舞台机械设计工作概述（续完）

段慧文

（原国家大剧院业主委员会，北京 100031）

（接上期）

3 设计

3.1 关于设计理念

近来，“单件失效验证设计”（single failure proof design）理念在西方国家悄然兴起，其具体含义为：在设备系统的设计中，设备的任何单一的结构、机构或元件由于误用、自身的隐蔽缺陷和长期磨损引起的失效，都不会导致设备整体产生危险，而是停止系统的操作并给出信号，直至故障排除，设备恢复完好状态。

在一些情况下，采用这个理念会使设计变得复杂，造价提高；而另一些情况，实施起来却相当的简单。例如，在卷扬机卷筒轴上安装制动器就可以防止从电动机到卷筒之间的任何单一零部件的损坏带来的危险。安装在电动机轴和卷筒轴上的速度传感器可根据其差值确定报警并实行紧急停机。这对于重要场合使用的吊杆卷扬机防止溜杆事故时非常适合。再如，适当改变滑轮组四周的螺栓布置，就可以避免因滑轮轴断裂引起的事故，而此时力和力矩的变化可以发出紧急停机的信号。与失效模型和效果分析法（FMEA，即Failure mode and effect analysis）相比，单件失效验证设计更简单方便，不需要花很多时间对失效的部分进行逐个分析。对单件失效验证设计来说，很困难也是最重要的是，在单件失效未引起进一步事故之前系统设备必须停机。用冗余设计的技术很容易代替故障或失效的设备继续运转，但操作者如不能察觉第一个失效的发生，故障会继续发展，单件失效验证设计的意义就不存在了。

舞台机械设计中，在实行传统方法的同时，要不断地吸收行之有效的新观点、新理念，使舞台机械设计工作不断提高和完善，“单件失效验证设计”的理念也可以有条件地应用。

3.2 舞台机械设计的重要事项

（1）计算基础

舞台机械的计算基础是由其工况决定的，而这恰恰是最难准确定位的。由于安全对舞台机械设计的重要性，目前只能按照国际通行、国内认同的标准作为计算基础，即：所有提升设备的驱动系统的零、部件应能承受2倍的额定载荷、按1 600小时连续运转进行计算。

（2）升降设备的制动器

升降设备制动器的选择应严格遵照有关标准的规定，如WH/T 36－2009《舞台机械 台下机械安全要求》中对制动器的规定：补偿升降台、辅助升降台、升降栏杆、水平移动设备和旋转设备可以采用单制动器，但其制动力矩应不小于2倍的额定传递扭矩；其他升降设备应设置双制动装置，每个制动装置的制动力矩应不小于1.25倍的额定传递扭矩。

双制动装置指的是：两套各自独立控制的制动器；或一套自锁机构和一套制动器；或液压系统中两个独立的（液控）单向阀等。

在双制动器中应有一个制动器是延时动作的。

应采用失电制动器，断电时，制动器因弹簧压力的作用而产生制动力矩。

除我国标准外，也应参照国外有关标准的规定，主要是德国标准DIN 56950和奥地利标准ONORM M9630-1、ONORM M9630-2、ONORM M9630-3等，如：禁止使用反馈制动；传动装置断开时制动器的电源必须立即中断；制动器的制动力只能由重力或有导向的压缩弹簧组产生；每个制动器都能使试验载荷停止并保持；对每个制动器有效性可以进行单独的测试等。

对制动器应进行载荷状态下的紧急停机功能测试，用额定载荷以额定速度下降时，按动紧急停机按钮，制动器应能在一定的制动距离内快速有效地制动设备并保持静止。

（3）安全系数和设计系数

在我国的有关标准中对重要元件如钢丝绳、链条、传动链等的安全系数有明确的规定，如WH/T 28－2007《舞台机械 台上设备安全》、WH/T 36－2009《舞台机械 台下设备安全要求》等，设计时要遵照执行。

