体育馆伸缩穹顶牵引小车机组的设计与制作

石太琴

（领新（南通）重工有限公司工程技术研发中心，江苏南通 226017）

体育馆伸缩穹顶牵引小车机组的设计与制作

石太琴

（领新（南通）重工有限公司工程技术研发中心，江苏南通 226017）

文章设计制作了体育馆伸缩穹顶牵引小车机组及其滑动轴承环境因素变形补偿装置，可有效实现伸缩穹顶自如地开闭，确保整套牵引小车机组运行的高耐久性。

伸缩穹顶；牵引小车；滑动轴承组件

0 引言

随着体育竞技及人们运动健身、休闲方式的发展，体育馆在建造时都设计成可根据天气、气候变化来开合的伸缩穹顶，体育及其他各项活动不受天气影响。这样既满足了人们对阳光、空气的需要，又改变了一年四季都要通过大型空气调节系统来维持空气、温度和湿度的要求。既节能环保又自然健康，具有较高的社会经济效益。体育馆伸缩穹顶牵引小车机组是实现上述要求的关键机械设备机组，其制作难度大，精度要求高。为有效解决上述问题，实现伸缩穹顶经常性开合自如，本文对双片圆弧形伸缩穹顶牵引小车车轮组、滑动轴承变形补偿装置进行了生产设计与制作。

1 牵引小车车轮组结构设计

1.1 设计方案

本文研究的体育馆伸缩穹顶为对开式两片对称的弧形穹顶。根据其大跨度弧形伸缩穹顶的结构特点，在伸缩穹顶下设计五组高低不等的弧形轨道；参照吊车上常用的行走机构，在五组轨道上对称地布置多套小车组，对伸缩穹顶进行多点支撑、多点牵引，并根据车轮组中小车位置的不同，采用相应方向约束的小车，限制小车的自由度，保证伸缩穹顶在固定屋顶上的支承与运行稳定性。

1.2 牵引小车车轮组结构

在每片弧形穹顶下，每四台小车为一组，安装于每组轨道上，五组轨道上共安装二十台小车，两片伸缩穹顶共四十台小车来实现伸缩穹顶的打开与闭合。每片弧形穹顶下的二十台小车按所处位置约束要求的不同分为四种，分别为跑道方向约束小车、垂直跑道方向约束小车、双向约束小车以及周向不约束小车。中间一组轨道上，四台小车组中前三台小车为垂直跑道方向约束小车，用于整套牵引小车机组的定位，最后一台小车为双向约束小车，既用于小车组的牵引和制动，又可与前三台小车一起进行小车车轮组的定位。在其余的四组轨道上，每四台小车组中的最后一台小车为跑道方向约束小车，用于小车的牵引与制动，其它小车均为周向不限位小车。如此结构设计，保证了四十台小车同步协调运行。

（1）跑道方向约束小车结构如图1所示。图中，小车轨道组4的两条弧形轨道应弧形穹顶的需要，设有高度差，安装于固定的弧形穹顶上；1、5为小车主框架与次框架，连接轴7将两者连为一体，形成小车车轮9的车轮架；3为小车牵引及制动装置，用于牵引小车组在轨道4上的运行，并根据需要制停小车，约束小车在跑道方向的运动；2、8、10为滑动轴承变形补偿装置，用于补偿因各种因素引起的结构变形，其下部支架10与小车主框架1的横向箱梁顶板固定，上部支架2的法兰面与固定于伸缩穹顶下三角形桁架的铰接板法兰由一组螺栓固定。这样将伸缩穹顶与牵引小车连为一体，当该台小车在轨道上滑行时，即可带动伸缩穹顶的开合；导向轮11保证小车在轨道上直线行走，防止小车跑偏。小车主框架与次框架箱梁两侧的锚爪6为保险装置，防止小车上浮及脱轨。

图1 跑道方向约束小车结构图

（2）垂直跑道方向约束小车是在小车主框架上增加一个水平车轮的车轮架，具体结构如图2所示。图中，小车轨道组中增加水平轨道1，主框架上增加的箱梁2为水平车轮3的车轮架，水平车轮3约束了小车在垂直跑道方向的运动。因无牵引及制动装置，故跑道方向运动不受约束。

图2 垂直跑道方向约束小车结构图

（3）双向约束小车，即小车跑道方向与垂直跑道方向运动均受约束，是以上两种类型小车的结合，既有小车牵引与制动装置牵引与制停小车，又有水平车轮约束小车在垂直跑道方向的运动。

（4）周向不约束小车既无牵引与制动装置，又无水平车轮，故平面内周向运动均不受约束。

由以上小车组具体结构介绍可知，伸缩穹顶的支撑点及牵引制动点多，每种类型小车的结构设计合理。因此，整套小车车轮组运行更平稳，安全性更高，有效地实现了伸缩穹顶自如地打开与闭合。

