劇場(chǎng)樂(lè)池升降臺(tái)設(shè)計(jì)解析
——以海南半島音樂(lè)廳為例

銀國(guó)偉，孫愛英

（江蘇時(shí)代演藝設(shè)備有限公司北京分公司，北京 100026）

1 前言

近代由歐洲傳入我國(guó)的歌劇/舞劇劇場(chǎng)，在舞臺(tái)前面均設(shè)有下沉樂(lè)池。隨著劇目的創(chuàng)新，演出逐漸需要突破臺(tái)口的限制，為了能充分利用下沉樂(lè)池區(qū)域進(jìn)行表演，用活動(dòng)蓋板覆蓋下沉樂(lè)池進(jìn)行演出，從而拉近了觀眾與演員的距離。

隨著時(shí)代進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，歌劇/舞劇劇場(chǎng)樂(lè)池區(qū)域一般都設(shè)置了升降臺(tái)，替代了搭建耗時(shí)費(fèi)力的活動(dòng)蓋板。升降臺(tái)可通過(guò)電動(dòng)方式停留在需要的預(yù)定位置，實(shí)現(xiàn)多種功能。如，停在舞臺(tái)面時(shí)，可作為伸出臺(tái)供演出使用；停在觀眾席地面時(shí)，可以增加觀眾座椅；停在樂(lè)池標(biāo)高時(shí)，可以供樂(lè)隊(duì)或合唱隊(duì)使用。

2 設(shè)計(jì)條件

見表1。

表1 海南半島音樂(lè)廳樂(lè)池升降臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 傳動(dòng)方式的選擇及布置

3.1 傳動(dòng)方式的選擇

升降臺(tái)傳動(dòng)方式多種多樣，常見的有鋼絲繩傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)、剪刀撐傳動(dòng)、絲杠傳動(dòng)、齒輪齒條傳動(dòng)、剛性鏈傳動(dòng)、大螺旋傳動(dòng)以及液壓傳動(dòng)等。

由于鋼絲繩傳動(dòng)和鏈條傳動(dòng)所需的基坑深度較大，而該樂(lè)池升降臺(tái)基坑底部標(biāo)高為-7.7 m，運(yùn)行的最低位置標(biāo)高為-5.5 m，其基坑深度僅為2.2 m，如圖1所示，因此鋼絲繩和鏈條傳動(dòng)不適合該樂(lè)池升降臺(tái)。

圖1 樂(lè)池基坑側(cè)剖圖

由于樂(lè)池位于臺(tái)口與觀眾席之間，距離前排觀眾很近，而絲杠傳動(dòng)、齒輪齒條傳動(dòng)和大螺旋傳動(dòng)普遍存在噪聲過(guò)大的問(wèn)題，因此也不宜采用。

剪刀撐傳動(dòng)主要用于行程較小的情況，當(dāng)行程較大時(shí)，需要多級(jí)剪刀撐傳動(dòng)，可能存在運(yùn)行不穩(wěn)的問(wèn)題，而此樂(lè)池升降臺(tái)要求行程為5.5 m，因此不予采用。

液壓傳動(dòng)由于存在泄露隱患，可能致使傳動(dòng)比無(wú)法十分精確，而且單獨(dú)對(duì)劇場(chǎng)中的樂(lè)池升降臺(tái)設(shè)備設(shè)置液壓泵站，也不經(jīng)濟(jì)。

最終，本方案選擇剛性鏈的傳動(dòng)方式。由于鏈條可水平存儲(chǔ)，因此可以滿足淺基坑、大行程的要求。傳動(dòng)原理如圖2所示。

圖2 剛性鏈傳動(dòng)原理圖

3.2 傳動(dòng)方式的布置

3.2.1 使用4根剛性鏈頂升方案

當(dāng)選擇4根剛性鏈頂升方案時(shí)，每條剛性鏈承受的動(dòng)載和靜載分別計(jì)算如下：

其中：

Fzd——樂(lè)池升降臺(tái)需要承受的總動(dòng)載，F(xiàn)zd=(Fd+Fg+Fm)×A；

Fd——樂(lè)池升降臺(tái)單位面積的設(shè)計(jì)動(dòng)載，已知，F(xiàn)d=2.5kN/m2；

Fg——樂(lè)池升降臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)自重，采用型鋼結(jié)構(gòu)，預(yù)估Fg=1.0 kN/m2；

