2022年2月4日晚8时，举世瞩目的第二十四届冬季奥林匹克运动会（以下简称：北京冬奥会）开幕式在国家体育场（鸟巢）如约而至。

主火炬“大雪花”在展现之前放置在盖板下面的中央升降台（以下简称：升降台）上，藏于底仓中。“大雪花”出场时，盖板打开，升降台承载着“大雪花”升至舞台面。

盖板的作用就是用于升降台隐藏时填充舞台面；升降台上升前打开通道，下降后关闭并完成舞台面补偿。盖板结构见图1。

盖板要实现升降和平移两大功能，所以由两部分构成，上层的圆形补偿台用于补偿舞台面，其外形直径16 m。下层的车台用于承载补偿台完成开闭动作。由于跨度大及运行速度快等因素，盖板整体设计为对开形式。

考虑盖板用于补偿地面舞台使用，其需承受60 t静载荷。

由于升降台行程大、载荷大，同时由于打开升降通道后盖板要藏于构成地面舞台的固定钢结构内，留给盖板的空间不足1.8 m，盖板在此空间要实现水平行走和升降的复合功能。

由于盖板下方的升降台的直径为16 m，故盖板的运行轨道要大于这个尺寸，需设计为17 m。如此大的跨度对盖板的刚度及强度要求很高。

由于盖板在 “大雪花”出场环节要快速打开升降台的通道，其运行速度为0.7 m/s。单片盖板为半圆形，每片盖板布置10套刚性链作为台体的传动支撑，要保证半圆形台面多个支撑点载荷一致，具有很高的运行可靠性。

盖板的运动分解为升降运动和水平移动两个功能，升降运动由补偿台完成，水平移动由车台完成。补偿台台体为两个半圆形结构，车台台体为两个长方形结构，补偿台设置于车台上方。

常规状态下，两个半圆形台体结构合并成整圆台与固定舞台形成一个平齐的舞台面；当升降台需要上升时，补偿台下降至安全高度后，随车台向两侧运动，让出通道；当升降台下降至地仓指定位置后，两侧的车台向中间平移，到位后补偿台合并成圆形结构上升至舞台面，作为地面舞台使用。其动作流程如图2所示。

盖板使用的技术指标如表1所示。

车台通过电机驱动齿轮旋转，齿轮和齿条啮合运动，带动台体钢结构实现直线往返运动。车台设置4台电机，2主2备，分别位于车台两侧。图11为一侧电机布置图，采用一主一备电机形式。每台车台由20个行走轮约束上下方向，8个导向轮约束左右方向，且所有车轮沿车台结构中心线对称布置。

车台工作过程如下：

1）控制台下达“open”指令，电机上电励磁，产生驱动力矩；

2）2台主电机抱闸（主电机自带制动器，备用电机无制动）打开；

3）控制台下达“go”指令，主电机驱动齿轮，备用电机随动；

4）齿轮和齿条啮合，驱动行走轮组在导轨上行走；导向轮起导向作用。

补偿台通过电机驱动刚性链链轮转动，完成台体钢结构升降运动。每侧补偿台设置一主一备2台电机、4套换向器、5套减速机、10套刚性链组件、4套导轨导靴组件及多套联轴器组件等。补偿台驱动系统见图12。

补偿台工作过程：

（1）控制台下达“open”指令，电机上电励磁，产生驱动力矩；

（2）2组液压制动器打开；

（3）控制台下达“go”指令，主电机驱动齿轮传动系，备用电机随动；

（4）齿轮传动系驱动10组刚性链升降，实现补偿台台体升降。

结构和布局设计完成后对盖板的结构和关键零部件进行受力分析。建立车台和补偿台的三维模型，利用有限元分析软件进行仿真计算、优化设计，并通过模态分析求出结构的固有频率。根据优化后的结构和载荷情况对其驱动系统和传动系统进行整体布局和计算选型。