2 牵引小车机组的制作

2.1 结构特点及制作难点

由以上结构介绍可知，该项目所有部件均是焊接钢结构件。因钢结构件具有优良的力学性能及各方面的使用性能，较少受尺寸和形状的限制，结构重量相对较轻。较之其他机械产品，具有工序简单、加工量少、省工省时及加工成本低等特点。[1]牵引小车机组为建筑物顶部结构，结构较复杂，且机组重量要求高，在保证使用安全的情况下，重量要尽可能小。因此，钢结构件是首选。

但钢结构件焊接时必然会产生焊接变形与残余内应力，其对结构件尺寸精度有很大影响。因此，在生产过程中，既要保证焊接结构的性能与质量，防止焊接裂纹与焊接缺陷的产生，又要保证焊接结构的尺寸精度，尽可能减小焊接变形与焊接残余内应力的影响。只有在控制好每台小车制造精度的基础上，才能保证整套牵引小车机组的精密装配，从而确保整套牵引小车机组在实际应用中同步协调运行。

2.2 结构制作过程要点

（1）焊接工艺规程的编制。在生产制作前，制定焊接工艺评定方案，对结构件中所有的焊接接头型式，钢材的类型、规格，采用的焊接方法、焊接位置等，进行统计并归类。然后，按规定施工焊接，切取并检验试样，测定焊接接头是否具有相应要求的机械力学性能。对经评定为合格的工艺方案拟定相应的焊接工艺指导书，用于指导生产焊接，确保焊接接头强度符合设计要求。

（2）采用合理的装配焊接顺序减少焊接变形及焊接残余应力的影响。根据本项目中小车的主框架、次框架及小车牵引与制动装置等结构的特点（均为截面对称，焊缝也对称的结构），所以在装配时尽量装配成整体，焊接时则由两个焊工对称地焊接，使得由两条焊缝所引起的变形相互抵消；在不能做到完全对称同时焊接的情况下，在焊接顺序上尽量做到对称，尽可能减小结构的变形；存在多种焊缝时，先焊收缩量大的焊缝；长焊缝则从中间向两头焊，避免从两头向中间焊。尽量使每条焊缝能自由地收缩，减小焊接应力。

而对于结构中厚板的焊接，如在焊接滑动轴承变形补偿装置上部支架与下部支架时，由于母材均为厚板，在焊前则对焊件做好预热，既可减少焊件加热部分和未加热部分之间的温差，又可降低焊件的冷却速度，达到减小内应力和焊件变形的效果。焊后进行保温处理可以大大减少了内应力引起的变形。

（3）焊接过程中各检测校调基准线的建立。全套牵引小车机组钢结构件众多，且结构特点各不相同。为确保各结构件焊接质量，在制作过程中，还必须根据各结构件特点建立校准基准线，随时调整、校正，以保证各焊接件尺寸要求，确保机加工余量。

小车主框架如图3所示。在制作过程中，需建立的检测校调基准线，如图4所示。图4中，H1、H2既是制作过程中的检测校调基准线，也是焊后机加工基准线。在制作过程中，必须随时根据该基准线检查并严格保证A、B、E、F、X-X、Y-Y基准轴，C、D基准面间的垂直度、平行度、平面度要求及相互间的尺寸要求，才能确保图3中1-5机加工部位的机加工余量，从而保证机加工后工件尺寸符合设计要求。

图3 垂直跑道方向约束小车主框架三维图

（4）选择合理的机加工时间及机加工设备，保证完工钢结构件最终尺寸及形位公差要求。如前面所述，通过以上焊接控制措施只能尽可能减小但却不能完全消除焊接内应力。在机加工精度符合要求的焊件中仍然存有一定程度的残余应力，焊接残余应力随着时间的延长会发生缓慢的变化，与此同时使焊件尺寸也产生相应的变化，从而破坏原有的精度，这对精度要求较高的小车机组有着非常不利的影响。因此，各结构件焊接检验合格后不能立即机加工，必须通过热处理或时效处理，进一步消除应力，调整到最佳状态再机加工，确保机加工尺寸精度。

图4 垂直跑道方向约束小车主框架基准线示意图

另外，机加工设备的选择也很重要。本套牵引小车钢结构件机加工面均为四面以上，相互之间公差要求很高，多次装夹不能保证尺寸精度要求，所以选择多面体机加工中心来完成机加工，一次装夹，确保机加工精度要求。

（5）牵引小车的预组装及试运行。为了检测本套牵引小车机组装配精度，缩短实际安装调整周期，在本套牵引小车所有结构件及装配件制作完成后，通过制作模拟跑道轨道，将各小车组在模拟轨道上预组装并试运行，确保整套牵引小车在实际安装后能精确运行，实现体育馆伸缩穹顶的启闭自如。

3 结束语

本文设计的体育馆伸缩穹顶牵引小车机组结构现场安装精度良好，即将投入使用。而该机组的设计制造过程，对焊接结构制造技术与结构设计要求均很高，由此形成了一套研发、制造创新技术产品的新思路，有助于提高企业自身生产设计与制造技术水平，提高企业市场竞争力。

[1]宗培言.焊接结构制造技术[M].上海:上海科学技术出版社,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，江苏南通人，领新（南通）重工有限公司工程技术研发中心工程师。