论文部分内容阅读
【摘 要】 提出一种用于多点提升系统的同步检测机构。通过在大型游乐设备中的应用，说明了这种结构不仅可以实现大跨 距、多点提升功能，而且还可以使机械和电气有效地结合在一起，保证设备运行的可靠性。
【关键词】 同步检测；游乐设备；大跨距；多点提升；可靠性
文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2016.01.008
Application of Synchronous Detection Device in Large Amusement Equipment
RONG Zhi-gang， LIU Qiang， LU Li-min
（Shenzhen Huaqiang Intelligent Technology Co.， Ltd.， Shenzhen Guangdong 518005， China）
【Abstract】In this paper， a synchronization detection mechanism for multi point lifting system was proposed. Through the application in large recreation equipment， it explained that this structure can not only realize the large span and multi point lifting function， but also can make the mechanical and electrical together effectively， for ensuring the reliability of equipment operation.
【Key Words】synchronous detection； recreational equipment； large span； multi-point lifting； reliability
1 同步检测机构
现有的平台类多点同步提升系统通常采用机械同步或电气同步两种方式。同一驱动动机同时驱动多个提升点的机械同步方式，大跨距、多点提升系统不仅造价较高，而且由于传动距离远、联轴器扭转刚度一致性差、系统安装精度较低等缺点，使得各提升点不同步，误差偏大。而采用拉线编码器等通过位移反馈来实现同步的电气方式，一旦控制电路出现故障，若主提升系统仍在运行，则会产生危险。
新型机械式同步检测机构如图1所示，用于较大跨距、多点独立驱动的同步提升系统，可对电气和机械原因引起的不同步均产生响应，保证提升过程中的安全可靠性，较好地解决了舞台多点同步提升问题。
当使用电气和机械两种方式时，以电气同步为主。当二者同步时，证明设备出于正常运行状态；当二者不同步时，主要由精度较高的电气系统控制保证运行同步和安全，而精度较低的机械同步检测机构上的执行元件在设定的范围内不输出动作，保证设备能正常工作。当电气系统发生故障或在突然停电等异常情况下，同步偏差超过设定的数值，机械执行元件立刻触发制动机构投入工作状态，达到人、机安全的目的。
2 多点提升同步机构的工作原理
多点提升同步系统主要由多对提升系统与同步检测机构组成，如图1所示。只要把同步检测机构中的检测机构与被提升的平台连接在一起，其他部分安装在固定立柱上，并使提升的驱动电机与同步检测机构的减速电机达到同步，就可以完成同步提升控制。在平台升降过程中，只要链条相对于检测机构的链轮发生了相对运动，就表明提升点发生了不同步。如果检测机构中的链轮带动拨盘转动，触发了机械式换向阀或者触发开关，就可以引起相应的制动器制动并使提升停止。检测机构中间链轮轴端也可以安装编码器，可对速度等检测。
同步检测机构中，仅仅增加了一个机械构件——拨盘，就使得系统引入了两个机械检测信号，弥补了电气检测的不足，大大提高了系统工作的可靠性。
3 多点提升同步机构的应用
例如，某大型可运动的观众平台，属于国家A类特种游乐设备，直径为15 m的平台安装在横梁上，横梁经导向机构与两立柱连接，主提升驱动系统通过链条拖动横梁上下运动。该平台1次允许乘坐152名观众，在工作过程中，该平台在横梁上作360°水平旋转。横梁水平跨度24.6 m，运行高度为18 m，垂直升降的行程为9 m。系统活动部分重量为285 t，总重520 t。横梁升降速度不大于0.41 m/s，平台最大外缘的线速度不大于1.49 m/s，整机设计使用年限为15年。
