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【摘 要】浅基坑倾斜车转台的设计充分发挥了柔性齿条的优势，解决了安装基坑浅、设备行程大的矛盾；采用自适应啮合 基座，保证柔性齿条顶升后的受力合理性；通过多连杆机构实现了倾斜车转台虚拟翻转中心的功能。
【关键词】 舞台机械；倾斜车转台；柔性齿条；虚拟翻转中心
文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2015.07.008
Design of Shallow Foundation Pit Tilting Turntable
RUAN Yu-tang， ZHANG Shu-yong， HUANG Yuan-le， LI Qiang， YI Wen-jing
（Zhejiang Dafeng Industry Co.， Ltd. （Hangzhou） Stage Design Institute， Hangzhou Zhejiang 310000， China）
【Abstract】The design of shallow foundation pit tilting turntable takes full advantage of the flexible rack to solve the contradiction of shallow pit installation and large stroke equipment. It use adaptive mesh base to ensure the rationality of the stress after the flexible rack rise to the top， and achieve the function of the tilting turntable virtual turning center by a multi-link mechanism.
【Key Words】stage machinery； tilt turntable； flexible rack； virtual turning center
作为文化传播的重要媒介之一，剧院在不断地改进和创新各种演艺设施，以满足高难度、多样化的演出要求。剧院的舞台机械是表演多样性的重要硬件支撑，因此，舞台机械也逐渐由传统的形式简单、功能单一，向多功能化、复杂化、多样化、集成化和自动化转变。近期，笔者所在的单位为某主题乐园的剧院设计了一台浅基坑倾斜车转台，该设备可实现整体平移、单边倾斜和旋转三项功能。
1 倾斜车转台的构成
倾斜车转台由三部分组成（如图1～图3）：（1）车台：宽18 m、进深11 m，承载整个台面及其附属设备，并实现前后平移运动，行程为9 m；（2）倾斜台：通过铰接的方式安装于车台之上，面积与车台相同，携带转台围绕铰接中心翻转15°，形成倾斜的舞台面；（3）转台：直径为9 m的圆台嵌装于倾斜台内，可任意角度旋转。
该套舞台设备中，车台和转台部分均属于常规舞台机械，设计难度不大，本文不做详细介绍。而倾斜台由于受到安装空间的影响，加之倾斜过程的位移变化，必须避免与其他设备产生干涉，所以，机械设计存在一定的难度。
2 倾斜台设计
2.1 倾斜台设计存在三大难题
倾斜台尺寸为18 m（宽）×11 m（进深），倾斜角度0°～15°，翻转中心线为台面前端上边缘线，倾斜台安装深度仅1 m。受此设计条件的限制，舞台结构设计存在以下三方面的难题。
（1）主体钢架的高度受限
由于基坑较浅，倾斜台主桁架设计弦高仅有750 mm，相对于18 m的跨度，钢架整体刚度远远不足。
（2）倾斜角度大
由于基坑较浅，而倾斜台要求的倾斜角度又比较大，因此倾斜台后部抬起的高度很高，这就要求顶升机构具有很大的伸缩比。
（3）倾斜旋转中心必须是面前端上边缘线
为避免倾斜过程的台面位移变化与其他设备产生干涉，舞台工艺要求台面翻转中心应以舞台台面前端上边缘线作为旋转中心线（如图4）。为保证台面刚度，舞台钢结构必须具备一定的高度。按常规的设计方法，在台面钢结构下层前端设置一个铰接点，舞台面围绕该铰接点进行翻转，而不是以舞台台面的前端上边缘线作为翻转中心，这样当舞台翻转时，前端上边缘线将沿一定的轨迹转动。舞台从0°翻转到15°的过程中，舞台前端与其他设备会产生明显的干涉，严重影响舞台设备的使用安全，因此，按照常规设计并不能满足工艺要求（如图5）。
2.2 对应的解决方案
针对上述难题，通过分析论证，在设计时制定了相应的解决方案，即：对倾斜台钢架结构尤其是顶升装置的形式、数量和位置进行了设计优化；选择确定了倾斜顶升驱动机形式及其安装连接方式；设计了多连杆铰接机构，确保舞台围绕虚拟圆心进行旋转倾斜，避免与其他相邻设备产生运动干涉等。
2.2.1 多点支撑（顶升）结构
倾斜台宽度达18 m，设计采用多点支撑结构，有效改善台面钢架高度低刚度不足的情况。各支撑（顶升）驱动之间采用机械同步和电气同步相结合的“双同步”控制方式，确保各点顶升的同步精度，防止舞台在倾斜升降过程中因驱动机构不同步而造成的钢结构扭曲变形（如图6）。
2.2.2 柔性齿条顶升驱动
由于建筑结构已完成，留给设备安装的基坑过浅，用一般的顶升装置很难满足安装要求，为此，设计中采用了专利技术产品柔性齿条作为顶升驱动装置。柔性齿条是将齿条进行分块式柔性化设计，规避了刚性齿条的储藏弊端，齿块间互相铰接，通过齿轮啮合机构的转折，将垂直升降的齿条转换为水平储藏，具有很大的伸缩高度比，其最小安装高度不足0.8 m，这就解决了基坑浅、钢架低、安装高度不足的问题。考虑到顶升过程中顶升机构会随倾斜台角度的变化而产生偏摆，因此，将柔性齿条啮合箱基座和上支点设计成铰接安装，使其能够自适应偏摆角度的变化。利用柔性齿条顶升、结合自适应铰接啮合箱底座和顶升点的设计，既解决了倾斜台倾斜行程大与舞台垂直安装空间狭小的矛盾，又能够保证运行的平稳、可靠、安全（如图7）。
