Korea Ever-Power · Руководство по применению инженерных решений
Червячные передачи и червячные колеса для сценического оборудования и театральных подъемных систем.
Актер парит на высоте 8 метров над сценой на моторизованной подвесной балке, закрепленной двумя стальными тросами, проходящими через червячную передачу. Зрители сидят в тишине — 800 человек, уровень окружающего шума 28 дБ(А). Червячная передача должна выдерживать вес актера с коэффициентом безопасности 8, двигаться с уровнем шума ниже 32 дБ(А) и останавливаться на точно заданной высоте с точностью до плюс-минус 5 мм — и все это одновременно, ночь за ночью, на протяжении 300 представлений в год. Ни одно другое устройство в этой серии не сочетает в себе безопасность жизни, абсолютную тишину и художественную точность в одном решении.
Сценическое оборудование — системы подъема (летающие декорации и артисты), вращающиеся платформы, подъемники для оркестра, приводы занавесов и тележки с декорациями — использует червячные передачи, поскольку самоблокировка удерживает подвешенные грузы над артистами без отдельного тормоза (критически важно для безопасности), скользящее зацепление обеспечивает самый тихий шум среди всех типов передач (ниже 32 дБ(А) для театров премиум-класса), а профили движения с переменной скоростью требуют плавного вращения без люфта со скоростью от 0,01 до 2 об/мин. Матрица соответствия SIL (уровень безопасности) сопоставляет тип нагрузки (только декорации, артист плюс декорации, летающий артист) и высоту над сценой с требуемым уровнем SIL (1, 2 или 3) и соответствующими требованиями безопасности червячной передачи: коэффициент безопасности, резервирование, протокол проверки самоблокировки и интервал проверки. Стандарт SIL 3 — обязательный для полетов артистов на высоте более 3 метров — требует двойной самоблокирующейся проверки, резервного пути передачи нагрузки, уровня SF 8 или выше, а также ежегодной независимой проверки каждой пары червячных передач в системе подвески.
В тех случаях, когда в сценическом оборудовании используются червячные передачи.
Современный театр или оперный зал может похвастаться от 20 до 80 моторизованных подъемных механизмов (каждый с 1–2 червячными передачами), от 1 до 4 приводов поворотных платформ, от 2 до 8 приводов подъемников (оркестровая яма, сценические подъемники) и от 10 до 30 приводов занавесов и тележек. Общее количество червячных передач в каждом зале варьируется от 40 до 150 — каждая из них рассчитана на самые высокие требования к безопасности, бесшумности и точности в любой отрасли.
Моторизованные подвесные балки позволяют поднимать и опускать декорации, освещение и артистов. Грузоподъемность варьируется от 50 кг (одна подвесная балка) до 2000 кг (полный комплект декораций). Подвес артистов соответствует самым строгим требованиям безопасности: SIL 3 согласно DGUV 17 и ANSI E1.6-1. Самоблокирующаяся система удерживает подвешенный груз на любой высоте без использования двигателя. Скорость: от 0,01 до 2 м/с по вертикали.
Вращающиеся сцены диаметром от 8 до 20 метров вращают декорации и актеров во время сцен. Скорость вращения: от 0,1 до 2 об/мин. Уровень шума ниже 30 дБ(А) на расстоянии 1 метра — это самый строгий показатель шума во всей серии из 35 статей. Актеры стоят и играют на вращающейся поверхности — любая вибрация или рывок при вращении ощущаются через их ноги и мешают их выступлению.
Матрица соответствия SIL — тип и высота нагрузки для обеспечения безопасности червячной передачи.
Система уровней безопасности (SIL), разработанная на основе IEC 61508 и применяемая к развлекательному оборудованию в соответствии с Регламентом DGUV 17 и ANSI E1.6-1, классифицирует риски, связанные с сценическим оборудованием, в зависимости от последствий отказа привода. Последствия зависят от того, что подвешено (декорации или артисты) и на какой высоте над сценой (чем выше, тем дальше падение, тем серьезнее травма). Уровень SIL определяет требования к безопасности червячной передачи — от базовой проверки самоблокировки (SIL 1) до двойных резервных путей передачи нагрузки с ежегодной независимой проверкой (SIL 3).
