淺基坑傾斜車轉(zhuǎn)臺的設(shè)計

阮玉瑭，張術(shù)永，黃元樂，李 強，尹文敬

（浙江大豐實業(yè)股份有限公司（杭州）舞臺設(shè)計院，浙江 杭州 310000）

作為文化傳播的重要媒介之一，劇院在不斷地改進和創(chuàng)新各種演藝設(shè)施，以滿足高難度、多樣化的演出要求。劇院的舞臺機械是表演多樣性的重要硬件支撐，因此，舞臺機械也逐漸由傳統(tǒng)的形式簡單、功能單一，向多功能化、復(fù)雜化、多樣化、集成化和自動化轉(zhuǎn)變。近期，筆者所在的單位為某主題樂園的劇院設(shè)計了一臺淺基坑傾斜車轉(zhuǎn)臺，該設(shè)備可實現(xiàn)整體平移、單邊傾斜和旋轉(zhuǎn)三項功能。

1 傾斜車轉(zhuǎn)臺的構(gòu)成

傾斜車轉(zhuǎn)臺由三部分組成（如圖1～圖3）：（1）車臺：寬18m、進深11m，承載整個臺面及其附屬設(shè)備，并實現(xiàn)前后平移運動，行程為9 m；（2）傾斜臺：通過鉸接的方式安裝于車臺之上，面積與車臺相同，攜帶轉(zhuǎn)臺圍繞鉸接中心翻轉(zhuǎn)15°，形成傾斜的舞臺面；（3）轉(zhuǎn)臺：直徑為9 m的圓臺嵌裝于傾斜臺內(nèi)，可任意角度旋轉(zhuǎn)。

該套舞臺設(shè)備中，車臺和轉(zhuǎn)臺部分均屬于常規(guī)舞臺機械，設(shè)計難度不大，本文不做詳細介紹。而傾斜臺由于受到安裝空間的影響，加之傾斜過程的位移變化，必須避免與其他設(shè)備產(chǎn)生干涉，所以，機械設(shè)計存在一定的難度。

2 傾斜臺設(shè)計

2.1 傾斜臺設(shè)計存在三大難題

傾斜臺尺寸為18 m（寬）×11m（進深），傾斜角度0°～15°，翻轉(zhuǎn)中心線為臺面前端上邊緣線，傾斜臺安裝深度僅1 m。受此設(shè)計條件的限制，舞臺結(jié)構(gòu)設(shè)計存在以下三方面的難題。

（1）主體鋼架的高度受限

由于基坑較淺，傾斜臺主桁架設(shè)計弦高僅有750 mm，相對于18 m的跨度，鋼架整體剛度遠遠不足。

（2）傾斜角度大

由于基坑較淺，而傾斜臺要求的傾斜角度又比較大，因此傾斜臺后部抬起的高度很高，這就要求頂升機構(gòu)具有很大的伸縮比。

（3）傾斜旋轉(zhuǎn)中心必須是面前端上邊緣線

為避免傾斜過程的臺面位移變化與其他設(shè)備產(chǎn)生干涉，舞臺工藝要求臺面翻轉(zhuǎn)中心應(yīng)以舞臺臺面前端上邊緣線作為旋轉(zhuǎn)中心線（如圖4）。為保證臺面剛度，舞臺鋼結(jié)構(gòu)必須具備一定的高度。按常規(guī)的設(shè)計方法，在臺面鋼結(jié)構(gòu)下層前端設(shè)置一個鉸接點，舞臺面圍繞該鉸接點進行翻轉(zhuǎn)，而不是以舞臺臺面的前端上邊緣線作為翻轉(zhuǎn)中心，這樣當(dāng)舞臺翻轉(zhuǎn)時，前端上邊緣線將沿一定的軌跡轉(zhuǎn)動。舞臺從0°翻轉(zhuǎn)到15°的過程中，舞臺前端與其他設(shè)備會產(chǎn)生明顯的干涉，嚴(yán)重影響舞臺設(shè)備的使用安全，因此，按照常規(guī)設(shè)計并不能滿足工藝要求（如圖5）。

2.2 對應(yīng)的解決方案

針對上述難題，通過分析論證，在設(shè)計時制定了相應(yīng)的解決方案，即：對傾斜臺鋼架結(jié)構(gòu)尤其是頂升裝置的形式、數(shù)量和位置進行了設(shè)計優(yōu)化；選擇確定了傾斜頂升驅(qū)動機形式及其安裝連接方式；設(shè)計了多連桿鉸接機構(gòu)，確保舞臺圍繞虛擬圓心進行旋轉(zhuǎn)傾斜，避免與其他相鄰設(shè)備產(chǎn)生運動干涉等。

2.2.1 多點支撐（頂升）結(jié)構(gòu)

