CN106639403A - 一种馈源舱建造、停靠和维护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种馈源舱建造、停靠和维护装置，包括基础，设置在基础上的舱支撑装置，设置在基础上的滑轮支撑装置，以及设置在舱支撑装置环梁平台上的动态监测单元。所述舱支撑装置包括固定立柱、升降立柱、环梁平台等；所述滑轮支撑装置有三套，每套包括2套大滑轮、1套地滑轮、1套升降平台、2套固定支撑部、四套插销机构和辅助设施等；所述动态监测单元有3套，每套包括1台激光测距仪、1块反射板、一套视频等。本发明能够满足馈源舱建造、调试、入港停靠、离港、维护和钢丝绳与馈源舱连接的功能需要。

Description

一种馈源舱建造、停靠和维护装置

技术领域

本发明涉及射电望远镜工程领域，特别是一种馈源舱建造、停靠和维护装置。

背景技术

500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radioTelescope，FAST)是我国十一五期间的重大科学装置，建成后将是全球最大的单口径射电天文望远镜，具有三项自主创新：利用贵州天然的喀斯特洼坑作为台址；洼坑内铺设数千块三角形单元组成500米球冠状主动反射面；采用轻型六索拖动机构拖动馈源舱实现一次索驱动，同时馈源舱内A、B轴机构、Stewart平台再对接收机位置进行二次精调，实现望远镜接收机的高精度定位。

在观测模式下，FAST可以控制部分反射面主动变形，形成一个口径约300m的瞬时旋转抛物面，将来自太空天体的射电波信号进行聚焦，以便处于焦点位置的望远镜观测设备，即馈源舱中的馈源接收机，能够接收并进行处理。由于地球自转运动，射电波的入射角度会随着天体东升西落而同步发生变化，其会聚的焦点位置也将随之连续改变，从而在反射面球冠上方形成一个同球心的口径达206m的球冠状轨迹焦面。FAST望远镜的工作特点和所观测的射电波频段要求馈源接收机必须要实时跟踪焦点的位置变化，并应具有很高的位置精度和指向精度。反射面外边缘直径600米的圆周上均布着6座百余米高的馈源支撑塔，每座塔支撑一条直径46mm的钢丝绳，每条钢丝绳由各塔底的驱动卷扬机驱动，经地面导向滑轮、塔中心索通道、塔顶导向滑轮机构与馈源舱可靠连接，6条钢丝绳进行并联运动，拖动馈源舱进行天文跟踪观测运动。

馈源舱主要包括星形框架、AB轴机构、Stewart平台、多波束接收机转向装置、舱罩和其他附属设备/设施等。舱内Stewart平台动平台上安装有9套馈源接收机，含一套多波束馈源接收机，多波束馈源接收机直径为1.5米，高度约2.08米，重1.5吨的圆柱体。馈源舱的总体尺度约为直径13米、高6米的类圆柱体，重约30吨；馈源舱无法在工厂完成组装整体运输到FAST现场，只能分解成满足运输限界要求的分部件，运输到FAST反射面底部中心处进行装配，并进行6索与舱连接。FAST运行阶段，舱内设备、接收机等需要维护，6根索悬吊馈源舱在空中，不便于进行6索的更换、馈源舱的维护人员进入舱内，需要将馈源舱降落到稳定的支撑上。因此需要一种用于FAST馈源舱的建造、入港停靠和维护的装置，同时该装置能辅助6索实现馈源舱入港时与入港停靠装置准确对接。

发明内容

本发明的目的是提供一种馈源舱建造、停靠和维护装置，解决馈源舱因体积和重量过大难以运输的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种馈源舱建造、停靠和维护装置，包括基础，

设置在基础上的舱支撑装置，

设置在基础上的滑轮支撑装置，以及设置在舱支撑装置环梁平台上的动态监测单元。

可选地或优选地，所述舱支撑装置包括：

固定立柱；所述固定立柱上设置环梁平台；以及

升降立柱，所述升降立柱从环梁平台自下而上穿出。

可选地或优选地，所述升降立柱包括外立柱，外立柱内安装内立柱，内立柱上部加工出内孔，在内孔的端部安装有与内孔间隙配合的导向锥，导向锥能够与馈源舱的对接座对接；所述内立柱下部连接驱动设备，以带动内立柱升降。

可选地或优选地，导向锥下部安装有缓冲器。

可选地或优选地，所述滑轮支撑装置包括：

卷扬机提升机构，所述卷扬机提升机构的电机、减速机、卷筒固定在固定支撑部的下部，定滑轮固定在固定支撑部的上部，卷扬机提升机构的钢丝绳缠绕在卷筒上，过定滑轮再锚固到升降平台下部钢丝绳锚固座上，升降平台与固定支撑部滑动配合，当升降平台被提升到上极限位置时，升降平台和固定支撑部通过插销机构锁定；