在国外，有趋势把设计系数和安全系数实行进一步的划分，提出设计系数的概念。人们习惯上常将这两个系数混为一谈，认为二者都是材料或部件的破断强度和它所承受载荷之比值，用来对设备零件实际使用时因材料、加工、载荷等未确定因素对设备的影响进行补偿。新的理论认为，设计系数是在设计阶段对安全工作载荷所打的折扣，安全系数是材料或部件的破断强度和它所承受载荷之比值。其实际意义在于设计系数针对的往往是一个组件，安全系数针对的是单个零件。

例：某选定钢丝绳的破断拉力为17.3 kN，采用楔形接头，楔形接头的效率为0.95，设计系数为10时，求安全工作载荷（SWL）是多少？

SWL＝17.3×0.95÷10＝1.64 kN

同上例，将楔形接头改为铝合金压制接头，其效率为0.8，求安全工作载荷（SWL）是多少？

SWL＝17.3×0.8÷10＝1.38 kN

单独考察，可以认为设计系数和安全系数相等同，都是10。但是，同样的钢丝绳，用铝合金压制接头仍要求承受楔形接头的1.64 kN时，安全系数却降低了。

n＝1.38×10÷1.64＝8.41

此例说明了设计系数与安全系数的差异。设计系数随不同的机械类别数值变化很大，从1.5到12～14都有，考虑到舞台机械不断提高的速度、体量和重量，对悬吊设备和升降设备的设计系数宜取值为10，而其他事故率较低、危害较轻的设备设计系数为5也是可以接受的。设计系数的概念，提出的时间较短（才刚刚使用了10年），其效果还要由时间来判断，但其理念还是可以在设计中借鉴的。

（4）安全设施

舞台机械的控制系统设计必须保证设备运行和人员的安全，通常下列安全开关和安全回路是必备的：

a.行程开关和超行程（紧急限位）开关。

b.松绳（欠载）保护开关。

c.关于跳槽（叠绳）保护开关。

d.防剪切开关。

升降台的防剪切开关是个非常重要的安全设施，国内经常使用的防剪切橡胶条是该防护装置的关键部件，对不同技术参数的设备，防剪切橡胶开关条的选择计算是非常重要的。

从防剪切开关被激发开始到升降台完全停止，要经历一定的时间，升降台要运动一定的距离，防剪切开关形式和规格的选择一定要满足这一条件。因为从该开关激发到设备停止，设备经历了原速运行和减速运行两个阶段，运行了一定的行程，这个行程是选择橡胶防剪切开关规格的依据。计算例题如下：某升降台采用橡胶防剪切开关，升降台的最大运动速度（含相对运动速度）是0.5 m/s，求橡胶防剪切开关的高度。防剪切开关受激发至设备完全停止的各时段以T0、T1、T2、T3和T4表示，计算结果见表1。

由于防剪切开关有空行程，还应记入计算总行程的1/3即40 mm。这样，从开关激发至设备完全停止，设备运行的总行程为160 mm，设计选用设备时应按此选用合适的产品。

这个计算方法原则上适用于所有需要考虑行程裕量的地方。行程裕量指的是在超行程开关外留出的设备能继续运动而不与其他结构相撞的距离。例如，吊杆在超行程开关外可以继续运动而不会发生冲击栅顶的距离。

e.超载保护回路。

f.超速保护。

g.超过同步误差时的保护。

h.设备连锁。

4 设计基本参数

4.1 载荷

4.1.1 几个重要概念

（1）额定载荷（Rated load）：设计规定的，设备运动时所能承受的外载荷。

（2）惯性力（Dynamic load；Dynamic force）：设备在启动、停止以及运行过程中由速度变化所产生的力。

（3）安全工作载荷（Safe working load，SWL）：又称承载能力，指在正常操作条件下，承载设备可以安全工作的、不考虑惯性力的最大载荷。安全工作载荷与驱动机械、承载设备、承载件或安全装置有关。

