無極差動臺階升降臺的結構設計

1 概述

無極差動臺階升降臺通過前后兩組小升降臺完成整體驅動，可以實現(xiàn)以階梯結構或者平臺形式整體升降，或者一端固定、另一端移動，整體以階梯結構緩緩展開等多種形式，見圖1、圖2。此種結構緊湊小巧，可以實現(xiàn)多種演出形式變換，滿足眾多演藝需求。

2 機械結構及運動狀態(tài)

無極差動臺階升降臺的機械結構是由前/后部驅動升降臺、中部隨動升降臺組成，如圖3所示。前/后部驅動升降臺由驅動齒條、驅動電機、傳動軸、驅動嚙合箱、隨動導向嚙合機構組成，其中，驅動齒條固定。中部隨動升降臺由隨動定位導向槽、隨動滾輪、內嵌式隨動滑道組成。

無極差動臺階升降臺的動力傳動，由驅動電機發(fā)出驅動力，將扭矩動力通過傳動軸分配到左右兩側驅動嚙合箱上，驅動嚙合箱將扭矩動力變?yōu)樯舷律祫恿Γㄟ^隨動導向嚙合機構讓前/后部驅動升降臺沿4根齒條上下運行；同時，通過隨動定位導向滑槽帶動中部隨動升降臺運行，由于幾何位置關系，隨動升降臺相互之間的高差始終相等。中部隨動升降臺之間、與前/后部驅動升降臺之間安裝有內嵌式隨動滑道，確保全部隨動升降臺上下運行過程中保持垂直狀態(tài)。

無極差動臺階升降臺的各種運動狀態(tài)如圖4所示。

圖1 以階梯結構展開

圖2 以平臺形式整體升降

圖3 機械結構組成簡圖

圖4 運行狀態(tài)展示

3 設計過程

無極差動臺階升降臺設計主要包括驅動設計和結構強度設計。

3.1 驅動設計估算

升降臺的整體升降驅動力由前/后部驅動升降臺提供。假設單個升降臺動載荷F，前/后部驅動升降臺各自自重G1，每個隨動升降臺自重G2；前/后部驅動平臺最大速度均為V1，則無極差動臺階升降臺整體運行最大速度同樣也是V1。不考慮效率情況下，升降臺運行總功率粗估：

單臺驅動升降臺凈功率：

當單側展開時，即一端升降臺固定，僅另一端全速運行。則第一臺隨動升降臺速度

第二臺隨動升降臺速度

不考慮效率情況下，單側展開時單臺驅動升降臺凈功率粗估：

在不考慮效率的情況下，兩種計算結論一致，即

對比Pa、Pb分別對應的效率ηa、ηb取最小值：

η1為電機減速器傳動效率；

η2為聯(lián)軸器傳動效率；

η3為嚙合機構傳動效率；

η4為內嵌式隨動滑道傳動效率；

η5為隨動滾輪傳動效率；

經(jīng)比對，有如下結論：

因此，電機功率應取：

3.2 結構強度的設計

由于無極差動臺階升降臺結構緊湊，一般應用于面積小、基坑淺的場合。因此，實際使用中，由于面積狹小、結構緊湊、跨距小，不會出現(xiàn)重載使用的情況。在輕載狀態(tài)下，各部分鋼結構強度綽綽有余，僅個別傳動零件受力較大；對于應力集中較大的零件，應根據(jù)等強度設計原則適當加強。

根據(jù)受力特點假設臺面寬度1.2 m×0.3 m，4臺一組總載荷約8.75 kN（包含鋼結構自重0.35×4=1.4 kN；兩套嚙合箱、電機、滑道等傳動件自重1.35 kN；木裝飾0.5×4=2 k N；外部載荷1×4=4 kN），使用30×30×2 Q235B方管制作。每臺驅動升降臺平均驅動2 個升降臺，單臺總動載荷8.75/2=4.375（kN），驅動力通過4根齒條嚙合箱傳遞給升降平臺，升降平臺中的隨動定位導向滑槽傳遞給隨動滾輪，從而帶動隨動次級升降臺同時運動。經(jīng)分析，此結構中關鍵受力元件有：驅動框架、隨動定位導向滑槽、隨動滾輪。驅動框架整體有限元分析如圖5～圖7所示。

最大應力2.758×107N/㎡，最大位移0.104 mm，結構安全系數(shù)最小8.52。

經(jīng)分析，在保證隨動定位導向滑槽與鋼架連接處有足夠強度時，其余鋼結構部分強度很容易滿足使用需求。

隨動定位導向滑槽承載2臺從動臺載荷，負責將前后2臺驅動升降臺的驅動力傳遞給2臺從動升降臺，單個驅動升降臺最大驅動力4.375 kN,需除去單個驅動升降臺自重（含嚙合箱、電機等傳動件）、臺面裝飾重量、單個驅動臺載荷，最后所得重量除以2，即可得到單根隨動定位導向滑槽承載力。經(jīng)計算單根隨動定位導向滑槽中部約承受1.45 kN載荷，升降臺最大起升角度約θ（本文中升降臺起升角度約45°），其最大受力：

圖5 驅動框架應力分析圖

圖6 驅動框架位移分析圖

圖7 驅動框架結構安全系數(shù)分析圖

圖8 隨動滑道應力分析圖

圖9 隨動滑道位移分析圖

圖10 隨動滑道安全系數(shù)分析圖

圖11 隨動滑道應力分析圖

圖12 隨動滑道位移分析圖

圖13 隨動滑道安全系數(shù)分析圖

有限元分析如圖8～圖10所示。

經(jīng)分析，由于使用需求隨動定位導向滑槽中部必須開通長滑槽，中部下側受力較大，實際設計中可將滑道中下部適當增厚，這樣可大大增加系統(tǒng)剛度及穩(wěn)定性。

經(jīng)計算，最大應力1×108N/㎡，最大位移1.763 mm，結構安全。

結構撓度略超出規(guī)范要求，因此實際設計中應進一步增加中下部結構強度。

單個隨動滾輪受力約1 kN，有限元分析如圖11～圖13所示。

經(jīng)分析，由于隨動滾輪必須采用懸臂設計，因此，根部應力集中較為明顯，可在設計中適當增加根部軸徑以增大其強度。

經(jīng)計算，最大應力7.25×107N/㎡，結構安全。

4 技術特點

無極差動臺階升降臺結構緊湊，升降狀態(tài)靈活，可根據(jù)演藝狀態(tài)需求，展現(xiàn)出各種不同姿態(tài)。同時，通過電氣同步可以作為整體升降臺使用，應用廣泛，操作便利。由于采用了隨動機構設計，既縮減了整體成本又降低了控制難度。

（1）等差階梯結構

采用前后2臺驅動升降臺為動力，形成一組等差階梯式升降臺，可同步或非同步運行。

（2）多種組合狀態(tài)

通過前后驅動可行程多種組合狀態(tài)，既可作為平面升降臺使用，也可作為臺階升降臺使用，同時可以實現(xiàn)階梯傾斜方向互換。

5 結束語

無極差動臺階升降臺已在成都音樂廳樂池指揮臺階升降臺設備中成功應用。隨著演藝事業(yè)的蓬勃發(fā)展，各類演藝秀場如雨后春筍般出現(xiàn)。為滿足場景效果、導演創(chuàng)意，對舞臺設備提出了越來越高的要求。無極差動臺階升降臺正是順應這種趨勢形成的獨特設計方式，能夠靈活方便地實現(xiàn)數(shù)種不同舞臺變化形式。