所述滑轮支撑装置包括设置在基础上的地滑轮、安装在升降平台顶端的大滑轮、升降平台、固定支撑部和插销机构等。

可选地或优选地，所述滑轮支撑装置的数量为三套，围绕着舱支撑装置以120°的夹角均布；每套滑轮支撑装置均包括两个大滑轮，每个大滑轮的绳槽的中心面与其所在固定支撑部的径向中心线的夹角为31°。

可选地或优选地，所述动态监测单元包括视频摄像机、激光测距仪和反射板；所述反射板安装在馈源舱舱索锚固头座的下方，所述激光测距仪的位置能够保证其发出的激光束可以照射在反射板上，所述视频摄像机能够拍摄到激光束照射在反射板上的位置。

本发明提供一种馈源舱建造、停靠和维护的装置，主要由舱支撑装置、滑轮支撑装置和动态监测单元等构成，能够满足FAST馈源舱建造、调试、入港停靠、离港、维护和钢丝绳与馈源舱连接的功能需要。

附图说明

图1是本发明实施例提供的馈源舱机构示意图；

图2是本发明实施例的提供馈源舱建造、停靠和维护的装置的结构示意图；

图3为图2中滑轮支撑装置的俯视布局示意图；

图4为舱支撑装置的结构示意图；

图5为滑轮支撑装置的结构示意图；

图6为图5的侧视结构示意图；

图7为馈源舱星形框架在环梁平台上建造的结构示意图；

图8为馈源舱AB轴环、静平台吊装到星形框架的结构示意图；

图9为馈源舱安装完成状态的结构示意图；

图10为馈源舱入港对接部位的结构示意图；

图11为动态监测装置的结构示意图；

图12为激光测距仪反射板的结构示意图；

其中：1—星形框架；2—AB轴环；3—Stewart机构静平台；4—Stewart机构驱动支链；5—Stewart机构动平台；6—舱对接座；7—舱索锚固头座；8—舱支撑装置；9—动态监测单元；10—激光束；11—反射板；12—滑轮支撑装置；13—地锚；14—地滑轮；15—基础；16—固定立柱；17—环梁平台；18—升降立柱；19—内立柱；20—导向锥；21—缓冲器；22—外立柱；23—T型丝杠副；24—减速器；25—卷扬机提升机构；26—固定支撑部；27—插销机构；28—升降平台；29—大滑轮；30—吊带和手拉葫芦；31—馈源舱；32—视频摄像机；33—激光测距仪；34—支架；A-A轴；B-B轴；

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明实施例提供的馈源舱建造、停靠和维护装置可以应用在馈源舱的建造、停靠和维护中任意一项作业中。图1示例性地给出了一种本发明实施例所应用的馈源舱结构。如图1所示，馈源舱31主要由星形框架1、AB轴环2、Stewart机构静平台3、Stewart机构驱动支链4和Stewart机构动平台5等组成。在星形框架1的外侧包裹1mm厚不锈钢板做蒙皮，起到防尘防雨和EMC屏蔽的作用。星形框架1的作用是对馈源舱31的所有部件进行支撑，在馈源舱31的星形框架1的中部外围沿着周向等间距均布3套舱索锚固头座7，每套舱索锚固头座7有2个与驱动索连接的连接孔，用于与相邻2座支撑塔的驱动索分别连接，3套舱索锚固头座7共计和6根钢丝绳连接，6根钢丝绳以并联的方式被驱动，牵引馈源舱31在140米的空中沿天文观测轨迹行走。星形框架1的底部焊接有3套舱对接座6，用于在馈源舱入港时与舱支撑装置的升降立柱对接(下文叙述)。AB轴环通过A轴机构与星形框架1连接，以使其可以绕A轴相对于星形框架1转动。Stewart机构静平台3通过B轴机构与AB轴环2连接，使其可以绕B轴相对于AB轴环2转动。上述A轴与B轴是正交的。6套Stewart机构驱动支链4的上部虎克铰通过螺栓与Stewart机构静平台3连接，6套Stewart机构驱动支链4的下部球铰通用螺栓与Stewart机构动平台5连接，6套Stewart机构驱动支链4并联伸缩，以带动Stewart机构动平台5运动。馈源舱重约30吨，其中星形框架1重约14吨、AB轴环2重约5吨，Stewart机构静平台3重3吨、Stewart机构驱动支链4共6套，单套重0.26吨、Stewart机构动平台5安装天文接收机后重约3吨。完成安装的馈源舱是一个直径约13米、高度约6米、重约30吨的近似圆柱体，尺度大，质量大，无法整体运输到FAST施工现场，只能分解成满足运输限界的小部件运输到FAST射电望远镜底部中心处进行组装、建造。由于馈源舱涉及的零部件多，安装工序复杂，同时还要保证在安装后可以停靠入港并方便维护。所以有必要建造1套FAST馈源舱建造、停靠和维护的装置，来实现馈源舱的建造和维护功能。