该设备由于载客量多、重量大、垂直行程高、跨度大，观众平台要在高空稳定的升降、旋转，另外还要尽量降低对观众视野的限制，考虑节能和各种非正常的状态发生后可能引起的救援等。因此，必须保证横梁和立柱的强度、刚度和稳定性，保证驱动系统的安全可靠性，且在失效时应有安全防护措施，保护人与设备的安全。为了避免单一失效引起人员和设备伤害，还应采用机械和电气相互补充的冗余控制，方能符合国家A类游乐设备的相关要求。
该设备的结构如图2、图3所示，提升系统的主提升链条连接在横梁两端的提升点上，同步检测机构的检测机构安装在横梁两端头，跟随横梁一起升降。辅助链轮、从动链轮、减速电机等均安装在立柱上。正常工作时，控制提升系统驱动电机与同步检测机构的减速电机同步运行，保证检测机构的链轮与链条没有相对运动。当任意两者间运动不同步时，检测机构链条会带动检测机构的链轮转动，引起同轴安装的拨盘转动，只要拨盘转过的弧长小于由机械传动系统和两电机运行偏差引起的最大弧长，均由电气同步控制处理。当电气同步发生故障或突然停电等非意外情况发生，且运行的不同步偏差超过设定的要求时，机构拨盘触发机械式换向阀或行程开关，使制动器制动；同时，行程开关动作也使提升机构停止运行，旋转编码器也可以给出冗余控制信号，多重保证整个观众平台系统安全。这台设备中设定的凸轮不同步触发弧长为100 mm，传动和驱动系统的最大偏差取80 mm。实测中，传动和驱动系统的最大偏差不大于20 mm，可以达到设计要求范围内的同步工作控制。 从控制原理出发，提升系统主要由控制中心，升降控制系统、升降制动系统、升降安全系统等组成。设备单点提升系统控制原理图如图4所示，多点提升与之类似。为了保证人员和设备安全，使工作、调试、救援等工作顺利进行，系统中还要增加相关的检测和控制设备。
（1）控制中心：接收控制和反馈指令，处理后通知电机和制动器等按要求运转和执行，实现横梁运行和停止。
（2）升降控制系统：控制中心的控制器控制提升和检测电机实现横梁同步定位升降，其中主梁升降的电机（M2），配有一个增量式编码器（ECN1）做速度反馈。同步检测机构的电机（M1）配有带绝对值编码器（ECN5）作为位置和速度反馈，检测链轮还配有1个绝对值单圈编码器（ECN2）作为同步链轮角度检测，增加有机械式拨盘，驱动电磁阀和行程开关动作。另外，增加外部拉线绝对值编码器（ECN3）作为位置反馈，再增加1个外部拉线绝对值编码器（ECN4）作为位置冗余检测。两个都接入控制器，实现矢量闭环控制。
（3）升降制动系统：主要包括1套为钳式制动器提供动力的集中供油液压站及冗余布置的压力传感器；升降电机标配抱闸装置（Y2）以及辅助制动装置（Y3）。横梁每端装有液压钳式制动器，且每个制动器配有微动开关用于状态检测。控制中心时刻采集制动器状态信号，并在需要时使制动器动作。
（4）平台升降安全部分：这部分是控制系统和制动系统的综合功能。当平台升降平衡度超出范围，有机械装置和电控装置同时保证钳式制动器投入运行，另外还有升降电机标配的抱闸装置、增设的辅助制动装置、抱闸和辅助制动检测装置，液压站压力传感器等，也都会通过电控系统，确保抱闸和制动的实际状态与需求相同。当运行速度超出范围时，具有速度和位置反馈的两个拉线编码器，上升和下降方向两侧设置的减速位开关，停止开关都会产生相应控制信号。如果系统电控失灵，或提升的链条断裂等，在上升和下降方向都有缓冲装置保护。
除去以上保护外，控制器还设有电机热保护功能，过压、欠压保护功能，及限速、限流、短路等多重保护功能。同时，还对电气连接设备功率通道和信号通道进行了电气隔离，并装有漏电保护装置，而且对所有控制电都采用不间断电源供电，确保运行安全。
此设备从安装、调试到运行的一年多的时间里，升降次数超过7 000次，其同步性和制动性非常良好，完全达到了设计目标。
4 结论
以上介绍多点提升系统的同步检测机构在实际使用中运行良好，说明这种多点提升机构是合理和可靠的，且可以被同类设备借鉴。
注：本文内容属于国家科技支撑计划课题“虚拟交互娱乐装备及控制系统研发”（2013BAH68F02）。
参考文献：
[1] 全国索道与游乐设施标准化技术委员会. 《游乐设施实用手册》[M]. 北京： 全国索道游艺机及游乐设施标准化技术委员会，2003.
[2] 成大先. 《机械设计手册》第五版[M]. 北京：化学工业出版社，2008.
