張向勇　劉斌　常江江

[摘要]介紹虛擬鉸軸機(jī)構(gòu)在芭蕾舞臺(tái)傾斜臺(tái)面中的應(yīng)用，該機(jī)構(gòu)有效地實(shí)現(xiàn)了臺(tái)面接口在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終保持契合，重點(diǎn)對(duì)翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析，并進(jìn)一步提出改進(jìn)與優(yōu)化措施。

[關(guān)鍵詞]芭蕾舞臺(tái)；傾斜臺(tái)面；虛擬鉸軸；翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力；優(yōu)化措施

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

1 虛擬鉸軸的提出

可傾斜臺(tái)面的芭蕾舞臺(tái)是舞臺(tái)行業(yè)中常用的機(jī)械設(shè)備，它可以通過(guò)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(xiàn)表演的效果。為了實(shí)現(xiàn)芭蕾舞臺(tái)臺(tái)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(zhuǎn)軸進(jìn)行傾斜，如圖1所示。

在傾斜過(guò)程中，A點(diǎn)與固定臺(tái)面的水平位置、高度相比均沒(méi)有發(fā)生變化，所以不會(huì)因?yàn)榕_(tái)面傾斜而與固定臺(tái)面產(chǎn)生干涉問(wèn)題。

但是工程實(shí)際中，無(wú)法在木地板的上邊緣設(shè)置鉸點(diǎn)，只能是盡量靠近A點(diǎn)，如圖2所示。

對(duì)比傾斜前后的位置，可以看出，A點(diǎn)與固定臺(tái)面的水平位置、高度相比均有變化，并且產(chǎn)生了干涉。顯然這種設(shè)計(jì)滿足不了要求。

國(guó)家大劇院芭蕾舞臺(tái)傾斜機(jī)構(gòu)采用了一個(gè)以旋轉(zhuǎn)點(diǎn)A為圓心的弧形軌道，并增設(shè)了一個(gè)拉桿限制傾斜臺(tái)面的自由度，以便使臺(tái)面能夠沿著弧形軌道運(yùn)動(dòng)，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(tái)面相比均沒(méi)有發(fā)生位置變化，滿足使用要求。但是，在傾斜過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)點(diǎn)A存在少量的位移變化。

基于虛鉸原理的虛擬鉸軸機(jī)構(gòu)，可以解決上述問(wèn)題。該機(jī)構(gòu)采用了兩個(gè)以旋轉(zhuǎn)點(diǎn)A為圓心的弧形軌道，使臺(tái)面無(wú)論旋轉(zhuǎn)到任何位置，都能看成是傾斜臺(tái)面在圍繞虛擬鉸點(diǎn)A旋轉(zhuǎn)，虛擬鉸點(diǎn)A的位置保持不變，有效地實(shí)現(xiàn)了臺(tái)面接口在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終保持契合，如圖4所示。

采用這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行芭蕾舞臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用方式、弧形軌道的幾何尺寸等因素對(duì)虛擬鉸軸機(jī)構(gòu)的使用效果都有直接影響。

2 翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力分析

受翻轉(zhuǎn)臺(tái)面厚度所限，翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用力相對(duì)鉸點(diǎn)的力臂較小，所以作用力方向?qū)︺q點(diǎn)的影響是顯著的。下面對(duì)兩種設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

2.1 驅(qū)動(dòng)形式1

結(jié)合圖5、圖6、圖7進(jìn)行分析。

已知：F₄=100000N（自重+載荷）

對(duì)A點(diǎn)取矩：

2.3 分析

對(duì)2.1、2.2的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總分析，得到表1。

驅(qū)動(dòng)形式1中的滾輪B點(diǎn)、C點(diǎn)受力比驅(qū)動(dòng)形式2大了很多，會(huì)導(dǎo)致摩擦阻力太大，翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力不足，傾斜臺(tái)面可能翻不起來(lái)。

修改為驅(qū)動(dòng)形式2后，傾斜臺(tái)面可以正常翻轉(zhuǎn)，虛擬鉸軸機(jī)構(gòu)在全過(guò)程中，A點(diǎn)的位置偏移在±2mm范圍內(nèi)。

3 改進(jìn)與優(yōu)化措施

對(duì)虛擬鉸軸機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，有以下幾種措施。

3.1 措施一：移動(dòng)滾輪位置

往前移動(dòng)滾輪，使得第一個(gè)滾輪盡量在A點(diǎn)的下方。通過(guò)受力分析，發(fā)現(xiàn)此種優(yōu)化對(duì)滾輪B點(diǎn)、C點(diǎn)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(gè)滾輪之間的距離，使其力臂盡量大。通過(guò)受力分析，發(fā)現(xiàn)此種優(yōu)化對(duì)滾輪B點(diǎn)、C點(diǎn)的受力有很大改善，受力基本上是原來(lái)的一半。如圖11的左邊所示。

3.3 措施三：改變推桿驅(qū)動(dòng)形式

改變動(dòng)力推桿的驅(qū)動(dòng)形式，變?yōu)榘雮€(gè)剪刀撐的驅(qū)動(dòng)，這樣充分釋放了水平方向的附件力，對(duì)滾輪B點(diǎn)、C點(diǎn)的受力也有很大改善。如圖11的右邊所示。

4 結(jié)論

基于虛鉸原理的芭蕾舞臺(tái)傾斜臺(tái)面虛擬鉸軸，有效地保證了臺(tái)面接口在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終保持契合。在此基礎(chǔ)上，筆者提出的一些改進(jìn)與優(yōu)化措施，有助于該機(jī)構(gòu)在類(lèi)似設(shè)備中的應(yīng)用推廣。

（編輯 王芳）