500m口径球面电弧望远镜馈源支撑系统设计

500m口径球面电弧望远镜馈源支撑系统设计

500m地球反射望远镜（fast）是国家科学和技术委员会提出的国家九大科学基础设施之一。FAST作为世界最大的单口径望远镜,建成后将在未来20～30年保持世界一流地位。全新的设计思路,加之得天独厚的台址优势,使其突破了望远镜的百米工程极限,开创了建造巨型射电望远镜的新模式。FAST主要由反射面、馈源支撑系统等6大系统组成,馈源支撑系统主要由6个支撑塔、6套索驱动机构、馈源舱等子系统组成。索驱动机构由驱动卷扬机、地面导向滑轮、塔顶导向滑轮、钢丝绳、电缆光缆及其支撑结构(简称窗帘机构)、检测与安全保护装置、电气设备及电气控制系统等组成,见图1。1输入设计1.1入港工况及极端工况分析馈源支撑系统具有4种工作状态:跟踪工况在望远镜跟踪观测时,馈源舱运动较为缓慢,但要求毫米级精度的定位控制;换源工况馈源舱由一个观测目标位置移动到新的观测目标位置的过程称为换源,在望远镜换源时,馈源舱运动较为迅速,但除运动终点外无其他定位要求;入港工况入港是指FAST在暂停使用期间(如设备检修维护,躲避恶劣天气等情况),FAST馈源舱由观测区域返回下降至主动反射面中心的入港平台的过程;极端工况极端工况是6根支撑索其中1根偶然发生断绳的严重事故,原因包括舱索锚固头或钢丝绳疲劳损伤,导致舱索连接或索塔连接的突然断裂。极端工况下,要求驱动系统能够紧急制动,待整个系统稳定下来,能够将馈源舱降至入港平台。以上4种工作状态下,索驱动机构能够收放钢丝绳,承载和驱动馈源舱在百米尺度大工作空间内运动,满足馈源舱4种工况的运行需求。1.2换源时的主题馈源舱质量:～30t;一级索驱动控制精度:空间位置误差最大值≤48mm,空间姿态误差最大值≤1°;跟踪时馈源舱的拖动速度:0～4.9(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):0～400mm/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179～388kN(包含缆线入舱机构重力),在极端工况下可达700kN;绳长变化范围(自塔顶导向滑轮出索点至舱索锚固点)为220～420m;单根钢丝绳收/放精度(卷筒出绳点处):2mm。2设计输出2.1机构级别的确定根据索驱动机构实际应用工况,按照GB/T3811—2008《起重机设计规范》确定索驱动机构工作级别为M6。2.2起升机构的选择根据GB/T3811—2008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《ASMENOG-1核电厂用起重设备制造标准》中规定,起升机构其中一根钢丝绳破断,对另一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,起升机构其中一根钢丝绳破断,对另一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50mm,在388kN拉力下安全系数为5.7。极端工况(其中一根钢丝绳破断)700kN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450kN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合并牵引的空间合成速度馈源舱的运行速度,无论是换源工况的速度400mm/s,还是跟踪工况的最大速度11.6mm/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转速为6极电机+小电机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182kW,选择电机200kW,6极电机,转速989r/min,减速器速比330：1。跟踪工况速度4.9mm/s时所需功率2.2kW,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22kW,6极电机,转速975r/min,减速器速比2656：7。跟踪工况分2个阶段运行,速度为0～4.9mm/s时,需要大小电机配合驱动,大电机按最小速度即5Hz反向运行(98.9r/min),而小电机速度从40.4～45.4Hz正向运行(787.8～885.3r/min);速度为4.9～11.6mm/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≤11.6mm/s时,分2个阶段运行,同跟踪工况;速度>11.6mm/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。2.3.3高速与低频运行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现高速与低速运行,按照最大功率182kW,选择电机200kW,6极电机,额定转速989r/min(50Hz),低速稳定运行转速可以接近0,减速器速比330：1。制动器的设置及动作同方案1,见图3。2.3.4主加速器驱动方式的确定根据换源工况及跟踪工况,采用双电机双减速器互相交替驱动实现高速与低速运行,分别适用于换源工况与跟踪工况。按照换源工况最大速度400mm/s,所需最大功率182kW,选择大电机200kW,6极电机,额定转速989r/min,主减速器速比330：1,大电机通过电动离合器驱动主减速器;根据跟踪工况,最大跟踪速度11.6mm/s,所需最大功率5.5kW,选择电机、减速器、制动器三合一驱动单元,功率5.5kW,输出转速12.1r/min,最小跟踪速度可以达到1.16mm/s,三合一驱动单元通过电动离合器驱动主减速器的另一端高速轴。无论是换源工况还是跟踪工况,按照运行速度卷扬机分为2种驱动方式,当速度大于11.6mm/s时,大电机与主减速器结合并驱动,三合一驱动单元与主减速器脱开;当速度不大于11.6mm/s时,三合一驱动单元与主减速器结合并驱动,大电机与主减速器脱开。制动器的设置及动作同方案1,见图4。2.3.5电机、单抗组合的匹配给付方式方案1采用双电机、行星减速器布置型式,优点是各外购件均为标准件,易于采购;缺点是控制复杂,因为按照运行速度分为3个阶段控制,尤其在0～4.9mm/s阶段,2个电机配合使用,必须连续计算进行匹配给定,才能最终输出所需速度及力矩,所以对控制要求较高。方案2采用单电机、单减速器布置型式,优点是传动链简单,控制方便;缺点是电机需要特殊定制,价格较高,采购周期较长。综合比较方案1、方案2:在部件配置方面方案1比方案2多1个电机、1套控制系统、2台高速轴制动器以及减速器行星包,但是相对方案2的高价格电机,2方案整体价格基本相当。所以方案2作为首选。由于方案3中电动离合器应用在起升机构,性能不是很可靠,而且多数应用在运行机构或平移机构,在起升机构或其他位能变化的机构应用很少,另外也不能完全实现接近0速跟踪的基本功能,所以该方案只供参考。2.4地面导向滑轮根据GB/T3811—2008规定,对于工作级别M6的机构,轮绳直径比大于22.4。现采用标准系列滑轮,直径1800mm,轮绳直径比36。地面导向滑轮见图5。塔顶导向滑轮见图6,支撑座通过法兰连接于回转支承内圈部分,回转支承外圈部分通过法兰连接于塔顶固定基础,这样塔顶导向滑轮即可满足钢丝绳在水平面内±20°夹角变化范围,导向滑轮均设置防护罩,避免回转支承及滑轮受雨淋日晒而影响润滑,且防止钢丝绳在松弛状态下脱出绳槽。2.5滑车的不严格设置窗帘机构的功能是将馈源舱的控制光缆及供电电缆沿着牵引钢丝绳送到地面中控室及供电处。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,即馈源舱端设置一个,塔顶端设置一个,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。考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一起;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。结构型式见图7。根据钢丝绳的运行量设计电缆滑车的数量,塔舱之间最小距离为220m,最大距离为420m,最大距离时滑车之间距离设定5m,除两端2个固定滑车外,中间设置83个运行滑车。塔舱之间最小距离时滑车之间平均距离为2.6m(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2.8m。方案2:电缆滑车分固定滑车(固定夹)和运行滑车两种,每根钢丝绳距馈源舱100m的范围内设置固定滑车,塔顶端设置一个固定滑车,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1。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作为首选。2.6自动监测系统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