自动伸缩折叠雨棚的设计与研究

张光刘，林瑞进，汪自祥，颜海峰

（中国联合工程有限公司，浙江 杭州310052）

2017年9月4日G20第十一次峰会在杭州盛大开幕，一场与2008年北京奥运会开幕式相媲美的文艺汇演在杭州西湖上演。美轮美奂，璀璨夺目，给世界人民呈现视觉与听觉的饕餮盛宴。杭州向世界传达了中华民族的包容大气，以及浓浓的江南韵味。

杭州西湖作为世界文化遗产，世界著名的旅游景点，对周边的建筑都有严格的规划和要求，不能破坏西湖的自然风光。既要保证节目组在细雨中能演出，但又不能让嘉宾和观众淋雨，印象西湖组委会提出了要有一种可以快速拆装，但又不影响西湖的自然风光和白天游客正常旅游的自动伸缩折叠雨棚的解决方案。

1　设计要求

印象西湖组委会提出的自动伸缩雨棚解决方案中，看台长度20 m，共4跨，每跨15.5 m，总跨度62 m，新建面积超过1 200 m2.在观众席需要雨棚时自动伸缩折叠雨棚可沿每跨立柱横梁自动伸展，不需要雨棚时自动伸缩折叠雨棚可自动收缩折叠[2-3]。

2　设计方案及原理

根据看台特点，自动伸缩折叠雨棚可设计4套相同的且每套满足长度20 m、跨距15.5 m单跨距看台遮掩需求。雨棚在展开工作时雨水应顺利向后方滑落，不影响前方视线，因此雨棚展开时应具备一定斜度，同时雨棚在收缩过程中，可利用自身向下分力实现收缩滑行，有效减少收缩电机动力。

自动伸缩折叠雨棚主要包括雨棚牵引系统、折叠雨棚机构、雨棚运行轨道及控制系统等部分。雨棚牵引系统用于驱动折叠雨棚机构的展开与收缩，并具有防止雨棚意外展开或收缩的安全防护装置；折叠雨棚机构用于雨布规整展开与收缩；雨棚运行轨道用于折叠雨棚机构的行走，雨棚运行轨道安装固定于看台立柱顶端；控制系统用于控制雨棚展开与收缩，同时监测工作过程的雨棚牵引系统的实时工况，具有良好的安全防护作用。

在观众席需要雨棚时，雨棚牵引系统电机正转启动，折叠雨棚片架从前端开始依次张开，雨布展开到位后，电机停止运行和电动推杆防滑装置开始工作，雨棚自动展开完成。

在观众席不需雨棚时，雨棚牵引系统的电机反转启动，同时电动推杆防滑装置自动拔掉安全轴，雨棚自重产生的向下分力使雨棚片架从尾端开始依次折叠，雨棚折叠到位后，电机停止运行，雨棚自动折叠完成。

3　雨棚结构设计

3.1　雨棚牵引系统结构设计

雨棚牵引系统主要由滑轮组、电动防护装置、牵引传动机构、钢桁架、导轮组等组成。其结构示意图如图1所示。

图1　雨棚牵引系统结构示意图

考虑雨棚运行轨道安装误差及因室外环境对桁架的影响，雨棚牵引系统设置了滑轮组与导轮组，滑轮组采用无轮缘走轮结构，导轮组采用有轮缘走轮结构。牵引传动机构安装在钢桁架内部，其主要由减速电机、联轴器、链轮等组成，减速电机两侧各通过联轴器带动轮组运行，牵引传动机构与雨棚运行轨道采用销齿轮传动形式，保证雨棚展开或收缩时运行平稳。文中[4]采用自动夹轨器通过电气联锁，由电机带动螺杆使压缩弹簧产生夹紧力自动夹紧轨道，该方式若在电机停电情况下就无法实现有效的安全保护。本文采用机电配合方式有效保证雨棚运行安全可靠性。电动防护装置由电动推杆、弹性安全插销等组成，在销齿轮传动停止动作时电动推杆自动向下推动弹性安全插销插入销齿内，有效防止雨棚的意外滑动。此外，雨棚牵引系统的电流或速度变化若有异常，则电动推杆可将插销插入销齿内，具有良好的安全防护功能。电动防护装置为雨棚展开或收缩提供了第二道安全保护措施，保证了雨棚在正常展开或收缩时的安全性。钢桁架为钢管经过焊接组成的矩形框架，钢桁架具有良好的强度性能，有效保证了雨棚着雨时的强度。

