石太琴

（領(lǐng)新（南通）重工有限公司工程技術(shù)研發(fā)中心，江蘇南通 226017）

體育館伸縮穹頂牽引小車機(jī)組的設(shè)計與制作

石太琴

（領(lǐng)新（南通）重工有限公司工程技術(shù)研發(fā)中心，江蘇南通 226017）

文章設(shè)計制作了體育館伸縮穹頂牽引小車機(jī)組及其滑動軸承環(huán)境因素變形補(bǔ)償裝置，可有效實(shí)現(xiàn)伸縮穹頂自如地開閉，確保整套牽引小車機(jī)組運(yùn)行的高耐久性。

伸縮穹頂；牽引小車；滑動軸承組件

0 引言

隨著體育競技及人們運(yùn)動健身、休閑方式的發(fā)展，體育館在建造時都設(shè)計成可根據(jù)天氣、氣候變化來開合的伸縮穹頂，體育及其他各項活動不受天氣影響。這樣既滿足了人們對陽光、空氣的需要，又改變了一年四季都要通過大型空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)來維持空氣、溫度和濕度的要求。既節(jié)能環(huán)保又自然健康，具有較高的社會經(jīng)濟(jì)效益。體育館伸縮穹頂牽引小車機(jī)組是實(shí)現(xiàn)上述要求的關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備機(jī)組，其制作難度大，精度要求高。為有效解決上述問題，實(shí)現(xiàn)伸縮穹頂經(jīng)常性開合自如，本文對雙片圓弧形伸縮穹頂牽引小車車輪組、滑動軸承變形補(bǔ)償裝置進(jìn)行了生產(chǎn)設(shè)計與制作。

1 牽引小車車輪組結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 設(shè)計方案

本文研究的體育館伸縮穹頂為對開式兩片對稱的弧形穹頂。根據(jù)其大跨度弧形伸縮穹頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在伸縮穹頂下設(shè)計五組高低不等的弧形軌道；參照吊車上常用的行走機(jī)構(gòu)，在五組軌道上對稱地布置多套小車組，對伸縮穹頂進(jìn)行多點(diǎn)支撐、多點(diǎn)牽引，并根據(jù)車輪組中小車位置的不同，采用相應(yīng)方向約束的小車，限制小車的自由度，保證伸縮穹頂在固定屋頂上的支承與運(yùn)行穩(wěn)定性。

1.2 牽引小車車輪組結(jié)構(gòu)

在每片弧形穹頂下，每四臺小車為一組，安裝于每組軌道上，五組軌道上共安裝二十臺小車，兩片伸縮穹頂共四十臺小車來實(shí)現(xiàn)伸縮穹頂?shù)拇蜷_與閉合。每片弧形穹頂下的二十臺小車按所處位置約束要求的不同分為四種，分別為跑道方向約束小車、垂直跑道方向約束小車、雙向約束小車以及周向不約束小車。中間一組軌道上，四臺小車組中前三臺小車為垂直跑道方向約束小車，用于整套牽引小車機(jī)組的定位，最后一臺小車為雙向約束小車，既用于小車組的牽引和制動，又可與前三臺小車一起進(jìn)行小車車輪組的定位。在其余的四組軌道上，每四臺小車組中的最后一臺小車為跑道方向約束小車，用于小車的牽引與制動，其它小車均為周向不限位小車。如此結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證了四十臺小車同步協(xié)調(diào)運(yùn)行。

（1）跑道方向約束小車結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，小車軌道組4的兩條弧形軌道應(yīng)弧形穹頂?shù)男枰?，設(shè)有高度差，安裝于固定的弧形穹頂上；1、5為小車主框架與次框架，連接軸7將兩者連為一體，形成小車車輪9的車輪架；3為小車牽引及制動裝置，用于牽引小車組在軌道4上的運(yùn)行，并根據(jù)需要制停小車，約束小車在跑道方向的運(yùn)動；2、8、10為滑動軸承變形補(bǔ)償裝置，用于補(bǔ)償因各種因素引起的結(jié)構(gòu)變形，其下部支架10與小車主框架1的橫向箱梁頂板固定，上部支架2的法蘭面與固定于伸縮穹頂下三角形桁架的鉸接板法蘭由一組螺栓固定。這樣將伸縮穹頂與牽引小車連為一體，當(dāng)該臺小車在軌道上滑行時，即可帶動伸縮穹頂?shù)拈_合；導(dǎo)向輪11保證小車在軌道上直線行走，防止小車跑偏。小車主框架與次框架箱梁兩側(cè)的錨爪6為保險裝置，防止小車上浮及脫軌。

