劇場樂池升降臺設計解析
——以海南半島音樂廳為例

銀國偉，孫愛英

（江蘇時代演藝設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的歌劇/舞劇劇場，在舞臺前面均設有下沉樂池。隨著劇目的創新，演出逐漸需要突破臺口的限制，為了能充分利用下沉樂池區域進行表演，用活動蓋板覆蓋下沉樂池進行演出，從而拉近了觀眾與演員的距離。

隨著時代進步和經濟發展，歌劇/舞劇劇場樂池區域一般都設置了升降臺，替代了搭建耗時費力的活動蓋板。升降臺可通過電動方式停留在需要的預定位置，實現多種功能。如，停在舞臺面時，可作為伸出臺供演出使用；停在觀眾席地面時，可以增加觀眾座椅；停在樂池標高時，可以供樂隊或合唱隊使用。

2 設計條件

見表1。

表1 海南半島音樂廳樂池升降臺設計參數

3 傳動方式的選擇及布置

3.1 傳動方式的選擇

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

由于鋼絲繩傳動和鏈條傳動所需的基坑深度較大，而該樂池升降臺基坑底部標高為-7.7 m，運行的最低位置標高為-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不適合該樂池升降臺。

圖1 樂池基坑側剖圖

由于樂池位于臺口與觀眾席之間，距離前排觀眾很近，而絲杠傳動、齒輪齒條傳動和大螺旋傳動普遍存在噪聲過大的問題，因此也不宜采用。

剪刀撐傳動主要用于行程較小的情況，當行程較大時，需要多級剪刀撐傳動，可能存在運行不穩的問題，而此樂池升降臺要求行程為5.5 m，因此不予采用。

液壓傳動由于存在泄露隱患，可能致使傳動比無法十分精確，而且單獨對劇場中的樂池升降臺設備設置液壓泵站，也不經濟。

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

圖2 剛性鏈傳動原理圖

3.2 傳動方式的布置

3.2.1 使用4根剛性鏈頂升方案

當選擇4根剛性鏈頂升方案時，每條剛性鏈承受的動載和靜載分別計算如下：

其中：

Fzd——樂池升降臺需要承受的總動載，Fzd=(Fd+Fg+Fm)×A；

Fd——樂池升降臺單位面積的設計動載，已知，Fd=2.5kN/m2；

Fg——樂池升降臺鋼結構自重，采用型鋼結構，預估Fg=1.0 kN/m2；

Fm——樂池升降臺表面木地板自重，采用國產楓木，預估Fm=0.5 kN/m2；

A——樂池升降臺面積，A=80 m2。

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

其中：

Fzj——樂池升降臺總靜載，Fzj=(Fj+Fg+Fm)×A；

Fj——樂池升降臺單位面積設計靜載，由設計參數已知，Fj=5.0 kN/m2；

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

根據剛性鏈技術手冊，動載運行范圍和靜載運行范圍，如圖3、圖4所示。

圖3 動載運行范圍

圖4 靜載運行范圍

隨著行程的增大，可承受的載荷下降，根據計算所得單根剛性鏈所需承受的動載和靜載，選擇型號為LL100R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計算，

則，單根剛性鏈所需承受的動載：

根據剛性鏈技術手冊，選擇型號為LL100的剛性鏈。

兩種剛性鏈型號的區別在于，LL100R型號的剛性鏈輸入軸處采用了花鍵形式，其承載能力大大提升，但價格也高于LL100型號。6根剛性鏈的方案雖然在臺體鋼結構的設計上可以減小跨度，降低臺體結構的用鋼量，但與4根剛性鏈的方案相比則多了2根LL100型號剛性鏈，還增加了一套減速機構和傳動軸部件。經詢價估算，確定了采用4根LL100R型剛性鏈的傳動布置方案。布置形式如圖5所示。