如图2-图6所示，本发明实施例提供的一种馈源舱建造、停靠和维护的装置，包括舱支撑装置8、滑轮支撑装置12和动态监测单元9等。舱支撑装置8的主要作用是对馈源舱的主体部件进行支撑，使其能够在该舱支撑装置8上被组装。滑轮支撑装置主要包括2套大滑轮、1套地滑轮、2套固定支撑部、1套升降平台、4套插销机构和2套卷扬机提升机构等，滑轮支撑装置与馈源支撑塔上的导向滑轮、塔底的地滑轮、卷扬机房的卷筒、滑轮支撑装置附近的卷扬机等组成一个驱动索安装的系统，辅助6条驱动索的安装、更换和索与馈源舱舱索锚固头座的连接。此外，还包括动态监测单元。舱支撑装置8和滑轮支撑装置12都设置在基础15上。基础15建造于FAST天文望远镜底部中心直径26米的圆台内。其中直径26米圆台除基础外的地面进行硬化，该区域是馈源舱的主装配区。

舱支撑装置8的1套升降立柱18和1套滑轮支撑装置12共用1处组合基础，其中1处组合基础位于正北偏东的角度d为16°，以此处开始，每隔120°设置一组组合基础，形成了绕舱支撑装置8的三组组合基础，3处组合基础的分布位置主要由FAST的6座馈源支撑塔的位置决定。舱支撑装置8主要包括3套固定立柱16，固定立柱是环梁平台17的承载立柱，固定立柱16的下部与基础用地脚螺栓连接，上部与环梁平台17用螺栓连接，3套固定立柱16均匀分布在3套升降立柱18之间，分布圆直径10.3米。升降立柱18从环梁平台17自下而上穿过。升降立柱18包括外立柱22，外立柱22的下部与组合基础用地脚螺栓连接，上部与环梁平台用螺栓连接，支撑环梁平台，外立柱22的内部安装有内立柱19，内立柱19与外立柱22间隙配合，可以在外立柱内上下滑动。内立柱19上部焊接一个馈源舱的承载座，从承载座的上表面向内立柱下部加工有一个与内立柱外圆柱面同轴的内孔。承载座内孔安装有导向锥20，导向锥20与内孔间隙配合，以使得其能够沿着内孔上下滑动，在导向锥20下方设置一个缓冲器21。馈源舱入港时，其本体过重、同时有一定的下落速度，使得其在与舱支撑装置8的升降立柱对接中易产生较大的冲击，重则破坏对接处的连接部件或馈源舱内的零部件。舱对接座6的对接面是一圆环面，其内孔镶嵌一内径160mm的尼龙套，馈源舱入港时，尼龙套可和内立柱19中的导向锥20接触，同时起到减轻摩擦和缓冲作用。缓冲器21长期承载7吨的力不失效，短期可以承载10吨的力不失效，缓冲行程为70mm。馈源舱入港对接时导向锥20向下的缓冲行程设计为60mm，用于缓冲馈源舱下降与舱支撑装置8对接过程的冲击。导向锥20锥底直径为120mm，锥顶直径为35mm。内立柱19的底部连接驱动装置，以实现内立柱19的升降，驱动装置可以采用电机和配套的减速器24，在减速器24的输出端连接T型丝杠副23，T形丝杠副23的丝杠母与内立柱19的下部固定连接。这样通过电机转动，带动T形丝杠在丝杠母中旋进或旋出，驱动T形丝杠母带动内立柱19进行升降运动。此外，驱动装置还可以采用液压推杆等形式。