作者简介：
戎志刚（1963-），男，国防科技大学硕士，高级工程师。研究领域为游乐设备设计制造和结构安全分析。
【关键词】 同步检测；游乐设备；大跨距；多点提升；可靠性
文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2016.01.008
Application of Synchronous Detection Device in Large Amusement Equipment
RONG Zhi-gang， LIU Qiang， LU Li-min
（Shenzhen Huaqiang Intelligent Technology Co.， Ltd.， Shenzhen Guangdong 518005， China）
【Abstract】In this paper， a synchronization detection mechanism for multi point lifting system was proposed. Through the application in large recreation equipment， it explained that this structure can not only realize the large span and multi point lifting function， but also can make the mechanical and electrical together effectively， for ensuring the reliability of equipment operation.
【Key Words】synchronous detection； recreational equipment； large span； multi-point lifting； reliability
1 同步检测机构
现有的平台类多点同步提升系统通常采用机械同步或电气同步两种方式。同一驱动动机同时驱动多个提升点的机械同步方式，大跨距、多点提升系统不仅造价较高，而且由于传动距离远、联轴器扭转刚度一致性差、系统安装精度较低等缺点，使得各提升点不同步，误差偏大。而采用拉线编码器等通过位移反馈来实现同步的电气方式，一旦控制电路出现故障，若主提升系统仍在运行，则会产生危险。
新型机械式同步检测机构如图1所示，用于较大跨距、多点独立驱动的同步提升系统，可对电气和机械原因引起的不同步均产生响应，保证提升过程中的安全可靠性，较好地解决了舞台多点同步提升问题。
当使用电气和机械两种方式时，以电气同步为主。当二者同步时，证明设备出于正常运行状态；当二者不同步时，主要由精度较高的电气系统控制保证运行同步和安全，而精度较低的机械同步检测机构上的执行元件在设定的范围内不输出动作，保证设备能正常工作。当电气系统发生故障或在突然停电等异常情况下，同步偏差超过设定的数值，机械执行元件立刻触发制动机构投入工作状态，达到人、机安全的目的。
2 多点提升同步机构的工作原理
多点提升同步系统主要由多对提升系统与同步检测机构组成，如图1所示。只要把同步检测机构中的检测机构与被提升的平台连接在一起，其他部分安装在固定立柱上，并使提升的驱动电机与同步检测机构的减速电机达到同步，就可以完成同步提升控制。在平台升降过程中，只要链条相对于检测机构的链轮发生了相对运动，就表明提升点发生了不同步。如果检测机构中的链轮带动拨盘转动，触发了机械式换向阀或者触发开关，就可以引起相应的制动器制动并使提升停止。检测机构中间链轮轴端也可以安装编码器，可对速度等检测。
同步检测机构中，仅仅增加了一个机械构件——拨盘，就使得系统引入了两个机械检测信号，弥补了电气检测的不足，大大提高了系统工作的可靠性。
3 多点提升同步机构的应用
例如，某大型可运动的观众平台，属于国家A类特种游乐设备，直径为15 m的平台安装在横梁上，横梁经导向机构与两立柱连接，主提升驱动系统通过链条拖动横梁上下运动。该平台1次允许乘坐152名观众，在工作过程中，该平台在横梁上作360°水平旋转。横梁水平跨度24.6 m，运行高度为18 m，垂直升降的行程为9 m。系统活动部分重量为285 t，总重520 t。横梁升降速度不大于0.41 m/s，平台最大外缘的线速度不大于1.49 m/s，整机设计使用年限为15年。
