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发表于 2010-8-10
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一、概 述
舞台机械最重要的指标之一是安全可靠，所有种类的舞台机械都必须保证在任何时候是绝对安全可靠的。
对舞台机械的可靠性设计，目前研究的很少。可靠性设计理论是建立在大量实验数据基础上的，不同的使用场合要求不同的可靠度，设备的可靠性是根据其重要程度、工作要求和维修难易等方面的因素综合考虑决定的。舞台机械的使用率不高，载荷率较低，对寿命设计有一定要求，而对可靠性设计则要求很高，因为一旦出现问题就可能造成严重的安全事故或较大的经济损失。舞台机械必须有较高的可靠性，其失效概率应在0.1~1.0%之间。由于缺乏必要的实验数据和具体深入的研究，可靠性设计理论在舞台机械设计中尚无具体应用。研究表明，虽然只用安全系数不能完全反映可靠性水平，但在舞台机械零部件设计中将各参数作为随机变量处理，尚缺乏足够的数据。所以，将设计参数作为确定量，用强度安全系数或许用应力作为判别依据，通过选取适当的安全系数来近似控制其工作可靠性的要求，仍然是当前舞台机械设计的主导方法。由于计算结果与实际情况有一定偏差，故必须使计算允许的零部件的承载能力有必要的安全裕量，这就是确定安全系数的基本出发点。通常，舞台机械还应提出设计寿命指标。以工作年限为单位的寿命指标对舞台机械并不适用，而以工作小时计的寿命更符合实际，8000~10000小时的工作寿命应当是舞台机械设计的基础数据。
舞台机械的安全性指标主要包括设备安全、人身安全和电气安全等三方面，而且，这三个因素相互关联、相互影响，有时是不可分割的。
二、设 备 安 全
设备安全是指：舞台机械设备在规定的工作条件下长期使用不产生意外事故的能力；在发生临时故障时能在降低后的技术参数下继续工作的能力；舞台机械设备对非正常工作状态的感知、显示和报警的能力。这种能力或性能通常是由机械设计本身和电气控制共同完成的；考虑在演出中尽快能排除舞台机械的临时故障的能力，使舞台机械的故障尽量能不影响演出的正常进行。
涉及设备安全的因素很多，主要有以下几个方面：
1．足够的安全系数
所有机械零部件的选择和设计必须保证在额定载荷和惯性载荷的联合作用下，能可靠的工作并有一定的安全储备，即有足够的安全系数。安全系数定义为: 所有材料的极限应力与零件的最大工作应力之比。零件的最大工作应力应考虑最大静载荷及动载荷（紧急启制动、碰撞等惯性载荷）作用下产生的应力。例如: 悬挂重物或牵引用的钢丝绳，其安全系数应大于或等于10; 起重链的安全系数应大于或等于12; 传动链的安全系数应大于或等于10; 所有传动系统的部件在选用时应能承受两倍的额定载荷; 初略计算时，传动件和受力件的安全系数应大于或等于6，精确计算时其安全系数应符合有关标准或规范对该类零件的规定。
2．合适的刚度
舞台机械的主要受力构件应有合适的刚度，以适应舞台表演的需要。通常，规定受力构件的挠度应小于构件跨度的1/1000~1/800，有时，还对挠度的绝对值作出规定，这些构件必须同时满足这两个要求。传动件的扭转刚度、压杆的稳定性等应符合有关标准规范的规定。对升降台来说，为了获得足够的横向刚度，其计算水平载荷不小于垂直运动载荷的1/20。
3．合理的结构和尺寸参数
为避免或减少某些机械零件由于结构尺寸不合理而产生过大的附加应力或过早的疲劳破坏，设计时应对其结构尺寸给予足够的重视。卷扬系统的零部件比较典型，如：卷扬机驱动卷筒的直径应大于钢丝绳直径的18倍，滑轮直径应大于钢丝绳直径的20倍，摩擦传动（曳引式传动）的驱动轮直径应大于钢丝绳直径的40倍等，所有钢丝绳用的配件都要和钢丝绳直径相匹配，钢丝绳接头只能采用那些传递载荷大于80%钢丝绳断裂载荷的接头形式，如：编接接头、合金浇注套管接头、楔型接头、铝合金挤压套管接头和符合规定并正确使用的钢绳绳夹等。卷筒挡边的高度应大于钢丝绳直径的2倍，单层卷绕的卷筒，至少留有两圈摩擦固定圈，钢绳与卷筒或滑轮的偏角应小于4°等。
