自動伸縮折疊雨棚的設計與研究

張光劉，林瑞進，汪自祥，顏海峰

（中國聯合工程有限公司，浙江 杭州310052）

2017年9月4日G20第十一次峰會在杭州盛大開幕，一場與2008年北京奧運會開幕式相媲美的文藝匯演在杭州西湖上演。美輪美奐，璀璨奪目，給世界人民呈現視覺與聽覺的饕餮盛宴。杭州向世界傳達了中華民族的包容大氣，以及濃濃的江南韻味。

杭州西湖作為世界文化遺產，世界著名的旅游景點，對周邊的建筑都有嚴格的規劃和要求，不能破壞西湖的自然風光。既要保證節目組在細雨中能演出，但又不能讓嘉賓和觀眾淋雨，印象西湖組委會提出了要有一種可以快速拆裝，但又不影響西湖的自然風光和白天游客正常旅游的自動伸縮折疊雨棚的解決方案。

1　設計要求

印象西湖組委會提出的自動伸縮雨棚解決方案中，看臺長度20 m，共4跨，每跨15.5 m，總跨度62 m，新建面積超過1 200 m2.在觀眾席需要雨棚時自動伸縮折疊雨棚可沿每跨立柱橫梁自動伸展，不需要雨棚時自動伸縮折疊雨棚可自動收縮折疊[2-3]。

2　設計方案及原理

根據看臺特點，自動伸縮折疊雨棚可設計4套相同的且每套滿足長度20 m、跨距15.5 m單跨距看臺遮掩需求。雨棚在展開工作時雨水應順利向后方滑落，不影響前方視線，因此雨棚展開時應具備一定斜度，同時雨棚在收縮過程中，可利用自身向下分力實現收縮滑行，有效減少收縮電機動力。

自動伸縮折疊雨棚主要包括雨棚牽引系統、折疊雨棚機構、雨棚運行軌道及控制系統等部分。雨棚牽引系統用于驅動折疊雨棚機構的展開與收縮，并具有防止雨棚意外展開或收縮的安全防護裝置；折疊雨棚機構用于雨布規整展開與收縮；雨棚運行軌道用于折疊雨棚機構的行走，雨棚運行軌道安裝固定于看臺立柱頂端；控制系統用于控制雨棚展開與收縮，同時監測工作過程的雨棚牽引系統的實時工況，具有良好的安全防護作用。

在觀眾席需要雨棚時，雨棚牽引系統電機正轉啟動，折疊雨棚片架從前端開始依次張開，雨布展開到位后，電機停止運行和電動推桿防滑裝置開始工作，雨棚自動展開完成。

在觀眾席不需雨棚時，雨棚牽引系統的電機反轉啟動，同時電動推桿防滑裝置自動拔掉安全軸，雨棚自重產生的向下分力使雨棚片架從尾端開始依次折疊，雨棚折疊到位后，電機停止運行，雨棚自動折疊完成。

3　雨棚結構設計

3.1　雨棚牽引系統結構設計

雨棚牽引系統主要由滑輪組、電動防護裝置、牽引傳動機構、鋼桁架、導輪組等組成。其結構示意圖如圖1所示。

圖1　雨棚牽引系統結構示意圖

考慮雨棚運行軌道安裝誤差及因室外環境對桁架的影響，雨棚牽引系統設置了滑輪組與導輪組，滑輪組采用無輪緣走輪結構，導輪組采用有輪緣走輪結構。牽引傳動機構安裝在鋼桁架內部，其主要由減速電機、聯軸器、鏈輪等組成，減速電機兩側各通過聯軸器帶動輪組運行，牽引傳動機構與雨棚運行軌道采用銷齒輪傳動形式，保證雨棚展開或收縮時運行平穩。文中[4]采用自動夾軌器通過電氣聯鎖，由電機帶動螺桿使壓縮彈簧產生夾緊力自動夾緊軌道，該方式若在電機停電情況下就無法實現有效的安全保護。本文采用機電配合方式有效保證雨棚運行安全可靠性。電動防護裝置由電動推桿、彈性安全插銷等組成，在銷齒輪傳動停止動作時電動推桿自動向下推動彈性安全插銷插入銷齒內，有效防止雨棚的意外滑動。此外，雨棚牽引系統的電流或速度變化若有異常，則電動推桿可將插銷插入銷齒內，具有良好的安全防護功能。電動防護裝置為雨棚展開或收縮提供了第二道安全保護措施，保證了雨棚在正常展開或收縮時的安全性。鋼桁架為鋼管經過焊接組成的矩形框架，鋼桁架具有良好的強度性能，有效保證了雨棚著雨時的強度。

