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。这场以“一起向未来”为主题的开幕式，在100分钟的简短时间里，将文艺表演与仪式环节融为一体，运用多种创新科技手段和现代的艺术表达，营造出了空灵、浪漫、唯美、温暖的氛围，为全世界的观众奉上了一场简约、安全、精彩的冬奥开幕大典，展现了自然之美、人文之美和运动之美的中国画卷。

中央升降台（以下简称：升降台）承担了北京冬奥会和冬残奥会开幕式主火炬呈现任务。其具有大跨度、大体量、高可靠性等技术特点。

升降台在候场状态时，位于体育场正中央地仓内；在表演阶段升起至舞台面高度，将承载的冬奥会主火炬展示给观众。

      升降台由钢结构平台、配重组件、电动卷扬机、钢丝绳及滑轮组、导向组件、锁紧组件等组成。模型见图1。

通过电机驱动钢丝绳卷筒，在导向组件及配重作用下，升降台实现升降动作，如图2、图3所示。

台体的上台面直径为16 m的圆型，中层支架为圆形结构，下层为长方形桁架结构。台体由型钢拼接而成，材料为Q235B，材料特性见表1、表2所示。

台体结构分为三层，如图4所示。根据初步设计的台体结构自重，配置80t的配重。卷扬机钢丝绳分4路连接台体下层桁架4个对角点，即台体的驱动力牵拉点。每个牵拉点旁边有4个配重钢丝绳的连接点，共计16处承担配重载荷。

台体结构采用ANSYS有限元计算软件进行计算，选用Beam 188 梁单元，控制单元大小按照节点间线的分段数为10进行设置并划分网格，划分后单元总数量为12 980，节点总数量为12 161；计算模型选择整体模型；模型中不同零部件采用GLUE（粘结）操作进行连接。台体结构有限元模型如图5所示。

台体的载荷边界条件按如下设置：首先对结构施加9.8 N/kg的重力加速度；在台体的下表面四个对角处梁上等距选择 6 个节点施加向上的配重载荷，每个节点载荷F1=80 000 kg×10/4/6=33 000 N；在台体的上表面施加 3k N / m 2的 静 载 ， 总 载 荷 大 小 为F2=3 000×3.14×8×8=602 880 N；由于台体主钢结构上还要安装与其他专业连接的接口和非承载结构，预计其最大质量约2.5 t，重量大小为F3=2.5×1 000×9.8=24 500 N；上表面的节点数为3 821，故每节点载荷大小为F4=(F2+F3)/3 821=164 N，方向垂直向下；在台体的上表面施加 3 kN/m2载荷的1/20作为侧向载荷，大小为F5=164/20=8.2 N，方向同下层结构短边。

在台体的下表面四个对角处梁上选择关键点进行约束。其中一个关键点约束3个位移，即UX、UY、UZ；第二个点施加一个水平约束和一个竖直约束，即UY、UZ；另外两个点均施加一个竖直约束，即UZ。台体结构边界条件如图6所示。

经计算，求得的结构应力云图和变形云图，见图7和图8所示。

从应力云图中可以看出，结构最大应力为58.418 Mpa，安全系S=235/58.418=4.02，最大应力产生在中层与下层结构连接处，设计时对此处增加加强筋进行局部加强，故结构强度满足此工况要求。

从变形云图中得知，最大变形值为6.38 mm，集中在结构的中间位置，其与台面梁跨度的比值 f=6.38/16 000=1/2 508，远小于要求的1/750或绝对值19 mm，故结构刚度满足要求。

设计阶段还从频域角度对台体结构刚性进行了分析，其一阶固有频率为6.501 9 Hz，满足大于5 Hz的设计要求。

       由于北京冬奥会和冬残奥会开幕式具有重大影响，所以对设备的安全性、可靠性提出了具体要求。对于驱动系统零部件选型的安全系数要求如下：联轴器、传动轴安全系数不小于2；钢丝绳安全系数不小于10；减速机安全系数不小于1.25；制动器制动力矩安全系数不小于 1 . 5 ；电机选型需考虑加速度（加、减速时间不大于3 s），按照动载计算，并校核静载。传动系统零部件的结构强度和选型，应同时满足最大动载荷工况和最大静载荷工况。

按照上述要求，升降台的运行速度v=0.25 m/s，启停阶段的加速度a= v/3s=0.08 m/s2。

升降台总动载包括台体钢结构自重和后期铺设的LED屏幕等载荷。经核算，驱动系统应具备驱动总动载Fzd=527 kN的能力。

升降台驱动系统布置形式见图9所示。根据驱动系统布置形式，按照各部件的经验效率值计算系统总效率。其中联轴器η1=0.99；球轴承η2=0.99；减速器η3=0.95；钢丝绳传动η4=0.95；导向系统η5=0.85；动滑轮η6=0.96。系统总效率η=η1×(η2)2×η3×η4×η5×(η6)4=0.63。

