北京冬奥会升降台试验样机的设计及试验

    摘   要：

     介绍了北京冬奥会开闭幕式地面舞台系统中的升降台样机的设计和试验过程，供设计及道具试验参考。

1 概述

  北京冬奥会开闭幕式演出前期方案中地面舞台系统的设备尺寸大，升降台的运行速度快、行程大，安全性要求高，控制精度要求严格。为了适应开闭幕式演出要求，在演出工艺方案制定期间，设计一台演出设备试验样机，并针对此样机进行各项试验和研究，包括进行总体机械和控制系统试验、各零

部件的可靠性试验等，并将研究结果应用于真正演出设备的设计制造，具有重要的意义。

2 主要参数要求

设计任务书主要参数要求见表1。

3 整机设计

整机设计如图1所示。

图1 升降台样机设计图

台体分上下两层，两层之间可以储存道具。主台驱动采用销齿链条升降。由于设定升降台为独立升降单元，周围没有钢结构及其他建筑，所以导向系统采用三副剪刀撑系统。其中一副主导向，为两级剪刀撑；另外两副为四级剪刀撑辅助导向。主副剪刀撑呈90°布置，可以防止两个方向发生侧倾覆。为了试验多种驱动形式，上层子台采用电动缸升降方式，子台导向采用套筒导向系统。

考虑到演出的重要程度，主台驱动动力采用冗余设计，为等功率一主一备电机。当其中一台发生故障时，另一台可随时起动，设备运行速度不发生改变，保证演出连续。主驱动系统如图2所示。

图2 主驱动系统

主驱动系统使用四根100R销齿刚性链顶升台体，销齿链载荷使用能力参数如图3所示。

图3 销齿链载荷参数

主台体导向装置采用多级剪刀撑导向，其中一主两辅，如图4所示。

图4 主台体导向装置

主剪刀撑起主要导向作用，基于空间所限，采用了两级设计，为了加强支撑刚性，设计成框架式结构，如图5所示。

图5 主剪刀撑设计图

由于纵向空间限制，辅助导向剪刀撑设计成四级单臂形式，主要防止纵向倾覆，同时辅助主导向系统。

二层升降子台要基于土建基坑深度及储存道具的演出工艺需求进行设计。鉴于空间所限，也为了试验多种顶升设备的性能，子台驱动采用了齿轮螺旋丝杠传动机械缸方式升降，导向系统采用套筒形式。

子台驱动系统布置如图6所示，螺旋机械缸装置如图7所示，导向系统如图8所示。

图6 子台驱动系统

图7 子台螺旋机械缸装置               图8 子台导向系统采用套筒形式

主台升降行程控制采用拉线编码器装置控制，在台体的对角方位设置两台，起到控制行程和监测台面水平度的作用。

为了测量台体自重及加载情况，在每台销齿顶升链顶端与台体连接处设置了压力传感器，可分别测出每根销齿链条的承重及总载荷。压力传感器装置如图9所示。

图9 压力传感器装置

4 传动系统选型计算

主台的计算和选型结果见表2，子台的计算和选型结果见表3。

5 主台体结构计算

通过对升降台的使用工况进行分析，建立了升降台主台体结构的仿真计算模型，对上升到位工况进行了有限元仿真计算，得出了主台体结构的应力、位移和安全系数。计算结果表明，升降台主台体结构设计满足要求。

5.1 有限元模型

升降台有限元模型如图10所示，材料为Q235，采用ABAQUS梁单元建模，网格大小20 mm，单元数量为95 746个，结点数量为95 786个，单元类型B31。台体、刚性链为一个整体，剪刀撑与台体结构连接如图10、表4所示。

图10 舞台升降台有限元模型示意

5.2 载荷工况

升降台将台面上升到最高位置时，刚性链伸出的距离最大、剪刀撑的伸长量最大、舞台升降台的受力工况最恶劣。此时的载荷工况如表5所示。

5.3 计算结果

5.3.1 工况一

计算结果如图11、图12所示。

5.3.2 工况二

计算结果如图13、图14所示。

5.3.3 工况三

计算结果如图15、图16所示。

5.3.4 工况四

计算结果如图17、图18所示。

5.3.5 工况五

计算结果如图19、图20所示。

5.3.6 计算结果

计算结果汇总见表6。

6 升降台样机试验

6.1 试验目的

试验目的如下：验证控制系统、驱动系统及升降台本体的匹配性；验证升降台的刚度、强度；验证升降台在各工况的功能、性能满足情况。

图 20 主台试验中                          图 21 主台升降试验中

图22 子台升降试验中

6.2 部分试验结果

现摘录部分试验结果及故障分析。

6.2.1 升降台水平偏移量试验

对设备进行了1 000次升降记录了销齿链顶端水平方向位置变化见表7。

结果分析：舞台面单维水平方向运行公差值不大于0.01 mm，说明台体刚度满足要求，双向剪刀导向机构导向精度较高，比较适合独立台体升降舞台形式。

6.2.2 试验问题一

2021年12月17日，现场进行主升降平台满载、全速1 000次重复升降测试时，当升降台运动到第42次下降动作时，在控台没有给出停止指令的情况下，升降台异常停止。随后对控台报警信息和变频器报警信息进行收集，并对线路和机械结构进行了检查，控台和变频器报警信息均显示为变频器出现故障，线路和机械结构无异常。咨询变频器厂家意见后，决定重启设备系统，并继续运行设备，使故障复现，同时监控设备电流、电压和位置偏差曲线，并分析。在此后的测试中，此故障又多次出现，在获得了更多曲线数据的情况下对故障原因进行了分析。

