刚性链升降组合台稳定性分析*

火照晶

(甘肃工大舞台技术工程有限公司，甘肃 兰州 730050)

0 引 言

演艺设备是集机械、液压、电气、计算机控制技术于一体的综合性机电设备，在设计的过程中要与舞台美术、艺术、以及土建相结合，因此演艺设备具有艺术与技术相结合的特点。由于现代艺术不断创新的需要，对自动化的舞台有了更高标准的要求。为满足现代演出形式和观众的需求,努力达到完美的艺术效果。在演艺场馆中台上设备装有吊杆、防火慕、灯光渡桥、以及吊杆等等，台下的设备有车台、转台、补平台、以及升降台等。

升降台是台下机械设备中应用最广泛的设备之一，在专业的剧场、歌剧院、秀场以及音乐厅里都配备着各种形式的升降台。升降台既可快速更换场景，还可根据表演的需要改变舞台形式， 为了满足观众的视觉感官，同时为了使艺术效果演绎的更加动人、逼真，这就要求静止的舞台演变为动态舞台，这对舞台的运动性能有了更高的要求，尤其是演员在台上表演时，为了保证安全，运动舞台的稳定性必须很高。笔者运用SolidWorks建立刚性链升降台结构的三维模型，然后导入Adams软件中，对刚性链升降组合台稳定性进行分析。

1 刚性链升降机构的概述

刚性链升降台是近年来应用逐渐增多的升降形式，常作为补平升降台、后升降台、合唱台、乐池升降台来使用，主要是刚性链升降台具有升降行程大，基坑深度浅，自导性好、噪声小、定位准确、可靠等独特的优点，如图1所示。

图1 刚性链板升降组合装备图

静止舞台演变为动态舞台，这对舞台的运动性、稳定性能有了更高的要求，刚性链升降台是由电机通过减速机驱动链板，链板带动台体上、下运动，台体上升、下降时的垂直载荷由链板承受，通过在Adams中对其水平位移进行模拟仿真分析，得出升降机构在升降过程中出现晃动不平稳的状态，这是刚性链自身结构性能所决定的，必须加以约束，如图2所示。

图2 刚性链板装备图

此文仅以有限元方法为主要数学工具，对刚性链升降机构的平稳性进行相应的分析。

2 剪撑辅助机构的三维建模

分析的舞台升降机构，工作台尺寸为长×宽为4.67 m ×4.67 m；动承载能力为2 kN/m2；静承载能力为4 kN/m2，最大行程距离H为10 m，将以上数据作为建模仿真参数，作为该机构的动态性能评估原始依据。

升降机构主要由台面、刚性链、剪刀撑、底座等部分构成，由刚性链带动台面的上下移动，从而达到升降台所需要的实际高度。根据升降台机构二维图来确定剪撑机构的三维机构，如图3所示。

图3 刚性链板升降组合装备结构图

3 剪撑辅助机构的刚体动力学仿真

3.1 剪撑辅助机构模型建立

本文用Solidworks建立该剪撑辅助机构的三维模型，将其保存为“.x_t”的格式，然后将这种格式的三维模型导入Adams软件中进行仿真分析。在所导入的模型中，为了在Adams中添加运动副和旋转副简单方便，用布尔运算将原模型进行简化，如图4所示。

图4 刚性链升降台以及加入剪撑辅助机构的模型

该刚性链板升降台主要由工作台、底座、刚性链板传动机构等主要部件组成，其静载荷承重量为4 000 N；动载荷承重量为2 000 N。

3.2 仿真环境的建立

为了能够保证计算精度，需要设定仿真环境。

(1) 将装配体导入ADAMS软件中，进行仿真运动，由于运动时存在重力加速度，因此要设置重力加速度的大小和方向，在该仿真过程中将重力加速度的大小设置为9 806 mm/s2，方向设置为“-Z”，表示与地面垂直并向下。

(2) 为了保证模型的前后一致性，选择组合单位制“MMKS”，其中，第一个M表示长度，mm；第二个M表示质量，kg；K表示力，N；S表示时间，s。

(3) 在ADAMS软件中，将装配体中的零部件的材料类型，统一设定为steel类材料。

3.3 模型约束的添加

通过对升降台的真实运动情况的观察和设计，在Adams软件中，对三维的模型进行模拟，添加与实际情况相符合的运动副，升降台机构主要由工作台、剪刀臂、底座等部分构成，剪刀臂可在平面内相互转动，它的一端与工作台和底座铰链连接，另一端与另一剪刀臂链接，对两根剪刀臂之间进行转动副约束，两剪刀臂可以产生相互旋转的运动，以此来实现工作台的上下移动，从而达到升降台所需要的实际高度，并使其能够正常运转。

3.4 添加驱动

在升降台的四个角上的刚性链传动机构，加上四个驱动机，用来保证升降台的升降过程。

4 剪撑辅助机构稳定性分析

4.1 刚性链升降台稳定性分析

升降台的升降完全依靠四组刚性链板来实现，由于刚性链板是由多块链板铰接的，再加之与链轮在啮合过程中有冲击，升降台升降过程中沿台面的X、Y方向均有位移发生，而舞台的晃动会影响演员的演出质量及潜在的安全问题，其三维模型如图5所示。

因此需要在升降机构中加入剪撑辅助机构，来稳定升降台的升降过程。

4.2 刚性链升降组合台稳定性分析

剪撑机构辅助的刚性链升降台升降过程中，由于有刚性链的支撑作用，以及剪刀撑的防振性，在实际的升降过程中比较平稳，舞台在演出过程中能够极大程度的保证演员的人身安全，以及演出质量。其三维模型如图6所示。

图5 升降机构模型 图6 剪刀撑升降机构模型

在Adams中，对剪撑机构辅助的刚性链升降台模型进行分析，分析结果如图7所示。

图7 剪刀撑升降机构上升晃动量实验结果

5 结 语

通过刚性链板支撑升降台的升级，在该过程中，升降台的晃动在Adams中，对剪撑辅助机构模型进行分析，升降台加入剪撑辅助机构后，升降台的升降过程平稳，在X、Y两方向上的晃动量几乎为零，保持稳定状态，因此剪撑辅助机构能够有效地保障升降台的升降稳定性。此次可视化的动力学仿真分析过程，对升降机构的总体设计可起到直接的指导作用。