Section: Motion Control
Beweegbaar dak
Motion Control kent geen grenzen
Dat Motion Control ook reusachtige constructies kan
beheersen, kunnen we aan de hand van een uitzonderlijk voorbeeld in Seattle
(Verenigde Staten) vaststellen. Met een vermogen van 720 kW doet men daar drie
beweegbare daken open gaan en zich sluiten. Deze daken overspannen een oppervlak
van wel 50.000 m². Meer dan 42.000 personen kunnen daar tegen regen en ontij
beschut worden. Een «enorm» verhaal.
Version française
De Seattle Mariners Baseball Club betrok in
juli 1999 een nieuw stadium met 42.000 zitplaatsen. Ze kwamen van een volledig
overdekt speelveld dat bedekt was met artificiëel gras. De combinatie tussen
natuurlijk gras en een overdekt gebouw was maar mogelijk indien de daken konden
openschuiven. Dit werd in het Safeco Field stadium gerealiseerd.
Specifiek bij het nieuwe sportcomplex is dat het beweegbaar dak van 13.000 ton
in minder dan 20 minuten over het nieuwe veld kan rollen. De beweging geschiedt
door middel van 96 spanningsgeregelde DC-motoren die wielen van 36 duim
(914 mm) aandrijven. Het dak rolt langs 2 stalen rails die 249 m lang zijn. Alle
wielen zijn uitgerust met een speciale « cut-out » koppeling, met
een snelle en zachte werking.
Drie delen
Het dak zelf bestaat uit 3 teleskopische secties, een groot middendeel en
twee randgedeeltes. Ze bewegen langs twee parallelle banen. De noordelijke baan
ligt op 20 m van het speelveld, terwijl de andere baan 36 m ervan verwijderd is.
Aan de zuidelijke kant zijn immers de tribune, de loges en de persruimte
voorzien.
De twee sporen bevinden zich op 196,6 m van mekaar. Het spreekt voor zich dat
alle wielen dezelfde draaisnelheid moeten hebben en dat de positionering heel
nauwkeurig moet zijn. Het aandrijfsysteem werd ontwikkeld door de firma Ederer
Inc. , eveneens uit Seattle, die in 1901 werd opgericht. In het begin
produceerde deze firma kranen en liften. Momenteel is ze gespecialiseerd in
allerhande zware kranen. Ederer levert aan de NASA, US Air Force en de nucleaire
sector.
Rollerskate
Zoals vermeld bestaat het dak uit 3 delen : de buitenste gedeeltes
wegen elk 3000 ton en kunnen onder het middengedeelte rollen. Dit middengedeelte
brengt 7000 ton op de weegschaal. De delen kunnen een snelheid van 15 cm per
seconde halen, en het duurt derhalve 20 minuten eer het dak helemaal open is.
Beide kleinere gedeeltes rusten op 4 benen, twee aan elke kant, en elk been rust
op een wielstel van 10,7 m lang. Dit ziet er vanop zij uit als een reuze
rollerskate. Het middengedeelte schuift over beide hoekdelen en heeft om die
reden 8 langere benen, elk met eigen wielstel. Er zijn in totaal dus 16
wielstellen. De wielen van het middenste gedeelte rollen over een eigen spoor
dat aan de buitenkant op 3,6 m van het binnenspoor ligt. Op het binnenspoor
rollen de kleinere daken.
128 wielen
Elk wielstel bestaat uit 8 wielen en daarvan worden de 6 binnenste
aangedreven door motoren van 7,5 kW elk. Het koppel voor elk wiel wordt door een
rechte hoek tandwielkast naar een kleiner tandwiel op het wiel overgebracht.
Normaal vereist dit type aandrijving een motor die zo dicht mogelijk bij het
wiel staat opgesteld. Een elastische koppeling verbindt dan de zeer korte
motoras met een eveneens korte as in de tandwielkast. Het startkoppel bedraagt
90 Nm per motor en in beweging is er 60 Nm nodig.
Andere keuze
«Maar een dergelijke opstelling motor-transmissie is niet aangewezen voor
deze toepassing», verklaart ingenieur Don Mc Ghee. Alle motoren moeten immers
een gelijkmatig oplopend koppel hebben opdat alle benen steeds met een zelfde
kracht zouden voortbewogen worden.
