剧场乐池升降台设计解析——以海南半岛音乐厅为例

银国伟，孙爱英

（江苏时代演艺设备有限公司北京分公司，北京 100026）

1 前言

近代由欧洲传入我国的歌剧/舞剧剧场，在舞台前面均设有下沉乐池。随着剧目的创新，演出逐渐需要突破台口的限制，为了能充分利用下沉乐池区域进行表演，用活动盖板覆盖下沉乐池进行演出，从而拉近了观众与演员的距离。

随着时代进步和经济发展，歌剧/舞剧剧场乐池区域一般都设置了升降台，替代了搭建耗时费力的活动盖板。升降台可通过电动方式停留在需要的预定位置，实现多种功能。如，停在舞台面时，可作为伸出台供演出使用；停在观众席地面时，可以增加观众座椅；停在乐池标高时，可以供乐队或合唱队使用。

2 设计条件

见表1。

表1 海南半岛音乐厅乐池升降台设计参数

3 传动方式的选择及布置

3.1 传动方式的选择

升降台传动方式多种多样，常见的有钢丝绳传动、链条传动、剪刀撑传动、丝杠传动、齿轮齿条传动、刚性链传动、大螺旋传动以及液压传动等。

由于钢丝绳传动和链条传动所需的基坑深度较大，而该乐池升降台基坑底部标高为-7.7 m，运行的最低位置标高为-5.5 m，其基坑深度仅为2.2 m，如图1所示，因此钢丝绳和链条传动不适合该乐池升降台。

图1 乐池基坑侧剖图

由于乐池位于台口与观众席之间，距离前排观众很近，而丝杠传动、齿轮齿条传动和大螺旋传动普遍存在噪声过大的问题，因此也不宜采用。

剪刀撑传动主要用于行程较小的情况，当行程较大时，需要多级剪刀撑传动，可能存在运行不稳的问题，而此乐池升降台要求行程为5.5 m，因此不予采用。

液压传动由于存在泄露隐患，可能致使传动比无法十分精确，而且单独对剧场中的乐池升降台设备设置液压泵站，也不经济。

最终，本方案选择刚性链的传动方式。由于链条可水平存储，因此可以满足浅基坑、大行程的要求。传动原理如图2所示。

图2 刚性链传动原理图

3.2 传动方式的布置

3.2.1 使用4根刚性链顶升方案

当选择4根刚性链顶升方案时，每条刚性链承受的动载和静载分别计算如下：

其中：

Fzd——乐池升降台需要承受的总动载，Fzd=(Fd+Fg+Fm)×A；

Fd——乐池升降台单位面积的设计动载，已知，Fd=2.5kN/m2；

Fg——乐池升降台钢结构自重，采用型钢结构，预估Fg=1.0 kN/m2；

Fm——乐池升降台表面木地板自重，采用国产枫木，预估Fm=0.5 kN/m2；

A——乐池升降台面积，A=80 m2。

则，Fzd=(Fd+Fg+Fm)×A=(2.5+1.0+0.5)×80=320 kN；

其中：

Fzj——乐池升降台总静载，Fzj=(Fj+Fg+Fm)×A；

Fj——乐池升降台单位面积设计静载，由设计参数已知，Fj=5.0 kN/m2；

则，Fzj=(Fj+Fg+Fm)×A=(5.0+1.0+0.5)×80=520kN；

根据刚性链技术手册，动载运行范围和静载运行范围，如图3、图4所示。

图3 动载运行范围

图4 静载运行范围

随着行程的增大，可承受的载荷下降，根据计算所得单根刚性链所需承受的动载和静载，选择型号为LL100R的刚性链。

3.2.2 使用6根刚性链顶升方案

如果按照6根刚性链顶升方案来计算，

则，单根刚性链所需承受的动载：

根据刚性链技术手册，选择型号为LL100的刚性链。

两种刚性链型号的区别在于，LL100R型号的刚性链输入轴处采用了花键形式，其承载能力大大提升，但价格也高于LL100型号。6根刚性链的方案虽然在台体钢结构的设计上可以减小跨度，降低台体结构的用钢量，但与4根刚性链的方案相比则多了2根LL100型号刚性链，还增加了一套减速机构和传动轴部件。经询价估算，确定了采用4根LL100R型刚性链的传动布置方案。布置形式如图5所示。