3.2　折叠雨棚机构结构设计

折叠雨棚机构主要由折叠机构钢骨架、雨布膜、铰链组件、钢丝绳、钢丝绳夹等组成。其结构示意图如图2所示。

图2　雨棚牵引系统结构示意图

折叠机构钢骨架由钢骨片架通过上方铰链联接、下部铰链组成而成，折叠机构钢骨架的上部铰链联接安装固定后，雨布膜可固定于铰链上方，与钢骨架随动，实现雨布膜的展开收缩功能。钢骨架采用三角形结构的钢骨片架联接，具有良好的强度，有效保证展开时雨布膜受雨飘打而不形变。钢骨片架之间通过铰链组件、钢丝绳、钢丝绳夹等联接。钢丝绳具有柔性收缩性能，保证了钢骨片架收缩时可隐藏不可见。

雨布膜采用高强薄膜材料（PVC或Teflon），具有超高的抗拉强度和弹性，可自适应接合处内、外随季节发生的温度变化。

3.3　雨棚运行轨道结构设计

雨棚运行轨道作为雨棚展开收缩轨道，安装固定于看台顶部，每侧各一组轨道，轨道安装时保证一定斜度，便于雨棚展开雨水可以顺利向后滑落。轨道安装同时应保证其水平度，直线度等要求。安装误差将会使其结构变形产生附加应力，导致雨棚折叠机构无法正常顺利运行。因此，在轨道安装时应制定相应的技术措施保证各项技术指标的要求。在安装时还应保证轨道跨距的调整量。雨棚运行轨道主要由销齿齿条组合件，轨道安装底座等组成。销齿齿条组合件主要由销轴、轴套构成，轮齿与圆柱销轴平衡啮合，具有运行平稳可靠等特点，同时圆柱销轴加工简单、造价低且拆修维护方便，在使用过程中若个别销齿损坏，只需更换损坏的销齿，不需要整体销轮更换。见图3.

图3　雨棚运行轨道示意图

3.4　控制系统

控制系统作为雨棚展开收缩的控制中心，运行过程中应保证折叠雨棚机构在两条运行轨道上的同步运行，同时还应防止雨棚的倾斜运行，控制系统在雨棚移动过程中应时刻注意位置监测及到位后的安全保护监测。由可编程控制器实现其程序的自动控制功能。

雨棚运行轨道上根据定位，监测需求安装各传感器，在极限位置安装限位器及缓冲器。传感器通过可编程控制器进行实时监控雨棚移动位置。

4　自动伸缩折叠雨棚结构特点

自动伸缩折叠雨棚采用销齿传动结构，具有安装精度低、造价低等特点，同时在运行时无噪声；自动伸缩折叠雨棚在展开雨棚膜后可通过电动安全防护装置，有效保证了雨棚的可靠安全性。雨棚运行轨道固定安装在顶梁且具有一定斜度，有效保证了雨水向水滑落，减轻了展开后雨棚的重量，提高了雨棚工作可靠性，另雨棚在收缩过程中可依靠自己重量进行缓慢折叠，具有节能效果。

自动伸缩雨棚可满足大跨度、大面积的实现自动展开和收缩折叠需要场所，具有操作简单灵活等特点。

5　结束语

本文详细介绍了自动伸缩折叠雨棚机构的工作原理和结构设计，并描述了自动伸缩折叠雨棚结构特点，该自动伸缩折叠雨棚结构具有运行原理简单，功能新颖，其成功设计不仅满足市场需求，同时也对其他折叠型机构的设计具有一定的参考意义。目前，大规模露天演出场所，体育场馆等公共设施均提出同时需要满足露天和室内两种使用要求，不仅需要满足观众在晴朗的天气中享受户外的欢乐，也要满足雨雪天气下这些场所的使用，这种能自动伸缩折叠机构的设计就可为这些场所顶棚设计提供新的参考方案。

本文所述的自动伸缩折叠雨棚机构已在2017年9月5日晚G20峰会演出时正式使用。