电机功率为：

选取某型号额定功率为250 kW的四级变频电机，其额定输出扭矩1.6 kN•m，额定转速Nn=1 490 rpm。备用电机采取1:1备份的形式，型号与主电机相同。

卷扬机的卷筒直径为d=810 mm，曳引钢丝绳通过4套4倍率的动滑轮组驱动升降台运行。升降台按照额定速度运行时，卷筒的转速为N j=(v×4)/(d×0.5)=23.6 rpm。计算驱动系统的总速比为i z=Nn/N j=63.19。

作用到卷筒上的总动载荷扭矩Mzd=F zd/4×d×0.5=53.4 kN•m。作用到卷筒上的总静载荷扭矩 M zj=F zj/4×d×0.5=83.9 kN•m，其中设备总静载包括台体钢结构自重、 L E D 屏幕、设备静载荷等， F zj=828.7 kN。

根据上面计算的驱动系统总速比、卷筒上总动载荷扭矩、卷筒上总静载荷扭矩，进行减速器选型。所选某型号减速器的实际速比为 i e x = 6 5 . 1 8 ，输出轴额定扭矩Mn=156 kN•m。计算减速器安全系数为 M n / M z j =1 . 86 ，满足安全系数要求。

根据选取的电机型号、减速器型号的实际参数，复核升降台实际运行速度为：

  

复核电机实际使用功率为：

在减速器两个输入端各设置一套外部液压制动器，与电机直连的作为主制动器，另一端作为备用制动器。当升降台承受最大静载荷时，减速机输入端静载荷扭矩 M i n = M z j / i e x =1 287 N • m 。据此选取某型号制动器，其制动力矩可在 1 250 N • m ～ 2 200 N • m 间调节 。制动器安全系数2 200/Min=1.71，满足安全系数要求。

本项目的卷筒长度为L=3 250 mm，由Q235B材质的钢管加工而成。由于L＞3d，故按照如下方式校核由弯矩产生的拉应力。

卷筒材料的许用压应力为 σ cp =σ s / 1.5 = 150 MPa ，许用拉应力为 σ bp=σ s/2=112.5 MPa。其中σ s=225 MPa为Q235B材料（16＜厚度＜40）的屈服强度，由表2查得。

单根钢丝绳在卷筒壁内表面产生的最大压应力为σ c=A1×A×Smax/ (δ×p1)=64.75 MPa。其中，A1=0.75为应力减小系数，A=1为卷筒层数，Smax=51.8 kN为钢丝绳最大净拉力，δ=24 mm为卷筒槽底壁厚，p1=25 mm为卷筒绳槽间距。

四根钢丝绳最大拉力引起卷筒的最大扭矩为M tmax=Smax×4×d/2=83.9 kN•m。

四根钢丝绳最大拉力引起卷筒的最大弯矩为M bmax=89 kN•m。如图10所示。

最大扭矩和最大弯矩的合力拒为：

由弯矩产生的拉应力为σ b=M umax/W=8.2 MPa，其中W=14 908 cm3为卷筒圆管的抗弯截面模数。

卷筒壁内表面产生的最大压应力和拉应力的合成应力为：

卷筒材料的许用拉应力与合成应力的比值σ bp/σ=1.98，大于1，因此卷筒强度满足要求。

升降台在安装完成后进行了大量详细的系统调试、试验项目如表3所示。

为验证升降台各结构件的刚度强度，在设备竣工后进行了升降台的静载试验。首先将升降台运行至舞台平面，在升降台上均匀放置载荷。试验共放置了20处载荷，每处重量为3 t，共计60 t。试验载荷分布如图11所示，静载试验现场见图12。

通过现场测量，升降台在试验静载作用下，台面最大变形为4 mm，其与台面梁跨度的比值f=4/16 000=1/4 000，小于要求的1/750，且优于上文中的理论结算结果。故结构刚度满足要求。

通过对升降台进行100次连续运行测试，提取变频器的电流及扭矩数值。根据数据分析，电机性能满足使用要求。数据如表4所示。

通过满载扭矩对比进行传动裕度分析如表5所示。

通过满载裕度对比分析可知，升降台设计计算效率均大于实测效率，且保持效率稳定（0.85），能够满足正常的使用需求。满载功率使用率1.16小于2（许用值），能够满足使用需求。

经设计、计算分析、安装并试验验证，中央升降台满足预期技术指标、在仪式中圆满完成既定动作；机电设备能够适应-20℃的户外演出环境；设备整体运行可靠，状态受控，安全措施完善到位。

选自 2022年《演艺科技 冬奥特刊》富 国，杨卫杰，高新君，宋 松《北京冬奥会开闭幕式中央升降台设计解析》。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。）