圖5 樂池升降臺剛性鏈傳動方式布置圖

4 電機、減速機選型

4.1 電機功率計算及選型

其中：

樂池升降臺需要承受的總動載已計算得知為，Fzd=320kN；

v——升降臺運行速度，已知，v=0.1 m/s；

η1——減速電機效率：η1=0.96；

η2——萬向聯軸器效率：η2=0.92；

η3——二級減速機效率：η3=0.93；

η4——剛性鏈效率：η4=0.8；

η5——鼓形齒聯軸器效率：η5=0.93；

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

查產品手冊，選擇電機功率為P=55 kW，型號為DV250M4。

所選電機功率能夠滿足升降臺動載和速度要求。

電機輸出轉速，Nd=1475 r/min；輸出扭矩，Td=356 Nm；電機標配制動器制動力矩，Tz=600 Nm。

4.2 總減速比計算

因為升降臺運行速度即剛性鏈頂升速度，根據速度與轉速的轉換公式可知，剛性鏈輸出轉速，

其中：

v——升降臺運行速度，已知，v=0.1 m/s；

R——剛性鏈幾何半徑，即其輸入軸中心至受力銷軸中心的距離；

查剛性鏈技術手冊，如圖6所示，LL100R型號的剛性鏈，R=100 mm；

圖6 剛性鏈幾何尺寸圖

則，

4.3 減速比分配及一級減速機選型

由于總減速比較大，因此采用兩級減速的方式，如圖5所示。

查產品手冊，選擇與功率P=55 kW電機相適應的最小速比的一級減速機。

其速比：i1=4.68，查該品牌減速機手冊，選擇一級減速機型號為F127；

其中：i1——一級減速機速比；i2——二級減速機理論速比。

4.4 二級減速機扭矩計算

由于兩側各布置一臺二級減速機，如圖5所示，

其中：

Fzj——樂池升降臺總靜載；

R——剛性鏈幾何半徑。

4.5 二級減速機選型

根據二級減速機速比和扭矩，查產品手冊，選擇二級減速機型號為B3SH8，實際輸出扭矩為T實=27.2 kNm＞26 kNm，實際速比i2實=32.084＜33.01。

因此，所選一級和二級減速機型號能夠滿足升降臺載荷和速度要求。

5 制動器選型

由于樂池升降臺屬升降類型設備，且其上有樂隊、演員或觀眾存在，因此安全性十分重要。在升降臺的傳動布置方案中，采用了兩級制動的方式，即在電機尾部配置一個一級制動器，在一級減速機與二級減速機之間配置液壓抱閘式二級制動器，左右各一個。兩級制動相互獨立，任一級制動均可制動升降臺，如圖5所示。

5.1 一級制動器計算校核

其中：

根據Fzd=(Fd+Fg+Fm)×A，樂池升降臺需要承受的總動載，Fzd=320 kN；

根據Fzj=(Fj+Fg+Fm)×A，樂池升降臺需要承受的總靜載，Fzj=520 kN；

r——剛性鏈驅動輪節圓半徑，

查剛性鏈手冊，如圖6所示，可知，r=0.11 m；

根據前述電機選型計算可知，

所選電機額定輸出扭矩，Td=356 Nm＞Td1=234.4 Nm，

故，所選電機輸出扭矩能夠滿足升降臺動載荷要求；

所選電機制動力矩Tz=600 Nm，Tz=600 Nm＞Tz1=380.9 Nm

對于舞臺機械，一般制動力矩為輸出力矩的1.5～1.8倍，因此電機標配制動器的制動力矩滿足升降臺靜載荷要求。

5.2 二級制動器計算選型

根據1.5～1.8倍的安全倍數，查產品手冊，選擇制動器型號為YWZ9-500/E201，制動力矩2000 Nm～4000 Nm，制動力矩滿足升降臺靜載荷要求。

6 臺體設計計算

由于采取剛性鏈頂升的方式，臺體跨度較小，因此，采用型鋼結構，在樂池升降臺進深方向布置兩根主梁，在寬度方向的左右兩側布置兩根主梁，然后在進深方向的主梁上布置次梁。結構布置如圖7所示。

圖7 臺體結構布置圖

6.1 模型簡化

將樂池升降臺簡化為帶懸臂的簡支梁模型，如圖8所示。

圖8 臺體結構簡化模型圖

6.2 型材選用

依據類似設計經驗，首先選定一種型材作為主梁進行試算。

如H型鋼，HN400×200×8×13。

6.2.1 抗彎強度計算

根據機械設計手冊，

其抗彎截面系數，w=1.14×10-3m3

最大彎矩，

兩端彎矩，

其中，根據樂池升降臺左右寬度取梁總長度為L=l+2 m=16 m，并??；即，l=10 m，m=3 m。

根據樂池升降臺所受總靜載，將其簡化至均勻受力于進深方向的前后兩根主梁上可知，

因此，可得最大彎矩，

已知，Q235材料的許用應力[σ]=215 Mpa，取安全系數n=2，

兩端彎矩作用下的應力為，

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

6.2.2 確定型材

經反復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力，

兩端彎矩作用下的正應力，

由計算可知，最大彎矩作用下的正應力和兩端彎矩作用下的正應力均滿足材料許用應力，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，查手冊可知，I=4.6×10-4m4

因此，最大撓度，

其中，L——梁總長度，L=l+2 m=16 m。

其中負號代表方向，

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。并通過反復計算λ值，確定了前后兩根主梁間距為3.2 m，從而，樂池升降臺剛性鏈的頂升位置也得以確定。

7 導向設計

為保證升降臺在升降過程中不傾斜，設計了滑槽式導向系統，如圖9所示。導軌安裝于樂池升降臺之外的兩側立柱上，導靴與樂池升降臺固接。導向系統能夠承受一定程度的側向載荷，可防止剛性鏈在側向力作用下的彎曲。導靴內側設有聚氨酯材料，可降低升降過程中的噪音。

圖9 導軌導靴圖

8 結論

經過設計計算，確定了樂池升降臺的傳動方式及布置方案，選擇了合適的驅動電機、一級和二級減速機以及一級和二級制動器，確定了臺體結構的主梁和次梁，并設計了導向系統。根據計算結果，樂池升降臺的行程、速度、載荷等各項技術指標符合設計參數要求，能夠滿足功能性和安全性要求。