自動(dòng)伸縮折疊雨棚的設(shè)計(jì)與研究

張光劉，林瑞進(jìn)，汪自祥，顏海峰

（中國聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州310052）

2017年9月4日G20第十一次峰會(huì)在杭州盛大開幕，一場(chǎng)與2008年北京奧運(yùn)會(huì)開幕式相媲美的文藝匯演在杭州西湖上演。美輪美奐，璀璨奪目，給世界人民呈現(xiàn)視覺與聽覺的饕餮盛宴。杭州向世界傳達(dá)了中華民族的包容大氣，以及濃濃的江南韻味。

杭州西湖作為世界文化遺產(chǎn)，世界著名的旅游景點(diǎn)，對(duì)周邊的建筑都有嚴(yán)格的規(guī)劃和要求，不能破壞西湖的自然風(fēng)光。既要保證節(jié)目組在細(xì)雨中能演出，但又不能讓嘉賓和觀眾淋雨，印象西湖組委會(huì)提出了要有一種可以快速拆裝，但又不影響西湖的自然風(fēng)光和白天游客正常旅游的自動(dòng)伸縮折疊雨棚的解決方案。

1　設(shè)計(jì)要求

印象西湖組委會(huì)提出的自動(dòng)伸縮雨棚解決方案中，看臺(tái)長(zhǎng)度20 m，共4跨，每跨15.5 m，總跨度62 m，新建面積超過1 200 m2.在觀眾席需要雨棚時(shí)自動(dòng)伸縮折疊雨棚可沿每跨立柱橫梁自動(dòng)伸展，不需要雨棚時(shí)自動(dòng)伸縮折疊雨棚可自動(dòng)收縮折疊[2-3]。

2　設(shè)計(jì)方案及原理

根據(jù)看臺(tái)特點(diǎn)，自動(dòng)伸縮折疊雨棚可設(shè)計(jì)4套相同的且每套滿足長(zhǎng)度20 m、跨距15.5 m單跨距看臺(tái)遮掩需求。雨棚在展開工作時(shí)雨水應(yīng)順利向后方滑落，不影響前方視線，因此雨棚展開時(shí)應(yīng)具備一定斜度，同時(shí)雨棚在收縮過程中，可利用自身向下分力實(shí)現(xiàn)收縮滑行，有效減少收縮電機(jī)動(dòng)力。

自動(dòng)伸縮折疊雨棚主要包括雨棚牽引系統(tǒng)、折疊雨棚機(jī)構(gòu)、雨棚運(yùn)行軌道及控制系統(tǒng)等部分。雨棚牽引系統(tǒng)用于驅(qū)動(dòng)折疊雨棚機(jī)構(gòu)的展開與收縮，并具有防止雨棚意外展開或收縮的安全防護(hù)裝置；折疊雨棚機(jī)構(gòu)用于雨布規(guī)整展開與收縮；雨棚運(yùn)行軌道用于折疊雨棚機(jī)構(gòu)的行走，雨棚運(yùn)行軌道安裝固定于看臺(tái)立柱頂端；控制系統(tǒng)用于控制雨棚展開與收縮，同時(shí)監(jiān)測(cè)工作過程的雨棚牽引系統(tǒng)的實(shí)時(shí)工況，具有良好的安全防護(hù)作用。

在觀眾席需要雨棚時(shí)，雨棚牽引系統(tǒng)電機(jī)正轉(zhuǎn)啟動(dòng)，折疊雨棚片架從前端開始依次張開，雨布展開到位后，電機(jī)停止運(yùn)行和電動(dòng)推桿防滑裝置開始工作，雨棚自動(dòng)展開完成。

在觀眾席不需雨棚時(shí)，雨棚牽引系統(tǒng)的電機(jī)反轉(zhuǎn)啟動(dòng)，同時(shí)電動(dòng)推桿防滑裝置自動(dòng)拔掉安全軸，雨棚自重產(chǎn)生的向下分力使雨棚片架從尾端開始依次折疊，雨棚折疊到位后，電機(jī)停止運(yùn)行，雨棚自動(dòng)折疊完成。

