大型综合体育馆开合屋盖驱动方式的研究

大型综合体育馆开合屋盖驱动方式的研究

冯龙  陈纯琼 唐宇 张志铭  郑维冰

中建八局南方公司深圳分公司  广东 深圳

摘要：本论文探讨了大型综合体育馆屋盖开合系统的四种驱动方式：轮式、链轮链条、钢丝绳牵引和齿轮齿条。通过对比，齿轮齿条驱动在驱动力可靠传递、高控制精度和低成本方面表现优越，特别适用于坡度较大的轨道。在实际项目中，选择齿轮齿条驱动方式，以提高使用寿命、降低维护成本和减少运行噪音，为大型综合体育馆屋盖开合系统的设计提供了可行性建议。

关键词：屋盖开合系统，驱动方式，轮式驱动，链轮链条驱动，钢丝绳牵引驱动，齿轮齿条驱动。

1工程概况

深圳市体育中心改造提升工程项目（一期）主体工程位于深圳市福田区中心地段，本工程用地面积约11.82万m2，总建筑面积为26.59万m2，其中地下建筑面积16.88万m2，地上建筑面积9.71万m2。新建综合体育馆建筑高度为48.6m。拟建建筑物地上6层，地下2层，新建体育馆结构形式为框架剪力墙、钢结构，副馆为钢筋混凝土框架结构。2 开合屋盖闭合全过程模拟。

2工程难点分析

在大型综合体育馆开合屋盖的驱动方式选择中，轮式驱动面临着坡度打滑、反力较大和对下部结构刚度要求高等挑战，尤其在屋顶存在4%的坡度情况下，不太适合应用。链轮链条驱动则需保证高啮合尺寸精度，但在坡度较大的屋顶环境下，同时满足径向和宽度方向导向精度可能成为挑战，且链条润滑和维护问题也需考虑。钢丝绳牵引驱动系统的控制精度较低，而其在屋顶结构中的复杂导向路径和需留有足够空间安装卷扬机设备的特点使其应用受到限制。相比之下，齿轮齿条驱动方式在定位控制精度、适应坡度、成本和维护方面都表现出明显优势，能够满足大型综合体育馆开合屋盖的要求，提供长期运行保证，降低维护成本，是更为合适的选择。

3驱动方式

目前，开合屋盖常用驱动方式：轮式驱动、链轮链条驱动、钢丝绳牵引驱动、齿轮齿条驱动等形式。

（1）轮式驱动

轮式驱动属自驱动方式，驱动系统由车架、车轴和轴承、驱动轮、从动轮、侧向轮以及电动机、制动器、减速器、联轴器、锁定装置、抗倾覆装置等主要部件构成。驱动系统与台车一体化，在主动台车上安装电动机，通过减速器带动车轮，利用车轮与轨道之间的摩擦力驱动台车行走，设备简洁紧凑，故障率低。该驱动方式中台车的反力较大，对下部结构刚度要求高，轨道变形控制严格，轨道沟槽占用场地面积较大。轮式驱动主要适用于水平或坡度很小的轨道，对轨道刚度和安装精度要求较高。

图1 轮式驱动系统工作原理

（2）链轮链条驱动系统

链轮链条驱动系统的工作原理与齿轮齿条驱动系统的相近，电动机带动链轮，利用链轮与链条的啮合作用驱动开合屋盖运行，具有结构紧凑、噪声较小的优点，适用于直线轨道或圆弧轨道运行的开合屋盖。

链轮链条驱动分为开放式链条与封闭式链条两类，开放式链条将链条沿运行方向固定于开合屋盖或支承结构，类似于齿条的作用，主要区别在于链条可适应曲率较大的轨道； 封闭式链条与主动链轮、从动链轮及张紧轮共同构成传动机构，即环形链条驱动装置，牵引开合屋盖运行。

