舞台机械吊杆机配置

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吊杆机构设计准则 |DYQ

0 ]9 s2 z- g8 _" D' F吊杆是一种悬吊装置，安装在舞台上空，用它提升背景幕、悬挂幕布、灯具和其他特效效果设备等。

9 ~( S  p/ v# q1 q" f舞台上空悬挂的吊杆数量繁多，使用频繁，是舞台上必备的机械设备。

1、 种类和结构
0 S+ j& }0 z1 k! b. o; n
舞台吊杆分为提升景片用的布景吊杆和悬挂灯具的灯光吊杆两种，它们的构造基本一样。目前应用最多的还是卷样式电动吊杆。
2 n' T# ^0 i4 M4 Y, u3 e* J+ n
: r: B9 q+ ~: c0 R. z; ]* y$ }单套吊杆系统如图1所示，由驱动卷扬机（主机）、拐角滑轮、吊点滑轮、钢丝绳和杆体组成。
' Z5 m, `5 G* [& }( E" z
2、 技术参数

1、 吊重：景杆4000-6000N；灯光吊杆8000-10000N，根据台口尺寸决定；
" j! k, \& p& K# E
5 |  F/ L) P# r, z  m" G5 n5 i0 v2、 速度：景杆0.1-0.8m/s，需无极调速；灯光吊杆0.15-0.2m/s，定速；

3、 行程：最高离栅顶1M；最低离台面1M，一般在18-24M之间；

( o. ~! G" c& F+ N$ K2 r7 S4、 吊点数量：4-7吊点，根据杆体长度决定，一般要求吊点间距不超过5M；

5、 定位精度：±5M。

* ?4 b8 g) F3 C7 }" O
+ m. ^$ j; T+ M- K4 t/ v

图1 电动卷样式吊杆工作原理图
/ ?7 P6 w/ `6 Q# @5 C
3、 吊杆主机设计

目前，吊杆主机根据钢丝绳的缠绕方式不同可分为多层缠绕吊机的单层缠绕吊杆机。

- }/ k. K( `( q/ Z多层缠绕吊机结构简单，造价较低，但是排绳效果不好；单层缠绕吊机排绳效果好，单相比成本较高。这里主要介绍单层缠绕吊机的设计。

$ W3 z/ E% Y: |: V" \- ^整体结构形式
9 I% r6 Y4 X4 z9 U" d3 o
/ }" M* y0 I( F8 Q
6 v+ u: }2 H# ~5 x: Q( D( R- `
2 i" @$ z( {" J( v, L7 `. T0 z
图2 吊杆主机结构

卷扬式吊机的主要零部件是电动机、制动器、减速器、卷筒、支座和底座，另外还有压绳滚子，行程开关和编码器等。

# U" H$ P1 F2 ~' y& R5 `) K5 E7 s图2所示为目前比较常见、比较合理的结构形式。

主要特征为卷筒卧置，电动机及减速器立装，带制动的电动机与减速器直联，卷筒与减速器直联，结构紧凑。
7 {! F$ N( L2 n+ X& g
运动参数和机构尺寸确定
* Y. T$ I% y& C# @
1 a6 P3 T# B8 [( {# B/ ~7 |4 b运动参数是指运动速度、传动比。运动参数、运动机构尺寸的确定是吊杆主机设计中的重要问题。因为它不但直接影响运动特性，而且直接影响主机的结构。

" U  l& T' n$ y" t9 L已知吊杆的额定速度为V。设电动机转速为n1，蜗轮减速比为i12，卷筒转速为n2，卷筒直径D。则
/ u8 o7 ?8 `, Z. w$ c; d
3 p+ c' e0 |& x' z5 Q2 l即