6.2.2.1 问题定位

(1)控台故障检查：检查控台报警信息，显示为“变频器状态异常”。排除控制台故障，并初步判断为下降过程中因变频器内部参数设置不当或机械机构卡顿等问题引起的过压现象。

(2)变频器故障检查：检查变频器故障报警信息，显示故障信息为“过压”。

(3)机械机构故障检查：检查机械机构，目视没有干涉及阻滞部位，传动结构螺丝没有松动，部件无脱开部分。

6.2.2.2 故障分析

(1)控台故障分析：通过对控台报警信息分析，初步得出故障原因是由于变频器报警，导致设备异常停止，报警状态信息传递到控台。除此之外，控台无其他报警信息。

(2)变频器故障分析：通过检查变频器报警信息，显示报警代码为“过压”。随后调取变频器发生故障时的电流、电压和位置偏差曲线，并进行分析。

图23的电流曲线（绿色曲线）主要通过变频器内部的电流值反映变频器的速度输出情况。通过曲线可以明显看出，在变频器运行过程中出现速度震荡的情况，并且震荡波形不收敛，直至曲线发散一定程度后变频器出现异响，但没有过压、急停。

图 23 变频器异响时电流曲线

经过对过压时电流曲线分析，发现与变频器异响时的曲线相似，均出现了震荡、发散的趋势，当发散后的数值超过极限值后，便出现过压、急停等现象。

同时，通过对电压、位置偏差曲线的分析，发现设备在出现故障前，均发生了“超调”现象。位置偏差逐渐加大，直到超过极限值后，故障出现。

6.2.2.3 故障处理措施及验证

在与变频器厂家沟通后，决定调整变频器参数第3.010项，即“速度控制器比例增益”，此参数为变频器PID调节的比例系数。参照出现的故障，将此参数调低后继续对设备进行测试，随后设备正常运行，无故障出现。由于PID参数并无固定参考数值，需要根据实际情况不断修正，因此后续将会通过大量测试对此参数进行验证，直至参数完全适应设备刚性需求，避免因PID参数不当再次引起超调现象。

6.2.3 试验问题二

2020年12月30日，现场进行主升降平台满载试验，在当天下午升降台共运行5次，其中在后4次的下降过程中均发生变频器过流报警，造成升降台异常急停。

随后对控台报警信息和变频器报警信息进行收集，并对线路和机械结构进行了检查，控台和变频器报警信息均显示为变频器出现故障，线路和机械结构无异常。

通过外部计算机对变频器的运行状态监测，获取其了母线电压、工作电流、位置超差、抱闸状态等信息，并据此进行故障分析。

6.2.3.1 故障分析

通过检查变频器报警信息，显示报警代码为“过流”，随后调取变频器发生故障时以及正常工作时的电流、电压和位置偏差曲线，并进行对比分析。

通过两种情况下的曲线对比，不难定位出故障发生时曲线的位置。为了方便分析，将局部图像放大观察。

图29、图30通过不断地局部放大，可以准确地定位到故障局部点。通过局部区域图片的曲线、时序关系，可以清晰地分析出故障原因。

经分析，为变频器内部电流控制环的PID参数设置不当，在下降过程中变频器工作电流不够稳定，产生震荡，并且在震荡过程中的某一瞬间，电流值触发变频器的阈值下限，电流过小造成电机没有力矩输出，因此变频器立即做出判断，控制抱闸动作。抱闸关闭后，电机并未停止运行，由于抱闸过大的制动力矩致使运行中的电机工作一定时间后发出过流报警，随即变频器报警并急停。

6.2.3.2 采取的措施及验证

决定调整变频器参数4.013，即“电流Kp值”，此参数为变频器电流PID调节的比例系数，将原有的150降低至100。参数修改后，升降台持续测试20余次，均无报警情况发生，暂认为故障问题解决，后续依旧保持观察。

6.2.4 主要试验问题汇总

试验过程中出现的主要问题见表8。

通过升降台样机一个月时间的运行试验，其中有间断和连续编组运行，获取了设备实际运行的主要性能数据，发现设备存在的一些主要问题涉及到设备的设计、安装、控制、电气、外购设备、维护使用等诸多方面，也针对各种问题提供了解决方案。

7 结语

经过了升降台样机的设计、制造、安装、试验的整体流程，收获包括：基本把握了一些配套设备的质量情况及供货周期；检验验证了设备各项功能、性能；验证了控制系统、驱动系统及升降台本体的匹配性；验证了升降台的刚度、强度；检测了行程开关、安全防剪切、传感器等零部件的灵敏性；验证升降台在各工况的功能、性能满足情况；发现了一些设计、制造、安装、使用过程中的问题和潜在的设备风险。升降台样机的设计及试验，为后续工程中设备的设计、制造、安装和使用提供了借鉴，本试验样机亦可作为冰立方升降及抛冰等各种演出创意试验的后备载体。

选自 2022年《演艺科技 冬奥特刊》刘双占，赵劲彪，申纪刚《北京冬奥会升降台试验样机的设计及试验》。转载请标注：演艺科技传媒。更多详细内容请参阅《演艺科技  冬奥特刊》。

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