無極差動(dòng)臺(tái)階升降臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 概述

無極差動(dòng)臺(tái)階升降臺(tái)通過前后兩組小升降臺(tái)完成整體驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)以階梯結(jié)構(gòu)或者平臺(tái)形式整體升降，或者一端固定、另一端移動(dòng)，整體以階梯結(jié)構(gòu)緩緩展開等多種形式，見圖1、圖2。此種結(jié)構(gòu)緊湊小巧，可以實(shí)現(xiàn)多種演出形式變換，滿足眾多演藝需求。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

無極差動(dòng)臺(tái)階升降臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)是由前/后部驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)、中部隨動(dòng)升降臺(tái)組成，如圖3所示。前/后部驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)由驅(qū)動(dòng)齒條、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)嚙合箱、隨動(dòng)導(dǎo)向嚙合機(jī)構(gòu)組成，其中，驅(qū)動(dòng)齒條固定。中部隨動(dòng)升降臺(tái)由隨動(dòng)定位導(dǎo)向槽、隨動(dòng)滾輪、內(nèi)嵌式隨動(dòng)滑道組成。

無極差動(dòng)臺(tái)階升降臺(tái)的動(dòng)力傳動(dòng)，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)力，將扭矩動(dòng)力通過傳動(dòng)軸分配到左右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)嚙合箱上，驅(qū)動(dòng)嚙合箱將扭矩動(dòng)力變?yōu)樯舷律祫?dòng)力，通過隨動(dòng)導(dǎo)向嚙合機(jī)構(gòu)讓前/后部驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)沿4根齒條上下運(yùn)行；同時(shí)，通過隨動(dòng)定位導(dǎo)向滑槽帶動(dòng)中部隨動(dòng)升降臺(tái)運(yùn)行，由于幾何位置關(guān)系，隨動(dòng)升降臺(tái)相互之間的高差始終相等。中部隨動(dòng)升降臺(tái)之間、與前/后部驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)之間安裝有內(nèi)嵌式隨動(dòng)滑道，確保全部隨動(dòng)升降臺(tái)上下運(yùn)行過程中保持垂直狀態(tài)。

無極差動(dòng)臺(tái)階升降臺(tái)的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖4所示。

圖1 以階梯結(jié)構(gòu)展開

圖2 以平臺(tái)形式整體升降

圖3 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成簡圖

圖4 運(yùn)行狀態(tài)展示

3 設(shè)計(jì)過程

無極差動(dòng)臺(tái)階升降臺(tái)設(shè)計(jì)主要包括驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

3.1 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)估算

升降臺(tái)的整體升降驅(qū)動(dòng)力由前/后部驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)提供。假設(shè)單個(gè)升降臺(tái)動(dòng)載荷F，前/后部驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)各自自重G1，每個(gè)隨動(dòng)升降臺(tái)自重G2；前/后部驅(qū)動(dòng)平臺(tái)最大速度均為V1，則無極差動(dòng)臺(tái)階升降臺(tái)整體運(yùn)行最大速度同樣也是V1。不考慮效率情況下，升降臺(tái)運(yùn)行總功率粗估：

單臺(tái)驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)凈功率：

當(dāng)單側(cè)展開時(shí)，即一端升降臺(tái)固定，僅另一端全速運(yùn)行。則第一臺(tái)隨動(dòng)升降臺(tái)速度

第二臺(tái)隨動(dòng)升降臺(tái)速度

不考慮效率情況下，單側(cè)展開時(shí)單臺(tái)驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)凈功率粗估：

在不考慮效率的情況下，兩種計(jì)算結(jié)論一致，即

對(duì)比Pa、Pb分別對(duì)應(yīng)的效率ηa、ηb取最小值：

η1為電機(jī)減速器傳動(dòng)效率；

η2為聯(lián)軸器傳動(dòng)效率；

η3為嚙合機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率；

η4為內(nèi)嵌式隨動(dòng)滑道傳動(dòng)效率；

η5為隨動(dòng)滾輪傳動(dòng)效率；

經(jīng)比對(duì)，有如下結(jié)論：

因此，電機(jī)功率應(yīng)?。?/p>

3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)

由于無極差動(dòng)臺(tái)階升降臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊，一般應(yīng)用于面積小、基坑淺的場合。因此，實(shí)際使用中，由于面積狹小、結(jié)構(gòu)緊湊、跨距小，不會(huì)出現(xiàn)重載使用的情況。在輕載狀態(tài)下，各部分鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度綽綽有余，僅個(gè)別傳動(dòng)零件受力較大；對(duì)于應(yīng)力集中較大的零件，應(yīng)根據(jù)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則適當(dāng)加強(qiáng)。