3　雨棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1　雨棚牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雨棚牽引系統(tǒng)主要由滑輪組、電動(dòng)防護(hù)裝置、牽引傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鋼桁架、導(dǎo)輪組等組成。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　雨棚牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

考慮雨棚運(yùn)行軌道安裝誤差及因室外環(huán)境對(duì)桁架的影響，雨棚牽引系統(tǒng)設(shè)置了滑輪組與導(dǎo)輪組，滑輪組采用無輪緣走輪結(jié)構(gòu)，導(dǎo)輪組采用有輪緣走輪結(jié)構(gòu)。牽引傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在鋼桁架內(nèi)部，其主要由減速電機(jī)、聯(lián)軸器、鏈輪等組成，減速電機(jī)兩側(cè)各通過聯(lián)軸器帶動(dòng)輪組運(yùn)行，牽引傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與雨棚運(yùn)行軌道采用銷齒輪傳動(dòng)形式，保證雨棚展開或收縮時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)。文中[4]采用自動(dòng)夾軌器通過電氣聯(lián)鎖，由電機(jī)帶動(dòng)螺桿使壓縮彈簧產(chǎn)生夾緊力自動(dòng)夾緊軌道，該方式若在電機(jī)停電情況下就無法實(shí)現(xiàn)有效的安全保護(hù)。本文采用機(jī)電配合方式有效保證雨棚運(yùn)行安全可靠性。電動(dòng)防護(hù)裝置由電動(dòng)推桿、彈性安全插銷等組成，在銷齒輪傳動(dòng)停止動(dòng)作時(shí)電動(dòng)推桿自動(dòng)向下推動(dòng)彈性安全插銷插入銷齒內(nèi)，有效防止雨棚的意外滑動(dòng)。此外，雨棚牽引系統(tǒng)的電流或速度變化若有異常，則電動(dòng)推桿可將插銷插入銷齒內(nèi)，具有良好的安全防護(hù)功能。電動(dòng)防護(hù)裝置為雨棚展開或收縮提供了第二道安全保護(hù)措施，保證了雨棚在正常展開或收縮時(shí)的安全性。鋼桁架為鋼管經(jīng)過焊接組成的矩形框架，鋼桁架具有良好的強(qiáng)度性能，有效保證了雨棚著雨時(shí)的強(qiáng)度。

3.2　折疊雨棚機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

折疊雨棚機(jī)構(gòu)主要由折疊機(jī)構(gòu)鋼骨架、雨布膜、鉸鏈組件、鋼絲繩、鋼絲繩夾等組成。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2　雨棚牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

折疊機(jī)構(gòu)鋼骨架由鋼骨片架通過上方鉸鏈聯(lián)接、下部鉸鏈組成而成，折疊機(jī)構(gòu)鋼骨架的上部鉸鏈聯(lián)接安裝固定后，雨布膜可固定于鉸鏈上方，與鋼骨架隨動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雨布膜的展開收縮功能。鋼骨架采用三角形結(jié)構(gòu)的鋼骨片架聯(lián)接，具有良好的強(qiáng)度，有效保證展開時(shí)雨布膜受雨飄打而不形變。鋼骨片架之間通過鉸鏈組件、鋼絲繩、鋼絲繩夾等聯(lián)接。鋼絲繩具有柔性收縮性能，保證了鋼骨片架收縮時(shí)可隱藏不可見。

雨布膜采用高強(qiáng)薄膜材料（PVC或Teflon），具有超高的抗拉強(qiáng)度和彈性，可自適應(yīng)接合處內(nèi)、外隨季節(jié)發(fā)生的溫度變化。

