二維移動(dòng)車(chē)臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)

嚴(yán)華鋒，姚 亮，李 陽(yáng)

（浙江大豐實(shí)業(yè)有限公司，浙江 余姚 315400）

車(chē)臺(tái)是舞臺(tái)機(jī)械中的重要設(shè)備之一，在現(xiàn)代劇場(chǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。車(chē)臺(tái)的種類(lèi)很多，驅(qū)動(dòng)方案也各異，車(chē)臺(tái)的移動(dòng)路線一般由側(cè)舞臺(tái)至主舞臺(tái)區(qū)，或由后舞臺(tái)至主舞臺(tái)區(qū)。其功能是將側(cè)舞臺(tái)區(qū)或后舞臺(tái)區(qū)的景、物或演員輸送到主舞臺(tái)區(qū)，給劇場(chǎng)塑造良好的演出環(huán)境，為現(xiàn)代化的演出提供強(qiáng)有力的硬件保證。

車(chē)臺(tái)一般以一維移動(dòng)為主。通常所說(shuō)的車(chē)臺(tái)即為側(cè)車(chē)臺(tái)，側(cè)車(chē)臺(tái)沿舞臺(tái)的橫向移動(dòng)，由側(cè)舞臺(tái)移動(dòng)到主舞臺(tái)區(qū)；后車(chē)臺(tái)也一樣，只是沿舞臺(tái)的縱向移動(dòng)，由后舞臺(tái)移動(dòng)到主舞臺(tái)區(qū)。無(wú)論如何，車(chē)臺(tái)只沿一個(gè)方向前移后退或左右移動(dòng)，不具有既能橫向移動(dòng)又能縱向移動(dòng)的功能。近年來(lái)，為滿足對(duì)舞臺(tái)設(shè)備功能進(jìn)一步提升的要求，推出了既能橫向移動(dòng)，又能縱向移動(dòng)的車(chē)臺(tái)，即二維移動(dòng)車(chē)臺(tái)。

1 國(guó)外案例

1.1 德國(guó)慕尼黑國(guó)立劇場(chǎng)

由MAN公司提供的二維移動(dòng)車(chē)臺(tái)置于后舞臺(tái)區(qū)與側(cè)舞臺(tái)區(qū)之間，如圖1所示。二維車(chē)臺(tái)上，可以先置景或物，然后移動(dòng)到主舞臺(tái)區(qū)，其移動(dòng)路線是二維的。首先，二維車(chē)臺(tái)由存貯位置或置景位置移動(dòng)到后舞臺(tái)區(qū)；然后，再由后舞臺(tái)區(qū)移動(dòng)到主舞臺(tái)區(qū)。

1.2 日本琵琶湖國(guó)立劇場(chǎng)

由三精株式會(huì)社提供的二維車(chē)臺(tái)置于側(cè)舞臺(tái)的后方，如圖2所示。嚴(yán)格意義上說(shuō)這是三維運(yùn)行的車(chē)臺(tái)。因?yàn)樵谲?chē)臺(tái)存貯位置，5塊車(chē)臺(tái)疊在一起，車(chē)臺(tái)需要運(yùn)行時(shí)，先由車(chē)臺(tái)下面的升降機(jī)將車(chē)臺(tái)一一提升出舞臺(tái)面，然后再沿舞臺(tái)縱向移動(dòng)。最多可用數(shù)量是每側(cè)5塊，總共10塊，具體使用數(shù)量可以根據(jù)劇情確定。車(chē)臺(tái)可以在側(cè)舞臺(tái)區(qū)沿縱向移動(dòng)，也能在任一車(chē)臺(tái)位沿舞臺(tái)橫向移動(dòng)。當(dāng)車(chē)臺(tái)移動(dòng)主舞臺(tái)區(qū)后，車(chē)臺(tái)又能在主舞臺(tái)區(qū)縱向移動(dòng)。但車(chē)臺(tái)必須在舞臺(tái)面以上移動(dòng)，即車(chē)臺(tái)移動(dòng)時(shí)會(huì)高出舞臺(tái)面一個(gè)車(chē)臺(tái)的厚度。

2 車(chē)臺(tái)結(jié)構(gòu)剖析

對(duì)二維車(chē)臺(tái)來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵點(diǎn)有二，即驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、行走輪組。

