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【摘 要】 以某剧场侧舞台车台输送链系统为例，计算出其链条需要的预紧力理论值，并提出了链条张紧机构的设置建议。
【关键词】 舞台输送链；平稳性；预紧力；张力
文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.12.007
现代剧场的舞台多具有推、拉、升、降、转的功能，其中，大部分舞台的升降与平移功能是由输送链机构实现的。采用具有支撑导轨的输送链传动是实现侧舞台车台从侧台位置平移到主舞台位置常用方式之一。工程实践中发现，由于输送链具有传动比准确、输送距离远的特性，微小的磨损都会使得其振动情况剧烈恶化。链条节距磨损不仅影响输送链的传动效率，更加剧了链条的振动情况。链条的磨损会引起链条节距的伸长，设置合理的预紧力可以有效地降低磨损引起的振动[1]。
1 输送链对舞台运行平稳性的影响
作为剧场中重要的舞台机械设备之一，侧舞台车台的运行安全、可靠、平稳对剧目演出具有重要意义。输送链作为侧舞台车台的关键结构之一[2]，其振动噪声、运行平稳性将直接关系到剧目演出顺利进行。一般来说，侧舞台车台输送链工作环境比较差。输送链正对着舞台面设置的导轨缝隙，因此，舞台面上的灰尘、螺钉等异物极易直接落到链条上，造成链条损伤。
另外，侧舞台车台运动过程中舞台面上布景移动、人员走动等带来的载荷变化等也会对运行平稳性造成一定的影响，这就对输送链的检修与维护提出了更高的要求。所以，合理选择输送链的张紧力、降低链条磨损等措施就显得尤为重要。输送链太松，链条运行过程中容易发生跳链，启动时发生卡链，造成安全事故；输送链太紧，会造成链轮的迅速磨损，增加链条的负荷，缩短了设备使用寿命。
2 输送链载荷分析
2.1 逐点分析法
连续输送链链节之间的张力包括张紧装置提供的预张紧力、运行时克服各种阻力需要的张力以及动载荷引起的张力[3]。笔者采用逐点分析法对输送链的张力进行计算，其理论基础就是：牵引构件在连续输送链沿运动方向上的任一点载荷等于后面一个点与这两点间的阻力之和。因此，逐点分析法中最主要的就是各种阻力的计算，包括直线段运动阻力、绕入绕出链轮的运动阻力以及其他附加阻力。直线段运动阻力的计算主要是阻力系数的确定。当牵引构件沿导轨滑动时，阻力系数就等于构件与导轨之间的摩擦系数。当牵引构件装有滚轮时，摩擦阻力包括滚轮轴颈处的摩擦阻力和滚轮与导轨之间的摩擦阻力。
在输送链系统中，常采用链轮、曲线导轨等来改变牵引构件的运动方向，当牵引构件通过这些曲线区间时，会受到链轮或者曲线导轨带来的阻力。链轮产生的阻力包括轴承摩擦阻力以及牵引构件绕入、绕出时的转动摩擦阻力组成。因此，牵引构件绕出端张力会有所增大。曲线导轨产生的阻力则分为牵引构件与曲线导轨之间的滚动摩擦阻力或滑动摩擦阻力[4～5]。其他附加阻力则需要根据实际负载情况、输送链张紧情况等具体分析。
2.2 输送链力学模型
侧舞台车台输送链为一闭合环形链，包含沿链条架设的支撑轨道、张紧装置、链条以及两个同尺寸的链轮。输送链通过侧舞台车台链接装置与侧舞台车台链接，链接装置直接安装在输送链的直边形链板上，通过链接装置的挂钩与脱钩实现输送链机构与侧舞台车台的结合与分离，如图1所示。
侧舞台车台输送链简化模型如图2所示。La，Lb分别为链轮轮心距和侧舞台车台行程，m点为侧车台链接装置所在位置。根据逐点分析法，将输送链系统中链条布置分成负载水平直线段ab，链轮绕入绕出段bc、ah，空载倾斜直线段cd、gh，空载曲线段de、fg和空载水平直线段ef。
2.3 输送链载荷计算
根据输送链简化模型，对输送链进行载荷分析如图3所示。