Fm——樂(lè)池升降臺(tái)表面木地板自重，采用國(guó)產(chǎn)楓木，預(yù)估Fm=0.5 kN/m2；

A——樂(lè)池升降臺(tái)面積，A=80 m2。

則，F(xiàn)zd=(Fd+Fg+Fm)×A=(2.5+1.0+0.5)×80=320 kN；

其中：

Fzj——樂(lè)池升降臺(tái)總靜載，F(xiàn)zj=(Fj+Fg+Fm)×A；

Fj——樂(lè)池升降臺(tái)單位面積設(shè)計(jì)靜載，由設(shè)計(jì)參數(shù)已知，F(xiàn)j=5.0 kN/m2；

則，F(xiàn)zj=(Fj+Fg+Fm)×A=(5.0+1.0+0.5)×80=520kN；

根據(jù)剛性鏈技術(shù)手冊(cè)，動(dòng)載運(yùn)行范圍和靜載運(yùn)行范圍，如圖3、圖4所示。

圖3 動(dòng)載運(yùn)行范圍

圖4 靜載運(yùn)行范圍

隨著行程的增大，可承受的載荷下降，根據(jù)計(jì)算所得單根剛性鏈所需承受的動(dòng)載和靜載，選擇型號(hào)為L(zhǎng)L100R的剛性鏈。

3.2.2 使用6根剛性鏈頂升方案

如果按照6根剛性鏈頂升方案來(lái)計(jì)算，

則，單根剛性鏈所需承受的動(dòng)載：

根據(jù)剛性鏈技術(shù)手冊(cè)，選擇型號(hào)為L(zhǎng)L100的剛性鏈。

兩種剛性鏈型號(hào)的區(qū)別在于，LL100R型號(hào)的剛性鏈輸入軸處采用了花鍵形式，其承載能力大大提升，但價(jià)格也高于LL100型號(hào)。6根剛性鏈的方案雖然在臺(tái)體鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上可以減小跨度，降低臺(tái)體結(jié)構(gòu)的用鋼量，但與4根剛性鏈的方案相比則多了2根LL100型號(hào)剛性鏈，還增加了一套減速機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)軸部件。經(jīng)詢價(jià)估算，確定了采用4根LL100R型剛性鏈的傳動(dòng)布置方案。布置形式如圖5所示。

圖5 樂(lè)池升降臺(tái)剛性鏈傳動(dòng)方式布置圖

4 電機(jī)、減速機(jī)選型

4.1 電機(jī)功率計(jì)算及選型

其中：

樂(lè)池升降臺(tái)需要承受的總動(dòng)載已計(jì)算得知為，F(xiàn)zd=320kN；

v——升降臺(tái)運(yùn)行速度，已知，v=0.1 m/s；

η1——減速電機(jī)效率：η1=0.96；

η2——萬(wàn)向聯(lián)軸器效率：η2=0.92；

η3——二級(jí)減速機(jī)效率：η3=0.93；

η4——?jiǎng)傂枣溞剩害?=0.8；

η5——鼓形齒聯(lián)軸器效率：η5=0.93；

總 效 率η=η1×η2×η3×η4×η5=0.96×0.92×0.93×0.8×0.93=0.61；

查產(chǎn)品手冊(cè)，選擇電機(jī)功率為P=55 kW，型號(hào)為DV250M4。

所選電機(jī)功率能夠滿足升降臺(tái)動(dòng)載和速度要求。

電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，Nd=1475 r/min；輸出扭矩，Td=356 Nm；電機(jī)標(biāo)配制動(dòng)器制動(dòng)力矩，Tz=600 Nm。

4.2 總減速比計(jì)算

因?yàn)樯蹬_(tái)運(yùn)行速度即剛性鏈頂升速度，根據(jù)速度與轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換公式可知，剛性鏈輸出轉(zhuǎn)速，