圖1 跑道方向約束小車結(jié)構(gòu)圖

（2）垂直跑道方向約束小車是在小車主框架上增加一個水平車輪的車輪架，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，小車軌道組中增加水平軌道1，主框架上增加的箱梁2為水平車輪3的車輪架，水平車輪3約束了小車在垂直跑道方向的運(yùn)動。因無牽引及制動裝置，故跑道方向運(yùn)動不受約束。

圖2 垂直跑道方向約束小車結(jié)構(gòu)圖

（3）雙向約束小車，即小車跑道方向與垂直跑道方向運(yùn)動均受約束，是以上兩種類型小車的結(jié)合，既有小車牽引與制動裝置牽引與制停小車，又有水平車輪約束小車在垂直跑道方向的運(yùn)動。

（4）周向不約束小車既無牽引與制動裝置，又無水平車輪，故平面內(nèi)周向運(yùn)動均不受約束。

由以上小車組具體結(jié)構(gòu)介紹可知，伸縮穹頂?shù)闹吸c(diǎn)及牽引制動點(diǎn)多，每種類型小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。因此，整套小車車輪組運(yùn)行更平穩(wěn)，安全性更高，有效地實(shí)現(xiàn)了伸縮穹頂自如地打開與閉合。

2 牽引小車機(jī)組的制作

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及制作難點(diǎn)

由以上結(jié)構(gòu)介紹可知，該項目所有部件均是焊接鋼結(jié)構(gòu)件。因鋼結(jié)構(gòu)件具有優(yōu)良的力學(xué)性能及各方面的使用性能，較少受尺寸和形狀的限制，結(jié)構(gòu)重量相對較輕。較之其他機(jī)械產(chǎn)品，具有工序簡單、加工量少、省工省時及加工成本低等特點(diǎn)。[1]牽引小車機(jī)組為建筑物頂部結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且機(jī)組重量要求高，在保證使用安全的情況下，重量要盡可能小。因此，鋼結(jié)構(gòu)件是首選。

但鋼結(jié)構(gòu)件焊接時必然會產(chǎn)生焊接變形與殘余內(nèi)應(yīng)力，其對結(jié)構(gòu)件尺寸精度有很大影響。因此，在生產(chǎn)過程中，既要保證焊接結(jié)構(gòu)的性能與質(zhì)量，防止焊接裂紋與焊接缺陷的產(chǎn)生，又要保證焊接結(jié)構(gòu)的尺寸精度，盡可能減小焊接變形與焊接殘余內(nèi)應(yīng)力的影響。只有在控制好每臺小車制造精度的基礎(chǔ)上，才能保證整套牽引小車機(jī)組的精密裝配，從而確保整套牽引小車機(jī)組在實(shí)際應(yīng)用中同步協(xié)調(diào)運(yùn)行。

2.2 結(jié)構(gòu)制作過程要點(diǎn)

（1）焊接工藝規(guī)程的編制。在生產(chǎn)制作前，制定焊接工藝評定方案，對結(jié)構(gòu)件中所有的焊接接頭型式，鋼材的類型、規(guī)格，采用的焊接方法、焊接位置等，進(jìn)行統(tǒng)計并歸類。然后，按規(guī)定施工焊接，切取并檢驗試樣，測定焊接接頭是否具有相應(yīng)要求的機(jī)械力學(xué)性能。對經(jīng)評定為合格的工藝方案擬定相應(yīng)的焊接工藝指導(dǎo)書，用于指導(dǎo)生產(chǎn)焊接，確保焊接接頭強(qiáng)度符合設(shè)計要求。

（2）采用合理的裝配焊接順序減少焊接變形及焊接殘余應(yīng)力的影響。根據(jù)本項目中小車的主框架、次框架及小車牽引與制動裝置等結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（均為截面對稱，焊縫也對稱的結(jié)構(gòu)），所以在裝配時盡量裝配成整體，焊接時則由兩個焊工對稱地焊接，使得由兩條焊縫所引起的變形相互抵消；在不能做到完全對稱同時焊接的情況下，在焊接順序上盡量做到對稱，盡可能減小結(jié)構(gòu)的變形；存在多種焊縫時，先焊收縮量大的焊縫；長焊縫則從中間向兩頭焊，避免從兩頭向中間焊。盡量使每條焊縫能自由地收縮，減小焊接應(yīng)力。

而對于結(jié)構(gòu)中厚板的焊接，如在焊接滑動軸承變形補(bǔ)償裝置上部支架與下部支架時，由于母材均為厚板，在焊前則對焊件做好預(yù)熱，既可減少焊件加熱部分和未加熱部分之間的溫差，又可降低焊件的冷卻速度，達(dá)到減小內(nèi)應(yīng)力和焊件變形的效果。焊后進(jìn)行保溫處理可以大大減少了內(nèi)應(yīng)力引起的變形。