根据逐点分析法基本原理，在输送链工作过程中，从链条啮入链轮点开始依次逐点分析。链条a点的紧边张力Sa主要由三组力构成：有效圆周力Fe、离心张力Fc、悬垂拉力Ff和最小预紧张力F0。通常长距离输送链系统中的运行链段都依托于导轨，链条的悬垂量非常小，因此，计算时可以忽略掉悬垂拉力Ff[6]，即紧边张力Sa需要克服有效圆周力、离心张力和预紧张力。
由公式（1）和公式（2）可知，F1、F2仅与输送链系统的负载、驱动有关，与链条节距没有直接关系，因此可以忽略链条磨损节距伸长带来的影响，可以在后面分析时将F1、F2视为常数值。
其中ab为链条的负载水平直线段，在该区段链条主要受动态负载阻力与链条与导轨之间的摩擦力作用，得b点张力为：
曲线段de和fg设置的主要目的是降低链条张力突变情况，该段链条载荷只与链条的布置参数如包角、軸承型式、牵引构件型式有关[7]，因而该段载荷采用张力增大系数计算。
2.4 舞台输送链张力计算
通过查阅舞台设备技术手册、图纸等资料确定舞台输送链各个参数：
链条型号为16A带滚轮双排链，链条节距p=25.4 mm，链条单位长度质量q=5.9 kg/m，链轮中心距La=26 208 mm，行程Lb=25 600 mm，Lef=24 723 mm，Lcd=639 mm ，Lgh=862 mm，传动效率=87.3%，链速v=0.61 m/s，动态负载阻力Fm在1 562.4 N（空载）～6 410.9 N（满载），加速状态下电机功率Pd在2.3 kW（空载）～7.1 kW（满载），摩擦系数u=0.033 6，张力增大系数C取1.06，输送链布置上倾角 =9.82°，输送链布置下倾角 =7.68°，最小预紧张力F0假设为0。
通过公式（1）～公式（9）求得舞台空载时，Fv=1 283.4 N；舞台满载时：Fv=3 506 N。
如上述舞台的动态负载阻力Fv是在1 562.4 N～6 410.9 N范围内变动的，因此可知，最小预紧力Fvmin=1 283.4 N，最大预紧力Fvmax=3 506 N。在设备检修时，该舞台输送链可以根据舞台实际负载情况对输送链预紧力进行调整。理想状况是设置自动伸缩张紧装置，其预紧力大小可以根据舞台实际负载大小进行相应的自动调节。
3 结论
（1）通过对输送链传动式舞台进行分析，提出链条设置合适的预紧力对舞台运行平稳性有着极为重要的影响。
（2）对输送链系统进行载荷分析，采用逐点分析法计算输送链各个节点的张力，最后求得输送链链条所需预紧力。
（3）以某剧场侧舞台车台使用的输送链系统为例，通过查阅资料确定舞台输送链系统各个参数，计算出该舞台链条需要的理论预紧力值，为舞台链条维护与调整提供了参考。另外，链条的预紧力大小理想状况应该是根据舞台实际负载大小相应的进行调整。但实际上，该舞台输送链系统是采用固定式结构的链条张紧器，因此，在调整链条松紧时，则需要将预紧力调整到相对较高的水平，以防止发生松链现象。后期改造时可以选用可伸缩紧链装置。
参考文献：
[1] 王波，张延友. 刮板输送机预张紧力及紧链力计算[J]. 煤炭科学技术， 1983（9）：44-48.
[2] 徐奇，刘建斌，王超. 舞台车台的作用与驱动形式[J]. 演艺设备与科技，2006（5）：40-51.
[3] 濮良贵，纪名刚. 机械设计[M]. 北京：高等教育出版社，2006.
[4] 赵俊天，王顺增，王振兴. 远距离输送链传动载荷分析及其磨损伸长研究[J]. 机械传动，2014（2）：25-29.
[5] 丁守坤. 重型刮板输送机预张力的计算及伸缩机尾紧链油缸的确定[J]. 煤矿机械，2010（10）：3-6.
[6] 郭晓娥，赵金录. 重型刮板输送机链条张力自动调节系统研究[J]. 煤矿机电，2008（5）：26-27.
[7] 闻邦椿. 机械设计手册[G]. 北京：机械工业出版社，2010.
[8] 徐广明，杨伟红. 刮板输送机链条预紧力、紧链力计算方法探讨[J]. 煤炭工程，2009（1）：10-11.