根據(jù)受力特點(diǎn)假設(shè)臺(tái)面寬度1.2 m×0.3 m，4臺(tái)一組總載荷約8.75 kN（包含鋼結(jié)構(gòu)自重0.35×4=1.4 kN；兩套嚙合箱、電機(jī)、滑道等傳動(dòng)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(tái)驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)平均驅(qū)動(dòng)2 個(gè)升降臺(tái)，單臺(tái)總動(dòng)載荷8.75/2=4.375（kN），驅(qū)動(dòng)力通過4根齒條嚙合箱傳遞給升降平臺(tái)，升降平臺(tái)中的隨動(dòng)定位導(dǎo)向滑槽傳遞給隨動(dòng)滾輪，從而帶動(dòng)隨動(dòng)次級(jí)升降臺(tái)同時(shí)運(yùn)動(dòng)。經(jīng)分析，此結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵受力元件有：驅(qū)動(dòng)框架、隨動(dòng)定位導(dǎo)向滑槽、隨動(dòng)滾輪。驅(qū)動(dòng)框架整體有限元分析如圖5～圖7所示。

最大應(yīng)力2.758×107N/㎡，最大位移0.104 mm，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小8.52。

經(jīng)分析，在保證隨動(dòng)定位導(dǎo)向滑槽與鋼架連接處有足夠強(qiáng)度時(shí)，其余鋼結(jié)構(gòu)部分強(qiáng)度很容易滿足使用需求。

隨動(dòng)定位導(dǎo)向滑槽承載2臺(tái)從動(dòng)臺(tái)載荷，負(fù)責(zé)將前后2臺(tái)驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)的驅(qū)動(dòng)力傳遞給2臺(tái)從動(dòng)升降臺(tái)，單個(gè)驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)最大驅(qū)動(dòng)力4.375 kN,需除去單個(gè)驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)自重（含嚙合箱、電機(jī)等傳動(dòng)件）、臺(tái)面裝飾重量、單個(gè)驅(qū)動(dòng)臺(tái)載荷，最后所得重量除以2，即可得到單根隨動(dòng)定位導(dǎo)向滑槽承載力。經(jīng)計(jì)算單根隨動(dòng)定位導(dǎo)向滑槽中部約承受1.45 kN載荷，升降臺(tái)最大起升角度約θ（本文中升降臺(tái)起升角度約45°），其最大受力：

圖5 驅(qū)動(dòng)框架應(yīng)力分析圖

圖6 驅(qū)動(dòng)框架位移分析圖

圖7 驅(qū)動(dòng)框架結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分析圖

圖8 隨動(dòng)滑道應(yīng)力分析圖

圖9 隨動(dòng)滑道位移分析圖

圖10 隨動(dòng)滑道安全系數(shù)分析圖

圖11 隨動(dòng)滑道應(yīng)力分析圖

圖12 隨動(dòng)滑道位移分析圖

圖13 隨動(dòng)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(dòng)定位導(dǎo)向滑槽中部必須開通長滑槽，中部下側(cè)受力較大，實(shí)際設(shè)計(jì)中可將滑道中下部適當(dāng)增厚，這樣可大大增加系統(tǒng)剛度及穩(wěn)定性。

經(jīng)計(jì)算，最大應(yīng)力1×108N/㎡，最大位移1.763 mm，結(jié)構(gòu)安全。

結(jié)構(gòu)撓度略超出規(guī)范要求，因此實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)一步增加中下部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

單個(gè)隨動(dòng)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(dòng)滾輪必須采用懸臂設(shè)計(jì)，因此，根部應(yīng)力集中較為明顯，可在設(shè)計(jì)中適當(dāng)增加根部軸徑以增大其強(qiáng)度。

經(jīng)計(jì)算，最大應(yīng)力7.25×107N/㎡，結(jié)構(gòu)安全。

4 技術(shù)特點(diǎn)

無極差動(dòng)臺(tái)階升降臺(tái)結(jié)構(gòu)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(shí)，通過電氣同步可以作為整體升降臺(tái)使用，應(yīng)用廣泛，操作便利。由于采用了隨動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，既縮減了整體成本又降低了控制難度。

（1）等差階梯結(jié)構(gòu)

采用前后2臺(tái)驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)為動(dòng)力，形成一組等差階梯式升降臺(tái)，可同步或非同步運(yùn)行。

（2）多種組合狀態(tài)

通過前后驅(qū)動(dòng)可行程多種組合狀態(tài)，既可作為平面升降臺(tái)使用，也可作為臺(tái)階升降臺(tái)使用，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)階梯傾斜方向互換。

5 結(jié)束語

無極差動(dòng)臺(tái)階升降臺(tái)已在成都音樂廳樂池指揮臺(tái)階升降臺(tái)設(shè)備中成功應(yīng)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(dǎo)演創(chuàng)意，對(duì)舞臺(tái)設(shè)備提出了越來越高的要求。無極差動(dòng)臺(tái)階升降臺(tái)正是順應(yīng)這種趨勢形成的獨(dú)特設(shè)計(jì)方式，能夠靈活方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)種不同舞臺(tái)變化形式。