一種饋源艙建造、停靠和維護裝置的制作方法

本發明涉及射電望遠鏡工程領域，特別是一種饋源艙建造、停靠和維護裝置。

背景技術：

500米口徑球面射電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST)是我國十一五期間的重大科學裝置，建成后將是全球最大的單口徑射電天文望遠鏡，具有三項自主創新：利用貴州天然的喀斯特洼坑作為臺址；洼坑內鋪設數千塊三角形單元組成500米球冠狀主動反射面；采用輕型六索拖動機構拖動饋源艙實現一次索驅動，同時饋源艙內A、B軸機構、Stewart平臺再對接收機位置進行二次精調，實現望遠鏡接收機的高精度定位。

在觀測模式下，FAST可以控制部分反射面主動變形，形成一個口徑約300m的瞬時旋轉拋物面，將來自太空天體的射電波信號進行聚焦，以便處于焦點位置的望遠鏡觀測設備，即饋源艙中的饋源接收機，能夠接收并進行處理。由于地球自轉運動，射電波的入射角度會隨著天體東升西落而同步發生變化，其會聚的焦點位置也將隨之連續改變，從而在反射面球冠上方形成一個同球心的口徑達206m的球冠狀軌跡焦面。FAST望遠鏡的工作特點和所觀測的射電波頻段要求饋源接收機必須要實時跟蹤焦點的位置變化，并應具有很高的位置精度和指向精度。反射面外邊緣直徑600米的圓周上均布著6座百余米高的饋源支撐塔，每座塔支撐一條直徑46mm的鋼絲繩，每條鋼絲繩由各塔底的驅動卷揚機驅動，經地面導向滑輪、塔中心索通道、塔頂導向滑輪機構與饋源艙可靠連接，6條鋼絲繩進行并聯運動，拖動饋源艙進行天文跟蹤觀測運動。

饋源艙主要包括星形框架、AB軸機構、Stewart平臺、多波束接收機轉向裝置、艙罩和其他附屬設備/設施等。艙內Stewart平臺動平臺上安裝有9套饋源接收機，含一套多波束饋源接收機，多波束饋源接收機直徑為1.5米，高度約2.08米，重1.5噸的圓柱體。饋源艙的總體尺度約為直徑13米、高6米的類圓柱體，重約30噸；饋源艙無法在工廠完成組裝整體運輸到FAST現場，只能分解成滿足運輸限界要求的分部件，運輸到FAST反射面底部中心處進行裝配，并進行6索與艙連接。FAST運行階段，艙內設備、接收機等需要維護，6根索懸吊饋源艙在空中，不便于進行6索的更換、饋源艙的維護人員進入艙內，需要將饋源艙降落到穩定的支撐上。因此需要一種用于FAST饋源艙的建造、入港停靠和維護的裝置，同時該裝置能輔助6索實現饋源艙入港時與入港停靠裝置準確對接。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種饋源艙建造、停靠和維護裝置，解決饋源艙因體積和重量過大難以運輸的問題。

為解決上述技術問題，本發明實施例提供了一種饋源艙建造、停靠和維護裝置，包括基礎，

設置在基礎上的艙支撐裝置，

設置在基礎上的滑輪支撐裝置，以及設置在艙支撐裝置環梁平臺上的動態監測單元。

可選地或優選地，所述艙支撐裝置包括：

固定立柱；所述固定立柱上設置環梁平臺；以及

升降立柱，所述升降立柱從環梁平臺自下而上穿出。

可選地或優選地，所述升降立柱包括外立柱，外立柱內安裝內立柱，內立柱上部加工出內孔，在內孔的端部安裝有與內孔間隙配合的導向錐，導向錐能夠與饋源艙的對接座對接；所述內立柱下部連接驅動設備，以帶動內立柱升降。

可選地或優選地，導向錐下部安裝有緩沖器。

可選地或優選地，所述滑輪支撐裝置包括：

卷揚機提升機構，所述卷揚機提升機構的電機、減速機、卷筒固定在固定支撐部的下部，定滑輪固定在固定支撐部的上部，卷揚機提升機構的鋼絲繩纏繞在卷筒上，過定滑輪再錨固到升降平臺下部鋼絲繩錨固座上，升降平臺與固定支撐部滑動配合，當升降平臺被提升到上極限位置時，升降平臺和固定支撐部通過插銷機構鎖定；