图2 开放式链条       图3 封闭式链

（3）钢丝绳牵引驱动系统

钢丝绳牵引驱动系统由卷扬机、钢丝绳、转向轮、导向轮、托辊、均衡梁以及缓冲限位装置等部件组成。钢丝绳的一端固定于卷扬机卷筒，另一端依次绕过转向滑轮、托辊、均衡梁，再绕回固定于卷筒。电动机、减速器固定不动，钢丝绳与开合屋盖相连，通过卷扬机旋转，实现开合屋盖的开启与闭合。与齿轮/齿条和链轮/链条驱动系统相比，钢丝绳牵引驱动系统更适合于较大的行程。

当开合屋盖在空间轨道上行走时，单向钢丝绳牵引一般不需要设张紧装置。当轨道坡度较大时，上行时靠卷扬机收绳牵引开合屋盖沿轨道运行，下行时主要利用屋盖自重下滑或辅以较小反向牵引完成，卷扬机的牵引力主要用来克服重力荷载、风力和摩擦力。当开合屋盖重心位置倾角大于5°时，可利用屋盖自重下滑实现屋盖开启。对于水平或坡度较小的轨道，可采用双向钢丝绳牵引方式进行驱动，开合屋盖开启与闭合均由卷扬机/钢丝绳驱动。

图4 钢丝绳驱动系统机械原理

（4）齿轮齿条驱动

齿轮齿条驱动系统由导轨、台车、电动机、减速器、齿条/齿条工作副等组成，其原理是将齿轮转动作为动力源，电动机通过减速器带动齿轮转动，利用齿轮与齿条之间的啮合作用驱动开合屋盖开合运行。 当开合屋盖的运行距离大于开合屋盖的长度时，可将齿条固定于支承结构，电动机、减速器安装 在开合屋盖之上，通过调控电动机正反旋转，带动开合屋盖往复移动。当开合屋盖的运行距离不大于开合屋盖的长度时，可将电动机、减速器固定于支承结构，齿条安装在开合屋盖之上。为提高开合屋盖运行的安全性，应避免杂物掉落造成零件损伤。对于小型开合屋盖结构，可采用无源开启/关闭方式，也可采用单个驱动装置通过万向轴和分动机构驱动多个齿轮齿条系统。

图5 齿轮/齿条驱动系统的工作原理

4驱动方式的选择

轮式驱动一般适用于水平轨道，因为其对轨道的安装要求较高，驱动力小，车会出现在轨道上打滑的现象。本工程中的轨道存在4%的坡度，不宜采用轮式驱动。

链轮链条驱动在链轮径向和宽度方向均需要保证较高的啮合尺寸精度，需要两个方向具有较高的导向精度，而本项目的屋面存在4%的坡度，其在两个方向难以同时满足导向精度。此外，链条需润滑且链轮链条间易混入异物引发故障，磨损严重，维护困难。

钢丝绳牵引驱动的控制精度低，位置控制需要考虑钢丝绳的伸长因素，此外钢丝绳在传递路径上导向复杂，需要在固定屋顶或者建筑物内留有设置卷扬机设备的空间。

而齿轮齿条驱动因是链条-链轮的咬合结构,可实现驱动力可靠传递，定位控制精度高；传递动力较大，可适用于行走坡度较大的开合屋盖驱动；且链条为标准产品，批里生产成本较低。

在本项目中采用齿轮齿条的方式设计，可延长使用寿命，降低维护成本，提供长期运行保证,并可有效降低运行噪音，维护保养相对简易。

5结束语

综合考虑大型综合体育馆开合屋盖的驱动方式，以深圳市体育中心改造项目为例，深入比较了轮式、链轮链条、钢丝绳牵引和齿轮齿条四种驱动方式。在考虑坡度、导向精度、成本和维护等因素后，得出结论：齿轮齿条驱动方式是最合适的选择。其可靠性、高精度、适应坡度的能力和相对低的成本使其成为本工程的理想解决方案。通过技术创新，有望在大型综合体育馆领域取得更显著的进展。在未来的体育馆设计中，建议深化对不同驱动方式的研究，科学选择适用的技术，以确保项目的高效运行和可持续发展。

中建八局科技研发项目:大型综合体育馆开合屋盖设计施工与应用研究(2022-2-06)