其中：

v——升降臺(tái)運(yùn)行速度，已知，v=0.1 m/s；

R——?jiǎng)傂枣湈缀伟霃剑雌漭斎胼S中心至受力銷軸中心的距離；

查剛性鏈技術(shù)手冊(cè)，如圖6所示，LL100R型號(hào)的剛性鏈，R=100 mm；

圖6 剛性鏈幾何尺寸圖

則，

4.3 減速比分配及一級(jí)減速機(jī)選型

由于總減速比較大，因此采用兩級(jí)減速的方式，如圖5所示。

查產(chǎn)品手冊(cè)，選擇與功率P=55 kW電機(jī)相適應(yīng)的最小速比的一級(jí)減速機(jī)。

其速比：i1=4.68，查該品牌減速機(jī)手冊(cè)，選擇一級(jí)減速機(jī)型號(hào)為F127；

其中：i1——一級(jí)減速機(jī)速比；i2——二級(jí)減速機(jī)理論速比。

4.4 二級(jí)減速機(jī)扭矩計(jì)算

由于兩側(cè)各布置一臺(tái)二級(jí)減速機(jī)，如圖5所示，

其中：

Fzj——樂(lè)池升降臺(tái)總靜載；

R——?jiǎng)傂枣湈缀伟霃健?/p>

4.5 二級(jí)減速機(jī)選型

根據(jù)二級(jí)減速機(jī)速比和扭矩，查產(chǎn)品手冊(cè)，選擇二級(jí)減速機(jī)型號(hào)為B3SH8，實(shí)際輸出扭矩為T實(shí)=27.2 kNm＞26 kNm，實(shí)際速比i2實(shí)=32.084＜33.01。

因此，所選一級(jí)和二級(jí)減速機(jī)型號(hào)能夠滿足升降臺(tái)載荷和速度要求。

5 制動(dòng)器選型

由于樂(lè)池升降臺(tái)屬升降類型設(shè)備，且其上有樂(lè)隊(duì)、演員或觀眾存在，因此安全性十分重要。在升降臺(tái)的傳動(dòng)布置方案中，采用了兩級(jí)制動(dòng)的方式，即在電機(jī)尾部配置一個(gè)一級(jí)制動(dòng)器，在一級(jí)減速機(jī)與二級(jí)減速機(jī)之間配置液壓抱閘式二級(jí)制動(dòng)器，左右各一個(gè)。兩級(jí)制動(dòng)相互獨(dú)立，任一級(jí)制動(dòng)均可制動(dòng)升降臺(tái)，如圖5所示。

5.1 一級(jí)制動(dòng)器計(jì)算校核

其中：

根據(jù)Fzd=(Fd+Fg+Fm)×A，樂(lè)池升降臺(tái)需要承受的總動(dòng)載，F(xiàn)zd=320 kN；

根據(jù)Fzj=(Fj+Fg+Fm)×A，樂(lè)池升降臺(tái)需要承受的總靜載，F(xiàn)zj=520 kN；

r——?jiǎng)傂枣滘?qū)動(dòng)輪節(jié)圓半徑，

查剛性鏈?zhǔn)謨?cè)，如圖6所示，可知，r=0.11 m；

根據(jù)前述電機(jī)選型計(jì)算可知，

所選電機(jī)額定輸出扭矩，Td=356 Nm＞Td1=234.4 Nm，

故，所選電機(jī)輸出扭矩能夠滿足升降臺(tái)動(dòng)載荷要求；

所選電機(jī)制動(dòng)力矩Tz=600 Nm，Tz=600 Nm＞Tz1=380.9 Nm

對(duì)于舞臺(tái)機(jī)械，一般制動(dòng)力矩為輸出力矩的1.5～1.8倍，因此電機(jī)標(biāo)配制動(dòng)器的制動(dòng)力矩滿足升降臺(tái)靜載荷要求。

5.2 二級(jí)制動(dòng)器計(jì)算選型

根據(jù)1.5～1.8倍的安全倍數(shù)，查產(chǎn)品手冊(cè)，選擇制動(dòng)器型號(hào)為YWZ9-500/E201，制動(dòng)力矩2000 Nm～4000 Nm，制動(dòng)力矩滿足升降臺(tái)靜載荷要求。