同样地，滑轮支撑装置12也有3套，每套分别安装在一处组合基础15上。滑轮支撑装置12包括固定支撑部26，升降平台28和4套插销机构27。升降平台28与固定支撑部26内侧的滑轨面间隙配合，可以上下滑动。卷扬提升机构25对角布置于固定支撑部26下部，定滑轮安装在固定支撑部26的上部，与卷扬提升机构相对应，提升钢丝绳卷绕在卷扬提升机构25的卷筒上，过定滑轮再锚固到升降平台28下部的钢丝绳锚固座上，以实现升降平台28的升降。工作状态，2套卷扬机提升机构25同步回收钢丝绳，提升升降平台28到上极限高度，然后用4套插销机构27伸出的销轴将升降平台28和固定支撑部26锁定。非工作状态，退出插销机构27的销轴，2套卷扬机提升机构25同步释放钢丝绳，使升降平台28下降到下极限位置，此时滑轮支撑装置12的高度为3.5米，满足FAST观测工况反射面的限界要求。滑轮支撑装置与馈源支撑塔上的导向滑轮、塔底的地滑轮、卷扬机房的卷筒、滑轮支撑装置附近的维修用卷扬机等组成一个驱动索安装的系统，辅助6条驱动索的安装、更换和索与馈源舱舱索锚固头座的连接。每套滑轮支撑装置中，大滑轮29的数量为两个，分别对应2座相邻馈源支撑塔上驱动索，两个大滑轮29绳槽中心面分别与其所在滑轮支撑装置的均布中心线(即固定支撑部26的径向中心线)的夹角c为31°。该角度保证钢丝绳、馈源支撑塔塔顶滑轮绳槽中心面、大滑轮29的绳槽中心面基本在一个平面内，使钢丝绳在收放的过程中不会脱槽。一套地滑轮的钢丝绳槽与升降平台上的2套大滑轮的钢丝绳槽对应，该地滑轮同时与安装在滑轮支撑装置附近的维修用卷扬机对应，该维修用卷扬机用于驱动索的安装和更换。

如图7所示是星形框架1建造过程中的结构示意图。星形框架1是馈源舱其他部件的支撑体，须首先建造，在建造过程中，舱支撑装置8的升降立柱18处于收缩状态。将构成星形框架1的各单元组件、杆件等顺序吊装到舱支撑装置8的环梁平台17上，用焊接工装辅助定位、夹紧，检验星形框架1各主要部件的位置是否正确，合格后进行定位焊，复检星形框架各主要部件的定位精度，合格后进行焊接，再次进行复检、矫形、防腐施工(如涂覆防腐涂料等)，完成星形框架1的建造。

如图8所示，馈源舱31组装示意图。星形框架1建造完成，3套升降立柱18同步顶升星形框架1到上极限高度，提升3套滑轮支撑装置12的升降平台28到上极限高度，将插销机构27的销轴伸出，锁定升降平台28和固定支撑26。馈源舱31的安装步骤如下：

1)在基础15的中心位置地面上，用定位工装、定位销辅助，组装AB轴环2，注意要将2处A轴与星形框架上的A轴孔上下对应；

2)在基础15的中心位置地面上，用定位工装、定位销辅助，组装好Stewart机构静平台3；

3)将Stewart机构静平台3通过2套B轴机构安装到AB轴环2上；

4)在星形框架1顶部与AB轴环2的2处A轴、2处B轴管件上分别绑扎4条吊带，每条吊带上挂1套起重量10吨、起吊高度9米的手拉葫芦，手拉葫芦下端挂1条吊带，该吊带绑扎在AB轴环2上(图8中件30即为该吊带、手拉葫芦悬吊装置)。同时拉动4套手拉葫芦，将AB轴环2、Stewart机构静平台3提升至A轴安装位置，安装A轴装置，将AB轴环2安装到星形框架上；

5)用吊带、手拉葫芦系统吊装6套Stewart机构驱动支链4到适当高度，用螺栓连接虎克铰到Stewart机构静平台3上；

6)用吊带、手拉葫芦系统吊装Stewart机构动平台5至合适高度，用螺栓连接6套Stewart机构驱动支链4的球铰到Stewart机构的动平台5上；

7)同上，用吊带、手拉葫芦系统吊装接收机、及相关设备到Stewart机构动平台5上，完成馈源舱31的主要安装工作；

8)如图9所示，馈源舱31的舱索锚固定座7距离地面的高度为6.5米，滑轮支撑装置12的大滑轮29上部距离地面高度为6.35米，便于6根钢丝绳的锚固头与舱索锚固头座7的连接，同时保证6根钢丝绳上安装的缆线入舱机构的缆线不与反射面板干涉。

