链条提升式舞台升降台的平衡重装置配平方式分析 (1).pdf

2023年第2期 总第195期 季刊演艺科技 ENTERTAINMENT TECHNOLOGYNo.2 2023 Quarterly No.19566布置在主表演区的主舞台升降台作为快速迁换布景的重要设备之一，其面积较大，自重及载荷较高，运行速度快，升降行程大，需要增加平衡重装置（以下简称：平衡重）来降低驱动电机的功率，并降低传动系统的承载要求。最常见的带平衡重主舞台升降台提升方式有链条提升式和钢丝绳卷扬提升式，其组成部分均包括：架体（载荷接受装置）、驱动机构、传动系统、导向装置、平衡重系统、锁定装置、安全检测装置、控制系统等。笔者根据不同工程项目中主舞台升降台的设计要求、选型计算，针对带平衡重链条提升式升降台（以下简称：升降台）的配平方式进行探讨和分析。1 配平方式升降台设计计算时，其配平方式按照平衡重与载荷接受装置自重的关系一般区分为“过配”“平配”“少配”三种形式。1.1 “过配”形式“过配”形式，是指设计的平衡重总重量大于载荷接受装置的自重，平衡重总重量一般设计为载荷接受装置自重与50%的额定载荷之和。该配平方式理论上以驱动电机功率最小的原则设计，升降台满载运行时，电机驱动负荷为升降台额定载荷的50%；而当升降台空载运行时，电机驱动负荷为平衡重总重量大于载荷接受装置自重的部分，即额定载荷的50%。故无论升降台满载运行还是空载运行，驱动系统的负荷均为升降台额定载荷的50%。1.2 “平配”形式“平配”形式，是指设计平衡重总重量约等于载荷接受装置的自重。为避免在升降台空载或少量载荷情况下运行时的“浮动感”，通常载荷接受装置的自重略大于平衡重总重量，设计两者的差值F取10 kN左右。当升降台空载运行时，驱动系统负荷只有F；而当升降台满载运行时，驱动系统负荷为升降台额定载荷与F之和。1.3 “少配”形式“少配”形式，是指设计平衡重总重量小于载荷接受装置的自重。由于建筑条件或设备组合应用等因素影响，设置平衡重及其运行的空间受限，故平衡重总重量较小。在此假定“建筑条件仅允许设置的平衡重总重量只有载荷接受装置自重的70%”。链条提升式舞台升降台的平衡重装置配平方式分析张凤宝，王安安（甘肃工大舞台技术工程有限公司，甘肃 兰州 730050）【摘 要】本文针对链条提升式舞台升降台的平衡重装置理论上的重量取值问题进行分析及探讨，提出新的取值方式，并 通过计算说明其合理性。【关键词】舞台机械；链条提升式舞台升降台；平衡重装置；驱动传动系统DOI：10.3969/j.issn.1674-8239.2023.02.013Analysis on Counterweight Set of Chain Driven Stage ElevatorZHANG Fengbao,WANG Anan(Gansu Gongda Stage Technology&Engineering Co.,LTD.,Lanzhou Gansu 730050,China)【Abstract】This paper makes analysis and discussion on the value of the theoretical weight of the counterweight set of chain driven stage elevator,and propose a new way to determine the theoretical weight of the counterweight,and explain its rationality through calculation.【Key Words】stage mechanical;chain driven stage elevator;counterweight set;drive transmission system演艺科技 ENTERTAINMENT TECHNOLOGY67舞台机械Building of Entertainment Stadium演出场馆建设2 不同配平方式的驱动传动系统配置分析2.1 升降台设定参数升降台设定参数见表1。2.2 驱动传动系统计算及配置根据升降台参数要求和设计方案进行驱动传动系统的计算及选型，配置关键配套件是产品设计的首要步骤。升降台驱动传动系统见图1。根据升降台设定的性能参数，在采用不同形式配平方式条件下进行选型计算。计算过程参照舞台机械工程与舞台机械设计中第三篇内容进行，这里不再赘述。不同配平方式驱动传动系统主要传动件选型结果见表2。2.3 驱动传动系统配置分析通过表2可以看出，随着升降台设计的平衡重重量减小，驱动传动系统中电机功率、一级减速器、二级减速器、外制动器以及驱动链条等关键配套件规格均增大，只有配重钢丝绳的直径变小。当电机功率增大时，电气控制系统配置元器件规格均随之增大。3 不同配平方式对比分析“少配”形式只是在建筑条件中设置平衡重的空间受限，或者受力条件不满足时，为了升降台满足性能参数要求的适应性设计，属于非正常情况。