刚性链在舞台机械中的应用.docx
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刚性链在舞台机械中的应用
刚性链在舞台机械中的应用
国家大剧院工程业主委员会舞台设备部教授级高工段慧文
高级工程师徐奇
创建于1980年的法国SERAPID公司，主要致力于用刚性链系统完成线性传动的研究，使刚性链成为垂直升降载荷或载重平台的一种新型机械组件。
这一重大革新成果，已在汽车工业、核工业、工业炉、钢结构制造、机械制造业以及剧场舞台等领域获得广泛应用。
根据现有资料，对刚性链传动及其应用作一简要介绍。
1.工作原理
在工业应用领域里，有各种不同的技术方案解决载荷的直线运动问题，经常使用的有：
液压缸、气缸、电动推杆（螺旋推进器）、链条、钢丝绳、凸轮、斜面滑块、剪刀撑、齿轮齿条以及自组装式螺旋升降器等。
这些方法有的系统复杂，如液压、气动、凸轮、滑块、剪刀撑、齿轮齿条及自组装螺旋升降器等，都需要一套动力和运动转换系统：
有的功能单一，只能承受拉力而不能应用于承受压力的场合，即只能拉动而不能推动物体的运动，如链条、钢丝绳等。
刚性链的研究主要解决了采用经改进的链条达到既能承受拉力又能承受压力的问题，因而使其在直线运动领域内（水平布置的或垂直布置的）获得广泛的应用。
用于垂直升降载荷或载重平台的SERAPID刚性链有两种形式：
链式升降器（ChainLift）和铰链升降器（LinkLift）。
链式升降器的基本结构与普通链条相同，但链板的形状特殊，其结构简图见图1。
图1
在链条销轴的两端、链板的外侧有用于驱动的滚轮，链板的中间则是用于驱动器内部导向的直径较大的滚轮。
链板的一端设有台肩而另一端设有肩槽，相邻链节链板上的台肩和肩槽互相配合，使得链条能在一个方向回转而在另一个方向则不能回转。
当链条受到压力载荷时，特殊形状的头部链节使受力点偏离销轴中心，在肩台和肩槽之间产生锁紧力，使相邻链节相互锁紧，链条具有刚性推杆的特性。
为了保持头部链节的稳定，需要两个销轴。
头部链节的结构简图见图2。
在驱动器外部的不受力链条仍然具有链条可以弯曲的特性便于折叠储存。
铰链升降器是SERAPID公司在链式升降器使用的基础上专门研制的新型刚性链升降器。
其结构简图见图3。
图3
链板正面内外两侧设置两排销轴，销轴的两端设置用于驱动和导向的滚轮，内侧（机内导向侧）销轴用于连接内、外链板并使其具有和普通链条一样的相对旋转的功能。
在与外侧（驱动侧）销轴相对应的位置上，内、外链板均开有与销轴直径相同的缺口，销轴与链板缺口的啮合，可以使链节象建筑物的砌块一样，在离开驱动链轮时一块块叠起形成刚性柱。
和链条升降器一样，铰链升降器也是利用头部的特殊链节的受力状况，并在销轴和缺口的作用下，使链节之间相互锁紧的。
刚性链由驱动器驱动，驱动器内设有驱动链轮和导向板，链式升降器使用链板中间的滚轮、铰链升降器使用链板的导向滚轮导向，导向板可以使链条在刚离开驱动链轮时就处于垂直位置，而进入驱动器的非承载侧的链条则处于水平状态。
驱动器的链轮可以由任一形式的、按需要的速度和功率确定的机械装置驱动。
链式升降器和铰链升降器的内部结构简图见图4和图5。
2.使用条件和配置形式
2.1使用条件
刚性链升降器的使用条件为：
1）在载荷升降运动的全行程内对承载平台进行外部导向，以保证链节的正确锁紧。
在通常情况下需要两个导向轨来平衡承载平台，大型或形状复杂的平台需要另外的附加导向导轨。
对使用有自导向能力的机构（如剪刀撑），则不需另外的导向机构，但该机构应有相当的精度。
2）承载平台必须与刚性链条垂直连接并不允许有任何的晃动。
和承载平台连接时，采用刚性链头部的特殊链节和连接板。
在链条最大行程时，从链条顶部连接板中心线测量的链条安装误差不大于0.5㎜。
a）驱动器必须牢固平稳的安装在基础上，其基础平面应水平，且不能有任何的晃动。
b）当升降器用于载人升降平台时，必须事先征得SERAPID公司或他的法定代理人的同意。
此时还应设置完善的防护装置，以保证人身安全。
2.2配置形式
多个刚性链升降器可以组成一组，而这一组升降器只用一台电动机采用机械同步带动。
这样刚性链升降器的配置具有很大的灵活性，可以适应各种载荷和不同形状的升降平台，应用于各种具体的环境与场合。
常用的配置形式见图6、图7、图8。
2.3链条的储存
利用刚性链的链条特性，可将其储存空间减小。
在单根储存时，其储存距离为升降行程再加几个链节的距离。
也可利用带导向的移动链轮进行环式储存将储存距离减小为原来的一半。
见图9、图10、图11、图12。
3.产品系列
SERAPID提供两个系列的刚性链升降器。
3.1标准载荷系列升降器
标准载荷系列升降器是指每小时工作循环（全行程升降一次为一个循环）不大于10次而其他时间只是保持载荷在预定位置或根本不工作的升降器。
例如大多数工业用仓库或舞台升降台用的刚性链升降器都属此类。
标准载荷系列升降器的运动载荷为7500N~50000N，静止载荷为7500N~100000N：
由于链条结构上的原因，链式升降器的运动载荷与静止载荷相同，而铰链升降器的静止载荷为运动载荷的二倍。
