二維移動車臺的研究與設計

嚴華鋒，姚 亮，李 陽

（浙江大豐實業有限公司，浙江 余姚 315400）

車臺是舞臺機械中的重要設備之一，在現代劇場中得到了廣泛的應用。車臺的種類很多，驅動方案也各異，車臺的移動路線一般由側舞臺至主舞臺區，或由后舞臺至主舞臺區。其功能是將側舞臺區或后舞臺區的景、物或演員輸送到主舞臺區，給劇場塑造良好的演出環境，為現代化的演出提供強有力的硬件保證。

車臺一般以一維移動為主。通常所說的車臺即為側車臺，側車臺沿舞臺的橫向移動，由側舞臺移動到主舞臺區；后車臺也一樣，只是沿舞臺的縱向移動，由后舞臺移動到主舞臺區。無論如何，車臺只沿一個方向前移后退或左右移動，不具有既能橫向移動又能縱向移動的功能。近年來，為滿足對舞臺設備功能進一步提升的要求，推出了既能橫向移動，又能縱向移動的車臺，即二維移動車臺。

1 國外案例

1.1 德國慕尼黑國立劇場

由MAN公司提供的二維移動車臺置于后舞臺區與側舞臺區之間，如圖1所示。二維車臺上，可以先置景或物，然后移動到主舞臺區，其移動路線是二維的。首先，二維車臺由存貯位置或置景位置移動到后舞臺區；然后，再由后舞臺區移動到主舞臺區。

1.2 日本琵琶湖國立劇場

由三精株式會社提供的二維車臺置于側舞臺的后方，如圖2所示。嚴格意義上說這是三維運行的車臺。因為在車臺存貯位置，5塊車臺疊在一起，車臺需要運行時，先由車臺下面的升降機將車臺一一提升出舞臺面，然后再沿舞臺縱向移動。最多可用數量是每側5塊，總共10塊，具體使用數量可以根據劇情確定。車臺可以在側舞臺區沿縱向移動，也能在任一車臺位沿舞臺橫向移動。當車臺移動主舞臺區后，車臺又能在主舞臺區縱向移動。但車臺必須在舞臺面以上移動，即車臺移動時會高出舞臺面一個車臺的厚度。

2 車臺結構剖析

對二維車臺來說，關鍵點有二，即驅動系統、行走輪組。

2.1 驅動系統

琵琶湖劇場的驅動系統，其縱向與橫向的驅動方式是不一樣的，橫向驅動與常規的驅動方式相似，它利用剛性鏈推或拉車臺，在車臺與剛性鏈之間有一輛聯接小車，小車與車臺之間聯接采用了鉤子。當車臺需要橫向移動時，鉤子就鎖上；在平時，鉤子則是脫開的，而且小車存貯在側舞臺的最外側。如果小車在別的位置，有可能與縱向移動的車臺驅動發生干擾。縱向驅動則采用滾子鏈，滾子鏈布置在車臺的兩端，鏈條同步運行，從而驅動車臺平穩地沿縱向移動。

2.2 行走輪組

行走輪是二維車臺成功的關鍵，經剖析，以上兩個劇場的行走輪組完全不同。

2.2.1 琵琶湖劇場的二維車臺行走輪

圖3為琵琶湖劇場的二維車臺行走輪結構示意圖，圖4為實拍照片。行走輪由6個小而長的滾輪組成，6個滾輪分成兩組，每組3只滾輪。每個滾輪以120°角布置，兩組滾輪平行布置，相互之間錯開角度也是120°。兩組滾輪用固定的方式聯接在一起，中心布置1根中心軸，兩組滾輪可以沿中心軸旋轉，如圖3所示，通常此旋轉直徑可達125 mm，且由圖3可知，此125 mm的旋轉圓其實由6個圓弧組合而成。同時，每只滾輪又可以沿自已的中心軸旋轉，但此滾輪的最大直徑一般只有45 mm左右，而且沿滾輪長度方向直徑有所變化，越靠滾輪側向，直徑越小。由于滾輪組既能沿自己的中心軸旋轉，又能沿兩組滾輪的中心旋轉。所以此滾輪既能沿橫向滾運，又能沿縱向滾動。此種滾輪由于結構小，所以與行走面的接觸面積小，導致承載能力較差，同時運行的噪聲高。

2.2.2 慕尼黑國立劇場的二維車臺行走輪

圖5為慕尼黑國立劇場的車臺行走輪。該行走輪由兩組行走輪組成，兩組行走輪的行走方向相互垂直。其中一組為固定式，即行走輪的中心軸是固定在車臺的鋼架上；另一組則為浮動式，即輪子能上下浮動，浮動的上下高度約40 mm左右。浮動系統則通過液壓來驅動，由于一個車臺需要很多組的行走輪，因此，整個車臺上也需要布滿很多的液壓驅動，每組行走輪系一個驅動。

