多蓋板的薄型大尺寸旋轉(zhuǎn)馬圈舞臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

馮 朝

（上海文化廣播影視集團(tuán)有限公司，上海 200041）

雜技劇場(chǎng)表演舞臺(tái)不同于一側(cè)觀看的舞臺(tái)，為符合雜技的表演特點(diǎn)，一般設(shè)計(jì)為馬圈舞臺(tái)。為了滿足多元化的表演，增強(qiáng)表演的動(dòng)感，讓觀眾更好地欣賞雜技節(jié)目，體驗(yàn)雜技藝術(shù)的魅力，將固定馬圈舞臺(tái)改造為可旋轉(zhuǎn)馬圈舞臺(tái)，使舞臺(tái)可正反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速可調(diào)；并在保留原有臺(tái)下頂升臺(tái)功能的同時(shí)，添加其他功能的出入洞口。

文中以一個(gè)固定臺(tái)面的馬圈舞臺(tái)改造為例，將其改造成一個(gè)高260 mm、直徑14 m的旋轉(zhuǎn)馬圈舞臺(tái)，并設(shè)置1個(gè)直徑2.6 m、3個(gè)直徑0.7 m的可開(kāi)啟式洞口，以便與原有或新設(shè)的頂升臺(tái)配合使用，增加或豐富演出的表現(xiàn)手段。筆者就改造目標(biāo)、旋轉(zhuǎn)臺(tái)工作原理、蓋板機(jī)構(gòu)工作原理及蓋板區(qū)域的調(diào)整補(bǔ)強(qiáng)等幾方面進(jìn)行解析。

1 舞臺(tái)的改造目標(biāo)

現(xiàn)有舞臺(tái)的改造需達(dá)到四項(xiàng)要求：將現(xiàn)有舞臺(tái)抬高不超過(guò)15 cm，設(shè)立可以正向和反向旋轉(zhuǎn)的直徑14 m旋轉(zhuǎn)臺(tái)，邊緣旋轉(zhuǎn)線速度0.2 m/s～1 m/s；旋轉(zhuǎn)臺(tái)可配合原有地下頂升臺(tái)及新增3處0.7 m直徑出入洞口的使用，并能與洞口準(zhǔn)確對(duì)接；旋轉(zhuǎn)臺(tái)可平穩(wěn)承重200 kg/㎡；遇故障可采取手動(dòng)的應(yīng)急措施。

舞臺(tái)臺(tái)面拆除清理后，為一塊平整的混凝土地面，中心位置下方為地下室的混凝土立柱及從立柱發(fā)散的混凝土大梁；需要在此地面上開(kāi)直徑2.6 m的頂升臺(tái)洞口，并在大梁之間增設(shè)3個(gè)洞口。

新舞臺(tái)除提供旋轉(zhuǎn)功能，還需要通過(guò)設(shè)置不同尺寸的舞臺(tái)蓋板和動(dòng)作機(jī)構(gòu)來(lái)滿足臺(tái)下裝置使用的需要。由于蓋板的存在，蓋板動(dòng)作機(jī)構(gòu)對(duì)旋轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行可能的影響，活動(dòng)蓋板的動(dòng)靜載荷，臺(tái)高的有限空間內(nèi)如何保證臺(tái)體剛度條件下實(shí)現(xiàn)蓋板的內(nèi)藏，這些都需要在初始設(shè)計(jì)時(shí)一體化考慮。

對(duì)于旋轉(zhuǎn)臺(tái)體與蓋板及洞下裝置的關(guān)系，在設(shè)計(jì)及實(shí)施中需遵循以下原則。

（1）蓋板跟隨臺(tái)體旋轉(zhuǎn)，但相對(duì)臺(tái)體呈靜止態(tài)，同時(shí)，蓋板動(dòng)作機(jī)構(gòu)對(duì)臺(tái)體行走不能產(chǎn)生阻礙，即蓋板機(jī)構(gòu)均固定于轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)體上而非固定在地面。

（2）蓋板只能在轉(zhuǎn)臺(tái)被禁止旋轉(zhuǎn)的指定狀態(tài)下進(jìn)行開(kāi)閉動(dòng)作，并在完成動(dòng)作歸位后對(duì)旋轉(zhuǎn)臺(tái)其他狀態(tài)無(wú)影響。

（3）每個(gè)洞下裝置的活動(dòng)各自獨(dú)立，只與所在洞的蓋板和蓋板機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)控制。

（4）當(dāng)遇洞口出現(xiàn)不可避免影響旋轉(zhuǎn)臺(tái)使用時(shí)，只有采取等效替代辦法保證轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)，并盡量減小對(duì)洞口的影響。