标准载荷系列升降器的行程为1m~7m，如果需要更大的行程，可与SERAPID公司联系，对升降器本身进行导向，以获得更大的行程。
标准载荷系列升降器有链式、铰链式各两种规格，其技术参数见下表。
ChainLift40
ChainLift60
LinkLift50
LinkLift50R*
LinkLift80
LinkLift100
LinkLift100R*
节距㎜
40
60
50
80
100
最大行程m
1.0
2.0
3.0
5.0
7.0
最大静载荷N
7500
20000
30000
70000
100000
最大动载荷N
7500
20000
15000
30000
30000
50000
100000
标准速度㎜/s
200
200
200
200
200
表中载荷是在标准速度、满足安装精度的情况下给出的。
SERAPID公司可根据用户的其他特殊要求，如与减速电动机的连接法兰、循环储存的移动链轮和连接付件、用于安装编码器和凸轮开关的专用出轴、双驱动轴和专用输出轴等进行设计和供货。
3.2重载系列升降器
重载系列升降器是指用于每小时工作循环大于20次的场合的升降器。
多数工业生产中使用的升降器属于此类。
为了保证此类应用场合不断增长的工作寿命和可靠性的要求，在设计上采取了诸如加强结构元件、永久性润滑系统等措施。
重载系列升降器的工作寿命的保证值是在最大载荷下1百万次工作循环。
重载系列升降器的运动载荷和静止载荷均为12500N~50000N，行程为1.5m~2.5m。
图13所示为载荷与工作寿命（工作循环）的关系，有时选用较大一级的产品获得较长的工作寿命显得更为经济。
图13
m
重载系列升降器均为链式升降器，共四种规格,其技术参数见下表：
HDLift60
HDLift60J
HDLift90S
HDLift90D
节距㎜
60
60
90
90
行程m
1.5
1.5
2.0
2.5
最大静载荷N
12500
25000
40000
50000
最大动载荷N
12500
25000
40000
50000
标准速度mm/s
300
300
300
300
表中载荷是在标准速度、满足安装精度的情况下给出的。
同样，SERAPID公司可根据用户的其他特殊要求，如与减速电动机的连接法兰、循环储存的移动链轮和连接付件、用于安装编码器和凸轮开关的专用出轴、双驱动轴和专用输出轴等进行设计和供货。
4.推力、速度、功率及链条长度计算
4.1推力
作用于刚性链升降器上的总推力Ft是载荷重力Fw、摩擦力Ff、加速减速惯性力Fa和外力Fe之和。
Ft=Fw+Ff+Fa+FeN
Fw=9.81×mN
m为升起的总质量kg（当行程超过3m时应计及链条自身的质量）
摩擦阻力Ff主要取决于导轨摩擦表面的状况，可由作用于导轨上的可能的分力与摩擦系数的乘积求得。
加速、减速惯性力Fa可根据具体情况决定取舍。
外力Fe可能在碰撞时（如升降台碰撞了机械挡块）出现。
可根据具体情况决定取舍。
作用于每一个刚性链升降器的力可由总推力Ft除以所用升降器的数量n求得。
4.2驱动功率
为计算驱动功率须首先确定驱动转矩M和驱动链轮的转数R。
M=（Ft×p）/（1000×0.8）Nm
Ft为总推力N
P为节距mm
0.8为考虑系统效率的系数
驱动链轮的转数R由需要的升降速度求得，由于驱动链轮的齿数为6，故有：
R=（1000×S）/（6×p）rpm
S为升降速度m/min
需要的驱动功率P为：
P=（M×R）/9550kW
4.3链条长度
链条长度的计算用图见图14。
链条的长度常用链节数L表示。
L=[（B+U）/p]+5+Lr节
式中：
B——结构需要的驱动器与升降平台起始点的距离㎜
U——升降台的行程㎜
5——驱动器内存留的最少节数
Lr——当采用环式储存时，安装附件所需节数。
可取Lr=6。
图14
5.应用实例
刚性链具有下述优点：
——标准速度：
200mm/s;
——低噪音：
在50mm/s的速度下，噪音为45db（A）；
——定位准确：
定位精度＜1mm；
——很少的维护；
——完全可靠和稳定的结构；
——设计时已考虑了内在的安全，既链板构成的刚性柱用螺栓分别与台板和地面连接。
刚性链在舞台机械中的应用始于二十世纪九十年代中期，1996年，英国的Glantre舞台计术咨询公司将水平运动的刚性链系统在公爵夫人号（Ship“GrandPrincess”）邮轮上的舞台设施中大量应用。
1999年，奥地利的WagnerBiro公司在巴塞罗那歌剧院侧车台的驱动系统中，使用了水平刚性链传动。
日本琵琶湖歌剧院的侧车台也采用了水平刚性链驱动。
近年来垂直运动的刚性链升降器也开始在舞台机械中使用，见图15、图16。
图15
图16
据统计，在近20个油轮项目和50个剧场项目上使用了刚性链驱动装置，如：
美国的迪斯尼音乐厅、德国汉诺威的Expo2000、英格兰布赖顿的圆形剧场、法国巴黎的GaveauHall音乐厅等。
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