如图10所示，星形框架1的舱对接座6与升降立柱18对接示意图。利用导向锥20和缓冲器21起到对接导向定位和缓冲的作用。

如图11所示动态监测单元9的结构示意图，其主要由视频摄像机32、激光测距仪33、支架34、反射板11(如图12所示)构成，视频图像信号、激光测距仪数据通过光纤网络传输到总控制室的工控机中，在显示器上显示视频图像和激光测距仪的数据。动态监测单元9安装在舱支撑装置8的环梁平台17上，每个星形框架1的舱索锚固头座7正下方安装1套，共3套。反射板11用螺钉安装在星形框架1的舱索锚固头座7的下底面上，该面当馈源舱入港停靠状态与水平面平行。馈源舱入港状态，反射板11在水平投影面的安装位置要保证激光测距仪的激光束照射在反射板11的两同心圆中心。视频摄像机32由下向上摄像，用于观测激光测距仪33的激光束10照射在反射板11上的位置。馈源舱安装完成，馈源舱由3套升降立柱18支撑在初始位置，此时打开激光测距仪33，激光束照射在馈源舱上的反射板11上，在激光测距仪33照射下，反射板11上可见一个红色激光束斑点e，使反射板11的中心与激光束斑点重合，在反射板11上以该点为圆心h画2个直径分别为g＝40mm、f＝125mm的同心圆。激光测距仪33的数据、视频的图像通过光缆传输到总控室内，在总控室的显示屏上显示。当馈源舱离港后再次入港时，总控室的视频的屏幕上，3套视频分别监测3套激光测距仪33的激光束是否落在3块反射板11的2个同心圆内，如激光束照射在圆外，调整6索的收放长度，使3束激光束分别照射在3个反射板11的圆内，此时同步均匀释放6索，馈源舱即可安全入港，实现与三套升降立柱18准确对接。具体来说，激光束落在40mm小圆内，馈源舱入港时舱对接座6的孔不会与升降立柱18的导向锥20接触，激光束落在125mm大圆内小圆外，馈源舱入港时舱对接座孔会与升降立柱18的导向锥20锥面接触，馈源舱对接座6的孔沿导向锥面下落。3套激光测距仪33实时监测馈源舱入港过程，测量馈源舱是否保持3套舱索锚固定座7水平姿态入港，如馈源舱入港姿态歪斜，可调整6根钢丝绳的伸缩量，使馈源舱入港姿态水平。将3套激光测距仪在馈源舱入港状态的测量值设为0，当馈源舱入港时，3套激光测距仪的数据为0时，得知馈源舱已经完成入港过程。

以上对本发明所提供的馈源舱建造、停靠和维护的装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种馈源舱建造、停靠和维护装置，其特征在于，包括基础，

设置在基础上的舱支撑装置；设置在基础上的滑轮支撑装置以及设置在舱支撑装置的环梁平台上的动态监测单元。

2.根据权利要求1所述的馈源舱建造、停靠和维护装置，其特征在于，所述舱支撑装置包括：

固定立柱；所述固定立柱上设置所述环梁平台；以及

升降立柱，所述升降立柱从所述环梁平台自下而上穿出。

3.根据权利要求2所述的馈源舱建造、停靠和维护装置，其特征在于，所述升降立柱包括外立柱，外立柱内安装内立柱，内立柱顶部加工出内孔，在内孔的端部安装有与内孔间隙配合的导向锥，导向锥能够与馈源舱的对接座对接；所述内立柱下部连接驱动设备，以带动内立柱升降。

4.根据权利要求3所述的馈源舱建造、停靠和维护装置，其特征在于，导向锥下部安装有缓冲器。

5.根据权利要求1所述的馈源舱建造、停靠和维护装置，其特征在于，所述滑轮支撑装置包括：

卷扬机提升机构，所述卷扬机提升机构的电机、减速机、卷筒固定在固定支撑部的下部，定滑轮固定在固定支撑部的上部，卷扬机提升机构的钢丝绳缠绕在卷筒上，过定滑轮再锚固到升降平台下部钢丝绳锚固座上，升降平台与固定支撑部滑动配合，当升降平台被提升到上极限位置时，升降平台和固定支撑部通过插销机构锁定。

6.根据权利要求5所述的馈源舱建造、停靠和维护装置，其特征在于，所述滑轮支撑装置的数量为三套，围绕着舱支撑装置以120°的夹角均布；每套滑轮支撑装置均包括两个大滑轮，每个大滑轮的绳槽的中心面与其所在固定支撑部的径向中心线的夹角为31°。

7.根据权利要求6所述的馈源舱建造、停靠和维护装置，其特征在于，所述动态监测单元包括视频摄像机、激光测距仪和反射板；所述反射板安装在馈源舱的舱索锚固头座的下方，所述激光测距仪的位置能够保证其发出的激光束可以照射在反射板上，所述视频摄像机能够拍摄到激光束照射在反射板上的位置。