«Het type motor dat we selecteerden staat toe dat de elektrische weerstanden zo
kunnen gekozen worden dat alle motoren in dezelfde fase dezelfde snelheid
hebben», aldus Mc Ghee. De lengte van de voedingskabels en de variatie op de
motorkarakteristiek moet door een geregelde klemspanning gecompenseerd worden.
Het gewicht dat elk wiel moet torsen (nagenoeg 100 ton) brengt met zich mee dat
het onbegonnen werk is de motorparameters van elk wiel in te stellen. Mc Ghee
verkoos een mechanische koppeling die gemakkelijk kan losgemaakt worden zonder
de andere aandrijfcomponenten daarin te betrekken. Tevens dient de koppeling
compact en gemakkelijk bedienbaar te zijn.
Koppeling
De keuze viel op de Lovejoy/Sier-Bath Series F (Flanged Sleeve)-koppeling
van Lovejoy Inc. (Downers Grove, Illinois, USA) dat aan de vooropgestelde eisen
voldeed. Deze koppeling is in staat om een relatief hoge parallel- en axiale
asverschuiving op te vangen, alsook een afwijking van 3% op de lineariteit. De
tanden hebben een gepatenteerd profiel met een breder contactoppervlak. Wanneer
de aslineariteit afneemt, heeft men dan een lagere tandbelasting.
Er waren wel enkele kleinere aanpassingen nodig, en de ontwerpfase werd ingekort
ondermeer door het overbrengen van technische tekeningen via het internet.
Regeling
Snelheidsregeling kwam tot stand via 8 lokale PLC’s. Elke PLC controleert
een groep van 12 motoren, zes aan elke kant, en alle PLC’s zijn door
fiber-optische kabels met een centrale computer in de controlezaal verbonden.
Deze signalisatiekabels rollen samen met de voedingskabels langs enorme haspels
af.
De procedure om het dak te sluiten begint met een wandeling door personeel
langsheen de zesduimrails, om te zien of er obstakels liggen. Indien dit niet
het geval is, drukken operators in de controlezaal enkele knoppen in: de
verankering wordt ontgrendeld en de remmen losgelaten. De 96 motoren komen op
volle kracht en toerental.
Wanneer de daksecties hun eindbestemming bereikt hebben, geven
positioneringssignalen aan wanneer de ankerpinnen ten opzichte van de
respectievelijke openingen staan. Motorvermogen af, remmen op en ankerpinnen in
positie: einde van een « motion » !
Herman Paternoster
Le toit
coulissant
Motion Control n’a pas de limites
Nous pouvons constater d’après un
exemple exceptionnel à Seattle, aux Etats-Unis, que le «Motion Control» peut
également maîtriser des constructions gigantesques. Trois toits mobiles s’ouvrent
et se ferment au moyen d’une puissance de 720 kW. Ces toits couvrent une
surface de plus de 50.000 m² et plus de 42.000 personnes peuvent s’y abriter
contre les intempéries. Une histoire «énorme».
Le club de base-ball «Seattle Mariners» s’installa
en juillet 1999 dans un nouveau stade comptant 42.000 places assises. Il
occupait auparavant un terrain abrité, entièrement recouvert de gazon
artificiel du fait que la combinaison entre le gazon naturel et un bâtiment
couvert n’était possible que si les toits puissent coulisser. Et c’est ce
qui fut réalisé dans le stade de Safeco Field. La caractéristique principale
de ce nouveau complexe sportif réside dans le toit mobile de 13.000 tonnes qui
peut couvrir le nouveau terrain en moins de 20 minutes. Le mouvement est
effectué au moyen de 96 moteurs CC à régulation de tension entraînant des
roues de 36 pouces (914 mm). Le toit se déplace sur deux rails en acier d’une
longueur de 249 m. Toutes les roues sont équipées d’un accouplement spécial
«cut-out», ayant un fonctionnement rapide, souple et doux.
Trois éléments
Le toit est composé de 3 sections télescopiques, un grand élément central et
deux éléments latéraux qui coulissent le long de deux rails parallèles. Le
rail nord se trouve à 20 m du terrain, tandis que l’autre est situé à 36 m
du terrain. Le côté sud abrite la tribune, les loges et le local de presse.
Les deux rails sont distants de 196,6 m. Il va de soi que toutes les roues
doivent tourner à la même vitesse et que le positionnement doit être
extrêmement précis.
Le système d’entraînement a été développé par la firme Ederer Inc.,
également établie à Seattle, et en activité depuis 1901. Au début, cette
firme fabriquait des grues et des ascenseurs et actuellement elle est
spécialisée en grues lourdes de tous genres. Ederer fournit à la NASA, à l’armée
de l’Air des Etats-Unis et au secteur nucléaire.