3.2　折疊雨棚機構結構設計

折疊雨棚機構主要由折疊機構鋼骨架、雨布膜、鉸鏈組件、鋼絲繩、鋼絲繩夾等組成。其結構示意圖如圖2所示。

圖2　雨棚牽引系統結構示意圖

折疊機構鋼骨架由鋼骨片架通過上方鉸鏈聯接、下部鉸鏈組成而成，折疊機構鋼骨架的上部鉸鏈聯接安裝固定后，雨布膜可固定于鉸鏈上方，與鋼骨架隨動，實現雨布膜的展開收縮功能。鋼骨架采用三角形結構的鋼骨片架聯接，具有良好的強度，有效保證展開時雨布膜受雨飄打而不形變。鋼骨片架之間通過鉸鏈組件、鋼絲繩、鋼絲繩夾等聯接。鋼絲繩具有柔性收縮性能，保證了鋼骨片架收縮時可隱藏不可見。

雨布膜采用高強薄膜材料（PVC或Teflon），具有超高的抗拉強度和彈性，可自適應接合處內、外隨季節發生的溫度變化。

3.3　雨棚運行軌道結構設計

雨棚運行軌道作為雨棚展開收縮軌道，安裝固定于看臺頂部，每側各一組軌道，軌道安裝時保證一定斜度，便于雨棚展開雨水可以順利向后滑落。軌道安裝同時應保證其水平度，直線度等要求。安裝誤差將會使其結構變形產生附加應力，導致雨棚折疊機構無法正常順利運行。因此，在軌道安裝時應制定相應的技術措施保證各項技術指標的要求。在安裝時還應保證軌道跨距的調整量。雨棚運行軌道主要由銷齒齒條組合件，軌道安裝底座等組成。銷齒齒條組合件主要由銷軸、軸套構成，輪齒與圓柱銷軸平衡嚙合，具有運行平穩可靠等特點，同時圓柱銷軸加工簡單、造價低且拆修維護方便，在使用過程中若個別銷齒損壞，只需更換損壞的銷齒，不需要整體銷輪更換。見圖3.

圖3　雨棚運行軌道示意圖

3.4　控制系統

控制系統作為雨棚展開收縮的控制中心，運行過程中應保證折疊雨棚機構在兩條運行軌道上的同步運行，同時還應防止雨棚的傾斜運行，控制系統在雨棚移動過程中應時刻注意位置監測及到位后的安全保護監測。由可編程控制器實現其程序的自動控制功能。

雨棚運行軌道上根據定位，監測需求安裝各傳感器，在極限位置安裝限位器及緩沖器。傳感器通過可編程控制器進行實時監控雨棚移動位置。

4　自動伸縮折疊雨棚結構特點

自動伸縮折疊雨棚采用銷齒傳動結構，具有安裝精度低、造價低等特點，同時在運行時無噪聲；自動伸縮折疊雨棚在展開雨棚膜后可通過電動安全防護裝置，有效保證了雨棚的可靠安全性。雨棚運行軌道固定安裝在頂梁且具有一定斜度，有效保證了雨水向水滑落，減輕了展開后雨棚的重量，提高了雨棚工作可靠性，另雨棚在收縮過程中可依靠自己重量進行緩慢折疊，具有節能效果。

自動伸縮雨棚可滿足大跨度、大面積的實現自動展開和收縮折疊需要場所，具有操作簡單靈活等特點。

5　結束語

本文詳細介紹了自動伸縮折疊雨棚機構的工作原理和結構設計，并描述了自動伸縮折疊雨棚結構特點，該自動伸縮折疊雨棚結構具有運行原理簡單，功能新穎，其成功設計不僅滿足市場需求，同時也對其他折疊型機構的設計具有一定的參考意義。目前，大規模露天演出場所，體育場館等公共設施均提出同時需要滿足露天和室內兩種使用要求，不僅需要滿足觀眾在晴朗的天氣中享受戶外的歡樂，也要滿足雨雪天氣下這些場所的使用，這種能自動伸縮折疊機構的設計就可為這些場所頂棚設計提供新的參考方案。

本文所述的自動伸縮折疊雨棚機構已在2017年9月5日晚G20峰會演出時正式使用。