芭蕾舞臺傾斜臺面虛擬鉸軸的設計與分析

張向勇　劉斌　常江江

[摘要]介紹虛擬鉸軸機構在芭蕾舞臺傾斜臺面中的應用，該機構有效地實現了臺面接口在運動過程中始終保持契合，重點對翻轉驅動力進行分析，并進一步提出改進與優(yōu)化措施。

[關鍵詞]芭蕾舞臺；傾斜臺面；虛擬鉸軸；翻轉驅動力；優(yōu)化措施

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2016.08.013

1 虛擬鉸軸的提出

可傾斜臺面的芭蕾舞臺是舞臺行業(yè)中常用的機械設備，它可以通過不同的傾斜角度變換及相互間的配合，更完美地向觀眾呈現表演的效果。為了實現芭蕾舞臺臺面的傾斜功能，最理想的狀態(tài)是以木地板的上邊緣為旋轉軸進行傾斜，如圖1所示。

在傾斜過程中，A點與固定臺面的水平位置、高度相比均沒有發(fā)生變化，所以不會因為臺面傾斜而與固定臺面產生干涉問題。

但是工程實際中，無法在木地板的上邊緣設置鉸點，只能是盡量靠近A點，如圖2所示。

對比傾斜前后的位置，可以看出，A點與固定臺面的水平位置、高度相比均有變化，并且產生了干涉。顯然這種設計滿足不了要求。

國家大劇院芭蕾舞臺傾斜機構采用了一個以旋轉點A為圓心的弧形軌道，并增設了一個拉桿限制傾斜臺面的自由度，以便使臺面能夠沿著弧形軌道運動，如圖3所示。

從圖3中可以看到，傾斜前的位置和最大傾角的位置與固定臺面相比均沒有發(fā)生位置變化，滿足使用要求。但是，在傾斜過程中，旋轉點A存在少量的位移變化。

基于虛鉸原理的虛擬鉸軸機構，可以解決上述問題。該機構采用了兩個以旋轉點A為圓心的弧形軌道，使臺面無論旋轉到任何位置，都能看成是傾斜臺面在圍繞虛擬鉸點A旋轉，虛擬鉸點A的位置保持不變，有效地實現了臺面接口在運動過程中始終保持契合，如圖4所示。

采用這種結構進行芭蕾舞臺設計時，翻轉驅動機構的作用方式、弧形軌道的幾何尺寸等因素對虛擬鉸軸機構的使用效果都有直接影響。

2 翻轉驅動力分析

受翻轉臺面厚度所限，翻轉驅動機構的作用力相對鉸點的力臂較小，所以作用力方向對鉸點的影響是顯著的。下面對兩種設計進行分析。

2.1 驅動形式1

結合圖5、圖6、圖7進行分析。

已知：F₄=100000N（自重+載荷）

對A點取矩：

2.3 分析

對2.1、2.2的計算結果進行匯總分析，得到表1。

驅動形式1中的滾輪B點、C點受力比驅動形式2大了很多，會導致摩擦阻力太大，翻轉驅動力不足，傾斜臺面可能翻不起來。

修改為驅動形式2后，傾斜臺面可以正常翻轉，虛擬鉸軸機構在全過程中，A點的位置偏移在±2mm范圍內。

3 改進與優(yōu)化措施

對虛擬鉸軸機構進行改進與優(yōu)化，有以下幾種措施。

3.1 措施一：移動滾輪位置

往前移動滾輪，使得第一個滾輪盡量在A點的下方。通過受力分析，發(fā)現此種優(yōu)化對滾輪B點、C點的受力有所改善，但改善不大。

3.2 措施二：拉大滾輪間距

盡量拉大兩個滾輪之間的距離，使其力臂盡量大。通過受力分析，發(fā)現此種優(yōu)化對滾輪B點、C點的受力有很大改善，受力基本上是原來的一半。如圖11的左邊所示。

3.3 措施三：改變推桿驅動形式

改變動力推桿的驅動形式，變?yōu)榘雮€剪刀撐的驅動，這樣充分釋放了水平方向的附件力，對滾輪B點、C點的受力也有很大改善。如圖11的右邊所示。

4 結論

基于虛鉸原理的芭蕾舞臺傾斜臺面虛擬鉸軸，有效地保證了臺面接口在運動過程中始終保持契合。在此基礎上，筆者提出的一些改進與優(yōu)化措施，有助于該機構在類似設備中的應用推廣。

（編輯 王芳）