动态建筑的液压驱动系统设计与分析

　　昆明世博园艺术广场为了满足既能与周围环境相协调,又能起到遮阳避雨功能,上海交大建筑设计院和机械学院联合为其设计了国内首座大型活动建筑,图1(a)所示。该建筑包括能容纳6000余名观众的观众席雨蓬上下开启系统和容纳200多名演员的舞台雨蓬平移机构。观众席雨篷分成5个可开启的分体,每个分体长37.7m,重约4010³kg。每个单体在液压系统作用下旋转开启,旋转铰点距后端8.5m,如图1(b)所示。

　　1 锁紧固定装置设计

　　观众席雨蓬根据演出及景观的需要,要停留3个位置,即14^o、25^o和38^o。停留在每个位置时,虽然液压系统本身具有锁定功能,但考虑到艺术广场所处位置风力较大,从安全性、可靠性方面考虑必须从机械上加以锁紧固定。图1(b)中右侧装置即为观众席雨蓬的锁紧固定装置,是采用液压控制来实现的。该油缸共5组,每组由1个升降大油缸和4个锁紧小油缸组成。锁紧油缸的作用是按顺序进行插销的插入和拔出,以便锁紧和松开雨蓬。

　　从图2所示中可以看到,当雨蓬停留在14^o时,大油缸活塞伸出至最高位置,此时雨蓬尾梁上端靠在锁紧支架上,只需从下面用一个销子(插销1)锁紧即可。雨蓬停留在25^o时,大油缸活塞伸出至中间位置,此时雨蓬尾梁需从上下两面(插销2和3)锁紧。雨蓬停留在38^o时,大油缸活塞缩短至最低位,此时雨蓬的尾梁只需从上面(插销4)锁紧,尾梁下端靠在锁紧支架上。观众席雨蓬通常状态为开启14^o。

　　2 液压系统设计

　　每片雨蓬的开启动作也是通过液压驱动实现的(即图2中的大油缸),本液压系统采用山西榆次厂生产的CY系列高压柱塞泵,可通过分别启动泵来控制系统流量,以便更加方便地调整油缸运动速度及运动平稳性,并使系统具有较大的压力裕量。

　　2. 1 雨蓬开启/闭合的液压驱动系统

　　雨蓬开启/闭合的主要技术参数为:开启最大负载力F=0.610⁶N,开启速度u1=1m/min,开启/闭合时,油缸行程均为3.95m,闭合速度与开启速度相接近。

　　雨蓬开启效果类似“孔雀开屏”, 5片雨蓬分为3个单元,中间一片为A1单元,左一和右一为A2单元,左二和右二为A3单元。每个单元有3个停留位置,最低状态(雨蓬闭合状态,开启角度为14^o),中间状态(开启角度25^o),最高状态(雨蓬打开状态,开启角度为38^o)。首先A1单元开启、锁定后,A2单元再同步开启、锁定(A2也可以每片单独开启、锁定),最后A3单元同步开启、锁定(A3也可以每片单独开启、锁定)。因此配置2路液压系统就能满足两片同时开启,每路设置相同泵、控制阀和油缸,系统相互独立。雨蓬开启/闭合时,除重力负载外,还要考虑风向和风力等外负载的变化,另外还要考虑开启/闭合时的速度控制、运动平稳性,以及锁定位置要求。