由上式可知，速度V是D、n1、i12的函数。一般情况下，速度V是定值。这就涉及到如何选定电动机，如何分配传动比，如何选用卷筒直径问题。
4 N$ y+ F9 \/ O( j5 v+ i+ T6 N8 B
& `0 O2 h% B2 K( g6 j; Z6 U& p/ P电动机的转速与它的极数有关，极数少，转速高，体积小成本低，故应选用4极电机，n1=1500r/min。i12是吊杆主机的主要减速比。虽然数值较大，但仍可用以及蜗轮蜗杆副实现。由于电动机转速n1选定后，已是已知数和，吊杆给定了V值，所以，为了满足既定V值，就要合理地协调i12和D值的大小。i12值增大，D也增大，这就是i12的D的内在关系。

i12减少，减速器效率η提高，但D不能无限制跟着减小，为避免钢丝绳弯曲应力的过大而降低其寿命，卷筒直径必须满足以下条件：
& X; O5 L" w3 w
0 y1 U3 }- I4 I% e0 ~3 iDmin≥ed
% D+ l* I: V8 j! P1 C* N' d' P
式中 Dmin：卷筒允许的最小直径（mm）；

0 W. }( a" Z. E% m( M3 F, o( ed：钢丝绳直径（mm）；
7 r2 v4 k9 O9 k- U
e：卷筒直径与钢丝绳直径之比。
. ]  o. u2 S' x7 i+ g! Q4 q* Q  b! j
+ N! u0 d" Z% @+ T4 K# X2 G1 c这样就可以根据式中关系，计算出减速比i12的最小值，然后取标准值。至此，吊杆主机的运动参数就确定了。

工作过程分析
- m7 n& Z$ O$ ?  O3 m7 L. M; F
无论吊杆运动是升或降，其工作过程都经历起动加速、稳定运行和制动减速三个过程（图3示）。
. A& H5 e6 r; q8 C+ d



图3 吊杆工作过程曲线

2 W' X# m3 \6 s  ^+ T! Z5 \8 }/ U# K载荷由静止状态加速到稳定工作速度所经历的时间成为起动时间；工作在稳定速度的时间称为工作时间；从稳定运动减速到静止状态所经历的时间称为制动时间。
8 _, `0 M8 Q0 s7 ?, Y0 Y0 U1 ^/ l
起动时间和制动时间直接影响吊杆机的工作过程和工作性能（如平稳性、准确性），设计时可通过计算，选取较为合适的数值。




图4 重物升降过程的动力分析
/ E# S6 |4 d0 y# h1 l
+ |4 ^* d' w9 q+ n1 k0 t（a） 起升起动 （b）起升制动 （c）下降起动 （d）下降制动
9 `$ q# l) H; i# l
1、起升起动过程
% _4 A: W9 x" |0 D9 [+ M4 L* u( @/ P
& A0 u% E& T! C卷扬机带载提升时，载荷从静止状态加速到稳定状态的瞬时过程称为起升起动过程［图4（a）］。

3 b2 N; u" L  u. K$ L9 B由于惯性力Pg的方向和起升载荷PQ方向相同，使钢丝绳的拉力增加。
5 v: r- F8 ~' s6 K, u
5 z- v5 b3 I) d5 d2 H- T5 f此时，悬挂载荷的钢丝绳应力为：S=PQ+Pg
6 N3 L& X/ Q+ d% k
式中 PQ：起升载荷；
, @! u$ ]5 u; _, w! S
Pg：由加速运动质量产生的惯性力。

2、起升制动过程
3 I6 d  n" V% ^" ]
  i6 d0 o- g. |( X+ ?! k卷扬机带载提升时，载荷由匀速运动状态减速到静止状态的瞬时过程称为起升制动过程［图4（b）］。

由于惯性力Pg的方向与起升载荷PQ的方向相反，使钢丝绳的拉力减小。
0 {3 l/ c* m5 F, N1 @$ C- R) ?
4 X2 H; v0 R- z此时，悬挂载荷的钢丝绳拉力为S=PQ-Pg。
. u: o. x% F; J( \. d6 j
3、下降起动过程