表1 橡胶防剪切开关行程表

（4）名义载荷（Nominal load）：安全工作载荷与操作时产生的惯性力之和。

（5）试验载荷（Test load）∶ 用于测试提升设备、承载设备或承载件、安全装置的载荷。等于额定载荷乘以试验载荷系数；试验载荷系数至少等于1。

（6）测试载荷（Test loading）：测试过程中，承载件或承载设备所承受的载荷。等于试验载荷与惯性力之和。

（7）过载系数（Overload factor）：用于确定规定超载值的系数。等于规定超载值与名义载荷值之间的比值。

（8）静态载荷（Static load）：设计规定的，设备静止状态时所能承受的最大外载荷。

（9）载荷压力（Load pressure）：在液压系统中，由外部名义载荷产生的压力。

（10）故障载荷（Load at failure）：安全工作载荷和故障时产生的惯性载荷之和。

其中，额定载荷和名义载荷是设备设计计算的基础；安全工作载荷是考虑一定的过载系数后设备仍能安全工作的载荷；过载系数在实际使用中常用1.25作为设计和校验驱动系统（含载荷保持组件）的能力，用1.2作为确定安全工作载荷和过载保护的依据；由于台下设备的特殊性，静态载荷用来进行设备钢结构的强度、刚度计算。

4.1.2 额定载荷常用取值

（1）电动吊杆：依剧场大小和吊杆长度取5 kN、6 kN、7.5 kN、1.0 kN；

（2）单点吊机：一般取1.5 kN、2.5 kN，特殊要求用更大值；

（3）灯光吊杆：一般取8 kN、10 kN；

（4）假台口上片：一般取15 kN、20 kN；

（5）乐池升降台、主升降台（上层）、车载转台：2.5 kN/m2；主升降台下层：1.5 kN/m2；

（6）其他辅助升降台：额定载荷为零；

（7）所有台下设备的静态载荷应与建筑设计的舞台台板载荷相同，一般为4.0 kN/m2、5.0 kN/m2。

4.2 速度

舞台设备经常使用的最高速度和推荐速度见表2，供参考。

4.3 加速度

关于设备经常使用的加速度资料，很少在公开刊物上见到，笔者根据一些设计计算资料整理得出的数据，以启动时间或加速度表示，便于在功率计算或校验时使用，仅供参考。

主要舞台机械的启动时间见表3。

4.4 行程

设计中要用机构或装置限制设备允许的行程，以免产生危险。在设置行程开关、超行程开关时，要注意行程裕量。行程裕量与机械的速度及惯量有关，是关系到设备运行安全的重要数据。

5 舞台机械功率计算的基本公式

对于简单的直线运动，设备运动需要的最大功率（不是选用电动机的功率）可用下式表达：

表2 舞台设备常用的最高速度和推荐速度

表3 主要舞台机械的启动时间

Pmax＝(Facc＋Ffri＋Flif)Vmax

式中：

Pmax——设备运动所需的最大功率；

Facc——运动部分的加速力；

Ffri—— 运动部分的摩擦阻力；

Flif——提升运动部分的力；

Vmax——运动部分的最大速度。

对于旋转运动的设备，设备运动需要的最大功率可用下式表达：

Pmax＝(Tacc＋Tfri＋Tlif)ωmax

式中：

Pmax——设备运动所需的最大功率；

Tacc——运动部分的加速力矩；

Tfri—— 运动部分的摩擦阻力矩；

Tlif——提升运动部分的力矩；

ωmax——运动部分的最大角速度。

由于舞台机械种类的多样性，特别是所用传动形式的多样性，关于各种力、力矩、电动机功率等的具体计算方法，将另文叙述。

6 一些需要注意的问题

有一些在设计过程中容易忽视或漏算的问题，也恰恰是事故多发的地方，特提请注意。

（1）设备基座连接计算

设备基座与基础或机架的连接，是非常重要的安全部位，万万不可忽视，应进行比较详细的计算。

计算中应顾及受力特性（倾翻力矩）、紧固要求（预紧、不开缝、不压溃）、预紧力及单个螺栓计算、拧紧力矩及预紧力控制以及螺栓强度级别和材料选择（8.8级及以上，但10.9级及以上的合金钢螺栓少用或不用）等。

（2）胀锚螺栓

由于舞台机械设计往往滞后于土建设计，有时无法提供预埋件图纸，以至于建筑结构已经施工，只能采用胀锚螺栓作为设备与建筑结构的联接。因此，对胀锚螺栓的安装方式、安装程序和失效类型必须有深入的了解，对胀锚螺栓产品情况和应用范围、安装注意事项应有足够认识。