所述滑輪支撐裝置包括設置在基礎上的地滑輪、安裝在升降平臺頂端的大滑輪、升降平臺、固定支撐部和插銷機構等。

可選地或優選地，所述滑輪支撐裝置的數量為三套，圍繞著艙支撐裝置以120°的夾角均布；每套滑輪支撐裝置均包括兩個大滑輪，每個大滑輪的繩槽的中心面與其所在固定支撐部的徑向中心線的夾角為31°。

可選地或優選地，所述動態監測單元包括視頻攝像機、激光測距儀和反射板；所述反射板安裝在饋源艙艙索錨固頭座的下方，所述激光測距儀的位置能夠保證其發出的激光束可以照射在反射板上，所述視頻攝像機能夠拍攝到激光束照射在反射板上的位置。

本發明提供一種饋源艙建造、停靠和維護的裝置，主要由艙支撐裝置、滑輪支撐裝置和動態監測單元等構成，能夠滿足FAST饋源艙建造、調試、入港停靠、離港、維護和鋼絲繩與饋源艙連接的功能需要。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的饋源艙機構示意圖；

圖2是本發明實施例的提供饋源艙建造、停靠和維護的裝置的結構示意圖；

圖3為圖2中滑輪支撐裝置的俯視布局示意圖；

圖4為艙支撐裝置的結構示意圖；

圖5為滑輪支撐裝置的結構示意圖；

圖6為圖5的側視結構示意圖；

圖7為饋源艙星形框架在環梁平臺上建造的結構示意圖；

圖8為饋源艙AB軸環、靜平臺吊裝到星形框架的結構示意圖；

圖9為饋源艙安裝完成狀態的結構示意圖；

圖10為饋源艙入港對接部位的結構示意圖；

圖11為動態監測裝置的結構示意圖；

圖12為激光測距儀反射板的結構示意圖；

其中：1—星形框架；2—AB軸環；3—Stewart機構靜平臺；4—Stewart機構驅動支鏈；5—Stewart機構動平臺；6—艙對接座；7—艙索錨固頭座；8—艙支撐裝置；9—動態監測單元；10—激光束；11—反射板；12—滑輪支撐裝置；13—地錨；14—地滑輪；15—基礎；16—固定立柱；17—環梁平臺；18—升降立柱；19—內立柱；20—導向錐；21—緩沖器；22—外立柱；23—T型絲杠副；24—減速器；25—卷揚機提升機構；26—固定支撐部；27—插銷機構；28—升降平臺；29—大滑輪；30—吊帶和手拉葫蘆；31—饋源艙；32—視頻攝像機；33—激光測距儀；34—支架；A-A軸；B-B軸；

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步的詳細說明。

本發明實施例提供的饋源艙建造、停靠和維護裝置可以應用在饋源艙的建造、停靠和維護中任意一項作業中。圖1示例性地給出了一種本發明實施例所應用的饋源艙結構。如圖1所示，饋源艙31主要由星形框架1、AB軸環2、Stewart機構靜平臺3、Stewart機構驅動支鏈4和Stewart機構動平臺5等組成。在星形框架1的外側包裹1mm厚不銹鋼板做蒙皮，起到防塵防雨和EMC屏蔽的作用。星形框架1的作用是對饋源艙31的所有部件進行支撐，在饋源艙31的星形框架1的中部外圍沿著周向等間距均布3套艙索錨固頭座7，每套艙索錨固頭座7有2個與驅動索連接的連接孔，用于與相鄰2座支撐塔的驅動索分別連接，3套艙索錨固頭座7共計和6根鋼絲繩連接，6根鋼絲繩以并聯的方式被驅動，牽引饋源艙31在140米的空中沿天文觀測軌跡行走。星形框架1的底部焊接有3套艙對接座6，用于在饋源艙入港時與艙支撐裝置的升降立柱對接(下文敘述)。AB軸環通過A軸機構與星形框架1連接，以使其可以繞A軸相對于星形框架1轉動。Stewart機構靜平臺3通過B軸機構與AB軸環2連接，使其可以繞B軸相對于AB軸環2轉動。上述A軸與B軸是正交的。6套Stewart機構驅動支鏈4的上部虎克鉸通過螺栓與Stewart機構靜平臺3連接，6套Stewart機構驅動支鏈4的下部球鉸通用螺栓與Stewart機構動平臺5連接，6套Stewart機構驅動支鏈4并聯伸縮，以帶動Stewart機構動平臺5運動。饋源艙重約30噸，其中星形框架1重約14噸、AB軸環2重約5噸，Stewart機構靜平臺3重3噸、Stewart機構驅動支鏈4共6套，單套重0.26噸、Stewart機構動平臺5安裝天文接收機后重約3噸。完成安裝的饋源艙是一個直徑約13米、高度約6米、重約30噸的近似圓柱體，尺度大，質量大，無法整體運輸到FAST施工現場，只能分解成滿足運輸限界的小部件運輸到FAST射電望遠鏡底部中心處進行組裝、建造。由于饋源艙涉及的零部件多，安裝工序復雜，同時還要保證在安裝后可以停靠入港并方便維護。所以有必要建造1套FAST饋源艙建造、停靠和維護的裝置，來實現饋源艙的建造和維護功能。