2 整體設(shè)計(jì)方案

旋轉(zhuǎn)臺(tái)整體設(shè)計(jì)思路是臺(tái)體采用中心回轉(zhuǎn)支承，中心之外設(shè)若干圈滾動(dòng)輪，臺(tái)體邊緣設(shè)有若干組驅(qū)動(dòng)裝置，帶動(dòng)臺(tái)體順時(shí)針或逆時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)。綜合建筑的現(xiàn)狀，將中心回轉(zhuǎn)支承件安放在中心混凝土立柱上，若干圈行走輪位于混凝土同心圓大梁位置。主臺(tái)體采用鋼框架，鋼架形狀以同心圓和放射線結(jié)合形成主要構(gòu)造，鋼架在直徑2.6 m頂升臺(tái)洞口位置和3處直徑0.7 m的功能洞口位置做敞口處理。動(dòng)力裝置采用電機(jī)摩擦驅(qū)動(dòng)最外側(cè)臺(tái)體框，電機(jī)側(cè)置于梁間空隙處。帶有洞口位置的旋轉(zhuǎn)臺(tái)鋼架體示意圖見(jiàn)圖1。

在嘗試了多種方案后，對(duì)于頂升臺(tái)洞口和功能洞口采用蓋板方案。直徑2.6 m頂升臺(tái)洞口的大蓋板，由于直徑大，等分為2個(gè)半圓蓋板，采用對(duì)搓式拉開(kāi)及閉合的動(dòng)作方式，驅(qū)動(dòng)半圓可以選用體積更小的部件實(shí)現(xiàn)，對(duì)臺(tái)體內(nèi)部鋼構(gòu)架的截?cái)嗝婧蜐L動(dòng)輪的影響相對(duì)較小。而直徑0.7 m的功能洞口小蓋板因尺寸不大，則以整板進(jìn)行開(kāi)啟閉合。

各部分的設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

（1）臺(tái)體

尺寸: φ14 m×0.26 m

載荷: 自重+2 kN/㎡動(dòng)載；自重+5 kN/㎡靜載

行程距離: 360°任意

運(yùn)行噪音: ≤40 dB(A)

邊緣線速度：0.02 m/s ～1 m/s

驅(qū)動(dòng)類型: 摩擦輪驅(qū)動(dòng)

（2）大蓋板及動(dòng)作機(jī)構(gòu)

尺寸：R=1.3 m半圓

動(dòng)載：自重

靜載：自重+5 kN/㎡

行程距離：2.7 m

始末運(yùn)行時(shí)間：9 s（平移）+9 s（頂升）=18 s

定位精度：≤±3mm

驅(qū)動(dòng)類型：卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩牽引+電動(dòng)推桿頂升

半圓形蓋板行走功率 ：2×0.37 kW

半圓蓋板升降推桿功率： 8×0.18 kW

半圓蓋板鎖止推桿功率 ：2×0.18 kW

（3）小蓋板及動(dòng)作機(jī)構(gòu)

尺寸：圓形φ0.7 m

動(dòng)載：自重

靜載：自重+5 kN/㎡

行程距離：0.72 m

始末運(yùn)行時(shí)間：8 s（平移）+9 s（頂升）=17s

定位精度：≤±3mm

驅(qū)動(dòng)類型：電動(dòng)推桿牽引+電動(dòng)推桿頂升

長(zhǎng)臂推桿功率 ：2×0.18 kW

升降推桿功率 ：4×0.18 kW

3 蓋板機(jī)構(gòu)的工作原理

圖1 旋轉(zhuǎn)臺(tái)鋼架體示意圖

在蓋板機(jī)構(gòu)收到蓋板開(kāi)閉信號(hào)后，蓋板機(jī)構(gòu)對(duì)蓋板執(zhí)行對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。蓋板與舞臺(tái)面閉合的上升和脫離臺(tái)面的下落動(dòng)作通過(guò)電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。利用電動(dòng)推桿端頂部的滾輪作用于蓋板外側(cè)斜面，如圖3所示，推桿的推力在蓋板斜面產(chǎn)生的垂直分力將蓋板緩緩頂起直至與臺(tái)面平齊，復(fù)原臺(tái)面。反之電動(dòng)推桿收縮，電動(dòng)推桿端部的滾輪漸漸脫離蓋板的斜面，蓋板依靠自身重量下落，實(shí)現(xiàn)蓋板開(kāi)啟。