4．可靠的安全装置
舞台机械设备必须有较完善的安全保护装置，以保证设备运行的安全。一般设备均设有行程极限开关和超行程开关。对吊杆卷扬机或类似卷扬机，还要设松绳保护、跳槽或叠绳保护、超速保护、超载（过流）保护等安全措施并能在非常情况之下显示与报警，在出现危险情况后，控制系统只允许设备向降低危险的方向运动。在设备恢复正常状态后，才能继续原来的运动。为了安全的目的，舞台机械的制动机构必须是：两台独立控制的制动器（或液压锁），或机构自锁（含减速器自锁）再加一台制动器。而且，每台制动器均有承担全部传动力矩的能力。在采用两台制动器时，其中一台是工作制动器，另一台是安全制动器。
5．必要的备用系统或装置
设备偶然产生故障时，要有必要的措施能够继续使用（或在降低了的技术参数下继续使用）设备，或是能使设备返回到安全位置。这些措施包括: 辅助传动系统（电动或手动），多点传动系统，计算机控制系统及其元器件的冗余配置等。设备自带的辅助传动系统常用于乐池升降台、主升降台等，而多台相同设备的辅助传动系统，如吊杆卷扬机房内用于吊杆卷扬机的辅助传动系统，常常是独立的。多点传动互为备用的系统在转台、辅助升降台和自走式车台上较多应用。在计算机控制系统中，一些重要的、数量多的元器件如各类变频器多采用冗余配置。
6．有关设计数据和规定
由于舞台机械的特殊性，国外标准常常对设计用的数据作具体的或不同于一般机械的规定。国内虽然尚无具体设计标准，但随着近年来国际交往的日益增多，这些规定也被国内舞台机械设计单位认同。这些规定有：
1）载荷：台下设备的静载荷与固定台面的静载荷相同，大中型剧场为5000N/m2，台下设备运动时的载荷分别为：
升降台：2500N/m2（单层台板或双层台的上台板）
1500N/m2（双层台的下台板）
车台：2500N/m2
转台（含车载转台）：2500N/m2
乐池升降台：2500N/m2
各类辅助升降台：自重
台上设备的载荷按实际需要确定，无具体规定，但台上主要设备如吊杆卷扬机、轨道单点吊机、自由单点吊机等在国外均有定型产品以供设计选用。
2）传动装置
传动装置（含电动机、联轴器、减速器、传动轴等）的计算承载能力应为实际载荷（或额定载荷）的两倍，实际载荷是运行中出现的最大载荷。
3）额外行程
一般情况下，舞台机械的总行程应包括正常行程（由行程终止开关控制）、超行程（由超程开关控制）和额外行程组成。额外行程是指在超程开关动作后，舞台机械停止前所走的距离。额外行程与机械的速度及惯量有关，一般情况下，速度小于0.1m/s时，额外行程0.07m已经足够。速度小于0.02m/s的液压传动，油缸采用缓冲设计时，可不设额外行程。平衡重的额外行程必须保证平衡重不与支撑物碰撞。
4）定位与锁紧
台下设备必须能防止升降装置无意运动的任何可能性，对于钢丝强、链条作为承载部件和液压缸直顶而又无液压锁或活塞夹紧装置的结构，必须设置定位锁紧装置，以保证升降台进入静止状态后不会因载荷长期作用而下沉。
5）制动器
每个制动器应能够独立承受全部载荷，制动器的制动力只能由重力或弹簧力产生，带式制动器只能用于手动装置。
6）平衡重
不允许用弹簧代替平衡重，平衡重应安装在框架内并防止在运动中掉出来。
7）钢丝绳
钢丝绳钢丝的最小额定强度应大于或等于1570N/mm2，但如果超过1800N/mm2，则按1800N/mm2计算。 |
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