（3）化学螺栓

出于同样的原因，化学螺栓的使用也日渐增多，因为过去使用较少，经验不多，需要对使用方法认真了解、合理使用。化学螺栓是通过合成树脂砂浆粘合螺杆和孔壁，靠与混凝土之间的握裹力和机械咬合力共同作用来抗拔，靠螺栓本身来抗剪，从而达到固定构件和提高构件承载力的效果。由于粘接能力取决于不同的化学粘接剂，各项力学指标（螺杆直径、钻孔直径、锚固深度、设计拉力等）计算均要根据生产厂家提供的资料来进行。同时要严密控制施工程序和施工质量，在钻孔、清孔、注胶、插栓、凝胶硬化等程序也要按生产厂的规定实施。

（4）传动件设计注意事项

设计原则：结构上应使受力合理；减少应力集中；强度、刚度；耐蚀、耐高温；加工工艺性好；安装拆卸方便。

材料：尽量少用普通碳素钢（Q235或Q275等），优先采用优质碳素钢或低合金钢（35、45、40Cr、45Mn2、40MnB、35CrMo、40CrNiMo等调质钢）。

特别注意重要轴的表面处理（轴的表面应力最高、受摩擦和冲击）和热处理技术条件、表面硬度值等。

注意审查加工零件的圆角、倒角、退刀槽、小孔、不贯通孔等引起应力中和疲劳破坏位置的尺寸和结构。

（5）关于起重（卷扬）机构

由于舞台机械所用的起重（卷扬）机构源于起重机设备，了解起重机设计标准中机构利用等级和工作级别（M4、M5或M6）及其对元件选择的影响是很必要的；注意钢丝绳强度与绳固定接头强度（如铝合金压制接头连接效率与标砖说明的差异）的关系；使用索具螺旋扣时，注意产品的安全工作载荷和最小破断载荷的区别，及救生系列的强度等级按大一级选用的规定。

（6）卷筒直径

由于在标准中关于绳槽（深槽和标准槽）的规定不明确，建议用标准槽。由于单点吊机使用不旋转钢丝绳，应按高一级别的工作机构选用卷筒直径。

7 小结

舞台机械的安全必须从设计开始（并主要由设计来保证），一直贯穿到制造、安装调试、使用和维修保养等各个阶段。

（1）设计：严格要求、严肃执行设计程序（特别是设计策划、输入、输出等）、严格设计管理制度；精心设计、精确计算、精致绘图；细心审查、细致对待反馈问题、细化设计任务、特别注意细节（有时细节决定成败）；

（2）施工：抓技术关键点、抓质量关键点、抓进度控制点、抓容易疏漏点；

（3）检测调试：坚持先控制后设备、先空载后负载、先低速后高速和先单机后编组的原则；

（4）操作运行：坚持操作员直视设备运动原则、坚持不良条件下降低参数运行原则、坚持使用前现场巡视和预定使用设备的试运转制度。

在对以上各个环节认真控制的基础上，加上完善的管理制度和操作维修制度，舞台机械设备才能让人放心地运行。

[1]GB/T 8196－2003 《机械安全 防护装置 固定式和活动式防护装置设计与制造一般要求》

[2]GB 12265.1－1997 《机械安全 防止上肢触及危险区的安全距离》

[3]GB 12265.2－2000 《机械安全 防止下肢触及危险区的安全距离》

[4]GB/T 15706.2－1995 《机械安全 基本概念与设计通则 第2部分：技术原则与规范》

[5]GB 18209.1－2000 《机械安全 指示、标志和操作第1部分：关于视觉、听觉和触觉信号的要求》

[6]WH/T 28－2007 《舞台机械 台上设备安全》

[7]WH/T 35－2009 《演出场馆设备技术术语 舞台机械》

[8]WH/T 36－2009 《舞台机械 台下设备安全要求》

[9]WH/T 27－2007 《舞台机械 验收检测程序》

[10]WH/T 37－2009 《舞台机械 操作与维修导则》

[11]Alen Hendrickson, Colin Buckhurst∶ Mechanical design for the stage 2007

（全文完）