将补偿台台体与车台台体简化成两个分体模型，采用 A N S Y S Workbench分析软件，选用梁单元进行计算。

刚性链节点与台体型材的连接为螺栓连接，采用刚性节点连接简化。对补偿台进行工况分析，共有5种工况：

（1）补偿台自重与LED屏重量；

（2）补偿台自重与LED屏重量+偏载（1/2静载）；

（3）补偿台自重与LED屏重量+静载；

（4）补偿台水平载荷；

（5）补偿台模态分析。

对刚性链连接点施加垂直台面方向的约束，对导靴位置施加水平方向（X、Y） 的约束，重力方向垂直台面，边界条件如图13所示。

对前四种工况进行静力学计算求解，并对结果进行分析，可知，在补偿台自重与LED屏重量+静载的工况下，结构的强度和变形最大，结构的总体变形为3.7 mm，位于台体边缘。满足使用要求。

最大应力为44.9 MPa，位于台体边缘的位置，最大应力小于材料的屈服强度，满足使用要求。

在上述约束条件下模态分析结果如图16所示。

行走轮节点与台体型材的连接为螺栓连接，采用刚性节点连接简化。对车台进行工况分析，亦共有5种工况：

（1）车台自重、补偿台自重与LED屏重量；

（2）车台自重、补偿台自重与LED屏重量+偏载（1/2静载）；

（3）车台自重、补偿台自重与LED屏重量+静载；

（4）车台水平载荷；

（5）车台模态分析。

对台体两端垂直导向轮子位置施加垂直台面方向的约束，导向轮位置施加X方向水平约束，齿轮位置施加Z方向的水平约束；补偿台自重、LED重量以及静载通过刚性链支撑梁施加于车台台面，方向垂直向下，对下层台面驱动位置施加垂直台面方向的车台驱动自重载荷，并对车台台体施加重力加速度为9.8 m/s2，重力方向垂直台面。如图18所示。

对前四种工况进行静力学计算求解，并对结果进行分析，可知，在补偿台自重与LED屏重量+静载的工况下，结构的总体变形最大，为19.7 mm，位于台体中间位置，其中自重产生的变形10.5 mm，通过台体预拱抵消，静载荷产生的变形为9.7 mm， 满足使用要求。

此工况的最大应力为83 MPa，位于台体边缘的位置，最大应力小于材料的屈服强度，满足使用要求。

图19 变形云图

图20 应力云图

在上述约束条件下模态分析结果如图21所示。

第一阶固有频率为7.62 Hz对应的变形如图22所示。

通过有限元软件对盖板台体结构刚强度及模态计算，筛选出最恶劣工况下的结果见表3。

由上述结果可知，升降平移盖板刚强度和固有频率满足使用要求。

传动效率按照表4选取。

依据图12（一侧补偿台驱动系统布置图）的布置和载荷要求对各驱动传动部件计算选型。通过计算车台、补偿台的减速机、换向器、刚性链等安全系数大于1.25，传动轴、万向轴、联轴器等安全系数大于2，满足要求。

6.1 驱动内藏式设计

图23 盖板车台补偿台驱动布置示意图

6.2 载荷显示

图24 盖板补偿台载荷传感器安装示意图

6.3 冗余设计

图 25 补偿台静载荷试验

选自 2022年《演艺科技 冬奥特刊》宋 松，高新君，富 国，申纪刚《北京冬奥会开闭幕式升降平移盖板装置设计解析》。转载请标注：演艺科技传媒。更多详细内容请参阅《演艺科技  冬奥特刊》。

（除原创作品外，本平台所使用的文章、图片、视频及音乐属于原权利人所有，仅用于行业学习交流，并不用于商业用途。文中观点为作者独立观点，因客观原因，或会存在不当使用的情况，如，部分文章或文章部分引用内容未能及时与原作者取得联系，或作者名称及原始出处标注错误等情况，非恶意侵犯原权利人相关权益，敬请相关权利人谅解并与我们联络第一时间处理，共同维护良好的网络创作环境。）