傾斜臺寬度達18 m，設(shè)計采用多點支撐結(jié)構(gòu)，有效改善臺面鋼架高度低剛度不足的情況。各支撐（頂升）驅(qū)動之間采用機械同步和電氣同步相結(jié)合的“雙同步”控制方式，確保各點頂升的同步精度，防止舞臺在傾斜升降過程中因驅(qū)動機構(gòu)不同步而造成的鋼結(jié)構(gòu)扭曲變形（如圖6）。

圖3 傾斜車轉(zhuǎn)臺工藝布置

圖4 傾斜臺的翻轉(zhuǎn)中心示意圖

圖5 按常規(guī)方法設(shè)計傾斜臺翻轉(zhuǎn)中心的示意圖

圖6 機械同步多點支撐原理圖

2.2.2 柔性齒條頂升驅(qū)動

圖7 自適應(yīng)浮動基座柔性齒條頂升機構(gòu)

圖8 傾斜臺虛擬圓心結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖9 虛擬圓心多連桿機構(gòu)設(shè)計原理圖

由于建筑結(jié)構(gòu)已完成，留給設(shè)備安裝的基坑過淺，用一般的頂升裝置很難滿足安裝要求，為此，設(shè)計中采用了專利技術(shù)產(chǎn)品柔性齒條作為頂升驅(qū)動裝置。柔性齒條是將齒條進行分塊式柔性化設(shè)計，規(guī)避了剛性齒條的儲藏弊端，齒塊間互相鉸接，通過齒輪嚙合機構(gòu)的轉(zhuǎn)折，將垂直升降的齒條轉(zhuǎn)換為水平儲藏，具有很大的伸縮高度比，其最小安裝高度不足0.8 m，這就解決了基坑淺、鋼架低、安裝高度不足的問題。考慮到頂升過程中頂升機構(gòu)會隨傾斜臺角度的變化而產(chǎn)生偏擺，因此，將柔性齒條嚙合箱基座和上支點設(shè)計成鉸接安裝，使其能夠自適應(yīng)偏擺角度的變化。利用柔性齒條頂升、結(jié)合自適應(yīng)鉸接嚙合箱底座和頂升點的設(shè)計，既解決了傾斜臺傾斜行程大與舞臺垂直安裝空間狹小的矛盾，又能夠保證運行的平穩(wěn)、可靠、安全（如圖7）。

2.2.3 多連桿虛擬圓心鉸鏈

按照舞臺工藝要求，傾斜臺翻轉(zhuǎn)必須以舞臺臺面前端上邊緣線作為旋轉(zhuǎn)中心線，為此專門設(shè)計了一套多連桿機構(gòu)，實現(xiàn)舞臺圍繞虛擬圓心進行翻轉(zhuǎn)（如圖8），從而徹底避免了舞臺翻轉(zhuǎn)時與固定臺干涉的問題。多連桿機構(gòu)的基本原理如圖9所示，a點作為固定支座鉸接點，拉桿僅可圍繞該點旋轉(zhuǎn)，即b點只可繞a點做圓周運動；c點在腰型槽的限制下繞虛擬圓心O做圓周運動；按照舞臺翻轉(zhuǎn)角度的要求來決定腰型槽的長度。

其余各點的設(shè)計需根據(jù)舞臺鋼結(jié)構(gòu)的受力分布，并結(jié)合整個舞臺的受力穩(wěn)定性，確定各點的位置和各拉桿的長度。需要指出的是，該結(jié)構(gòu)在運動中形成的虛擬圓心O并不是真正意義上固定不動的圓心，而是按一定的運動軌跡做微小往復(fù)運動的漂浮點，其運動軌跡呈橫向的水滴狀，軌跡的變化與各連桿的長度和各鉸接點有直接關(guān)系，但這種微小的變化并不影響設(shè)備的正常運行，完全滿足與相鄰設(shè)備間互不干涉的要求。

3 結(jié)語

淺基坑傾斜車轉(zhuǎn)臺中傾斜臺的設(shè)計，主要利用了柔性齒條安裝空間小、行程大的特點，解決了舞臺設(shè)備基坑淺、安裝空間不足、行程大的問題；設(shè)計采用了鉸接式柔性齒條底座和上頂升點，使其通過自適應(yīng)偏擺的方式，極大地改善了齒條頂升時的受力狀態(tài)；多點支撐結(jié)構(gòu)解決了舞臺鋼架剛度不足的問題，并引入機械同步裝置，結(jié)合電氣同步控制，確保了多點支撐傳動的同步可靠性，使各點的受力趨于均勻，頂升速度一致，舞臺動作平穩(wěn)；多連桿虛擬圓心機構(gòu)的設(shè)計，使設(shè)備翻轉(zhuǎn)中心與工藝要求的一致，解決了設(shè)備間的運動干涉問題。經(jīng)過實踐，上述各項設(shè)計在設(shè)備運行中均發(fā)揮出較好的作用，獲得了良好的實際使用效果。