如圖2-圖6所示，本發明實施例提供的一種饋源艙建造、停靠和維護的裝置，包括艙支撐裝置8、滑輪支撐裝置12和動態監測單元9等。艙支撐裝置8的主要作用是對饋源艙的主體部件進行支撐，使其能夠在該艙支撐裝置8上被組裝。滑輪支撐裝置主要包括2套大滑輪、1套地滑輪、2套固定支撐部、1套升降平臺、4套插銷機構和2套卷揚機提升機構等，滑輪支撐裝置與饋源支撐塔上的導向滑輪、塔底的地滑輪、卷揚機房的卷筒、滑輪支撐裝置附近的卷揚機等組成一個驅動索安裝的系統，輔助6條驅動索的安裝、更換和索與饋源艙艙索錨固頭座的連接。此外，還包括動態監測單元。艙支撐裝置8和滑輪支撐裝置12都設置在基礎15上。基礎15建造于FAST天文望遠鏡底部中心直徑26米的圓臺內。其中直徑26米圓臺除基礎外的地面進行硬化，該區域是饋源艙的主裝配區。

艙支撐裝置8的1套升降立柱18和1套滑輪支撐裝置12共用1處組合基礎，其中1處組合基礎位于正北偏東的角度d為16°，以此處開始，每隔120°設置一組組合基礎，形成了繞艙支撐裝置8的三組組合基礎，3處組合基礎的分布位置主要由FAST的6座饋源支撐塔的位置決定。艙支撐裝置8主要包括3套固定立柱16，固定立柱是環梁平臺17的承載立柱，固定立柱16的下部與基礎用地腳螺栓連接，上部與環梁平臺17用螺栓連接，3套固定立柱16均勻分布在3套升降立柱18之間，分布圓直徑10.3米。升降立柱18從環梁平臺17自下而上穿過。升降立柱18包括外立柱22，外立柱22的下部與組合基礎用地腳螺栓連接，上部與環梁平臺用螺栓連接，支撐環梁平臺，外立柱22的內部安裝有內立柱19，內立柱19與外立柱22間隙配合，可以在外立柱內上下滑動。內立柱19上部焊接一個饋源艙的承載座，從承載座的上表面向內立柱下部加工有一個與內立柱外圓柱面同軸的內孔。承載座內孔安裝有導向錐20，導向錐20與內孔間隙配合，以使得其能夠沿著內孔上下滑動，在導向錐20下方設置一個緩沖器21。饋源艙入港時，其本體過重、同時有一定的下落速度，使得其在與艙支撐裝置8的升降立柱對接中易產生較大的沖擊，重則破壞對接處的連接部件或饋源艙內的零部件。艙對接座6的對接面是一圓環面，其內孔鑲嵌一內徑160mm的尼龍套，饋源艙入港時，尼龍套可和內立柱19中的導向錐20接觸，同時起到減輕摩擦和緩沖作用。緩沖器21長期承載7噸的力不失效，短期可以承載10噸的力不失效，緩沖行程為70mm。饋源艙入港對接時導向錐20向下的緩沖行程設計為60mm，用于緩沖饋源艙下降與艙支撐裝置8對接過程的沖擊。導向錐20錐底直徑為120mm，錐頂直徑為35mm。內立柱19的底部連接驅動裝置，以實現內立柱19的升降，驅動裝置可以采用電機和配套的減速器24，在減速器24的輸出端連接T型絲杠副23，T形絲杠副23的絲杠母與內立柱19的下部固定連接。這樣通過電機轉動，帶動T形絲杠在絲杠母中旋進或旋出，驅動T形絲杠母帶動內立柱19進行升降運動。此外，驅動裝置還可以采用液壓推桿等形式。