Увеличение коэффициента запаса прочности от SF 4 (только декорации) до SF 8 (подъём артиста) означает, что пара червячных передач должна быть рассчитана на нагрузку, в 8 раз превышающую фактическую подвешенную нагрузку. Для системы подъёма артиста весом 100 кг требуется пара передач, рассчитанная на эквивалентную нагрузку в 800 кг — это на 3-4 размера больше по сравнению с расчётом только на нагрузку. Этот огромный запас прочности отражает серьёзность последствий: падение декораций повреждает имущество; падение артиста приводит к серьёзным травмам или смерти. Стоимость увеличения размера пары на 3-4 размера (добавление 400-800 долларов США за привод) незначительна по сравнению с потенциальной ответственностью в случае отказа системы подъёма артиста.
Полная тишина — ниже 32 дБ(А) во время выступления.
Требования к уровню шума для червячных передач сценического оборудования являются самыми экстремальными во всей этой серии из 35 статей — они жестче, чем требования к уровню шума в койках реанимации больниц (45 дБ(А) (статья A11)), жестче, чем требования к уровню шума в лифтах премиум-класса (50 дБ(А) (статья A07) и жестче, чем требования к уровню шума в полировальных машинах (38 дБ(А) (статья A24)). В концертном зале во время пассажа пианиссимо уровень шума может достигать 25–30 дБ(А) — и любой шум от оборудования, превышающий окружающий, воспринимается каждым зрителем.
Для достижения уровня шума ниже 32 дБ(А) на расстоянии 1 метра от червячной передачи необходимо одновременно использовать все методы шумоподавления: притирка или сверхтонкая полировка червяка с шероховатостью Ra 0,1–0,2 мкм (самый тонкий слой полировки — такой же, как у приводов оптической полировки в статье A24), полиоксиметилен (ПОМ) или нейлоновый поликарбонатный (МАС) шлифовальный круг (материал, поглощающий вибрации зацепления), эластомерный монтаж (изолирует вибрацию корпуса от конструкции сцены) и низковязкое синтетическое масло (снижает шум перемешивания в герметичном корпусе). Совокупный эффект всех четырех методов позволяет достичь уровня шума от 28 до 35 дБ(А) — в диапазоне, который маскируется даже самой тихой театральной аудиторией.
В одном из корейских национальных театров установили новую 15-метровую вращающуюся платформу для постановки, требующей непрерывного вращения в течение 12-минутной драматической сцены. Шум от червячной передачи платформы был рассчитан на 32 дБ(А). Во время технической репетиции режиссер сообщил, что шум от платформы был слышен даже в самых тихих моментах — измеренный уровень составил 36 дБ(А) в первом ряду сидений (в 6 метрах от края платформы). Сама червячная передача показала уровень шума 31 дБ(А) на расстоянии 1 метра — в пределах спецификации. Однако вибрация, передаваемая через стальную конструкцию платформы, усиливала шум в зрительных залах. Решение: команда сценических инженеров установила эластомерные изоляционные прокладки между корпусом червячной передачи и стальной рамой платформы (стоимость: 650 долларов США за резиновые опоры и монтажные работы), уменьшив путь распространения вибрации через конструкцию. Шум в зрительных залах снизился до 29 дБ(А) — во время спектакля он стал неслышимым. Урок: в спецификацию шума червячной передачи необходимо включить виброизоляцию при монтаже — пара, которая соответствует пределу в 32 дБ(А) в корпусе, может превысить этот предел в зрительных залах, если крепление передает вибрацию в конструкцию сцены. Укажите уровень шума в зрительных залах, а не в корпусе, и включите эластомерную изоляцию в спецификацию монтажа привода.
Технические характеристики трехступенчатых червячных передач.
