段慧文

（原國家大劇院業(yè)主委員會，北京 100031）

（接上期）

3 設計

3.1 關于設計理念

近來，“單件失效驗證設計”（single failure proof design）理念在西方國家悄然興起，其具體含義為：在設備系統(tǒng)的設計中，設備的任何單一的結構、機構或元件由于誤用、自身的隱蔽缺陷和長期磨損引起的失效，都不會導致設備整體產(chǎn)生危險，而是停止系統(tǒng)的操作并給出信號，直至故障排除，設備恢復完好狀態(tài)。

在一些情況下，采用這個理念會使設計變得復雜，造價提高；而另一些情況，實施起來卻相當?shù)暮唵?。例如，在卷揚機卷筒軸上安裝制動器就可以防止從電動機到卷筒之間的任何單一零部件的損壞帶來的危險。安裝在電動機軸和卷筒軸上的速度傳感器可根據(jù)其差值確定報警并實行緊急停機。這對于重要場合使用的吊桿卷揚機防止溜桿事故時非常適合。再如，適當改變滑輪組四周的螺栓布置，就可以避免因滑輪軸斷裂引起的事故，而此時力和力矩的變化可以發(fā)出緊急停機的信號。與失效模型和效果分析法（FMEA，即Failure mode and effect analysis）相比，單件失效驗證設計更簡單方便，不需要花很多時間對失效的部分進行逐個分析。對單件失效驗證設計來說，很困難也是最重要的是，在單件失效未引起進一步事故之前系統(tǒng)設備必須停機。用冗余設計的技術很容易代替故障或失效的設備繼續(xù)運轉，但操作者如不能察覺第一個失效的發(fā)生，故障會繼續(xù)發(fā)展，單件失效驗證設計的意義就不存在了。

舞臺機械設計中，在實行傳統(tǒng)方法的同時，要不斷地吸收行之有效的新觀點、新理念，使舞臺機械設計工作不斷提高和完善，“單件失效驗證設計”的理念也可以有條件地應用。

3.2 舞臺機械設計的重要事項

（1）計算基礎

舞臺機械的計算基礎是由其工況決定的，而這恰恰是最難準確定位的。由于安全對舞臺機械設計的重要性，目前只能按照國際通行、國內(nèi)認同的標準作為計算基礎，即：所有提升設備的驅動系統(tǒng)的零、部件應能承受2倍的額定載荷、按1 600小時連續(xù)運轉進行計算。

（2）升降設備的制動器

升降設備制動器的選擇應嚴格遵照有關標準的規(guī)定，如WH/T 36－2009《舞臺機械 臺下機械安全要求》中對制動器的規(guī)定：補償升降臺、輔助升降臺、升降欄桿、水平移動設備和旋轉設備可以采用單制動器，但其制動力矩應不小于2倍的額定傳遞扭矩；其他升降設備應設置雙制動裝置，每個制動裝置的制動力矩應不小于1.25倍的額定傳遞扭矩。

雙制動裝置指的是：兩套各自獨立控制的制動器；或一套自鎖機構和一套制動器；或液壓系統(tǒng)中兩個獨立的（液控）單向閥等。

在雙制動器中應有一個制動器是延時動作的。

應采用失電制動器，斷電時，制動器因彈簧壓力的作用而產(chǎn)生制動力矩。

除我國標準外，也應參照國外有關標準的規(guī)定，主要是德國標準DIN 56950和奧地利標準ONORM M9630-1、ONORM M9630-2、ONORM M9630-3等，如：禁止使用反饋制動；傳動裝置斷開時制動器的電源必須立即中斷；制動器的制動力只能由重力或有導向的壓縮彈簧組產(chǎn)生；每個制動器都能使試驗載荷停止并保持；對每個制動器有效性可以進行單獨的測試等。

對制動器應進行載荷狀態(tài)下的緊急停機功能測試，用額定載荷以額定速度下降時，按動緊急停機按鈕，制動器應能在一定的制動距離內(nèi)快速有效地制動設備并保持靜止。

（3）安全系數(shù)和設計系數(shù)

在我國的有關標準中對重要元件如鋼絲繩、鏈條、傳動鏈等的安全系數(shù)有明確的規(guī)定，如WH/T 28－2007《舞臺機械 臺上設備安全》、WH/T 36－2009《舞臺機械 臺下設備安全要求》等，設計時要遵照執(zhí)行。