已下落的蓋板在臺(tái)體內(nèi)的隱藏通過(guò)車(chē)臺(tái)的移動(dòng)完成。每塊半圓蓋板配置一臺(tái)車(chē)臺(tái)和一套牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)。半圓蓋板下落至洞口位置的車(chē)臺(tái)，卷?yè)P(yáng)機(jī)驅(qū)動(dòng)鋼絲繩牽引車(chē)臺(tái)，帶動(dòng)半圓蓋板移離，直至下方洞口完全露出；同理，車(chē)臺(tái)在卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引下作相向移動(dòng)，封閉下方洞口，如見(jiàn)圖4所示。

小蓋板的上下移動(dòng)同大蓋板，而小蓋板的水平移動(dòng)依靠長(zhǎng)行程電動(dòng)推桿，長(zhǎng)行程電動(dòng)推桿移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)車(chē)臺(tái)移動(dòng)，完成小蓋板內(nèi)藏及下方洞口的啟用。車(chē)臺(tái)下方預(yù)置了行走軌道，如圖5所示。

4 蓋板與轉(zhuǎn)臺(tái)的整體設(shè)計(jì)及設(shè)備選型

當(dāng)有道具或者演員需從舞臺(tái)下部造型出場(chǎng)時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)到預(yù)設(shè)位置鎖定，蓋板動(dòng)作機(jī)構(gòu)做打開(kāi)預(yù)備，電動(dòng)推桿組縮回推桿頭部頂輪，蓋板依靠自重和斜坡結(jié)構(gòu)隨之下沉。隨后蓋板車(chē)臺(tái)牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)或長(zhǎng)臂推桿動(dòng)作，將蓋板平移藏至臺(tái)體結(jié)構(gòu)內(nèi)部。蓋板完全隱藏后，位于轉(zhuǎn)臺(tái)洞口下方的其他設(shè)備即可升起，將道具或演員運(yùn)至舞臺(tái)臺(tái)面。

4.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)及設(shè)備選擇

每塊半圓蓋板和小蓋板在臺(tái)體內(nèi)均配置了4套水平電動(dòng)推桿，如圖3所示。采用多副推桿的理由是，在產(chǎn)生同樣合力時(shí)增加蓋板跟轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，同時(shí)盡可能降低部件尺寸。

圖2 大蓋板電動(dòng)推桿的上升和下降動(dòng)作

圖3 大蓋板電動(dòng)推桿的布置圖

圖4 半圓蓋板移動(dòng)示意圖

圖5 小蓋板水平移動(dòng)示意圖

蓋板跟隨旋轉(zhuǎn)或靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)要承受與臺(tái)體其他部位同等量的動(dòng)荷載與靜載荷，舞臺(tái)設(shè)計(jì)動(dòng)荷載2 kN/㎡，靜荷載5 kN/㎡，按半圓蓋板自重5.6 kN，小蓋板自重0.7 kN計(jì)算取得的推桿和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)推力主要完成克服蓋板自重的頂升。

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)備選擇如下。

（1）臺(tái)體驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇

電機(jī)選用S E W D R S 9 0 L 4- 2.2 k W；減速比i=1 500/88.6=16.9；減速機(jī)選用MR CI 81 U03A-28*250-16.7 v6

（2）半圓蓋板牽引電機(jī)減速機(jī)的選擇

型號(hào)為S E W D R S 7 1 S 4-0.3 7 k W；減速比i=1 500/66=22.7；減速機(jī)選用ROSSI MR CI 50 U03A-14*160-24.1 B3

（3）大蓋板頂升電動(dòng)推桿的選擇（頂升階段）

大蓋板頂升電動(dòng)推桿型號(hào)為WTL30-R4-310-TSFCM(NC)-IN3-LH，其性能參數(shù)見(jiàn)表1。

采用軟件模擬分析電動(dòng)推桿豎直方向的受力。建立推桿模型，對(duì)模型施加5 kN的正壓力，分析結(jié)果如圖6所示，施加最大靜載荷時(shí)，推桿的應(yīng)力為76 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）小蓋板頂升電動(dòng)推桿的選擇

小蓋板頂升電動(dòng)推桿型號(hào)為WTL20-R6-220-F0-FCM(NC)-IN3-LH，其性能參數(shù)見(jiàn)表2。

（5） 水平推拉電動(dòng)推桿的選擇

水平推拉電動(dòng)推桿型號(hào)為WTL40-R2-720-TSFCM(NC)-IN3-RH，其性能參數(shù)見(jiàn)表3。

4.2 蓋板的限位插銷(xiāo)設(shè)計(jì)