Пример 1 — Корейский национальный театр: система подвеса из 48 тросов, уровень звукового давления 3, 32 дБ(А)
Корейский национальный театр выбрал червячные передачи для моторизованной системы подвеса с 48 стропами, позволяющей поднимать артиста. Максимальная подвесная нагрузка на одну стропу: 500 кг (декорации) или 150 кг (артист в подвесной системе). Уровень SIL: SIL 3 для всех 48 строп (подъём артиста может осуществляться на любой стропе). SF: 8 (подъём артиста на любой высоте). Номинальная грузоподъемность червячной передачи: 150 × 8 = 1200 кг эквивалент на стропу. Технические характеристики пары: однозаходная, модуль 3, межосевое расстояние 80 мм, передаточное отношение 40:1, номинальный выходной крутящий момент 1800 Н·м. Самоблокировка: двойная проверка — первичная самоблокировка на червячной передаче плюс независимый пружинный предохранительный тормоз на валу двигателя. Уровень шума: 31 дБ(А) на расстоянии 1 м (притертый червяк Ra 0,15 мкм, колесо из полиоксиметилена, эластомерный корпус крепления). Двигатель: сервопривод мощностью 7,5 кВт с защитным энкодером класса SIL-3. Контроль нагрузки: датчик нагрузки в реальном времени на каждой линии подвеса, аварийная остановка при превышении нагрузки 120 процентов от запрограммированного веса. Ежегодная проверка: независимая проверка под нагрузкой 125 процентов, неразрушающий контроль (магнитопорошковая дефектоскопия червячного вала), измерение люфта. Стоимость одной пары червячных передач: 920 долларов США. Итого для 48 линий: 44 160 долларов США. Бюджет строительства театра: приблизительно 85 миллионов долларов США — пары червячных передач системы подвеса составляли 0,05 процента от стоимости строительства, являясь при этом основным компонентом обеспечения безопасности жизнедеятельности.
Пример 2 — Японский театр Кабуки: вращающаяся сцена 18 м, 0,5 об/мин, критично к вибрации.
В японском театре Кабуки для главной вращающейся сцены (мавари бутай) — поворотного стола диаметром 18 метров, вращающего декорации и исполнителей между сценами в традиционной технике сценического оформления Кабуки — были выбраны червячные передачи. Масса поворотного стола: приблизительно 25 тонн (включая поверхность сцены, декорации и до 15 исполнителей). Скорость вращения: от 0,3 до 0,8 об/мин (медленное, эффектное вращение, видимое зрителям). Критически важным требованием был не шум (в представлениях Кабуки используются ударные инструменты и повествование, которые маскируют звуки механизмов), а вибрация: исполнители в традиционных костюмах с высокими париками (в стиле оннагата) чрезвычайно чувствительны к вибрации пола — даже 0,02 мм/с вибрации, передаваемой через пол сцены, вызывает видимое движение парика, которое нарушает художественную иллюзию. Червячная передача: 2-заходная (самоблокировка не требуется — поворотный стол установлен на упорном подшипнике, нет риска воздействия гравитации), модуль 6, межосевое расстояние 160 мм, передаточное отношение 30:1. Притертый червяк Ra 0,15 мкм для минимизации передачи вибрации. Колесо: центробежно отлитое из фосфористой бронзы (POM оказался неэффективным при выходном крутящем моменте 4500 Н·м). Эластомерная муфта между парой и зубчатым колесом поворотного стола. Вибрация на поверхности стола: 0,008 мм/с — ниже порогового значения 0,02 мм/с. бесшумный червячный редуктор для сценического оборудования варианты для использования в театральных системах: поворотные платформы, системы подъема оборудования и подъемники для оркестра.
Пример 3 — Вьетнамский конференц-центр: 12 карнизов для штор, уровень безопасности 1, сбалансированный по затратам.
