116013收稿日期：2012-03-31《起重运输机械》 2013(2)