作者简介：
李国富，国家大剧院舞台技术保障主管，主要从事舞台机械设备检修与维护工作。
【关键词】 舞台输送链；平稳性；预紧力；张力
文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.12.007
现代剧场的舞台多具有推、拉、升、降、转的功能，其中，大部分舞台的升降与平移功能是由输送链机构实现的。采用具有支撑导轨的输送链传动是实现侧舞台车台从侧台位置平移到主舞台位置常用方式之一。工程实践中发现，由于输送链具有传动比准确、输送距离远的特性，微小的磨损都会使得其振动情况剧烈恶化。链条节距磨损不仅影响输送链的传动效率，更加剧了链条的振动情况。链条的磨损会引起链条节距的伸长，设置合理的预紧力可以有效地降低磨损引起的振动[1]。
1 输送链对舞台运行平稳性的影响
作为剧场中重要的舞台机械设备之一，侧舞台车台的运行安全、可靠、平稳对剧目演出具有重要意义。输送链作为侧舞台车台的关键结构之一[2]，其振动噪声、运行平稳性将直接关系到剧目演出顺利进行。一般来说，侧舞台车台输送链工作环境比较差。输送链正对着舞台面设置的导轨缝隙，因此，舞台面上的灰尘、螺钉等异物极易直接落到链条上，造成链条损伤。
另外，侧舞台车台运动过程中舞台面上布景移动、人员走动等带来的载荷变化等也会对运行平稳性造成一定的影响，这就对输送链的检修与维护提出了更高的要求。所以，合理选择输送链的张紧力、降低链条磨损等措施就显得尤为重要。输送链太松，链条运行过程中容易发生跳链，启动时发生卡链，造成安全事故；输送链太紧，会造成链轮的迅速磨损，增加链条的负荷，缩短了设备使用寿命。
2 输送链载荷分析
2.1 逐点分析法
连续输送链链节之间的张力包括张紧装置提供的预张紧力、运行时克服各种阻力需要的张力以及动载荷引起的张力[3]。笔者采用逐点分析法对输送链的张力进行计算，其理论基础就是：牵引构件在连续输送链沿运动方向上的任一点载荷等于后面一个点与这两点间的阻力之和。因此，逐点分析法中最主要的就是各种阻力的计算，包括直线段运动阻力、绕入绕出链轮的运动阻力以及其他附加阻力。直线段运动阻力的计算主要是阻力系数的确定。当牵引构件沿导轨滑动时，阻力系数就等于构件与导轨之间的摩擦系数。当牵引构件装有滚轮时，摩擦阻力包括滚轮轴颈处的摩擦阻力和滚轮与导轨之间的摩擦阻力。
在输送链系统中，常采用链轮、曲线导轨等来改变牵引构件的运动方向，当牵引构件通过这些曲线区间时，会受到链轮或者曲线导轨带来的阻力。链轮产生的阻力包括轴承摩擦阻力以及牵引构件绕入、绕出时的转动摩擦阻力组成。因此，牵引构件绕出端张力会有所增大。曲线导轨产生的阻力则分为牵引构件与曲线导轨之间的滚动摩擦阻力或滑动摩擦阻力[4～5]。其他附加阻力则需要根据实际负载情况、输送链张紧情况等具体分析。
2.2 输送链力学模型
侧舞台车台输送链为一闭合环形链，包含沿链条架设的支撑轨道、张紧装置、链条以及两个同尺寸的链轮。输送链通过侧舞台车台链接装置与侧舞台车台链接，链接装置直接安装在输送链的直边形链板上，通过链接装置的挂钩与脱钩实现输送链机构与侧舞台车台的结合与分离，如图1所示。
侧舞台车台输送链简化模型如图2所示。La，Lb分别为链轮轮心距和侧舞台车台行程，m点为侧车台链接装置所在位置。根据逐点分析法，将输送链系统中链条布置分成负载水平直线段ab，链轮绕入绕出段bc、ah，空载倾斜直线段cd、gh，空载曲线段de、fg和空载水平直线段ef。
2.3 输送链载荷计算
根据输送链简化模型，对输送链进行载荷分析如图3所示。
根据逐点分析法基本原理，在输送链工作过程中，从链条啮入链轮点开始依次逐点分析。链条a点的紧边张力Sa主要由三组力构成：有效圆周力Fe、离心张力Fc、悬垂拉力Ff和最小预紧张力F0。通常长距离输送链系统中的运行链段都依托于导轨，链条的悬垂量非常小，因此，计算时可以忽略掉悬垂拉力Ff[6]，即紧边张力Sa需要克服有效圆周力、离心张力和预紧张力。
