舞台机械的安全设计

一、概述
舞台机械最重要的指标之一是安全可靠，所有种类的舞台机械都必须保证在任何时候是绝对安全可靠的。

对舞台机械的可靠性设计，目前研究的很少。可靠性设计理论是建立在大量实验数据基础上的，不同的使用场合要求不同的可靠度，设备的可靠性是根据其重要程度、工作要求和维修难易等方面的因素综合考虑决定的。舞台机械的使用率不高，载荷率较低，对寿命设计有一定要求，而对可靠性设计则要求很高，因为一旦出现问题就可能造成严重的安全事故或较大的经济损失。舞台机械必须有较高的可靠性，其失效概率应在0.1~1.0%之间。由于缺乏必要的实验数据和具体深入的研究，可靠性设计理论在舞台机械设计中尚无具体应用。研究表明，虽然只用安全系数不能完全反映可靠性水平，但在舞台机械零部件设计中将各参数作为随机变量处理，尚缺乏足够的数据。所以，将设计参数作为确定量，用强度安全系数或许用应力作为判别依据，通过选取适当的安全系数来近似控制其工作可靠性的要求，仍然是当前舞台机械设计的主导方法。由于计算结果与实际情况有一定偏差，故必须使计算允许的零部件的承载能力有必要的安全裕量，这就是确定安全系数的基本出发点。通常，舞台机械还应提出设计寿命指标。以工作年限为单位的寿命指标对舞台机械并不适用，而以工作小时计的寿命更符合实际，8000~10000小时的工作寿命应当是舞台机械设计的基础数据。

 舞台机械的安全性指标主要包括设备安全、人身安全和电气安全等三方面，而且，这三个因素相互关联、相互影响，有时是不可分割的。

二、设备安全

设备安全是指：舞台机械设备在规定的工作条件下长期使用不产生意外事故的能力；在发生临时故障时能在降低后的技术参数下继续工作的能力；舞台机械设备对非正常工作状态的感知、显示和报警的能力。这种能力或性能通常是由机械设计本身和电气控制共同完成的；考虑在演出中尽快能排除舞台机械的临时故障的能力，使舞台机械的故障尽量能不影响演出的正常进行。

涉及设备安全的因素很多，主要有以下几个方面：

1．足够的安全系数

所有机械零部件的选择和设计必须保证在额定载荷和惯性载荷的联合作用下，能可靠的工作并有一定的安全储备，即有足够的安全系数。安全系数定义为:所有材料的极限应力与零件的最大工作应力之比。零件的最大工作应力应考虑最大静载荷及动载荷（紧急启制动、碰撞等惯性载荷）作用下产生的应力。例如:悬挂重物或牵引用的钢丝绳，其安全系数应大于或等于10;起重链的安全系数应大于或等于12;传动链的安全系数应大于或等于10;所有传动系统的部件在选用时应能承受两倍的额定载荷;初略计算时，传动件和受力件的安全系数应大于或等于6，精确计算时其安全系数应符合有关标准或规范对该类零件的规定。

2．合适的刚度

舞台机械的主要受力构件应有合适的刚度，以适应舞台表演的需要。通常，规定受力构件的挠度应小于构件跨度的1/1000~1/800，有时，还对挠度的绝对值作出规定，这些构件必须同时满足这两个要求。传动件的扭转刚度、压杆的稳定性等应符合有关标准规范的规定。对升降台来说，为了获得足够的横向刚度，其计算水平载荷不小于垂直运动载荷的1/20。

3．合理的结构和尺寸参数

为避免或减少某些机械零件由于结构尺寸不合理而产生过大的附加应力或过早的疲劳破坏，设计时应对其结构尺寸给予足够的重视。卷扬系统的零部件比较典型，如：卷扬机驱动卷筒的直径应大于钢丝绳直径的18倍，滑轮直径应大于钢丝绳直径的20倍，摩擦传动（曳引式传动）的驱动轮直径应大于钢丝绳直径的40倍等，所有钢丝绳用的配件都要和钢丝绳直径相匹配，钢丝绳接头只能采用那些传递载荷大于80%钢丝绳断裂载荷的接头形式，如：编接接头、合金浇注套管接头、楔型接头、铝合金挤压套管接头和符合规定并正确使用的钢绳绳夹等。卷筒挡边的高度应大于钢丝绳直径的2倍，单层卷绕的卷筒，至少留有两圈摩擦固定圈，钢绳与卷筒或滑轮的偏角应小于4°等。段慧文（教授级高工）