為了達(dá)到蓋板上方使用所需設(shè)計(jì)荷載能力以及舞臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)蓋板相應(yīng)能力穩(wěn)定不變，在推桿頭部連接有限位插銷(xiāo)，當(dāng)推桿端部滑輪漸漸將蓋板頂起，將限位插銷(xiāo)伸向蓋板板底并到位后，與每個(gè)推桿連接并同步動(dòng)作的4個(gè)帶輪的限位插銷(xiāo)將蓋板限位，此時(shí)所有蓋板面的承載轉(zhuǎn)由板下支撐部件，即4套限位插銷(xiāo)承擔(dān)，在無(wú)后續(xù)開(kāi)啟命令到來(lái)前，插銷(xiāo)部件保證蓋板在旋轉(zhuǎn)和靜止中穩(wěn)固。

通過(guò)模擬計(jì)算驗(yàn)證所選限位插銷(xiāo)的受力和變形狀況，表明其能夠承受同等量的荷載。

4.3 鋼架結(jié)構(gòu)的調(diào)整補(bǔ)強(qiáng)

有了蓋板動(dòng)作機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式，再確定蓋板區(qū)域鋼架結(jié)構(gòu)的調(diào)整補(bǔ)強(qiáng)。圖7給出了帶有蓋板敞口的臺(tái)體鋼架和蓋板機(jī)構(gòu)布置平面圖，從圖7可看到，由于蓋板的存在，打亂了原有的同心圓和放射線相結(jié)合的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，蓋板途徑線路的架體都需要重新布局設(shè)計(jì)和單獨(dú)核算。

表1 大蓋板頂升電動(dòng)推桿的性能參數(shù)

表2 小蓋板頂升電動(dòng)推桿的性能參數(shù)

表3 水平推拉電動(dòng)推桿的性能參數(shù)

圖6 電動(dòng)推桿豎直方向受力分析

圖7 帶有蓋板機(jī)構(gòu)的主臺(tái)體平面示意圖

4.3.1 小蓋板區(qū)域鋼架結(jié)構(gòu)的調(diào)整補(bǔ)強(qiáng)

3個(gè)小蓋板洞口剛好處于內(nèi)圈第二圈同心圓主鋼架位置，鋼架在此位置無(wú)法連續(xù)，對(duì)此，3個(gè)小蓋板洞口均采用了在洞口位置設(shè)置柜型框進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整。帶有頂升滾輪和限位插銷(xiāo)的4副水平頂升推桿呈斜十字型對(duì)角布置，與車(chē)臺(tái)長(zhǎng)臂推桿錯(cuò)位，避免對(duì)車(chē)臺(tái)軌道的影響。車(chē)臺(tái)軌道設(shè)置在矩形框架中下部、行走輪的內(nèi)側(cè)；推桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)與車(chē)臺(tái)推桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別設(shè)置在鋼架體空隙內(nèi)。電動(dòng)推桿與電機(jī)均依托臺(tái)體主框架固定安裝。

4.3.2 大蓋板區(qū)域鋼架結(jié)構(gòu)的調(diào)整補(bǔ)強(qiáng)

大蓋板因自身尺寸大，啟閉路徑長(zhǎng)，對(duì)鋼架影響較大，對(duì)該區(qū)域鋼架進(jìn)行專門(mén)設(shè)計(jì)。2個(gè)半圓蓋板下移后會(huì)占用兩倍臺(tái)面厚度的空間，首先對(duì)半圓蓋板鋼架自身進(jìn)行減厚處理，使用小規(guī)格鋼材和管材增密，增加自身剛度；而半圓蓋板的車(chē)臺(tái)行走路徑較長(zhǎng)、較寬，為此特別對(duì)半圓蓋板車(chē)臺(tái)移動(dòng)軌道設(shè)置了類似鐵路路基橫梁的橫向連接架，考慮到車(chē)臺(tái)軌道位于圓中心一側(cè)，實(shí)際無(wú)法完全覆蓋洞口，半圓蓋板自重又較重，為防止車(chē)臺(tái)運(yùn)載中失穩(wěn)，方便只有單側(cè)作用的鋼絲繩牽引車(chē)臺(tái)，車(chē)臺(tái)和車(chē)臺(tái)軌道采用了類似抽屜的推拉方式，以減小因洞口軌道缺失引起的蓋板運(yùn)送困難和失穩(wěn)。與軌道適應(yīng)的抽屜結(jié)構(gòu)和類似鐵路橫梁連接架構(gòu)造結(jié)合，成為半圓大蓋板區(qū)域臺(tái)體鋼架的重要替代。