同樣地，滑輪支撐裝置12也有3套，每套分別安裝在一處組合基礎15上。滑輪支撐裝置12包括固定支撐部26，升降平臺28和4套插銷機構27。升降平臺28與固定支撐部26內側的滑軌面間隙配合，可以上下滑動。卷揚提升機構25對角布置于固定支撐部26下部，定滑輪安裝在固定支撐部26的上部，與卷揚提升機構相對應，提升鋼絲繩卷繞在卷揚提升機構25的卷筒上，過定滑輪再錨固到升降平臺28下部的鋼絲繩錨固座上，以實現升降平臺28的升降。工作狀態，2套卷揚機提升機構25同步回收鋼絲繩，提升升降平臺28到上極限高度，然后用4套插銷機構27伸出的銷軸將升降平臺28和固定支撐部26鎖定。非工作狀態，退出插銷機構27的銷軸，2套卷揚機提升機構25同步釋放鋼絲繩，使升降平臺28下降到下極限位置，此時滑輪支撐裝置12的高度為3.5米，滿足FAST觀測工況反射面的限界要求。滑輪支撐裝置與饋源支撐塔上的導向滑輪、塔底的地滑輪、卷揚機房的卷筒、滑輪支撐裝置附近的維修用卷揚機等組成一個驅動索安裝的系統，輔助6條驅動索的安裝、更換和索與饋源艙艙索錨固頭座的連接。每套滑輪支撐裝置中，大滑輪29的數量為兩個，分別對應2座相鄰饋源支撐塔上驅動索，兩個大滑輪29繩槽中心面分別與其所在滑輪支撐裝置的均布中心線(即固定支撐部26的徑向中心線)的夾角c為31°。該角度保證鋼絲繩、饋源支撐塔塔頂滑輪繩槽中心面、大滑輪29的繩槽中心面基本在一個平面內，使鋼絲繩在收放的過程中不會脫槽。一套地滑輪的鋼絲繩槽與升降平臺上的2套大滑輪的鋼絲繩槽對應，該地滑輪同時與安裝在滑輪支撐裝置附近的維修用卷揚機對應，該維修用卷揚機用于驅動索的安裝和更換。

如圖7所示是星形框架1建造過程中的結構示意圖。星形框架1是饋源艙其他部件的支撐體，須首先建造，在建造過程中，艙支撐裝置8的升降立柱18處于收縮狀態。將構成星形框架1的各單元組件、桿件等順序吊裝到艙支撐裝置8的環梁平臺17上，用焊接工裝輔助定位、夾緊，檢驗星形框架1各主要部件的位置是否正確，合格后進行定位焊，復檢星形框架各主要部件的定位精度，合格后進行焊接，再次進行復檢、矯形、防腐施工(如涂覆防腐涂料等)，完成星形框架1的建造。

如圖8所示，饋源艙31組裝示意圖。星形框架1建造完成，3套升降立柱18同步頂升星形框架1到上極限高度，提升3套滑輪支撐裝置12的升降平臺28到上極限高度，將插銷機構27的銷軸伸出，鎖定升降平臺28和固定支撐26。饋源艙31的安裝步驟如下：