當車臺需要固定的一組行走輪行走時，浮動的一組上浮，此時，整個車臺的重量靠固定一組的行走輪承擔。反之，如果車臺需要換方向行走時，即沿原先的垂直方向行走，此時，浮動的輪子通過液壓驅動，將輪子下降，并把整個車臺頂起原來位置約20 mm左右，此時，車臺的固定輪子就會懸空，車臺的重量與載荷則由浮動的一組輪子承擔，車臺就可以沿浮動輪行走的方向移動了。

此行走輪系由于行走輪的尺寸大，且兩個方向的行走輪的大小一樣，因此，車臺移動平穩。但此輪系導致車臺換向時需要轉換行走輪，且機構復雜；同時，車臺的高度也有20 mm的變化。

3 二維車臺的設計與研究

3.1 驅動設計

剖析兩個劇場的車臺后，發現兩者均為被動式車臺，驅動系統過于復雜，且安裝難度也大。筆者所在公司設計團隊根據自身的特點，將二維車臺設計成主動式驅動，即驅動機構設計置于車臺內部。圖6給出了二維車臺的驅動結構，此為一個驅動單元，其中有兩臺驅動電機，分別安裝在一個可以旋轉的鋼架上，旋轉鋼架又嵌在方形鋼架內，方形鋼架的大小一般設計成與車臺的寬度相同，因此，可以用方形鋼架的任意一面與車臺的鋼架聯接，組合成完整的車臺。

驅動單元的供電采用蓄電瓶供電的方式，控制則采用無線遙控的辦法。當單元上的兩只電機驅動行走輪同方向運行時，單元就前進或后退。相反，當兩臺電機驅動行走輪反方運行時，如單元方形鋼架被固定或與其他構件聯接在一起，旋轉單元則沿著自身的中心旋轉。如果旋轉單元旋轉90°角，驅動單元的移動方向就會轉向90°角，實現由左右移動的車臺向前后移動轉換。一般一塊標準的車臺由兩個或三個驅動單元組成。圖7給出了整個車臺的驅動方向。圖7上圖，車臺可以沿長軸方向移動，而下圖，兩個驅動分別旋轉了90°角，此時車臺可以沿短軸方向移動。無論車臺大小如何，每一塊車臺，必須有兩個及以上的單元，否則驅動換向時，整個車臺就會旋轉。

3.2 行走輪組

行走輪組是二維車臺的關鍵部件，直接決定車臺設計的成敗。由于琵琶湖劇場行走輪的噪聲大，而慕尼黑國立劇場的行走輪機構復雜。設計中同樣避開了這兩種設計方案，選用了如圖8所示的行走輪組。每一單元的行走輪組由3只萬向輪及1個旋轉盤組成，萬向輪以旋轉盤為中心分布，每個輪子安裝底板分布在中心的周圍，且相互之間間隔120°角。同時，旋轉盤可以繞其中心旋轉。因此，當車臺沿一個方向移動時，萬向輪與旋轉盤會組合著旋轉，使萬向輪的行走軌跡完全與車臺行走方向一致。

從理論上講，此種結構的行走輪無論在任何狀態發生轉向，行走輪與行走面之間不會發生摩擦，達到最小的車臺移動方向轉換阻力。但行走面并不一定會十分理想，如果在行走過程中，三個萬向輪的一個懸空或與行走面不接觸，旋轉盤就會打破原有的力學平衡，旋轉盤發生旋轉。如果旋轉盤在移動過程中一直旋轉，萬向輪就會不斷地找準自己的行走軌跡，同時，由于行走輪與行走面之間并非點接觸，而是線（實際是面）接觸，因此，導致輪子與行走面之間不斷的摩擦，最終的結果是輪子變形和舞臺地板被磨擦。為此，設計中加大了旋轉盤的旋轉阻力，保證在某一個萬向輪懸空時，旋轉盤不發生完全的旋轉，而只是小角度的擺動。這樣，很好地解決了問題。但事情都是一分為二的，雖然車臺行走時，旋轉盤不會發生完全旋轉，在車臺需要換向時，卻加大了換向阻力，為此，配置了足夠大的電機，保證了車臺的順利換向。

3.3 導向機構

由于車臺需要向兩個互相垂直的方向移動，用常規的滾輪嵌入式導向輪無法完成導向任務。因此，導入了插板式的導向機構，由于車臺的運行是兩個垂直的方向，插板式導向板在車臺轉換方向前，也須轉換方向。此插板式導向機構由兩部分組成，一部分安裝在車臺上，是導向板部分，它可以插入主升降臺或車臺補臺的槽內，當需要旋轉時，能讓導板旋轉90°角。另一部分則是旋轉驅動，安裝在主升降臺或車臺補臺上，此機構剛好安裝在縱向與橫向導向軌的交叉點上，導向板也須在此接點上轉換方向。當導向板位于旋轉驅動機構時，經機構驅動，導向板會隨著旋轉機構驅動，旋轉90°角，導向板由橫向轉換成縱向，或由縱向轉換成橫向，做好車臺轉向運行的準備。經實際制造，插板導向很好地滿足了二維移動車臺的要求。

經過剖析、研究、設計，試制了二維移動式車臺，取得了圓滿的結果。