剛性鏈升降組合臺穩(wěn)定性分析*

火照晶

(甘肅工大舞臺技術(shù)工程有限公司，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

演藝設(shè)備是集機械、液壓、電氣、計算機控制技術(shù)于一體的綜合性機電設(shè)備，在設(shè)計的過程中要與舞臺美術(shù)、藝術(shù)、以及土建相結(jié)合，因此演藝設(shè)備具有藝術(shù)與技術(shù)相結(jié)合的特點。由于現(xiàn)代藝術(shù)不斷創(chuàng)新的需要，對自動化的舞臺有了更高標(biāo)準(zhǔn)的要求。為滿足現(xiàn)代演出形式和觀眾的需求,努力達到完美的藝術(shù)效果。在演藝場館中臺上設(shè)備裝有吊桿、防火慕、燈光渡橋、以及吊桿等等，臺下的設(shè)備有車臺、轉(zhuǎn)臺、補平臺、以及升降臺等。

升降臺是臺下機械設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的設(shè)備之一，在專業(yè)的劇場、歌劇院、秀場以及音樂廳里都配備著各種形式的升降臺。升降臺既可快速更換場景，還可根據(jù)表演的需要改變舞臺形式， 為了滿足觀眾的視覺感官，同時為了使藝術(shù)效果演繹的更加動人、逼真，這就要求靜止的舞臺演變?yōu)閯討B(tài)舞臺，這對舞臺的運動性能有了更高的要求，尤其是演員在臺上表演時，為了保證安全，運動舞臺的穩(wěn)定性必須很高。筆者運用SolidWorks建立剛性鏈升降臺結(jié)構(gòu)的三維模型，然后導(dǎo)入Adams軟件中，對剛性鏈升降組合臺穩(wěn)定性進行分析。

1 剛性鏈升降機構(gòu)的概述

剛性鏈升降臺是近年來應(yīng)用逐漸增多的升降形式，常作為補平升降臺、后升降臺、合唱臺、樂池升降臺來使用，主要是剛性鏈升降臺具有升降行程大，基坑深度淺，自導(dǎo)性好、噪聲小、定位準(zhǔn)確、可靠等獨特的優(yōu)點，如圖1所示。

圖1 剛性鏈板升降組合裝備圖

靜止舞臺演變?yōu)閯討B(tài)舞臺，這對舞臺的運動性、穩(wěn)定性能有了更高的要求，剛性鏈升降臺是由電機通過減速機驅(qū)動鏈板，鏈板帶動臺體上、下運動，臺體上升、下降時的垂直載荷由鏈板承受，通過在Adams中對其水平位移進行模擬仿真分析，得出升降機構(gòu)在升降過程中出現(xiàn)晃動不平穩(wěn)的狀態(tài)，這是剛性鏈自身結(jié)構(gòu)性能所決定的，必須加以約束，如圖2所示。

圖2 剛性鏈板裝備圖

此文僅以有限元方法為主要數(shù)學(xué)工具，對剛性鏈升降機構(gòu)的平穩(wěn)性進行相應(yīng)的分析。

2 剪撐輔助機構(gòu)的三維建模

分析的舞臺升降機構(gòu)，工作臺尺寸為長×寬為4.67 m ×4.67 m；動承載能力為2 kN/m2；靜承載能力為4 kN/m2，最大行程距離H為10 m，將以上數(shù)據(jù)作為建模仿真參數(shù)，作為該機構(gòu)的動態(tài)性能評估原始依據(jù)。

升降機構(gòu)主要由臺面、剛性鏈、剪刀撐、底座等部分構(gòu)成，由剛性鏈帶動臺面的上下移動，從而達到升降臺所需要的實際高度。根據(jù)升降臺機構(gòu)二維圖來確定剪撐機構(gòu)的三維機構(gòu)，如圖3所示。

圖3 剛性鏈板升降組合裝備結(jié)構(gòu)圖

3 剪撐輔助機構(gòu)的剛體動力學(xué)仿真

3.1 剪撐輔助機構(gòu)模型建立

本文用Solidworks建立該剪撐輔助機構(gòu)的三維模型，將其保存為“.x_t”的格式，然后將這種格式的三維模型導(dǎo)入Adams軟件中進行仿真分析。在所導(dǎo)入的模型中，為了在Adams中添加運動副和旋轉(zhuǎn)副簡單方便，用布爾運算將原模型進行簡化，如圖4所示。