Patins à roulettes
Comme déjà évoqué, le toit est composé de 3 éléments : les éléments
extérieurs pèsent chacun 3000 tonnes et peuvent coulisser sous l’élément
central. Cet élément central pèse 7000 tonnes. Les éléments peuvent
atteindre une vitesse de 15 cm par seconde, et il faut de ce fait 20 minutes
avant que le toit ne soit complètement ouvert ou fermé. Les deux
éléments plus petits reposent sur 4 montants, deux d’un côté, deux
de l’autre côté, et chaque montant prend appui sur un train
de roues de 10,7 m de long. De profil, celui-ci ressemble à des patins à
roulettes géants. L’élément central coulisse par-dessus les deux éléments
latéraux et est, pour cette raison, pourvu de 8 montants plus
longs, chacun ayant son propre train de roues. Il y a donc au total 16 trains de
roues. Les roues de l’élément central se déplacent dans un rail propre qui
se trouve à 3,6 m vers l’extérieur du rail intérieur. Dans ce rail
intérieur se déplacent les toits plus petits.
128 roues
Chaque train de roues est composé de 8 roues dont les 6 intérieures sont
entraînées par des moteurs de 7,5 kW chacun. La puissance est transmise à
chaque roue par un réducteur à 90° sur un pignon plus petit sur la roue.
Normalement ce type de transmission exige un moteur monté au plus près de la
roue. Un accouplement élastique relie l’arbre très court à un arbre
également court dans le boîtier de réducteur. Le couple de démarrage est de
90 Nm par moteur et pendant le déplacement il faut 60 Nm.
Autre choix
«Une telle disposition de moteur-transmission n’est pas indiquée pour ce
genre d’application», déclare l’ingénieur Don McGhee. Tous les moteurs
doivent avoir un couple croissant identique pour que tous les montants soient
déplacés par une même force. «Le type de moteur que nous avons sélectionné
permet de choisir les résistances électriques de telle manière que tous les
moteurs dans la même phase tournent à la même vitesse», poursuit McGhee. La
longueur des câbles d’alimentation et la variation sur la caractéristique du
moteur doivent être compensées par une tension régulée. Le poids que chaque
roue doit entraîner (de l’ordre de 100 tonnes) explique l’impossibilité d’ajuster
les paramètres du moteur dans chaque roue. McGhee a sélectionné un
accouplement mécanique pouvant être facilement démonté sans impliquer les
autres composantes de transmission. De plus l’accouplement doit être compact
et facile d’accès.
Accouplement
L’accouplement Lovejoy/Sier-Bath série F (à collerette) de Lovejoy Inc.
(Downers Grove, Illinois, USA) répondait aux exigences préliminaires et fut
sélectionné. Cet accouplement est capable d’absorber un déplacement axial
et parallèle de l’arbre relativement élevé, ainsi qu’une déviation de 3%
sur la linéarité. Les dents ont un profil breveté à surface de contact plus
importante. Lorsque la linéarité de l’arbre diminue, la charge sur la dent
diminue également. Il fallait y apporter quelques adaptations moins
importantes, et la phase de conception put être écourtée en partie grâce à
la transmission de dessins techniques par Internet.
Régulation
La régulation de la vitesse fut établie via 8 PLC localisés. Chaque PLC
contrôle un groupe de 12 moteurs, six de chaque côté, et tous les PLC sont
reliés par des câbles en fibre optique à un ordinateur central dans la salle
de contrôle. Ces câbles de signalisation s’enroulent et se déroulent depuis
d’énormes bobines simultanément aux câbles d’alimentation. La procédure
de fermeture du toit commence par une promenade du personnel le long des rails
de six pouces, afin de voir s’il n’y a pas d’obstacles sur le parcours. Si
le parcours est libre, les opérateurs dans la salle de contrôle appuient sur
quelques touches : le verrouillage est désactivé et les freins sont
relâchés. Les 96 moteurs se mettent à tourner à plein régime et pleine
puissance. Lorsque les sections de toit sont arrivées à destination, des
signaux de positionnement indiquent lorsque les broches d’ancrage se trouvent
en face de leurs logements respectifs. On coupe l’alimentation des moteurs, on
active les freins et lorsque les broches d’ancrage sont en position : fin d’une
«motion» !
Herman Paternoster