2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

琵琶湖劇場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其縱向與橫向的驅(qū)動(dòng)方式是不一樣的，橫向驅(qū)動(dòng)與常規(guī)的驅(qū)動(dòng)方式相似，它利用剛性鏈推或拉車(chē)臺(tái)，在車(chē)臺(tái)與剛性鏈之間有一輛聯(lián)接小車(chē)，小車(chē)與車(chē)臺(tái)之間聯(lián)接采用了鉤子。當(dāng)車(chē)臺(tái)需要橫向移動(dòng)時(shí)，鉤子就鎖上；在平時(shí)，鉤子則是脫開(kāi)的，而且小車(chē)存貯在側(cè)舞臺(tái)的最外側(cè)。如果小車(chē)在別的位置，有可能與縱向移動(dòng)的車(chē)臺(tái)驅(qū)動(dòng)發(fā)生干擾?？v向驅(qū)動(dòng)則采用滾子鏈，滾子鏈布置在車(chē)臺(tái)的兩端，鏈條同步運(yùn)行，從而驅(qū)動(dòng)車(chē)臺(tái)平穩(wěn)地沿縱向移動(dòng)。

2.2 行走輪組

行走輪是二維車(chē)臺(tái)成功的關(guān)鍵，經(jīng)剖析，以上兩個(gè)劇場(chǎng)的行走輪組完全不同。

2.2.1 琵琶湖劇場(chǎng)的二維車(chē)臺(tái)行走輪

圖3為琵琶湖劇場(chǎng)的二維車(chē)臺(tái)行走輪結(jié)構(gòu)示意圖，圖4為實(shí)拍照片。行走輪由6個(gè)小而長(zhǎng)的滾輪組成，6個(gè)滾輪分成兩組，每組3只滾輪。每個(gè)滾輪以120°角布置，兩組滾輪平行布置，相互之間錯(cuò)開(kāi)角度也是120°。兩組滾輪用固定的方式聯(lián)接在一起，中心布置1根中心軸，兩組滾輪可以沿中心軸旋轉(zhuǎn)，如圖3所示，通常此旋轉(zhuǎn)直徑可達(dá)125 mm，且由圖3可知，此125 mm的旋轉(zhuǎn)圓其實(shí)由6個(gè)圓弧組合而成。同時(shí)，每只滾輪又可以沿自已的中心軸旋轉(zhuǎn)，但此滾輪的最大直徑一般只有45 mm左右，而且沿滾輪長(zhǎng)度方向直徑有所變化，越靠滾輪側(cè)向，直徑越小。由于滾輪組既能沿自己的中心軸旋轉(zhuǎn)，又能沿兩組滾輪的中心旋轉(zhuǎn)。所以此滾輪既能沿橫向滾運(yùn)，又能沿縱向滾動(dòng)。此種滾輪由于結(jié)構(gòu)小，所以與行走面的接觸面積小，導(dǎo)致承載能力較差，同時(shí)運(yùn)行的噪聲高。

2.2.2 慕尼黑國(guó)立劇場(chǎng)的二維車(chē)臺(tái)行走輪

圖5為慕尼黑國(guó)立劇場(chǎng)的車(chē)臺(tái)行走輪。該行走輪由兩組行走輪組成，兩組行走輪的行走方向相互垂直。其中一組為固定式，即行走輪的中心軸是固定在車(chē)臺(tái)的鋼架上；另一組則為浮動(dòng)式，即輪子能上下浮動(dòng)，浮動(dòng)的上下高度約40 mm左右。浮動(dòng)系統(tǒng)則通過(guò)液壓來(lái)驅(qū)動(dòng)，由于一個(gè)車(chē)臺(tái)需要很多組的行走輪，因此，整個(gè)車(chē)臺(tái)上也需要布滿很多的液壓驅(qū)動(dòng)，每組行走輪系一個(gè)驅(qū)動(dòng)。