圖4 剛性鏈升降臺以及加入剪撐輔助機構(gòu)的模型

該剛性鏈板升降臺主要由工作臺、底座、剛性鏈板傳動機構(gòu)等主要部件組成，其靜載荷承重量為4 000 N；動載荷承重量為2 000 N。

3.2 仿真環(huán)境的建立

為了能夠保證計算精度，需要設(shè)定仿真環(huán)境。

(1) 將裝配體導(dǎo)入ADAMS軟件中，進行仿真運動，由于運動時存在重力加速度，因此要設(shè)置重力加速度的大小和方向，在該仿真過程中將重力加速度的大小設(shè)置為9 806 mm/s2，方向設(shè)置為“-Z”，表示與地面垂直并向下。

(2) 為了保證模型的前后一致性，選擇組合單位制“MMKS”，其中，第一個M表示長度，mm；第二個M表示質(zhì)量，kg；K表示力，N；S表示時間，s。

(3) 在ADAMS軟件中，將裝配體中的零部件的材料類型，統(tǒng)一設(shè)定為steel類材料。

3.3 模型約束的添加

通過對升降臺的真實運動情況的觀察和設(shè)計，在Adams軟件中，對三維的模型進行模擬，添加與實際情況相符合的運動副，升降臺機構(gòu)主要由工作臺、剪刀臂、底座等部分構(gòu)成，剪刀臂可在平面內(nèi)相互轉(zhuǎn)動，它的一端與工作臺和底座鉸鏈連接，另一端與另一剪刀臂鏈接，對兩根剪刀臂之間進行轉(zhuǎn)動副約束，兩剪刀臂可以產(chǎn)生相互旋轉(zhuǎn)的運動，以此來實現(xiàn)工作臺的上下移動，從而達到升降臺所需要的實際高度，并使其能夠正常運轉(zhuǎn)。

3.4 添加驅(qū)動

在升降臺的四個角上的剛性鏈傳動機構(gòu)，加上四個驅(qū)動機，用來保證升降臺的升降過程。

4 剪撐輔助機構(gòu)穩(wěn)定性分析

4.1 剛性鏈升降臺穩(wěn)定性分析

升降臺的升降完全依靠四組剛性鏈板來實現(xiàn)，由于剛性鏈板是由多塊鏈板鉸接的，再加之與鏈輪在嚙合過程中有沖擊，升降臺升降過程中沿臺面的X、Y方向均有位移發(fā)生，而舞臺的晃動會影響演員的演出質(zhì)量及潛在的安全問題，其三維模型如圖5所示。

因此需要在升降機構(gòu)中加入剪撐輔助機構(gòu)，來穩(wěn)定升降臺的升降過程。

4.2 剛性鏈升降組合臺穩(wěn)定性分析

剪撐機構(gòu)輔助的剛性鏈升降臺升降過程中，由于有剛性鏈的支撐作用，以及剪刀撐的防振性，在實際的升降過程中比較平穩(wěn)，舞臺在演出過程中能夠極大程度的保證演員的人身安全，以及演出質(zhì)量。其三維模型如圖6所示。

圖5 升降機構(gòu)模型 圖6 剪刀撐升降機構(gòu)模型

在Adams中，對剪撐機構(gòu)輔助的剛性鏈升降臺模型進行分析，分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 剪刀撐升降機構(gòu)上升晃動量實驗結(jié)果

5 結(jié) 語

通過剛性鏈板支撐升降臺的升級，在該過程中，升降臺的晃動在Adams中，對剪撐輔助機構(gòu)模型進行分析，升降臺加入剪撐輔助機構(gòu)后，升降臺的升降過程平穩(wěn)，在X、Y兩方向上的晃動量幾乎為零，保持穩(wěn)定狀態(tài)，因此剪撐輔助機構(gòu)能夠有效地保障升降臺的升降穩(wěn)定性。此次可視化的動力學(xué)仿真分析過程，對升降機構(gòu)的總體設(shè)計可起到直接的指導(dǎo)作用。