0 b% r1 e$ r- L0 d9 _+ ]将载荷从静止状态加速下降到匀速的过程称为下降起动过程［图4（c）］。

+ E" o, D. S  V* j+ {3 b0 [6 N  @由于惯性力Pg的方向和起升载荷PQ方向相反，使钢丝绳拉力减小。

$ F% V- D+ Y; s此时，悬挂载荷的钢丝绳拉力为S=PQ-Pg。
  x, r8 [6 Y2 \, P+ o' C
4、下降制动过程

8 u6 s1 {! ]* i9 x7 W8 n卷扬机构确定悬吊载荷匀速下降时，将制动器上闸，使载荷由匀速下降减速到静止状态的过程称为下降制动过程［图4（d）］。
. U4 {- {- t7 U4 i- ?
! |9 L  Z9 T# R* G5 ^- w: t由于惯性力Pg的方向和起升载荷PQ方向相同，使钢丝绳拉力增加
" ^3 b! f4 a$ t" I
此时，悬挂载荷的钢丝绳拉力为S=PQ+Pg。

综上所述可得出以下结论：起升起动和下降制动是卷扬机最不利的两个工作过程。
. C" r" J3 ~8 O5 n9 F
起升起动时，原动机要克服的阻力矩是负载阻力矩和最大惯性阻力矩之和。因此，原动机的起动力矩Tst必须满足
/ l( _" `2 e2 z" v; x1 C
Tst≥TL+Tgmax
) t9 b2 {% ~7 v- [7 T
下降制动时，制动器处于最不利的工作过程。所以制动器的制动力矩Tz必须满足下面条件，才能将运动的物品在规定的时间内平稳地停住。

Tz≥TL+Tgmax

- O/ H9 k5 M3 ]3 [7 e0 t式中 TL：卷扬机构驱动载荷匀速运行时的负载阻力矩；

, [% V4 B& p* uTgmax：卷扬机构起动、制动时的最大惯性阻力矩。
0 p' x# |# h' M/ O( A
显然，上述两种工作过程是决定吊杆机原动机和制动器能力以及对吊机零部件进行计算的依据。

功率计算
' v  t& I0 p* m8 U1 R
1、 负载转矩计算

! U% N: i# w. w2 b. h2 ?卷扬机构驱动载荷匀速运动时，卷筒上产生的负载转矩为：
  }# k# J" g' u; x, `3 @5 l
# j! X1 I+ K9 W; O0 G) \( b（N·m）
) t2 @% M8 C2 r5 M$ ^) B
式中 PQ：额定起升载荷（N）；
6 W6 S. [' O- W3 O# A8 o& Q
q：吊杆杆体自重（N）；
. s" O5 q* H% z
D0：卷筒计算直径（m）；

：滑轮效率。

2、 负载功率计算

对于电动机驱动的吊杆机，其负载功率按下式计算：
  M9 E% }; R* ~  N' R* a
; k% Z. x( A! N; v$ ^（kw）

" Q9 ]8 q2 s! b% I( v/ ?" X( Y式中 PQ：额定起升载荷（N）；
7 A2 p/ ~5 O' V" e: f2 F# Q
! o. [3 V3 L# E! s; P' B- y) Aq：吊杆杆体自重（N）；
8 R: W6 S+ |8 z$ Y" v
3 k2 Y* ]8 Q  b( _3 kVq：重物起升速度（m/s）；
# ]4 a8 E" O# q9 C7 O- W( [& n
：卷扬机构总数。
3 w, L( t/ D7 E' X& s3 W
7 @7 J6 L4 q, ^. v4 C. {3、 电动机功率初选

3 z- ?6 c$ Q* `% o# ]电动机功率选择主要考虑电动机的发热、过载能力和起动能力三个因素。
/ a# r7 _; Q+ p0 C6 y3 ~4 B
9 s; L4 \# J& [7 g' S5 I7 H* s1） 发热
2 \. Y8 r: l* Z' U1 Y  _- r# o
  c; z0 V$ x$ C电动机运行时，必须保证电动机的实际最高工作温度不超过电动机绝缘材料允许的最高工作温度。
& R6 Z7 W3 e4 T5 ~% u
- g8 U4 E8 W1 f4 E0 ~; _电动机发热不仅与所带的负载大小有关，还和负载的持续时间有关，也就是和与电动机的运行方式（工作制）有关。电动机的工作制分为三类：连续工作制、短时工作制和短靴周期工作制。
- _; ]: J6 U. }" V6 ^
2） 过载能力