Вьетнамский конференц-центр заказал червячные редукторы для 12 моторизованных карнизов (сценические занавеси, перегородки, проекционные экраны). Максимальный вес занавеса на один карниз: 80 кг. Отсутствие подвесных нагрузок над людьми — занавеси перемещаются горизонтально по верхним направляющим (SIL 1). Уровень шума: ниже 45 дБ(А) (уровень шума в конференц-центре составляет от 40 до 50 дБ(А) — менее требователен, чем в театре). Червячный редуктор: однозаходный, модуль 1,5, межосевое расстояние 30 мм, передаточное отношение 30:1, радиус закругления Ra 0,4 мкм (достаточный уровень шума 42 дБ(А) с колесом из полиоксиметилена — притирка не требуется при сниженном целевом уровне 45 дБ(А)). Колесо: полиоксиметилен. Коэффициент мощности: 4 (только для декораций, SIL 1). Двигатель: редукторный двигатель переменного тока мощностью 0,37 кВт. Стоимость за пару: 48 долларов США. Итого за 12 карнизов: 576 долларов США. В спецификации показано, что не все сценическое и событийное оборудование должно соответствовать требованиям SIL 3 / SF 8 / уровня шума ниже 32 дБ(А), предъявляемым к национальному театру — уровень безопасности и целевые показатели шума должны соответствовать фактическому риску и типу площадки. Завышение требований SIL 3 для карниза, на котором никогда не подвешены грузы над людьми, приводит к потере более 800 долларов США на каждый привод без каких-либо преимуществ в плане безопасности.
Часто задаваемые вопросы
В: Почему для управления самолетами исполнителей используется топливо SF 8, а не SF 1,5–3, как в промышленных кранах?
Коэффициенты безопасности промышленных кранов (SF 1,5–3 в соответствии со стандартами FEM/ISO) предполагают наличие профессиональных операторов, контролируемых процедур подъема и зон отчуждения. В случае с подвесными театральными артистами эти меры безопасности отсутствуют: артист является полезной нагрузкой (а не профессиональный такелажник), подъем происходит во время живого выступления (а не контролируемый подъем), и люди (другие артисты, рабочие сцены) находятся непосредственно под подвешенным грузом без зоны отчуждения. Коэффициент SF 8 компенсирует крайние последствия (травма или смерть артиста на глазах у зрителей) и невозможность эвакуации со сцены во время представления. Кроме того, сценическое оборудование подвергается художественным изменениям нагрузки (прыжки, раскачивания или падения артистов по команде), которые создают динамические коэффициенты усиления нагрузки от 2 до 3 — статический коэффициент SF 8 уже покрывает большую часть этого динамического усиления.
В: Что означает «двойная самоблокирующаяся проверка» для систем управления полетом уровня SIL 3?
Это означает, что два независимых механизма должны быть способны удерживать всю подвешенную нагрузку, если другой выйдет из строя. Первичным механизмом является самоблокирующийся червячный механизм (который удерживает нагрузку за счет трения в зубчатой передаче). Вторичным механизмом обычно является пружинный тормоз с автоматическим отключением на валу двигателя (который удерживает нагрузку за счет механического трения на тормозном диске). Оба механизма работают на одной и той же трансмиссии, но по разным физическим принципам — если самоблокирующийся червячный механизм выходит из строя (из-за неожиданного изменения смазки, уменьшающего трение), тормоз удерживает нагрузку. Если тормоз выходит из строя (из-за усталости пружины), самоблокирующийся механизм удерживает нагрузку. Вероятность одновременного отказа обоих механизмов является произведением вероятностей их индивидуальных отказов — достижение целевого показателя SIL 3, составляющего менее 10⁻⁷ опасных отказов в час.
В: Можно ли использовать двухзаходную червячную передачу в любом механическом оборудовании?
Только для механизмов с горизонтальным перемещением (поворотные платформы, тележки с декорациями, направляющие для штор), где сила тяжести не может вернуть груз в исходное положение, если двигатель остановится. Поворотные платформы вращаются в горизонтальной плоскости — если двигатель остановится, поворотная платформа останется неподвижной независимо от самоблокировки, поскольку в направлении вращения отсутствует сила тяжести. Двухзаходная спецификация обеспечивает более высокую эффективность (68 против 45 процентов) и более плавное вращение (меньше рывков при низкой скорости) — оба фактора важны для художественного движения поворотной платформы. Для любых механизмов с вертикальным перемещением (лестницы, подъемники) или любых систем, подвешивающих грузы (включая горизонтальное перемещение, где декорации подвешены к движущейся раме), однозаходная самоблокировка является обязательной — без исключений.