此文对配平方式不作优缺点分析。以下只针对“过配”和“平配”两种形式进行对比分析。1）“过配”方式的传动系统驱动电机功率小。2）“过配”方式的电气控制系统元器件（如变频器、接触器、继电器以及线缆等）规格小。3）“过配”方式的升降台设备需要配置电容量少，特别是主升降台数量多时，尤为明显。4）“平配”方式的升降台平衡重的重量相对小。5）“平配”方式的升降台空载运行时，驱动电机和参数名称参数取值台面规格/LW（m）183台面结构形式（层）2台架自重/G（kN）280升降行程/H（m）9（4.5）升降速度/v（m/s）0.0020.2额定载荷/Qe（kN）2.5升降台面积+侧车台自重Fc静态载荷/Qj（kN）5.0升降台面积+侧车台自重Fc注：1.额定载荷（Qe）和静态载荷（Qj）均按一层台板计算；2.侧车台自重Fc65 kN图1 带平衡重装置的链条提升式升降台驱动传动系统示意图表1 升降台设定参数传动件名称过配平配少配备注平衡重（kN）377.5270196按理论取值电 机 功 率（kW）377590标准电机功率一级减速器K107-8.69K127-8.68K127-8.68按K系列减速机选取二级减速器B3SH09-20B3SH11-22.4B3SH12-25直交轴减速器外制动器YWZ13-500/E121YWZ13-500/E201YWZ13-600/E201电力液压鼓式制动器驱动链条32A-336A-340A-3链轮齿数取27配重钢丝绳直径/（mm）282424抗拉强度1770 MPa表2 不同配平方式驱动传动系统主要传动件选型图2 “过配”和“平配”两种形式驱动功率随载荷变化示意图2023年第2期 总第195期 季刊演艺科技 ENTERTAINMENT TECHNOLOGYNo.2 2023 Quarterly No.19568传动系统最低负荷（F）运转，当升降台负载在额定载荷范围内增加时，传动系统的承受载荷和驱动功率相应增大。见图2。6）“过配”方式的升降台处于静止状态（非锁定）时，驱动传动系统中的外制动器、二级减速器以及链轮链条等都需承受平衡重过配部分产生的荷载；并且当升降台空载运行时，整个驱动传动系统依然是满负荷状态。7）“平配”方式的升降台，设备需要配置电容量较大，电气控制系统元器件和驱动传动系统主要传动件的规格均较大。8）“过配”和“平配”两种方式的平衡重在理论上重量差为107.5 kN，在综合考虑电机、一级减速器、二级减速器、外制动器以及联轴器等关键配套件采购成本，其他零部件生产成本，以及另核算电气控制系统造价等因素，“平配”方式的升降台造价高于“过配”方式的升降台。4 平衡重取值探讨近几年的相关调研统计数据显示，专业剧场的主升降台设备使用频率较低，根据演出需要偶尔使用，但运行时间很短，同时其运行负载也较小。上文中设定参数的升降台规格在舞台机械项目中较为常见，以此为例，其不负载车台升降时（即工况），一般外载荷不会超过50 kN（即：额定载荷区间为0%25%）；负载车台升降时（即工况），车台外载荷也不会超过50 kN，车台自重Fc（即：额定载荷的32.5%），所以累加载荷不会超过115 kN（即：额定载荷区间为32.5%57.5%）。根据上述两种工况得出相应的载荷和驱动功率对应区间，见图3。分析可知：工况时，“平配”方式的升降台驱动系统较为节能环保；工况时，虽然“过配”方式的升降台驱动系统能耗低，但是承载约50%额定载荷运行时多数情况在承载平衡重。综合考虑“过配”和“平配”两种方式的设备整机造价、性能要求、使用及维护成本、节能环保等各种因素，驱动传动系统设计时的平衡重取值应尽可能趋于合理。所以笔者认为，平衡重重量依然要超过载荷接受装置自重，但超出部分不取值50%的额定载荷，而取值车台自重较为合理。综上所述，得出不同的平衡重取值方式：初始计算时平衡重的理论重量按“载荷接受装置自重与车台自重之和”取值，计算驱动功率P，选取标准电机额定功率PD，此时电机功率与驱动功率出现裕量P（即：P=PD-P），再用功率裕量P反推验算，确定可减少的平衡重重量值，从而确定平衡重的合理重量Fp，最终完成升降台驱动传动系统设计计算。示例计算过程如下：4.1 选型计算4.1.1 平衡重（Fp）计算Fp=G+Fc=280+65=345 kN4.1.2 移动负荷（Fy）计算Fy=LWQe=1832.5=135 kN4.1.3 预估传动总效率=12434465其中：1一级减速器的效率，取值0.96；2万向轴的效率，取值0.99；3二级减速器的效率，取值0.94；4链轮链条副的效率，取值0.98；5链轮绳轮轴承的效率，取值0.99；故：=0.960.9940.940.9840.9960.75图3 不同工况载荷和驱动功率对应区间示意图演艺科技 ENTERTAINMENT TECHNOLOGY69舞台机械Building of Entertainment Stadium演出场馆建设4.1.4 初选电机1)计算电机功率P=1.2Fyv/=1.21350.2/0.75=43.2 