1)在基礎15的中心位置地面上，用定位工裝、定位銷輔助，組裝AB軸環2，注意要將2處A軸與星形框架上的A軸孔上下對應；

2)在基礎15的中心位置地面上，用定位工裝、定位銷輔助，組裝好Stewart機構靜平臺3；

3)將Stewart機構靜平臺3通過2套B軸機構安裝到AB軸環2上；

4)在星形框架1頂部與AB軸環2的2處A軸、2處B軸管件上分別綁扎4條吊帶，每條吊帶上掛1套起重量10噸、起吊高度9米的手拉葫蘆，手拉葫蘆下端掛1條吊帶，該吊帶綁扎在AB軸環2上(圖8中件30即為該吊帶、手拉葫蘆懸吊裝置)。同時拉動4套手拉葫蘆，將AB軸環2、Stewart機構靜平臺3提升至A軸安裝位置，安裝A軸裝置，將AB軸環2安裝到星形框架上；

5)用吊帶、手拉葫蘆系統吊裝6套Stewart機構驅動支鏈4到適當高度，用螺栓連接虎克鉸到Stewart機構靜平臺3上；

6)用吊帶、手拉葫蘆系統吊裝Stewart機構動平臺5至合適高度，用螺栓連接6套Stewart機構驅動支鏈4的球鉸到Stewart機構的動平臺5上；

7)同上，用吊帶、手拉葫蘆系統吊裝接收機、及相關設備到Stewart機構動平臺5上，完成饋源艙31的主要安裝工作；

8)如圖9所示，饋源艙31的艙索錨固定座7距離地面的高度為6.5米，滑輪支撐裝置12的大滑輪29上部距離地面高度為6.35米，便于6根鋼絲繩的錨固頭與艙索錨固頭座7的連接，同時保證6根鋼絲繩上安裝的纜線入艙機構的纜線不與反射面板干涉。

如圖10所示，星形框架1的艙對接座6與升降立柱18對接示意圖。利用導向錐20和緩沖器21起到對接導向定位和緩沖的作用。

如圖11所示動態監測單元9的結構示意圖，其主要由視頻攝像機32、激光測距儀33、支架34、反射板11(如圖12所示)構成，視頻圖像信號、激光測距儀數據通過光纖網絡傳輸到總控制室的工控機中，在顯示器上顯示視頻圖像和激光測距儀的數據。動態監測單元9安裝在艙支撐裝置8的環梁平臺17上，每個星形框架1的艙索錨固頭座7正下方安裝1套，共3套。反射板11用螺釘安裝在星形框架1的艙索錨固頭座7的下底面上，該面當饋源艙入港停靠狀態與水平面平行。饋源艙入港狀態，反射板11在水平投影面的安裝位置要保證激光測距儀的激光束照射在反射板11的兩同心圓中心。視頻攝像機32由下向上攝像，用于觀測激光測距儀33的激光束10照射在反射板11上的位置。饋源艙安裝完成，饋源艙由3套升降立柱18支撐在初始位置，此時打開激光測距儀33，激光束照射在饋源艙上的反射板11上，在激光測距儀33照射下，反射板11上可見一個紅色激光束斑點e，使反射板11的中心與激光束斑點重合，在反射板11上以該點為圓心h畫2個直徑分別為g＝40mm、f＝125mm的同心圓。激光測距儀33的數據、視頻的圖像通過光纜傳輸到總控室內，在總控室的顯示屏上顯示。當饋源艙離港后再次入港時，總控室的視頻的屏幕上，3套視頻分別監測3套激光測距儀33的激光束是否落在3塊反射板11的2個同心圓內，如激光束照射在圓外，調整6索的收放長度，使3束激光束分別照射在3個反射板11的圓內，此時同步均勻釋放6索，饋源艙即可安全入港，實現與三套升降立柱18準確對接。具體來說，激光束落在40mm小圓內，饋源艙入港時艙對接座6的孔不會與升降立柱18的導向錐20接觸，激光束落在125mm大圓內小圓外，饋源艙入港時艙對接座孔會與升降立柱18的導向錐20錐面接觸，饋源艙對接座6的孔沿導向錐面下落。3套激光測距儀33實時監測饋源艙入港過程，測量饋源艙是否保持3套艙索錨固定座7水平姿態入港，如饋源艙入港姿態歪斜，可調整6根鋼絲繩的伸縮量，使饋源艙入港姿態水平。將3套激光測距儀在饋源艙入港狀態的測量值設為0，當饋源艙入港時，3套激光測距儀的數據為0時，得知饋源艙已經完成入港過程。

以上對本發明所提供的饋源艙建造、停靠和維護的裝置進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。