阮玉瑭，張術(shù)永，黃元樂(lè)，李 強(qiáng)，尹文敬

（浙江大豐實(shí)業(yè)股份有限公司（杭州）舞臺(tái)設(shè)計(jì)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(jìn)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(tái)機(jī)械是表演多樣性的重要硬件支撐，因此，舞臺(tái)機(jī)械也逐漸由傳統(tǒng)的形式簡(jiǎn)單、功能單一，向多功能化、復(fù)雜化、多樣化、集成化和自動(dòng)化轉(zhuǎn)變。近期，筆者所在的單位為某主題樂(lè)園的劇院設(shè)計(jì)了一臺(tái)淺基坑傾斜車(chē)轉(zhuǎn)臺(tái)，該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)整體平移、單邊傾斜和旋轉(zhuǎn)三項(xiàng)功能。

1 傾斜車(chē)轉(zhuǎn)臺(tái)的構(gòu)成

傾斜車(chē)轉(zhuǎn)臺(tái)由三部分組成（如圖1～圖3）：（1）車(chē)臺(tái)：寬18m、進(jìn)深11m，承載整個(gè)臺(tái)面及其附屬設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)前后平移運(yùn)動(dòng)，行程為9 m；（2）傾斜臺(tái)：通過(guò)鉸接的方式安裝于車(chē)臺(tái)之上，面積與車(chē)臺(tái)相同，攜帶轉(zhuǎn)臺(tái)圍繞鉸接中心翻轉(zhuǎn)15°，形成傾斜的舞臺(tái)面；（3）轉(zhuǎn)臺(tái)：直徑為9 m的圓臺(tái)嵌裝于傾斜臺(tái)內(nèi)，可任意角度旋轉(zhuǎn)。

該套舞臺(tái)設(shè)備中，車(chē)臺(tái)和轉(zhuǎn)臺(tái)部分均屬于常規(guī)舞臺(tái)機(jī)械，設(shè)計(jì)難度不大，本文不做詳細(xì)介紹。而傾斜臺(tái)由于受到安裝空間的影響，加之傾斜過(guò)程的位移變化，必須避免與其他設(shè)備產(chǎn)生干涉，所以，機(jī)械設(shè)計(jì)存在一定的難度。

2 傾斜臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 傾斜臺(tái)設(shè)計(jì)存在三大難題

傾斜臺(tái)尺寸為18 m（寬）×11m（進(jìn)深），傾斜角度0°～15°，翻轉(zhuǎn)中心線為臺(tái)面前端上邊緣線，傾斜臺(tái)安裝深度僅1 m。受此設(shè)計(jì)條件的限制，舞臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(tái)主桁架設(shè)計(jì)弦高僅有750 mm，相對(duì)于18 m的跨度，鋼架整體剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。

（2）傾斜角度大

由于基坑較淺，而傾斜臺(tái)要求的傾斜角度又比較大，因此傾斜臺(tái)后部抬起的高度很高，這就要求頂升機(jī)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(guò)程的臺(tái)面位移變化與其他設(shè)備產(chǎn)生干涉，舞臺(tái)工藝要求臺(tái)面翻轉(zhuǎn)中心應(yīng)以舞臺(tái)臺(tái)面前端上邊緣線作為旋轉(zhuǎn)中心線（如圖4）。為保證臺(tái)面剛度，舞臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)必須具備一定的高度。按常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，在臺(tái)面鋼結(jié)構(gòu)下層前端設(shè)置一個(gè)鉸接點(diǎn)，舞臺(tái)面圍繞該鉸接點(diǎn)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，而不是以舞臺(tái)臺(tái)面的前端上邊緣線作為翻轉(zhuǎn)中心，這樣當(dāng)舞臺(tái)翻轉(zhuǎn)時(shí)，前端上邊緣線將沿一定的軌跡轉(zhuǎn)動(dòng)。舞臺(tái)從0°翻轉(zhuǎn)到15°的過(guò)程中，舞臺(tái)前端與其他設(shè)備會(huì)產(chǎn)生明顯的干涉，嚴(yán)重影響舞臺(tái)設(shè)備的使用安全，因此，按照常規(guī)設(shè)計(jì)并不能滿足工藝要求（如圖5）。

2.2 對(duì)應(yīng)的解決方案

針對(duì)上述難題，通過(guò)分析論證，在設(shè)計(jì)時(shí)制定了相應(yīng)的解決方案，即：對(duì)傾斜臺(tái)鋼架結(jié)構(gòu)尤其是頂升裝置的形式、數(shù)量和位置進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化；選擇確定了傾斜頂升驅(qū)動(dòng)機(jī)形式及其安裝連接方式；設(shè)計(jì)了多連桿鉸接機(jī)構(gòu)，確保舞臺(tái)圍繞虛擬圓心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)傾斜，避免與其他相鄰設(shè)備產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉等。

