无极差动台阶升降台的结构设计

2020-07-15李阳,徐慧文,方慧丽

演艺科技 2020年5期

1 概述

无极差动台阶升降台通过前后两组小升降台完成整体驱动，可以实现以阶梯结构或者平台形式整体升降，或者一端固定、另一端移动，整体以阶梯结构缓缓展开等多种形式，见图1、图2。此种结构紧凑小巧，可以实现多种演出形式变换，满足众多演艺需求。

2 机械结构及运动状态

无极差动台阶升降台的机械结构是由前/后部驱动升降台、中部随动升降台组成，如图3所示。前/后部驱动升降台由驱动齿条、驱动电机、传动轴、驱动啮合箱、随动导向啮合机构组成，其中，驱动齿条固定。中部随动升降台由随动定位导向槽、随动滚轮、内嵌式随动滑道组成。

无极差动台阶升降台的动力传动，由驱动电机发出驱动力，将扭矩动力通过传动轴分配到左右两侧驱动啮合箱上，驱动啮合箱将扭矩动力变为上下升降动力，通过随动导向啮合机构让前/后部驱动升降台沿4根齿条上下运行；同时，通过随动定位导向滑槽带动中部随动升降台运行，由于几何位置关系，随动升降台相互之间的高差始终相等。中部随动升降台之间、与前/后部驱动升降台之间安装有内嵌式随动滑道，确保全部随动升降台上下运行过程中保持垂直状态。

无极差动台阶升降台的各种运动状态如图4所示。

图1 以阶梯结构展开

图2 以平台形式整体升降

图3 机械结构组成简图

图4 运行状态展示

3 设计过程

无极差动台阶升降台设计主要包括驱动设计和结构强度设计。

3.1 驱动设计估算

升降台的整体升降驱动力由前/后部驱动升降台提供。假设单个升降台动载荷F，前/后部驱动升降台各自自重G1，每个随动升降台自重G2；前/后部驱动平台最大速度均为V1，则无极差动台阶升降台整体运行最大速度同样也是V1。不考虑效率情况下，升降台运行总功率粗估：

单台驱动升降台净功率：

当单侧展开时，即一端升降台固定，仅另一端全速运行。则第一台随动升降台速度

第二台随动升降台速度

不考虑效率情况下，单侧展开时单台驱动升降台净功率粗估：

在不考虑效率的情况下，两种计算结论一致，即

对比Pa、Pb分别对应的效率ηa、ηb取最小值：

η1为电机减速器传动效率；

η2为联轴器传动效率；

η3为啮合机构传动效率；

η4为内嵌式随动滑道传动效率；

η5为随动滚轮传动效率；

经比对，有如下结论：

因此，电机功率应取：

3.2 结构强度的设计

由于无极差动台阶升降台结构紧凑，一般应用于面积小、基坑浅的场合。因此，实际使用中，由于面积狭小、结构紧凑、跨距小，不会出现重载使用的情况。在轻载状态下，各部分钢结构强度绰绰有余，仅个别传动零件受力较大；对于应力集中较大的零件，应根据等强度设计原则适当加强。

根据受力特点假设台面宽度1.2 m×0.3 m，4台一组总载荷约8.75 kN（包含钢结构自重0.35×4=1.4 kN；两套啮合箱、电机、滑道等传动件自重1.35 kN；木装饰0.5×4=2 k N；外部载荷1×4=4 kN），使用30×30×2 Q235B方管制作。每台驱动升降台平均驱动2 个升降台，单台总动载荷8.75/2=4.375（kN），驱动力通过4根齿条啮合箱传递给升降平台，升降平台中的随动定位导向滑槽传递给随动滚轮，从而带动随动次级升降台同时运动。经分析，此结构中关键受力元件有：驱动框架、随动定位导向滑槽、随动滚轮。驱动框架整体有限元分析如图5～图7所示。

最大应力2.758×107N/㎡，最大位移0.104 mm，结构安全系数最小8.52。

经分析，在保证随动定位导向滑槽与钢架连接处有足够强度时，其余钢结构部分强度很容易满足使用需求。

随动定位导向滑槽承载2台从动台载荷，负责将前后2台驱动升降台的驱动力传递给2台从动升降台，单个驱动升降台最大驱动力4.375 kN,需除去单个驱动升降台自重（含啮合箱、电机等传动件）、台面装饰重量、单个驱动台载荷，最后所得重量除以2，即可得到单根随动定位导向滑槽承载力。经计算单根随动定位导向滑槽中部约承受1.45 kN载荷，升降台最大起升角度约θ（本文中升降台起升角度约45°），其最大受力：