3 r* K' I7 ^4 E( ]电动机运行时，必须具备一定的过载能力。即所选电动机的最大转矩必须大于运行过程中可能出现的最大负载转矩。

3） 起动能力

% X& v; u4 ]; j由于鼠笼式异步电动机的起动转矩一般较小，为使电动机能可靠起动，必须保证电动机的起动力矩大于起动时的负载转矩。

/ T/ C' w) Y( N8 L舞台机械一般属于短时工作制的机械。短时工作制机械既可选择专用短时工作制电动机，也可选择连续工作制电动机。

. }& O: H% o% H0 p+ S! P4 pA） 选用短时工作制的电动机
2 K% q! Y9 v" P1 {1 \
选择标准运行时间与实际运行时间相接近的短时工作制电动机，将实际负载功率PL换算成标准时间运行的负载功率PLN。

( @. r7 H) n5 U' q5 a2 j+ B换算公式为：
& u2 I5 Z& i5 m& ]0 A' z7 n
2 X1 p+ T+ `0 A; j5 y式中 tW：实际运行时间；
; G0 K) c* L& u$ b
# Y7 z& R! ~1 A8 @- v/ G. KTWN：标准运行时间。

选择短时工作制电动机，使其额定功率PL≥PLN，在井陉过载能力和起动能力的校验。

- N2 F0 ~9 n5 i' d0 J4 I, LB） 选用连续工作制的电动机

将实际负载功率PL换算成连续工作的负载功率PLN。

$ p4 g& W- R1 y5 Q换算公式为：
' y2 w* B9 F9 |8 Z
式中 τ：电动机的发热时间常数；

tW：短时运行时间；

& I5 g8 Y! v, Q( J( vα：满载时铁损耗与铜损耗之比。
+ T  z4 z7 ^8 F
选择连续工作电动机，使其额定功率PN≥PLN，再进行过载能力和起动能力的校验。
% p' P5 d) X0 o& G* P) R, a/ [7 k
如果tW＜（0.3~0.4）τ，则可直接根据过载能力和起动能力来选择电动机的容量，而不必考虑电动机的发热问题。

4、 电动机过载能力校验
6 N6 V: P0 F  s+ ^4 z: _4 Y+ k
1 F6 ?0 B/ `! W1 F电动机的额定功率应满足以下条件：
5 m# k6 c/ |# M  v' s" c7 c
（kW）

式中 PN：电动机额定功率（W）；
* u5 V; t4 |" j( D$ S+ Y$ `
9 |* C' W! r7 l3 ^PQ：额定起升载荷（N）；

q：吊杆杆体自重（N）；
* f9 n5 p& _! Z1 `1 f; g+ l% ]8 U4 n7 R
Vq：中午起升速度（m/s）；
) ~3 F: `3 ?0 Y" y2 |
：卷扬机构总效率；

# X% v; O3 k) E3 n3 k  nH：考虑电压损失（交流电动机15%）、电动机转矩允差（绕线型异步电动机10%，笼线型异步电动机15%）和超载25%等条件确定的过载系数。

对于绕线型异步电动机H=2.1；
! f" v1 T4 _/ d  Q
对于笼线型异步电动机H=2.2；

8 n4 S" ]% x0 f9 R3 G对于直流电动机H=1.4。
% y6 E5 A9 i$ c- y" P
5、 电动机起动能力校验

& x- u3 W0 ^4 d* o% Z对于鼠笼式异步电动机，由于其起动转矩较小，还需进行起动能力校验。校验条件为：

, F* r6 l' J- o式中 Tst：电动机的起动力矩，；

：电动机的起动能力系数；

TN：电动机的额定转矩。

9 t5 [" t  W! p' N" h7 ~) M9 I制动力矩计算和初步选制动器
3 g/ K  z& y9 C, ~
电动吊杆的制动器一般安装在机构的高速轴上，则卷扬机构的制动力矩由下式求得：
+ l8 A! k6 A* [1 C
( p% Q. B! h# z3 m6 {, t  ~式中 Kz：制动安全系数，由S=PQ+Pg选取；