2.2.1 多點(diǎn)支撐（頂升）結(jié)構(gòu)

傾斜臺(tái)寬度達(dá)18 m，設(shè)計(jì)采用多點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)，有效改善臺(tái)面鋼架高度低剛度不足的情況。各支撐（頂升）驅(qū)動(dòng)之間采用機(jī)械同步和電氣同步相結(jié)合的“雙同步”控制方式，確保各點(diǎn)頂升的同步精度，防止舞臺(tái)在傾斜升降過(guò)程中因驅(qū)動(dòng)機(jī)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(chē)轉(zhuǎn)臺(tái)工藝布置

圖4 傾斜臺(tái)的翻轉(zhuǎn)中心示意圖

圖5 按常規(guī)方法設(shè)計(jì)傾斜臺(tái)翻轉(zhuǎn)中心的示意圖

圖6 機(jī)械同步多點(diǎn)支撐原理圖

2.2.2 柔性齒條頂升驅(qū)動(dòng)

圖7 自適應(yīng)浮動(dòng)基座柔性齒條頂升機(jī)構(gòu)

圖8 傾斜臺(tái)虛擬圓心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖9 虛擬圓心多連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)淺，用一般的頂升裝置很難滿足安裝要求，為此，設(shè)計(jì)中采用了專(zhuān)利技術(shù)產(chǎn)品柔性齒條作為頂升驅(qū)動(dòng)裝置。柔性齒條是將齒條進(jìn)行分塊式柔性化設(shè)計(jì)，規(guī)避了剛性齒條的儲(chǔ)藏弊端，齒塊間互相鉸接，通過(guò)齒輪嚙合機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)折，將垂直升降的齒條轉(zhuǎn)換為水平儲(chǔ)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(wèn)題?？紤]到頂升過(guò)程中頂升機(jī)構(gòu)會(huì)隨傾斜臺(tái)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(diǎn)設(shè)計(jì)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(diǎn)的設(shè)計(jì)，既解決了傾斜臺(tái)傾斜行程大與舞臺(tái)垂直安裝空間狹小的矛盾，又能夠保證運(yùn)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(tái)工藝要求，傾斜臺(tái)翻轉(zhuǎn)必須以舞臺(tái)臺(tái)面前端上邊緣線作為旋轉(zhuǎn)中心線，為此專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一套多連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)圍繞虛擬圓心進(jìn)行翻轉(zhuǎn)（如圖8），從而徹底避免了舞臺(tái)翻轉(zhuǎn)時(shí)與固定臺(tái)干涉的問(wèn)題。多連桿機(jī)構(gòu)的基本原理如圖9所示，a點(diǎn)作為固定支座鉸接點(diǎn)，拉桿僅可圍繞該點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，即b點(diǎn)只可繞a點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)；c點(diǎn)在腰型槽的限制下繞虛擬圓心O做圓周運(yùn)動(dòng)；按照舞臺(tái)翻轉(zhuǎn)角度的要求來(lái)決定腰型槽的長(zhǎng)度。

其余各點(diǎn)的設(shè)計(jì)需根據(jù)舞臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)的受力分布，并結(jié)合整個(gè)舞臺(tái)的受力穩(wěn)定性，確定各點(diǎn)的位置和各拉桿的長(zhǎng)度。需要指出的是，該結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中形成的虛擬圓心O并不是真正意義上固定不動(dòng)的圓心，而是按一定的運(yùn)動(dòng)軌跡做微小往復(fù)運(yùn)動(dòng)的漂浮點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)軌跡呈橫向的水滴狀，軌跡的變化與各連桿的長(zhǎng)度和各鉸接點(diǎn)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(yùn)行，完全滿足與相鄰設(shè)備間互不干涉的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

淺基坑傾斜車(chē)轉(zhuǎn)臺(tái)中傾斜臺(tái)的設(shè)計(jì)，主要利用了柔性齒條安裝空間小、行程大的特點(diǎn)，解決了舞臺(tái)設(shè)備基坑淺、安裝空間不足、行程大的問(wèn)題；設(shè)計(jì)采用了鉸接式柔性齒條底座和上頂升點(diǎn)，使其通過(guò)自適應(yīng)偏擺的方式，極大地改善了齒條頂升時(shí)的受力狀態(tài)；多點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)解決了舞臺(tái)鋼架剛度不足的問(wèn)題，并引入機(jī)械同步裝置，結(jié)合電氣同步控制，確保了多點(diǎn)支撐傳動(dòng)的同步可靠性，使各點(diǎn)的受力趨于均勻，頂升速度一致，舞臺(tái)動(dòng)作平穩(wěn)；多連桿虛擬圓心機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，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(yùn)動(dòng)干涉問(wèn)題。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，上述各項(xiàng)設(shè)計(jì)在設(shè)備運(yùn)行中均發(fā)揮出較好的作用，獲得了良好的實(shí)際使用效果。