无极差动台阶升降台的结构设计

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：

图5 驱动框架应力分析图

图6 驱动框架位移分析图

图7 驱动框架结构安全系数分析图

图8 随动滑道应力分析图

图9 随动滑道位移分析图

图10 随动滑道安全系数分析图

图11 随动滑道应力分析图

图12 随动滑道位移分析图

图13 随动滑道安全系数分析图

有限元分析如图8～图10所示。

经分析，由于使用需求随动定位导向滑槽中部必须开通长滑槽，中部下侧受力较大，实际设计中可将滑道中下部适当增厚，这样可大大增加系统刚度及稳定性。

经计算，最大应力1×108N/㎡，最大位移1.763 mm，结构安全。

结构挠度略超出规范要求，因此实际设计中应进一步增加中下部结构强度。

单个随动滚轮受力约1 kN，有限元分析如图11～图13所示。

经分析，由于随动滚轮必须采用悬臂设计，因此，根部应力集中较为明显，可在设计中适当增加根部轴径以增大其强度。

经计算，最大应力7.25×107N/㎡，结构安全。

4 技术特点

无极差动台阶升降台结构紧凑，升降状态灵活，可根据演艺状态需求，展现出各种不同姿态。同时，通过电气同步可以作为整体升降台使用，应用广泛，操作便利。由于采用了随动机构设计，既缩减了整体成本又降低了控制难度。

（1）等差阶梯结构

采用前后2台驱动升降台为动力，形成一组等差阶梯式升降台，可同步或非同步运行。

（2）多种组合状态

通过前后驱动可行程多种组合状态，既可作为平面升降台使用，也可作为台阶升降台使用，同时可以实现阶梯倾斜方向互换。

5 结束语

无极差动台阶升降台已在成都音乐厅乐池指挥台阶升降台设备中成功应用。随着演艺事业的蓬勃发展，各类演艺秀场如雨后春笋般出现。为满足场景效果、导演创意，对舞台设备提出了越来越高的要求。无极差动台阶升降台正是顺应这种趋势形成的独特设计方式，能够灵活方便地实现数种不同舞台变化形式。