1 l0 [( F4 ^% q# k：起升最大额定载荷时换算到制动器轴上的负载转矩；

（N·m）

. b9 p. W( |/ a' i8 H( ]6 dPQ：额定起升载荷（N）；
6 E. K, H6 R. p# ]; m
0 j, x# z2 w; X( u6 F' {q：吊杆杆体自重（N）；

D0：卷筒计算直径（m）；
5 J0 [) ^! S0 V1 g3 e& ?8 A% V
：卷扬机构总传动比；
' g9 L) B; Z& o, ?( R& x: Y
7 l$ n: L6 ]# L; H/ U4 ^5 J：卷扬机构总效率。

制动器的型号可以按照动力矩值Tzh从标准制动器产品目录中选取。初选的制动器额定制动力矩Tz应满足调价：Tz≥Tzh。
: U( g2 [5 o6 Q' s$ \
验算制动时间

4 i7 z: V: o: e6 f% ~从前面述及的重物升降过程的动力分析中已知，下降制动是制动器最不利的工作过程。选择的制动器的制动力矩必须能克服机构工作是产生的静力力矩和惯性矩，并在规定的时间内将运动的质量减速到静止状态。

制动器的制动性能是影响机构制动时间和安全作业的重要因素。制动器的制动力矩过小，会使机构的制动时间过长，这时惯性力固然很小，但影响机器效率，甚至产生"滑降"现象，酿成安全事故。
6 x9 }3 a- k/ ~! R. J
! ^4 j! y! b1 \3 C" G+ g! D若制动力矩过大，则上闸太猛，使机构的制动时间过短，给整个机构带来很大的动载荷，降低了机构的工作平稳性和安全性。
( d; X( v+ F1 |6 B6 v; Z
* g& W2 k0 N+ }: r$ W6 d因此必须合理地选择和调整制动器。在实际工作中，一般是通过控制制动时间来检验制动器是否满足机构的工作需要。
, ~, O9 s8 @1 J* i$ i5 t
初选制动器时，制动时间可按下式计算：
8 ^: M8 J$ B. ?- u5 N( Z
（s）

5 {1 _8 r4 `) L% i* A式中 tz：制动时间（s）；
; T: T, f/ g( W) ?. V
nz：制动轮转速（r/min）；

Tz：初选制动器的额定制动力矩（N·m）；
4 C/ Y( O2 O. e. U$ c) g3 s3 i8 c
：起升最大额定载荷时换算到制动器轴上的负载转矩；
( x) z8 s3 D/ ]+ P% t
PQ：额定起升载荷（N）；

q：吊杆杆体自重（N）；
" ]- M0 s6 |8 b2 n' z) k
7 G) ]  i8 I- e! XD0：卷筒计算直径（m）；
9 M* w) y4 F3 }. N9 U
& o0 C, ]9 o; [3 H. O：卷扬机构总传动比；

# _) P- H. m0 t) Z# ~3 `：卷扬机构总效率；

" P0 `! l/ _& ?$ O$ uJg：高速轴（装制动器轴）的转动惯量（kg·m2）。
' f; a& R& w5 w3 b( x$ E5 e9 _
. P- X: J; ?3 a) u+ p7 H8 m) z% b卷扬机构合适的制动时间见下方表所列。由式得出的制动时间应符合规定值，否则应采取相应的措施达到上诉要求。
" t3 E! O# U. n& H
4、 安全规程

; q: v0 t$ [0 s; ?' n7 F2 j8 o吊杆舞台上空运行，吊杆杆体及其悬挂物的下面就是演员，安全问题十分突出。出现事故，轻则毁物，重则伤人，甚至死亡。必须在吊杆装置的各个环节上采取可靠措施，确保吊杆安全。

目前，应用较多的还是电动卷扬吊杆。电动吊杆的制动器、行程开关要经常检查，定期维护。易损零部件也要定期检查维护。尤其要定期检查钢丝绳的损伤情况，发现断丝、磨损、打结、锈蚀并达到钢丝绳规定的报废标准，应及时更换。

吊杆的数量众多，又经常使用，危险性也较大，必须建立完善的设备管理制度和操作者岗位责任制度。

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sunrise

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