在國外，有趨勢把設計系數(shù)和安全系數(shù)實行進一步的劃分，提出設計系數(shù)的概念。人們習慣上常將這兩個系數(shù)混為一談，認為二者都是材料或部件的破斷強度和它所承受載荷之比值，用來對設備零件實際使用時因材料、加工、載荷等未確定因素對設備的影響進行補償。新的理論認為，設計系數(shù)是在設計階段對安全工作載荷所打的折扣，安全系數(shù)是材料或部件的破斷強度和它所承受載荷之比值。其實際意義在于設計系數(shù)針對的往往是一個組件，安全系數(shù)針對的是單個零件。

例：某選定鋼絲繩的破斷拉力為17.3 kN，采用楔形接頭，楔形接頭的效率為0.95，設計系數(shù)為10時，求安全工作載荷（SWL）是多少？

SWL＝17.3×0.95÷10＝1.64 kN

同上例，將楔形接頭改為鋁合金壓制接頭，其效率為0.8，求安全工作載荷（SWL）是多少？

SWL＝17.3×0.8÷10＝1.38 kN

單獨考察，可以認為設計系數(shù)和安全系數(shù)相等同，都是10。但是，同樣的鋼絲繩，用鋁合金壓制接頭仍要求承受楔形接頭的1.64 kN時，安全系數(shù)卻降低了。

n＝1.38×10÷1.64＝8.41

此例說明了設計系數(shù)與安全系數(shù)的差異。設計系數(shù)隨不同的機械類別數(shù)值變化很大，從1.5到12～14都有，考慮到舞臺機械不斷提高的速度、體量和重量，對懸吊設備和升降設備的設計系數(shù)宜取值為10，而其他事故率較低、危害較輕的設備設計系數(shù)為5也是可以接受的。設計系數(shù)的概念，提出的時間較短（才剛剛使用了10年），其效果還要由時間來判斷，但其理念還是可以在設計中借鑒的。

（4）安全設施

舞臺機械的控制系統(tǒng)設計必須保證設備運行和人員的安全，通常下列安全開關和安全回路是必備的：

a.行程開關和超行程（緊急限位）開關。

b.松繩（欠載）保護開關。

c.關于跳槽（疊繩）保護開關。

d.防剪切開關。

升降臺的防剪切開關是個非常重要的安全設施，國內(nèi)經(jīng)常使用的防剪切橡膠條是該防護裝置的關鍵部件，對不同技術參數(shù)的設備，防剪切橡膠開關條的選擇計算是非常重要的。

從防剪切開關被激發(fā)開始到升降臺完全停止，要經(jīng)歷一定的時間，升降臺要運動一定的距離，防剪切開關形式和規(guī)格的選擇一定要滿足這一條件。因為從該開關激發(fā)到設備停止，設備經(jīng)歷了原速運行和減速運行兩個階段，運行了一定的行程，這個行程是選擇橡膠防剪切開關規(guī)格的依據(jù)。計算例題如下：某升降臺采用橡膠防剪切開關，升降臺的最大運動速度（含相對運動速度）是0.5 m/s，求橡膠防剪切開關的高度。防剪切開關受激發(fā)至設備完全停止的各時段以T0、T1、T2、T3和T4表示，計算結果見表1。

由于防剪切開關有空行程，還應記入計算總行程的1/3即40 mm。這樣，從開關激發(fā)至設備完全停止，設備運行的總行程為160 mm，設計選用設備時應按此選用合適的產(chǎn)品。

這個計算方法原則上適用于所有需要考慮行程裕量的地方。行程裕量指的是在超行程開關外留出的設備能繼續(xù)運動而不與其他結構相撞的距離。例如，吊桿在超行程開關外可以繼續(xù)運動而不會發(fā)生沖擊柵頂?shù)木嚯x。

e.超載保護回路。

f.超速保護。

g.超過同步誤差時的保護。

h.設備連鎖。

4 設計基本參數(shù)

4.1 載荷

4.1.1 幾個重要概念

（1）額定載荷（Rated load）：設計規(guī)定的，設備運動時所能承受的外載荷。

（2）慣性力（Dynamic load；Dynamic force）：設備在啟動、停止以及運行過程中由速度變化所產(chǎn)生的力。

（3）安全工作載荷（Safe working load，SWL）：又稱承載能力，指在正常操作條件下，承載設備可以安全工作的、不考慮慣性力的最大載荷。安全工作載荷與驅動機械、承載設備、承載件或安全裝置有關。

表1 橡膠防剪切開關行程表

（4）名義載荷（Nominal load）：安全工作載荷與操作時產(chǎn)生的慣性力之和。

（5）試驗載荷（Test load）∶ 用于測試提升設備、承載設備或承載件、安全裝置的載荷。等于額定載荷乘以試驗載荷系數(shù)；試驗載荷系數(shù)至少等于1。