（3）焊接過程中各檢測校調(diào)基準(zhǔn)線的建立。全套牽引小車機(jī)組鋼結(jié)構(gòu)件眾多，且結(jié)構(gòu)特點(diǎn)各不相同。為確保各結(jié)構(gòu)件焊接質(zhì)量，在制作過程中，還必須根據(jù)各結(jié)構(gòu)件特點(diǎn)建立校準(zhǔn)基準(zhǔn)線，隨時調(diào)整、校正，以保證各焊接件尺寸要求，確保機(jī)加工余量。

小車主框架如圖3所示。在制作過程中，需建立的檢測校調(diào)基準(zhǔn)線，如圖4所示。圖4中，H1、H2既是制作過程中的檢測校調(diào)基準(zhǔn)線，也是焊后機(jī)加工基準(zhǔn)線。在制作過程中，必須隨時根據(jù)該基準(zhǔn)線檢查并嚴(yán)格保證A、B、E、F、X-X、Y-Y基準(zhǔn)軸，C、D基準(zhǔn)面間的垂直度、平行度、平面度要求及相互間的尺寸要求，才能確保圖3中1-5機(jī)加工部位的機(jī)加工余量，從而保證機(jī)加工后工件尺寸符合設(shè)計要求。

圖3 垂直跑道方向約束小車主框架三維圖

（4）選擇合理的機(jī)加工時間及機(jī)加工設(shè)備，保證完工鋼結(jié)構(gòu)件最終尺寸及形位公差要求。如前面所述，通過以上焊接控制措施只能盡可能減小但卻不能完全消除焊接內(nèi)應(yīng)力。在機(jī)加工精度符合要求的焊件中仍然存有一定程度的殘余應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力隨著時間的延長會發(fā)生緩慢的變化，與此同時使焊件尺寸也產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而破壞原有的精度，這對精度要求較高的小車機(jī)組有著非常不利的影響。因此，各結(jié)構(gòu)件焊接檢驗合格后不能立即機(jī)加工，必須通過熱處理或時效處理，進(jìn)一步消除應(yīng)力，調(diào)整到最佳狀態(tài)再機(jī)加工，確保機(jī)加工尺寸精度。

圖4 垂直跑道方向約束小車主框架基準(zhǔn)線示意圖

另外，機(jī)加工設(shè)備的選擇也很重要。本套牽引小車鋼結(jié)構(gòu)件機(jī)加工面均為四面以上，相互之間公差要求很高，多次裝夾不能保證尺寸精度要求，所以選擇多面體機(jī)加工中心來完成機(jī)加工，一次裝夾，確保機(jī)加工精度要求。

（5）牽引小車的預(yù)組裝及試運(yùn)行。為了檢測本套牽引小車機(jī)組裝配精度，縮短實(shí)際安裝調(diào)整周期，在本套牽引小車所有結(jié)構(gòu)件及裝配件制作完成后，通過制作模擬跑道軌道，將各小車組在模擬軌道上預(yù)組裝并試運(yùn)行，確保整套牽引小車在實(shí)際安裝后能精確運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)體育館伸縮穹頂?shù)膯㈤]自如。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計的體育館伸縮穹頂牽引小車機(jī)組結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝精度良好，即將投入使用。而該機(jī)組的設(shè)計制造過程，對焊接結(jié)構(gòu)制造技術(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計要求均很高，由此形成了一套研發(fā)、制造創(chuàng)新技術(shù)產(chǎn)品的新思路，有助于提高企業(yè)自身生產(chǎn)設(shè)計與制造技術(shù)水平，提高企業(yè)市場競爭力。

[1]宗培言.焊接結(jié)構(gòu)制造技術(shù)[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,2012.

The Design and Manufacturing of the Traction-cart Unit for the Stadium’s Retractable Dome

SHI Tai-qin
(Engineering Technology Research Center,Chiefnew(Nantong)Heavy Industry Co.,Ltd.,Nantong 226017,China)

This article attempts to design the traction-cart unit for the stadium’s retractable dome and the sliding bearing’s compensation device for environment-factor deformation,which is expected to achieve the smooth opening and closing of the retractable dome as well as ensure the durability of the traction-cart unit.

Retractable doom;Traction-cart;Sliding bearing unit

TU245.2

A

1671-9891（2014）03-0052-04

10.3969/j.issn.1671—9891.2014.03.014

2014-05-25

石太琴（1969—），女，江蘇南通人，領(lǐng)新（南通）重工有限公司工程技術(shù)研發(fā)中心工程師。