當(dāng)車(chē)臺(tái)需要固定的一組行走輪行走時(shí)，浮動(dòng)的一組上浮，此時(shí)，整個(gè)車(chē)臺(tái)的重量靠固定一組的行走輪承擔(dān)。反之，如果車(chē)臺(tái)需要換方向行走時(shí)，即沿原先的垂直方向行走，此時(shí)，浮動(dòng)的輪子通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)，將輪子下降，并把整個(gè)車(chē)臺(tái)頂起原來(lái)位置約20 mm左右，此時(shí)，車(chē)臺(tái)的固定輪子就會(huì)懸空，車(chē)臺(tái)的重量與載荷則由浮動(dòng)的一組輪子承擔(dān)，車(chē)臺(tái)就可以沿浮動(dòng)輪行走的方向移動(dòng)了。

此行走輪系由于行走輪的尺寸大，且兩個(gè)方向的行走輪的大小一樣，因此，車(chē)臺(tái)移動(dòng)平穩(wěn)。但此輪系導(dǎo)致車(chē)臺(tái)換向時(shí)需要轉(zhuǎn)換行走輪，且機(jī)構(gòu)復(fù)雜；同時(shí)，車(chē)臺(tái)的高度也有20 mm的變化。

3 二維車(chē)臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究

3.1 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

剖析兩個(gè)劇場(chǎng)的車(chē)臺(tái)后，發(fā)現(xiàn)兩者均為被動(dòng)式車(chē)臺(tái)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，且安裝難度也大。筆者所在公司設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)根據(jù)自身的特點(diǎn)，將二維車(chē)臺(tái)設(shè)計(jì)成主動(dòng)式驅(qū)動(dòng)，即驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)置于車(chē)臺(tái)內(nèi)部。圖6給出了二維車(chē)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，此為一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，其中有兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，分別安裝在一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的鋼架上，旋轉(zhuǎn)鋼架又嵌在方形鋼架內(nèi)，方形鋼架的大小一般設(shè)計(jì)成與車(chē)臺(tái)的寬度相同，因此，可以用方形鋼架的任意一面與車(chē)臺(tái)的鋼架聯(lián)接，組合成完整的車(chē)臺(tái)。

驅(qū)動(dòng)單元的供電采用蓄電瓶供電的方式，控制則采用無(wú)線遙控的辦法。當(dāng)單元上的兩只電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走輪同方向運(yùn)行時(shí)，單元就前進(jìn)或后退。相反，當(dāng)兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走輪反方運(yùn)行時(shí)，如單元方形鋼架被固定或與其他構(gòu)件聯(lián)接在一起，旋轉(zhuǎn)單元?jiǎng)t沿著自身的中心旋轉(zhuǎn)。如果旋轉(zhuǎn)單元旋轉(zhuǎn)90°角，驅(qū)動(dòng)單元的移動(dòng)方向就會(huì)轉(zhuǎn)向90°角，實(shí)現(xiàn)由左右移動(dòng)的車(chē)臺(tái)向前后移動(dòng)轉(zhuǎn)換。一般一塊標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)臺(tái)由兩個(gè)或三個(gè)驅(qū)動(dòng)單元組成。圖7給出了整個(gè)車(chē)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)方向。圖7上圖，車(chē)臺(tái)可以沿長(zhǎng)軸方向移動(dòng)，而下圖，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)分別旋轉(zhuǎn)了90°角，此時(shí)車(chē)臺(tái)可以沿短軸方向移動(dòng)。無(wú)論車(chē)臺(tái)大小如何，每一塊車(chē)臺(tái)，必須有兩個(gè)及以上的單元，否則驅(qū)動(dòng)換向時(shí)，整個(gè)車(chē)臺(tái)就會(huì)旋轉(zhuǎn)。

3.2 行走輪組

行走輪組是二維車(chē)臺(tái)的關(guān)鍵部件，直接決定車(chē)臺(tái)設(shè)計(jì)的成敗。由于琵琶湖劇場(chǎng)行走輪的噪聲大，而慕尼黑國(guó)立劇場(chǎng)的行走輪機(jī)構(gòu)復(fù)雜。設(shè)計(jì)中同樣避開(kāi)了這兩種設(shè)計(jì)方案，選用了如圖8所示的行走輪組。每一單元的行走輪組由3只萬(wàn)向輪及1個(gè)旋轉(zhuǎn)盤(pán)組成，萬(wàn)向輪以旋轉(zhuǎn)盤(pán)為中心分布，每個(gè)輪子安裝底板分布在中心的周?chē)蚁嗷ブg間隔120°角。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)盤(pán)可以繞其中心旋轉(zhuǎn)。因此，當(dāng)車(chē)臺(tái)沿一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，萬(wàn)向輪與旋轉(zhuǎn)盤(pán)會(huì)組合著旋轉(zhuǎn)，使萬(wàn)向輪的行走軌跡完全與車(chē)臺(tái)行走方向一致。