（6）測試載荷（Test loading）：測試過程中，承載件或承載設備所承受的載荷。等于試驗載荷與慣性力之和。

（7）過載系數(shù)（Overload factor）：用于確定規(guī)定超載值的系數(shù)。等于規(guī)定超載值與名義載荷值之間的比值。

（8）靜態(tài)載荷（Static load）：設計規(guī)定的，設備靜止狀態(tài)時所能承受的最大外載荷。

（9）載荷壓力（Load pressure）：在液壓系統(tǒng)中，由外部名義載荷產(chǎn)生的壓力。

（10）故障載荷（Load at failure）：安全工作載荷和故障時產(chǎn)生的慣性載荷之和。

其中，額定載荷和名義載荷是設備設計計算的基礎；安全工作載荷是考慮一定的過載系數(shù)后設備仍能安全工作的載荷；過載系數(shù)在實際使用中常用1.25作為設計和校驗驅動系統(tǒng)（含載荷保持組件）的能力，用1.2作為確定安全工作載荷和過載保護的依據(jù)；由于臺下設備的特殊性，靜態(tài)載荷用來進行設備鋼結構的強度、剛度計算。

4.1.2 額定載荷常用取值

（1）電動吊桿：依劇場大小和吊桿長度取5 kN、6 kN、7.5 kN、1.0 kN；

（2）單點吊機：一般取1.5 kN、2.5 kN，特殊要求用更大值；

（3）燈光吊桿：一般取8 kN、10 kN；

（4）假臺口上片：一般取15 kN、20 kN；

（5）樂池升降臺、主升降臺（上層）、車載轉臺：2.5 kN/m2；主升降臺下層：1.5 kN/m2；

（6）其他輔助升降臺：額定載荷為零；

（7）所有臺下設備的靜態(tài)載荷應與建筑設計的舞臺臺板載荷相同，一般為4.0 kN/m2、5.0 kN/m2。

4.2 速度

舞臺設備經(jīng)常使用的最高速度和推薦速度見表2，供參考。

4.3 加速度

關于設備經(jīng)常使用的加速度資料，很少在公開刊物上見到，筆者根據(jù)一些設計計算資料整理得出的數(shù)據(jù)，以啟動時間或加速度表示，便于在功率計算或校驗時使用，僅供參考。

主要舞臺機械的啟動時間見表3。

4.4 行程

設計中要用機構或裝置限制設備允許的行程，以免產(chǎn)生危險。在設置行程開關、超行程開關時，要注意行程裕量。行程裕量與機械的速度及慣量有關，是關系到設備運行安全的重要數(shù)據(jù)。

5 舞臺機械功率計算的基本公式

對于簡單的直線運動，設備運動需要的最大功率（不是選用電動機的功率）可用下式表達：

表2 舞臺設備常用的最高速度和推薦速度

表3 主要舞臺機械的啟動時間

Pmax＝(Facc＋Ffri＋Flif)Vmax

式中：

Pmax——設備運動所需的最大功率；

Facc——運動部分的加速力；

Ffri—— 運動部分的摩擦阻力；

Flif——提升運動部分的力；

Vmax——運動部分的最大速度。

對于旋轉運動的設備，設備運動需要的最大功率可用下式表達：

Pmax＝(Tacc＋Tfri＋Tlif)ωmax

式中：

Pmax——設備運動所需的最大功率；

Tacc——運動部分的加速力矩；

Tfri—— 運動部分的摩擦阻力矩；

Tlif——提升運動部分的力矩；

ωmax——運動部分的最大角速度。

由于舞臺機械種類的多樣性，特別是所用傳動形式的多樣性，關于各種力、力矩、電動機功率等的具體計算方法，將另文敘述。

6 一些需要注意的問題

有一些在設計過程中容易忽視或漏算的問題，也恰恰是事故多發(fā)的地方，特提請注意。

（1）設備基座連接計算

設備基座與基礎或機架的連接，是非常重要的安全部位，萬萬不可忽視，應進行比較詳細的計算。

計算中應顧及受力特性（傾翻力矩）、緊固要求（預緊、不開縫、不壓潰）、預緊力及單個螺栓計算、擰緊力矩及預緊力控制以及螺栓強度級別和材料選擇（8.8級及以上，但10.9級及以上的合金鋼螺栓少用或不用）等。

（2）脹錨螺栓

由于舞臺機械設計往往滯后于土建設計，有時無法提供預埋件圖紙，以至于建筑結構已經(jīng)施工，只能采用脹錨螺栓作為設備與建筑結構的聯(lián)接。因此，對脹錨螺栓的安裝方式、安裝程序和失效類型必須有深入的了解，對脹錨螺栓產(chǎn)品情況和應用范圍、安裝注意事項應有足夠認識。