3.3　雨棚運(yùn)行軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雨棚運(yùn)行軌道作為雨棚展開收縮軌道，安裝固定于看臺(tái)頂部，每側(cè)各一組軌道，軌道安裝時(shí)保證一定斜度，便于雨棚展開雨水可以順利向后滑落。軌道安裝同時(shí)應(yīng)保證其水平度，直線度等要求。安裝誤差將會(huì)使其結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生附加應(yīng)力，導(dǎo)致雨棚折疊機(jī)構(gòu)無法正常順利運(yùn)行。因此，在軌道安裝時(shí)應(yīng)制定相應(yīng)的技術(shù)措施保證各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的要求。在安裝時(shí)還應(yīng)保證軌道跨距的調(diào)整量。雨棚運(yùn)行軌道主要由銷齒齒條組合件，軌道安裝底座等組成。銷齒齒條組合件主要由銷軸、軸套構(gòu)成，輪齒與圓柱銷軸平衡嚙合，具有運(yùn)行平穩(wěn)可靠等特點(diǎn)，同時(shí)圓柱銷軸加工簡(jiǎn)單、造價(jià)低且拆修維護(hù)方便，在使用過程中若個(gè)別銷齒損壞，只需更換損壞的銷齒，不需要整體銷輪更換。見圖3.

圖3　雨棚運(yùn)行軌道示意圖

3.4　控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)作為雨棚展開收縮的控制中心，運(yùn)行過程中應(yīng)保證折疊雨棚機(jī)構(gòu)在兩條運(yùn)行軌道上的同步運(yùn)行，同時(shí)還應(yīng)防止雨棚的傾斜運(yùn)行，控制系統(tǒng)在雨棚移動(dòng)過程中應(yīng)時(shí)刻注意位置監(jiān)測(cè)及到位后的安全保護(hù)監(jiān)測(cè)。由可編程控制器實(shí)現(xiàn)其程序的自動(dòng)控制功能。

雨棚運(yùn)行軌道上根據(jù)定位，監(jiān)測(cè)需求安裝各傳感器，在極限位置安裝限位器及緩沖器。傳感器通過可編程控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控雨棚移動(dòng)位置。

4　自動(dòng)伸縮折疊雨棚結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

自動(dòng)伸縮折疊雨棚采用銷齒傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，具有安裝精度低、造價(jià)低等特點(diǎn)，同時(shí)在運(yùn)行時(shí)無噪聲；自動(dòng)伸縮折疊雨棚在展開雨棚膜后可通過電動(dòng)安全防護(hù)裝置，有效保證了雨棚的可靠安全性。雨棚運(yùn)行軌道固定安裝在頂梁且具有一定斜度，有效保證了雨水向水滑落，減輕了展開后雨棚的重量，提高了雨棚工作可靠性，另雨棚在收縮過程中可依靠自己重量進(jìn)行緩慢折疊，具有節(jié)能效果。

自動(dòng)伸縮雨棚可滿足大跨度、大面積的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)展開和收縮折疊需要場(chǎng)所，具有操作簡(jiǎn)單靈活等特點(diǎn)。

5　結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了自動(dòng)伸縮折疊雨棚機(jī)構(gòu)的工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并描述了自動(dòng)伸縮折疊雨棚結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該自動(dòng)伸縮折疊雨棚結(jié)構(gòu)具有運(yùn)行原理簡(jiǎn)單，功能新穎，其成功設(shè)計(jì)不僅滿足市場(chǎng)需求，同時(shí)也對(duì)其他折疊型機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。目前，大規(guī)模露天演出場(chǎng)所，體育場(chǎng)館等公共設(shè)施均提出同時(shí)需要滿足露天和室內(nèi)兩種使用要求，不僅需要滿足觀眾在晴朗的天氣中享受戶外的歡樂，也要滿足雨雪天氣下這些場(chǎng)所的使用，這種能自動(dòng)伸縮折疊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)就可為這些場(chǎng)所頂棚設(shè)計(jì)提供新的參考方案。

本文所述的自動(dòng)伸縮折疊雨棚機(jī)構(gòu)已在2017年9月5日晚G20峰會(huì)演出時(shí)正式使用。