圖8 應(yīng)力圖

圖9 位移圖

從計(jì)算可知，半圓蓋板由于最大拉開(kāi)尺寸已超出主臺(tái)體，故半圓中心線略向內(nèi)傾斜，可保證車(chē)臺(tái)拉開(kāi)后仍處于臺(tái)體內(nèi)，從而維護(hù)了轉(zhuǎn)臺(tái)邊界區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全。為求證帶有大蓋板敞口主臺(tái)體鋼架體的剛性強(qiáng)度與耐變形情況，設(shè)計(jì)階段對(duì)其進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力和沖擊力軟件分析驗(yàn)算。建模時(shí)，鋼架部分區(qū)域采用了等效結(jié)構(gòu)，材質(zhì)設(shè)為普通碳鋼，對(duì)模型施加了最大靜載荷和自重力，仿真結(jié)果見(jiàn)圖8、圖9、圖10。

由仿真結(jié)果可知，應(yīng)力集中在15 MPa ～60 MPa之間，最大應(yīng)變位移為3.89 mm，增加400 kg切向力的位移最大形變量為3.91 mm。根據(jù)鋼架模擬驗(yàn)算，需對(duì)鋼架敞口和薄弱處進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)調(diào)整，通過(guò)增加部分縱橫向連接構(gòu)件來(lái)抵消部分變形和位移的形成，以及在大蓋板外側(cè)臺(tái)體邊緣部位增加交叉桿（如圖7所示），其同時(shí)降低了轉(zhuǎn)臺(tái)外圍驅(qū)動(dòng)電機(jī)摩擦力擠壓可能引起的變形，也保證了為支撐下方行走輪的強(qiáng)度。

圖10 增加400 kg切向力的位移圖

大蓋板共8副頂升水平推桿順著半圓蓋板移動(dòng)方向設(shè)置，為兼顧車(chē)臺(tái)與洞口，每塊半圓蓋板一側(cè)的2副電動(dòng)推桿采用固定桿，另一側(cè)的2副推桿跟隨車(chē)臺(tái)前后移動(dòng)。2組鋼絲繩牽引電機(jī)與鋼絲繩組布置在半圓周外的空隙處。鋼架按半圓移動(dòng)路徑進(jìn)行調(diào)整后，由于抽屜箱式結(jié)構(gòu)的存在，且抽屜框架已占用了大部分厚度空間，舞臺(tái)面的木質(zhì)地板直接利用抽屜框架敷設(shè)。

臺(tái)體設(shè)置了4圈行走輪，沿軌道半徑2.4 m、4.2 m、5.78 m、和6.9 m處，合計(jì)有180個(gè)行走輪。從圖7知，大蓋板與動(dòng)作部件對(duì)其中兩圈行走輪有直接影響，個(gè)別行走輪調(diào)整了設(shè)置位置，無(wú)法安置的按空位設(shè)置。小蓋板洞口位于行走輪之間，行走輪在3個(gè)小洞口區(qū)域連貫完整，對(duì)行走輪無(wú)影響。其他行走輪按均布、個(gè)別位置調(diào)整的方式設(shè)置。因行走輪總體分擔(dān)均勻，運(yùn)轉(zhuǎn)行走臺(tái)面整體平穩(wěn)。

5 結(jié)語(yǔ)

完工后的主臺(tái)體鋼架體自重16.6 T，上敷木地板后完成重量近20 T。主臺(tái)體在外圈邊沿配置了8組驅(qū)動(dòng)電機(jī)?？偣β?7.6 kW。轉(zhuǎn)臺(tái)包含有：主臺(tái)體、中心回轉(zhuǎn)支承和行走輪組、主臺(tái)體驅(qū)動(dòng)組件、活動(dòng)大蓋板及電動(dòng)推桿組和車(chē)臺(tái)牽引卷?yè)P(yáng)機(jī)、活動(dòng)小蓋板及電動(dòng)推桿組和移動(dòng)車(chē)臺(tái)，以及演員安全保護(hù)措施等在內(nèi)的電氣伺服控制系統(tǒng)。

該旋轉(zhuǎn)馬圈舞臺(tái)具有尺寸大、厚度薄的特征，厚度為26 cm；轉(zhuǎn)臺(tái)具有勻速變速旋轉(zhuǎn)、可正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)、靜止、洞口蓋板掩藏或閉合的功能，為演員不同的表演方式提供方便；轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)置的多個(gè)不同口徑內(nèi)藏式的蓋板活門(mén)，可以與不同功能的設(shè)備進(jìn)行對(duì)接配合，助力豐富演出內(nèi)容與形式。