（3）化學螺栓

出于同樣的原因，化學螺栓的使用也日漸增多，因為過去使用較少，經(jīng)驗不多，需要對使用方法認真了解、合理使用。化學螺栓是通過合成樹脂砂漿粘合螺桿和孔壁，靠與混凝土之間的握裹力和機械咬合力共同作用來抗拔，靠螺栓本身來抗剪，從而達到固定構件和提高構件承載力的效果。由于粘接能力取決于不同的化學粘接劑，各項力學指標（螺桿直徑、鉆孔直徑、錨固深度、設計拉力等）計算均要根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的資料來進行。同時要嚴密控制施工程序和施工質量，在鉆孔、清孔、注膠、插栓、凝膠硬化等程序也要按生產(chǎn)廠的規(guī)定實施。

（4）傳動件設計注意事項

設計原則：結構上應使受力合理；減少應力集中；強度、剛度；耐蝕、耐高溫；加工工藝性好；安裝拆卸方便。

材料：盡量少用普通碳素鋼（Q235或Q275等），優(yōu)先采用優(yōu)質碳素鋼或低合金鋼（35、45、40Cr、45Mn2、40MnB、35CrMo、40CrNiMo等調(diào)質鋼）。

特別注意重要軸的表面處理（軸的表面應力最高、受摩擦和沖擊）和熱處理技術條件、表面硬度值等。

注意審查加工零件的圓角、倒角、退刀槽、小孔、不貫通孔等引起應力中和疲勞破壞位置的尺寸和結構。

（5）關于起重（卷揚）機構

由于舞臺機械所用的起重（卷揚）機構源于起重機設備，了解起重機設計標準中機構利用等級和工作級別（M4、M5或M6）及其對元件選擇的影響是很必要的；注意鋼絲繩強度與繩固定接頭強度（如鋁合金壓制接頭連接效率與標磚說明的差異）的關系；使用索具螺旋扣時，注意產(chǎn)品的安全工作載荷和最小破斷載荷的區(qū)別，及救生系列的強度等級按大一級選用的規(guī)定。

（6）卷筒直徑

由于在標準中關于繩槽（深槽和標準槽）的規(guī)定不明確，建議用標準槽。由于單點吊機使用不旋轉鋼絲繩，應按高一級別的工作機構選用卷筒直徑。

7 小結

舞臺機械的安全必須從設計開始（并主要由設計來保證），一直貫穿到制造、安裝調(diào)試、使用和維修保養(yǎng)等各個階段。

（1）設計：嚴格要求、嚴肅執(zhí)行設計程序（特別是設計策劃、輸入、輸出等）、嚴格設計管理制度；精心設計、精確計算、精致繪圖；細心審查、細致對待反饋問題、細化設計任務、特別注意細節(jié)（有時細節(jié)決定成?。?/p>

（2）施工：抓技術關鍵點、抓質量關鍵點、抓進度控制點、抓容易疏漏點；

（3）檢測調(diào)試：堅持先控制后設備、先空載后負載、先低速后高速和先單機后編組的原則；

（4）操作運行：堅持操作員直視設備運動原則、堅持不良條件下降低參數(shù)運行原則、堅持使用前現(xiàn)場巡視和預定使用設備的試運轉制度。

在對以上各個環(huán)節(jié)認真控制的基礎上，加上完善的管理制度和操作維修制度，舞臺機械設備才能讓人放心地運行。

[1]GB/T 8196－2003 《機械安全 防護裝置 固定式和活動式防護裝置設計與制造一般要求》

[2]GB 12265.1－1997 《機械安全 防止上肢觸及危險區(qū)的安全距離》

[3]GB 12265.2－2000 《機械安全 防止下肢觸及危險區(qū)的安全距離》

[4]GB/T 15706.2－1995 《機械安全 基本概念與設計通則 第2部分：技術原則與規(guī)范》

[5]GB 18209.1－2000 《機械安全 指示、標志和操作第1部分：關于視覺、聽覺和觸覺信號的要求》

[6]WH/T 28－2007 《舞臺機械 臺上設備安全》

[7]WH/T 35－2009 《演出場館設備技術術語 舞臺機械》

[8]WH/T 36－2009 《舞臺機械 臺下設備安全要求》

[9]WH/T 27－2007 《舞臺機械 驗收檢測程序》

[10]WH/T 37－2009 《舞臺機械 操作與維修導則》

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

（全文完）