6 臺(tái)體設(shè)計(jì)計(jì)算

由于采取剛性鏈頂升的方式，臺(tái)體跨度較小，因此，采用型鋼結(jié)構(gòu)，在樂(lè)池升降臺(tái)進(jìn)深方向布置兩根主梁，在寬度方向的左右兩側(cè)布置兩根主梁，然后在進(jìn)深方向的主梁上布置次梁。結(jié)構(gòu)布置如圖7所示。

圖7 臺(tái)體結(jié)構(gòu)布置圖

6.1 模型簡(jiǎn)化

將樂(lè)池升降臺(tái)簡(jiǎn)化為帶懸臂的簡(jiǎn)支梁模型，如圖8所示。

圖8 臺(tái)體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型圖

6.2 型材選用

依據(jù)類似設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，首先選定一種型材作為主梁進(jìn)行試算。

如H型鋼，HN400×200×8×13。

6.2.1 抗彎強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，

其抗彎截面系數(shù)，w=1.14×10-3m3

最大彎矩，

兩端彎矩，

其中，根據(jù)樂(lè)池升降臺(tái)左右寬度取梁總長(zhǎng)度為L(zhǎng)=l+2 m=16 m，并取；即，l=10 m，m=3 m。

根據(jù)樂(lè)池升降臺(tái)所受總靜載，將其簡(jiǎn)化至均勻受力于進(jìn)深方向的前后兩根主梁上可知，

因此，可得最大彎矩，

已知，Q235材料的許用應(yīng)力[σ]=215 Mpa，取安全系數(shù)n=2，

兩端彎矩作用下的應(yīng)力為，

由上述計(jì)算可知，雖然兩端彎矩作用下的應(yīng)力滿足材料抗彎許用應(yīng)力，但最大彎矩作用下的應(yīng)力不能滿足材料抗彎許用應(yīng)力，因此該型材不能使用，需更換強(qiáng)度更大的型材。

6.2.2 確定型材

經(jīng)反復(fù)選擇不同型材以及取不同的λ值，

最終確定主梁型材采用HN500×200×10×16。

最大彎矩作用下的正應(yīng)力，

兩端彎矩作用下的正應(yīng)力，

由計(jì)算可知，最大彎矩作用下的正應(yīng)力和兩端彎矩作用下的正應(yīng)力均滿足材料許用應(yīng)力，材料能夠使用。

6.2.3 剛度核算

其中，E——Q235鋼彈性模量，E=207 Gpa。

I——HN500×200×10×16型鋼慣性矩，查手冊(cè)可知，I=4.6×10-4m4

因此，最大撓度，

其中，L——梁總長(zhǎng)度，L=l+2 m=16 m。

其中負(fù)號(hào)代表方向，

因此，最大撓度和兩端撓度均滿足要求。

同理，選定次梁型材為矩形鋼管120×60×6×6。并通過(guò)反復(fù)計(jì)算λ值，確定了前后兩根主梁間距為3.2 m，從而，樂(lè)池升降臺(tái)剛性鏈的頂升位置也得以確定。

7 導(dǎo)向設(shè)計(jì)

為保證升降臺(tái)在升降過(guò)程中不傾斜，設(shè)計(jì)了滑槽式導(dǎo)向系統(tǒng)，如圖9所示。導(dǎo)軌安裝于樂(lè)池升降臺(tái)之外的兩側(cè)立柱上，導(dǎo)靴與樂(lè)池升降臺(tái)固接。導(dǎo)向系統(tǒng)能夠承受一定程度的側(cè)向載荷，可防止剛性鏈在側(cè)向力作用下的彎曲。導(dǎo)靴內(nèi)側(cè)設(shè)有聚氨酯材料，可降低升降過(guò)程中的噪音。

圖9 導(dǎo)軌導(dǎo)靴圖

8 結(jié)論

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了樂(lè)池升降臺(tái)的傳動(dòng)方式及布置方案，選擇了合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、一級(jí)和二級(jí)減速機(jī)以及一級(jí)和二級(jí)制動(dòng)器，確定了臺(tái)體結(jié)構(gòu)的主梁和次梁，并設(shè)計(jì)了導(dǎo)向系統(tǒng)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，樂(lè)池升降臺(tái)的行程、速度、載荷等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)參數(shù)要求，能夠滿足功能性和安全性要求。