kW（惯性系数暂取1.2）2）选取电机型式2 2 5 M-4（额 定 功 率 PD=4 5 k W，额 定 转 速nD=1 480 rmp，单制动）3）配置一级减速器按SEW选K107（速比i1=8.69，服务系数fB=1.60，额定输出扭矩Ma=2 520 Nm）4.1.5 确定平衡重的合理重量（Fp ）Fp=Fp-P/（1.2v）=345-（45-43.2）0.75/（1.20.2）=339.375 kN圆整取值：Fp=340 kN注：此种计算仅是为提供一种考虑问题的思路，实际工程中如按本例数据，则无必要减此重量，因效率受到安装精度的影响，可能会低于0.75，当低到0.72时，就用尽了45 kw功率。4.1.6 静态负荷（Fj）计算Fj=G+LWQj+Fc-Fp =280+1835.0+65-340=275 kN4.1.7 计算链条最大拉力Fl（初选链条规格）Fl=Fj/4=275/4=68.75 kN（按无锁定考虑）由于链条安全系数不小于10，故链条最小抗拉载荷Qmin10 Fl=687.5 kN；初选链条规格为：套筒滚子链36A-3（最小抗拉载荷Qmin=840.7 kN，节距p=57.15 mm）。4.1.8 计算链轮分度圆直径d=p/sin（180/z）=57.15/sin（180/27）=492.278 mm（链轮齿数z=27）4.1.9选二级减速器1）链轮转速n=60/v（d）=600.2/（0.492 278）=7.759 3 rmp2）传动系统总减速比i=nD/n=1 480/7.759 3=190.743）总静阻负载转矩Tm=Fjd/2=275492.278/2=67 688 Nm4）二级减速器减速比i2=i/i1=190.74/8.69=21.9495）选直交轴减速器B3SH09-22.4（额定输出扭矩T2N=34 000 Nm，实际速比is=22.208），2台。4.1.10 选外置制动器1）计算外置制动器制动力矩Mz=Tm/is/2=67 688/22.208/2=1 524 Nm2）选电力液压鼓式制动器YWZ13-500/E121（制动力力矩：1 250 Nm2 500 Nm），2台。4.1.11 选钢丝绳直径1）计算平衡重钢丝绳受力Fs=Fp/8=340/8=42.5 kN（按4点双绳考虑）由于钢丝绳安全系数不小于10，故钢丝绳最小破坏拉力Fmin10Fs=425 kN；2）初选钢丝绳规格初选钢丝绳规格为：28NAT19W+FC1770ZS（最小破坏拉力Fmin=457 kN，公称抗拉强度Qs=1 770 Mpa）。采用该配平方式设计计算并选取驱动传动系统主要传动件，见表3，与“过配”和“平配”两种方式相比较可知：驱动电机功率略高于“过配”方式，但大幅低于“平配”方式；一级减速器、二级减速器、外制动器以及钢丝绳等关键配套件均与“过配”方式相同；只有驱动链条型号与“平配”方式相同。故设备整机造价接近“过配”方式。升降台额定载荷变化与驱动功率对应关系如图4所示（“优化”），升降台空载运行时，移动负荷大小只有Fc；当升降台负载达到额定载荷32.5%时，传传动件名称选型备注平衡重340 kN理论取值电机功率45 kW标准电机功率一级减速器K107-8.69K系列减速机二级减速器B3SH09-22.4直交轴减速器外制动器YWZ13-500/E121电力液压鼓式制动器驱动链条36A-3三排套筒滚子链配重钢丝绳28抗拉强度1 770 Mpa表3 新配平方式驱动传动系统主要传动件选型2023年第2期 总第195期 季刊演艺科技 ENTERTAINMENT TECHNOLOGYNo.2 2023 Quarterly No.19570动系统的承载和驱动功率最小，之后随着负载增大，传动系统的承载和驱动功率相应增大。考虑到设备运行工况以及不同工况的持续时长等因素，此种方式使设备在全生命周期更节能。5 结语随着我国舞台机械的不断研究与发展，相应技术标准在陆续制定和完善，带平衡重链条提升式升降台作为一种常见的升降台类型，平衡重的理论重量取值是影响驱动传动系统配置、设备整机造价以及设备使用能耗等的关键因素。笔者在分析了当下主流的配平方式及其对整个升降台系统产生的影响后，提出了不同的平衡重取值方式，通过此种方式，促使升降台平衡重重量在综合多方面条件的情况下取得最优解，提升设备全寿命周期的平衡性、合理性、经济性等。当然，笔者提出的配平参数是基于近年来多数升降台实际工况统计数而论，具体的工程项目可能有其特殊工况，应根据工况需求对应设计，不能一概而论。参考文献：1段慧文,徐奇,等.舞台机械工程与舞台机械设计M.北京:中国戏剧出版社,2013.2陈德生.舞台机械设计M.北京:机械工业出版社,2009.3WH/T 36-2009,舞台机械 台下设备安全要求S.4WH/T 28-2007,舞台机械 台上设备安全S.5成大先.机械设计手册第六版M.北京:化学工业出版社,2016.（编辑 周建辉）图4 不同配平方式驱动功率随载荷变化示意图