由公式（1）和公式（2）可知，F1、F2仅与输送链系统的负载、驱动有关，与链条节距没有直接关系，因此可以忽略链条磨损节距伸长带来的影响，可以在后面分析时将F1、F2视为常数值。
其中ab为链条的负载水平直线段，在该区段链条主要受动态负载阻力与链条与导轨之间的摩擦力作用，得b点张力为：
曲线段de和fg设置的主要目的是降低链条张力突变情况，该段链条载荷只与链条的布置参数如包角、軸承型式、牵引构件型式有关[7]，因而该段载荷采用张力增大系数计算。
2.4 舞台输送链张力计算
通过查阅舞台设备技术手册、图纸等资料确定舞台输送链各个参数：
链条型号为16A带滚轮双排链，链条节距p=25.4 mm，链条单位长度质量q=5.9 kg/m，链轮中心距La=26 208 mm，行程Lb=25 600 mm，Lef=24 723 mm，Lcd=639 mm ，Lgh=862 mm，传动效率=87.3%，链速v=0.61 m/s，动态负载阻力Fm在1 562.4 N（空载）～6 410.9 N（满载），加速状态下电机功率Pd在2.3 kW（空载）～7.1 kW（满载），摩擦系数u=0.033 6，张力增大系数C取1.06，输送链布置上倾角 =9.82°，输送链布置下倾角 =7.68°，最小预紧张力F0假设为0。
通过公式（1）～公式（9）求得舞台空载时，Fv=1 283.4 N；舞台满载时：Fv=3 506 N。
如上述舞台的动态负载阻力Fv是在1 562.4 N～6 410.9 N范围内变动的，因此可知，最小预紧力Fvmin=1 283.4 N，最大预紧力Fvmax=3 506 N。在设备检修时，该舞台输送链可以根据舞台实际负载情况对输送链预紧力进行调整。理想状况是设置自动伸缩张紧装置，其预紧力大小可以根据舞台实际负载大小进行相应的自动调节。
3 结论
（1）通过对输送链传动式舞台进行分析，提出链条设置合适的预紧力对舞台运行平稳性有着极为重要的影响。
（2）对输送链系统进行载荷分析，采用逐点分析法计算输送链各个节点的张力，最后求得输送链链条所需预紧力。
（3）以某剧场侧舞台车台使用的输送链系统为例，通过查阅资料确定舞台输送链系统各个参数，计算出该舞台链条需要的理论预紧力值，为舞台链条维护与调整提供了参考。另外，链条的预紧力大小理想状况应该是根据舞台实际负载大小相应的进行调整。但实际上，该舞台输送链系统是采用固定式结构的链条张紧器，因此，在调整链条松紧时，则需要将预紧力调整到相对较高的水平，以防止发生松链现象。后期改造时可以选用可伸缩紧链装置。
参考文献：
[1] 王波，张延友. 刮板输送机预张紧力及紧链力计算[J]. 煤炭科学技术， 1983（9）：44-48.
[2] 徐奇，刘建斌，王超. 舞台车台的作用与驱动形式[J]. 演艺设备与科技，2006（5）：40-51.
[3] 濮良贵，纪名刚. 机械设计[M]. 北京：高等教育出版社，2006.
[4] 赵俊天，王顺增，王振兴. 远距离输送链传动载荷分析及其磨损伸长研究[J]. 机械传动，2014（2）：25-29.
[5] 丁守坤. 重型刮板输送机预张力的计算及伸缩机尾紧链油缸的确定[J]. 煤矿机械，2010（10）：3-6.
[6] 郭晓娥，赵金录. 重型刮板输送机链条张力自动调节系统研究[J]. 煤矿机电，2008（5）：26-27.
[7] 闻邦椿. 机械设计手册[G]. 北京：机械工业出版社，2010.
[8] 徐广明，杨伟红. 刮板输送机链条预紧力、紧链力计算方法探讨[J]. 煤炭工程，2009（1）：10-11.
作者简介：
李国富，国家大剧院舞台技术保障主管，主要从事舞台机械设备检修与维护工作。