图5 乐池升降台刚性链传动方式布置图

4 电机、减速机选型

4.1 电机功率计算及选型

其中：

乐池升降台需要承受的总动载已计算得知为，Fzd=320kN；

v——升降台运行速度，已知，v=0.1 m/s；

η1——减速电机效率：η1=0.96；

η2——万向联轴器效率：η2=0.92；

η3——二级减速机效率：η3=0.93；

η4——刚性链效率：η4=0.8；

η5——鼓形齿联轴器效率：η5=0.93；

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

查产品手册，选择电机功率为P=55 kW，型号为DV250M4。

所选电机功率能够满足升降台动载和速度要求。

电机输出转速，Nd=1475 r/min；输出扭矩，Td=356 Nm；电机标配制动器制动力矩，Tz=600 Nm。

4.2 总减速比计算

因为升降台运行速度即刚性链顶升速度，根据速度与转速的转换公式可知，刚性链输出转速，

其中：

v——升降台运行速度，已知，v=0.1 m/s；

R——刚性链几何半径，即其输入轴中心至受力销轴中心的距离；

查刚性链技术手册，如图6所示，LL100R型号的刚性链，R=100 mm；

图6 刚性链几何尺寸图

则，

4.3 减速比分配及一级减速机选型

由于总减速比较大，因此采用两级减速的方式，如图5所示。

查产品手册，选择与功率P=55 kW电机相适应的最小速比的一级减速机。

其速比：i1=4.68，查该品牌减速机手册，选择一级减速机型号为F127；

其中：i1——一级减速机速比；i2——二级减速机理论速比。

4.4 二级减速机扭矩计算

由于两侧各布置一台二级减速机，如图5所示，

其中：

Fzj——乐池升降台总静载；

R——刚性链几何半径。

4.5 二级减速机选型

根据二级减速机速比和扭矩，查产品手册，选择二级减速机型号为B3SH8，实际输出扭矩为T实=27.2 kNm＞26 kNm，实际速比i2实=32.084＜33.01。

因此，所选一级和二级减速机型号能够满足升降台载荷和速度要求。

5 制动器选型

由于乐池升降台属升降类型设备，且其上有乐队、演员或观众存在，因此安全性十分重要。在升降台的传动布置方案中，采用了两级制动的方式，即在电机尾部配置一个一级制动器，在一级减速机与二级减速机之间配置液压抱闸式二级制动器，左右各一个。两级制动相互独立，任一级制动均可制动升降台，如图5所示。

5.1 一级制动器计算校核

其中：

根据Fzd=(Fd+Fg+Fm)×A，乐池升降台需要承受的总动载，Fzd=320 kN；

根据Fzj=(Fj+Fg+Fm)×A，乐池升降台需要承受的总静载，Fzj=520 kN；

r——刚性链驱动轮节圆半径，

查刚性链手册，如图6所示，可知，r=0.11 m；

根据前述电机选型计算可知，

所选电机额定输出扭矩，Td=356 Nm＞Td1=234.4 Nm，

故，所选电机输出扭矩能够满足升降台动载荷要求；

所选电机制动力矩Tz=600 Nm，Tz=600 Nm＞Tz1=380.9 Nm

对于舞台机械，一般制动力矩为输出力矩的1.5～1.8倍，因此电机标配制动器的制动力矩满足升降台静载荷要求。

5.2 二级制动器计算选型

根据1.5～1.8倍的安全倍数，查产品手册，选择制动器型号为YWZ9-500/E201，制动力矩2000 Nm～4000 Nm，制动力矩满足升降台静载荷要求。

6 台体设计计算

由于采取刚性链顶升的方式，台体跨度较小，因此，采用型钢结构，在乐池升降台进深方向布置两根主梁，在宽度方向的左右两侧布置两根主梁，然后在进深方向的主梁上布置次梁。结构布置如图7所示。

图7 台体结构布置图

6.1 模型简化

将乐池升降台简化为带悬臂的简支梁模型，如图8所示。

图8 台体结构简化模型图

6.2 型材选用

依据类似设计经验，首先选定一种型材作为主梁进行试算。

如H型钢，HN400×200×8×13。

6.2.1 抗弯强度计算

根据机械设计手册，

其抗弯截面系数，w=1.14×10-3m3

最大弯矩，

两端弯矩，

其中，根据乐池升降台左右宽度取梁总长度为L=l+2 m=16 m，并取；即，l=10 m，m=3 m。

根据乐池升降台所受总静载，将其简化至均匀受力于进深方向的前后两根主梁上可知，

因此，可得最大弯矩，

已知，Q235材料的许用应力[σ]=215 Mpa，取安全系数n=2，

两端弯矩作用下的应力为，

由上述计算可知，虽然两端弯矩作用下的应力满足材料抗弯许用应力，但最大弯矩作用下的应力不能满足材料抗弯许用应力，因此该型材不能使用，需更换强度更大的型材。

6.2.2 确定型材

经反复选择不同型材以及取不同的λ值，

最终确定主梁型材采用HN500×200×10×16。

最大弯矩作用下的正应力，

两端弯矩作用下的正应力，

由计算可知，最大弯矩作用下的正应力和两端弯矩作用下的正应力均满足材料许用应力，材料能够使用。

6.2.3 刚度核算

其中，E——Q235钢弹性模量，E=207 Gpa。

I——HN500×200×10×16型钢惯性矩，查手册可知，I=4.6×10-4m4

因此，最大挠度，

其中，L——梁总长度，L=l+2 m=16 m。

其中负号代表方向，

因此，最大挠度和两端挠度均满足要求。

同理，选定次梁型材为矩形钢管120×60×6×6。并通过反复计算λ值，确定了前后两根主梁间距为3.2 m，从而，乐池升降台刚性链的顶升位置也得以确定。

7 导向设计

为保证升降台在升降过程中不倾斜，设计了滑槽式导向系统，如图9所示。导轨安装于乐池升降台之外的两侧立柱上，导靴与乐池升降台固接。导向系统能够承受一定程度的侧向载荷，可防止刚性链在侧向力作用下的弯曲。导靴内侧设有聚氨酯材料，可降低升降过程中的噪音。

图9 导轨导靴图

8 结论

经过设计计算，确定了乐池升降台的传动方式及布置方案，选择了合适的驱动电机、一级和二级减速机以及一级和二级制动器，确定了台体结构的主梁和次梁，并设计了导向系统。根据计算结果，乐池升降台的行程、速度、载荷等各项技术指标符合设计参数要求，能够满足功能性和安全性要求。