從理論上講，此種結(jié)構(gòu)的行走輪無(wú)論在任何狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)向，行走輪與行走面之間不會(huì)發(fā)生摩擦，達(dá)到最小的車(chē)臺(tái)移動(dòng)方向轉(zhuǎn)換阻力。但行走面并不一定會(huì)十分理想，如果在行走過(guò)程中，三個(gè)萬(wàn)向輪的一個(gè)懸空或與行走面不接觸，旋轉(zhuǎn)盤(pán)就會(huì)打破原有的力學(xué)平衡，旋轉(zhuǎn)盤(pán)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。如果旋轉(zhuǎn)盤(pán)在移動(dòng)過(guò)程中一直旋轉(zhuǎn)，萬(wàn)向輪就會(huì)不斷地找準(zhǔn)自己的行走軌跡，同時(shí)，由于行走輪與行走面之間并非點(diǎn)接觸，而是線（實(shí)際是面）接觸，因此，導(dǎo)致輪子與行走面之間不斷的摩擦，最終的結(jié)果是輪子變形和舞臺(tái)地板被磨擦。為此，設(shè)計(jì)中加大了旋轉(zhuǎn)盤(pán)的旋轉(zhuǎn)阻力，保證在某一個(gè)萬(wàn)向輪懸空時(shí)，旋轉(zhuǎn)盤(pán)不發(fā)生完全的旋轉(zhuǎn)，而只是小角度的擺動(dòng)。這樣，很好地解決了問(wèn)題。但事情都是一分為二的，雖然車(chē)臺(tái)行走時(shí)，旋轉(zhuǎn)盤(pán)不會(huì)發(fā)生完全旋轉(zhuǎn)，在車(chē)臺(tái)需要換向時(shí)，卻加大了換向阻力，為此，配置了足夠大的電機(jī)，保證了車(chē)臺(tái)的順利換向。

3.3 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

由于車(chē)臺(tái)需要向兩個(gè)互相垂直的方向移動(dòng)，用常規(guī)的滾輪嵌入式導(dǎo)向輪無(wú)法完成導(dǎo)向任務(wù)。因此，導(dǎo)入了插板式的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，由于車(chē)臺(tái)的運(yùn)行是兩個(gè)垂直的方向，插板式導(dǎo)向板在車(chē)臺(tái)轉(zhuǎn)換方向前，也須轉(zhuǎn)換方向。此插板式導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由兩部分組成，一部分安裝在車(chē)臺(tái)上，是導(dǎo)向板部分，它可以插入主升降臺(tái)或車(chē)臺(tái)補(bǔ)臺(tái)的槽內(nèi)，當(dāng)需要旋轉(zhuǎn)時(shí)，能讓導(dǎo)板旋轉(zhuǎn)90°角。另一部分則是旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，安裝在主升降臺(tái)或車(chē)臺(tái)補(bǔ)臺(tái)上，此機(jī)構(gòu)剛好安裝在縱向與橫向?qū)蜍壍慕徊纥c(diǎn)上，導(dǎo)向板也須在此接點(diǎn)上轉(zhuǎn)換方向。當(dāng)導(dǎo)向板位于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，經(jīng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)向板會(huì)隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)90°角，導(dǎo)向板由橫向轉(zhuǎn)換成縱向，或由縱向轉(zhuǎn)換成橫向，做好車(chē)臺(tái)轉(zhuǎn)向運(yùn)行的準(zhǔn)備。經(jīng)實(shí)際制造，插板導(dǎo)向很好地滿足了二維移動(dòng)車(chē)臺(tái)的要求。

經(jīng)過(guò)剖析、研究、設(shè)計(jì)，試制了二維移動(dòng)式車(chē)臺(tái)，取得了圓滿的結(jié)果。