该设备由于载客量多、重量大、垂直行程高、跨度大，观众平台要在高空稳定的升降、旋转，另外还要尽量降低对观众视野的限制，考虑节能和各种非正常的状态发生后可能引起的救援等。因此，必须保证横梁和立柱的强度、刚度和稳定性，保证驱动系统的安全可靠性，且在失效时应有安全防护措施，保护人与设备的安全。为了避免单一失效引起人员和设备伤害，还应采用机械和电气相互补充的冗余控制，方能符合国家A类游乐设备的相关要求。
该设备的结构如图2、图3所示，提升系统的主提升链条连接在横梁两端的提升点上，同步检测机构的检测机构安装在横梁两端头，跟随横梁一起升降。辅助链轮、从动链轮、减速电机等均安装在立柱上。正常工作时，控制提升系统驱动电机与同步检测机构的减速电机同步运行，保证检测机构的链轮与链条没有相对运动。当任意两者间运动不同步时，检测机构链条会带动检测机构的链轮转动，引起同轴安装的拨盘转动，只要拨盘转过的弧长小于由机械传动系统和两电机运行偏差引起的最大弧长，均由电气同步控制处理。当电气同步发生故障或突然停电等非意外情况发生，且运行的不同步偏差超过设定的要求时，机构拨盘触发机械式换向阀或行程开关，使制动器制动；同时，行程开关动作也使提升机构停止运行，旋转编码器也可以给出冗余控制信号，多重保证整个观众平台系统安全。这台设备中设定的凸轮不同步触发弧长为100 mm，传动和驱动系统的最大偏差取80 mm。实测中，传动和驱动系统的最大偏差不大于20 mm，可以达到设计要求范围内的同步工作控制。 从控制原理出发，提升系统主要由控制中心，升降控制系统、升降制动系统、升降安全系统等组成。设备单点提升系统控制原理图如图4所示，多点提升与之类似。为了保证人员和设备安全，使工作、调试、救援等工作顺利进行，系统中还要增加相关的检测和控制设备。
（1）控制中心：接收控制和反馈指令，处理后通知电机和制动器等按要求运转和执行，实现横梁运行和停止。
（2）升降控制系统：控制中心的控制器控制提升和检测电机实现横梁同步定位升降，其中主梁升降的电机（M2），配有一个增量式编码器（ECN1）做速度反馈。同步检测机构的电机（M1）配有带绝对值编码器（ECN5）作为位置和速度反馈，检测链轮还配有1个绝对值单圈编码器（ECN2）作为同步链轮角度检测，增加有机械式拨盘，驱动电磁阀和行程开关动作。另外，增加外部拉线绝对值编码器（ECN3）作为位置反馈，再增加1个外部拉线绝对值编码器（ECN4）作为位置冗余检测。两个都接入控制器，实现矢量闭环控制。
（3）升降制动系统：主要包括1套为钳式制动器提供动力的集中供油液压站及冗余布置的压力传感器；升降电机标配抱闸装置（Y2）以及辅助制动装置（Y3）。横梁每端装有液压钳式制动器，且每个制动器配有微动开关用于状态检测。控制中心时刻采集制动器状态信号，并在需要时使制动器动作。
（4）平台升降安全部分：这部分是控制系统和制动系统的综合功能。当平台升降平衡度超出范围，有机械装置和电控装置同时保证钳式制动器投入运行，另外还有升降电机标配的抱闸装置、增设的辅助制动装置、抱闸和辅助制动检测装置，液压站压力传感器等，也都会通过电控系统，确保抱闸和制动的实际状态与需求相同。当运行速度超出范围时，具有速度和位置反馈的两个拉线编码器，上升和下降方向两侧设置的减速位开关，停止开关都会产生相应控制信号。如果系统电控失灵，或提升的链条断裂等，在上升和下降方向都有缓冲装置保护。
除去以上保护外，控制器还设有电机热保护功能，过压、欠压保护功能，及限速、限流、短路等多重保护功能。同时，还对电气连接设备功率通道和信号通道进行了电气隔离，并装有漏电保护装置，而且对所有控制电都采用不间断电源供电，确保运行安全。
此设备从安装、调试到运行的一年多的时间里，升降次数超过7 000次，其同步性和制动性非常良好，完全达到了设计目标。
4 结论
以上介绍多点提升系统的同步检测机构在实际使用中运行良好，说明这种多点提升机构是合理和可靠的，且可以被同类设备借鉴。
注：本文内容属于国家科技支撑计划课题“虚拟交互娱乐装备及控制系统研发”（2013BAH68F02）。
参考文献：
[1] 全国索道与游乐设施标准化技术委员会. 《游乐设施实用手册》[M]. 北京： 全国索道游艺机及游乐设施标准化技术委员会，2003.
[2] 成大先. 《机械设计手册》第五版[M]. 北京：化学工业出版社，2008.
作者简介：
戎志刚（1963-），男，国防科技大学硕士，高级工程师。研究领域为游乐设备设计制造和结构安全分析。