淺基坑傾斜車轉臺的設計

阮玉瑭，張術永，黃元樂，李 強，尹文敬

（浙江大豐實業股份有限公司（杭州）舞臺設計院，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新各種演藝設施，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的形式簡單、功能單一，向多功能化、復雜化、多樣化、集成化和自動化轉變。近期，筆者所在的單位為某主題樂園的劇院設計了一臺淺基坑傾斜車轉臺，該設備可實現整體平移、單邊傾斜和旋轉三項功能。

1 傾斜車轉臺的構成

傾斜車轉臺由三部分組成（如圖1～圖3）：（1）車臺：寬18m、進深11m，承載整個臺面及其附屬設備，并實現前后平移運動，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，攜帶轉臺圍繞鉸接中心翻轉15°，形成傾斜的舞臺面；（3）轉臺：直徑為9 m的圓臺嵌裝于傾斜臺內，可任意角度旋轉。

該套舞臺設備中，車臺和轉臺部分均屬于常規舞臺機械，設計難度不大，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，必須避免與其他設備產生干涉，所以，機械設計存在一定的難度。

2 傾斜臺設計

2.1 傾斜臺設計存在三大難題

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。受此設計條件的限制，舞臺結構設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，這就要求頂升機構具有很大的伸縮比。

（3）傾斜旋轉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備產生干涉，舞臺工藝要求臺面翻轉中心應以舞臺臺面前端上邊緣線作為旋轉中心線（如圖4）。為保證臺面剛度，舞臺鋼結構必須具備一定的高度。按常規的設計方法，在臺面鋼結構下層前端設置一個鉸接點，舞臺面圍繞該鉸接點進行翻轉，而不是以舞臺臺面的前端上邊緣線作為翻轉中心，這樣當舞臺翻轉時，前端上邊緣線將沿一定的軌跡轉動。舞臺從0°翻轉到15°的過程中，舞臺前端與其他設備會產生明顯的干涉，嚴重影響舞臺設備的使用安全，因此，按照常規設計并不能滿足工藝要求（如圖5）。

2.2 對應的解決方案

針對上述難題，通過分析論證，在設計時制定了相應的解決方案，即：對傾斜臺鋼架結構尤其是頂升裝置的形式、數量和位置進行了設計優化；選擇確定了傾斜頂升驅動機形式及其安裝連接方式；設計了多連桿鉸接機構，確保舞臺圍繞虛擬圓心進行旋轉傾斜，避免與其他相鄰設備產生運動干涉等。

2.2.1 多點支撐（頂升）結構

傾斜臺寬度達18 m，設計采用多點支撐結構，有效改善臺面鋼架高度低剛度不足的情況。各支撐（頂升）驅動之間采用機械同步和電氣同步相結合的“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動機構不同步而造成的鋼結構扭曲變形（如圖6）。

圖3 傾斜車轉臺工藝布置

圖4 傾斜臺的翻轉中心示意圖

圖5 按常規方法設計傾斜臺翻轉中心的示意圖

圖6 機械同步多點支撐原理圖

2.2.2 柔性齒條頂升驅動

圖7 自適應浮動基座柔性齒條頂升機構

圖8 傾斜臺虛擬圓心結構設計

圖9 虛擬圓心多連桿機構設計原理圖

由于建筑結構已完成，留給設備安裝的基坑過淺，用一般的頂升裝置很難滿足安裝要求，為此，設計中采用了專利技術產品柔性齒條作為頂升驅動裝置。柔性齒條是將齒條進行分塊式柔性化設計，規避了剛性齒條的儲藏弊端，齒塊間互相鉸接，通過齒輪嚙合機構的轉折，將垂直升降的齒條轉換為水平儲藏，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會隨傾斜臺角度的變化而產生偏擺，因此，將柔性齒條嚙合箱基座和上支點設計成鉸接安裝，使其能夠自適應偏擺角度的變化。利用柔性齒條頂升、結合自適應鉸接嚙合箱底座和頂升點的設計，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、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，傾斜臺翻轉必須以舞臺臺面前端上邊緣線作為旋轉中心線，為此專門設計了一套多連桿機構，實現舞臺圍繞虛擬圓心進行翻轉（如圖8），從而徹底避免了舞臺翻轉時與固定臺干涉的問題。多連桿機構的基本原理如圖9所示，a點作為固定支座鉸接點，拉桿僅可圍繞該點旋轉，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；按照舞臺翻轉角度的要求來決定腰型槽的長度。

其余各點的設計需根據舞臺鋼結構的受力分布，并結合整個舞臺的受力穩定性，確定各點的位置和各拉桿的長度。需要指出的是，該結構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系，但這種微小的變化并不影響設備的正常運行，完全滿足與相鄰設備間互不干涉的要求。

3 結語

淺基坑傾斜車轉臺中傾斜臺的設計，主要利用了柔性齒條安裝空間小、行程大的特點，解決了舞臺設備基坑淺、安裝空間不足、行程大的問題；設計采用了鉸接式柔性齒條底座和上頂升點，使其通過自適應偏擺的方式，極大地改善了齒條頂升時的受力狀態；多點支撐結構解決了舞臺鋼架剛度不足的問題，并引入機械同步裝置，結合電氣同步控制，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；多連桿虛擬圓心機構的設計，使設備翻轉中心與工藝要求的一致，解決了設備間的運動干涉問題。經過實踐，上述各項設計在設備運行中均發揮出較好的作用，獲得了良好的實際使用效果。