В: Как часто необходимо проверять червячные передачи в театральных подвесных системах?
SIL 1 (только декорации): ежегодный визуальный осмотр плюс измерение люфта техническим персоналом площадки. SIL 2 (декорации над артистами на высоте менее 3 м): ежегодное испытание под нагрузкой 125 процентов плюс измерение люфта квалифицированным инспектором сценического оборудования. SIL 3 (подъём артистов или декорации на высоте более 3 м над артистами): ежегодное испытание под нагрузкой 125 процентов плюс неразрушающий контроль (магнитопорошковая или ультразвуковая дефектоскопия сварных швов червячного вала и корпуса) плюс измерение люфта — всё это проводится аккредитованным сторонним инспекционным органом. Кроме того, системы SIL 3 требуют предварительной проверки работоспособности перед каждым представлением, которая включает в себя сигнал к подъёму артиста — оператор подъёма запускает каждую линию подъёма артиста без артиста, чтобы проверить работу двигателя, тормоза и самоблокировки перед тем, как артист будет прикреплён.
В: Каков типичный срок службы червячной передачи в театральном механизме?
Системы подъема сценического оборудования в театре обычно используются для 300-500 представлений в год плюс 200-400 часов репетиций — общее время работы составляет 500-1500 часов в год. При такой низкой нагрузке и умеренных крутящих моментах бронзовое или полиоксиметиленовое колесо служит механически от 10 до 20 лет. Однако режим инспекции и сертификации часто приводит к более ранней замене: если ежегодный неразрушающий контроль (НК) обнаруживает какие-либо признаки неисправности червячного вала (трещина, коррозионная ямка, след напряжения), вся пара заменяется независимо от оставшегося механического срока службы. В некоторых театрах в рамках модернизации сценического оборудования заблаговременно заменяют все пары червячных передач систем подъема каждые 15 лет — обновляя базовый уровень сертификации безопасности. Стальной червяк служит более 20 лет, если НК подтверждает его исправность при каждой ежегодной инспекции.
Червячные передачи сценического оборудования соответствуют самым экстремальным требованиям безопасности и бесшумности в любой отрасли — SIL 3 с коэффициентом запаса прочности 8 для подъема артистов (самый высокий коэффициент безопасности в этой серии), уровень шума ниже 32 дБ(А) для высококачественных театральных поворотных платформ (самые жесткие требования к уровню шума в этой серии) и плавность движения художественного качества, недоступная ни в одном промышленном применении. Матрица соответствия SIL сопоставляет тип и высоту нагрузки с правильным уровнем безопасности, коэффициентом безопасности, требованиями к резервированию и протоколом проверки, предотвращая как опасное занижение требований, ставящее под угрозу безопасность артистов, так и дорогостоящее завышение требований, когда SIL 3 применяется к приложениям, требующим только SIL 1. Для театральных архитекторов, проектировщиков сценического оборудования и технических директоров площадок червячная передача является механическим сердцем каждой линии подъема, поворотной платформы и подъемника — и ее характеристики определяют, достаточно ли безопасно оборудование для артистов, достаточно ли оно тихое для зрителей и достаточно ли плавное для искусства.
Для производителей сценического оборудования и технических групп театров наш инженерный отдел определяет уровень SIL и рекомендует технические характеристики по безопасности, уровню шума и точности. Стандартный каталог сверхтихие червячные редукторы Подходит для сцен с межосевым расстоянием от 30 до 160 мм и конфигурациями SIL 1–SIL 3. Отправьте заявку. Технические характеристики привода сценического оборудования с учетом типа нагрузки, высоты, требований к уровню звукового давления (SIL), целевого уровня шума и типа помещения.
Выбираете червячные передачи для сценического или театрального оборудования?
Укажите тип груза (декорации, артист), высоту над сценой, целевой уровень шума, тип площадки и необходимость подъема артиста на сцену. Мы определим уровень SIL и порекомендуем коэффициент безопасности, резервирование, уровень шума и протокол проверки.
Запросить техническое задание на привод сценического оборудования →
Редактор: Cxm