2.2.3 多连杆虚拟圆心铰链
按照舞台工艺要求，倾斜台翻转必须以舞台台面前端上边缘线作为旋转中心线，为此专门设计了一套多连杆机构，实现舞台围绕虚拟圆心进行翻转（如图8），从而彻底避免了舞台翻转时与固定台干涉的问题。多连杆机构的基本原理如图9所示，a点作为固定支座铰接点，拉杆仅可围绕该点旋转，即b点只可绕a点做圆周运动；c点在腰型槽的限制下绕虚拟圆心O做圆周运动；按照舞台翻转角度的要求来决定腰型槽的长度。
其余各点的设计需根据舞台钢结构的受力分布，并结合整个舞台的受力稳定性，确定各点的位置和各拉杆的长度。需要指出的是，该结构在运动中形成的虚拟圆心O并不是真正意义上固定不动的圆心，而是按一定的运动轨迹做微小往复运动的漂浮点，其运动轨迹呈横向的水滴状，轨迹的变化与各连杆的长度和各铰接点有直接关系，但这种微小的变化并不影响设备的正常运行，完全满足与相邻设备间互不干涉的要求。
3 结语
浅基坑倾斜车转台中倾斜台的设计，主要利用了柔性齿条安装空间小、行程大的特点，解决了舞台设备基坑浅、安装空间不足、行程大的问题；设计采用了铰接式柔性齿条底座和上顶升点，使其通过自适应偏摆的方式，极大地改善了齿条顶升时的受力状态；多点支撑结构解决了舞台钢架刚度不足的问题，并引入机械同步装置，结合电气同步控制，确保了多点支撑传动的同步可靠性，使各点的受力趋于均匀，顶升速度一致，舞台动作平稳；多连杆虚拟圆心机构的设计，使设备翻转中心与工艺要求的一致，解决了设备间的运动干涉问题。经过实践，上述各项设计在设备运行中均发挥出较好的作用，获得了良好的实际使用效果。
（编辑 薛云霞）
【关键词】 舞台机械；倾斜车转台；柔性齿条；虚拟翻转中心
文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2015.07.008
Design of Shallow Foundation Pit Tilting Turntable
RUAN Yu-tang， ZHANG Shu-yong， HUANG Yuan-le， LI Qiang， YI Wen-jing
（Zhejiang Dafeng Industry Co.， Ltd. （Hangzhou） Stage Design Institute， Hangzhou Zhejiang 310000， China）
【Abstract】The design of shallow foundation pit tilting turntable takes full advantage of the flexible rack to solve the contradiction of shallow pit installation and large stroke equipment. It use adaptive mesh base to ensure the rationality of the stress after the flexible rack rise to the top， and achieve the function of the tilting turntable virtual turning center by a multi-link mechanism.
【Key Words】stage machinery； tilt turntable； flexible rack； virtual turning center
作为文化传播的重要媒介之一，剧院在不断地改进和创新各种演艺设施，以满足高难度、多样化的演出要求。剧院的舞台机械是表演多样性的重要硬件支撑，因此，舞台机械也逐渐由传统的形式简单、功能单一，向多功能化、复杂化、多样化、集成化和自动化转变。近期，笔者所在的单位为某主题乐园的剧院设计了一台浅基坑倾斜车转台，该设备可实现整体平移、单边倾斜和旋转三项功能。
1 倾斜车转台的构成
倾斜车转台由三部分组成（如图1～图3）：（1）车台：宽18 m、进深11 m，承载整个台面及其附属设备，并实现前后平移运动，行程为9 m；（2）倾斜台：通过铰接的方式安装于车台之上，面积与车台相同，携带转台围绕铰接中心翻转15°，形成倾斜的舞台面；（3）转台：直径为9 m的圆台嵌装于倾斜台内，可任意角度旋转。
该套舞台设备中，车台和转台部分均属于常规舞台机械，设计难度不大，本文不做详细介绍。而倾斜台由于受到安装空间的影响，加之倾斜过程的位移变化，必须避免与其他设备产生干涉，所以，机械设计存在一定的难度。
2 倾斜台设计
2.1 倾斜台设计存在三大难题
倾斜台尺寸为18 m（宽）×11 m（进深），倾斜角度0°～15°，翻转中心线为台面前端上边缘线，倾斜台安装深度仅1 m。受此设计条件的限制，舞台结构设计存在以下三方面的难题。
（1）主体钢架的高度受限
由于基坑较浅，倾斜台主桁架设计弦高仅有750 mm，相对于18 m的跨度，钢架整体刚度远远不足。
（2）倾斜角度大
由于基坑较浅，而倾斜台要求的倾斜角度又比较大，因此倾斜台后部抬起的高度很高，这就要求顶升机构具有很大的伸缩比。
（3）倾斜旋转中心必须是面前端上边缘线
为避免倾斜过程的台面位移变化与其他设备产生干涉，舞台工艺要求台面翻转中心应以舞台台面前端上边缘线作为旋转中心线（如图4）。为保证台面刚度，舞台钢结构必须具备一定的高度。按常规的设计方法，在台面钢结构下层前端设置一个铰接点，舞台面围绕该铰接点进行翻转，而不是以舞台台面的前端上边缘线作为翻转中心，这样当舞台翻转时，前端上边缘线将沿一定的轨迹转动。舞台从0°翻转到15°的过程中，舞台前端与其他设备会产生明显的干涉，严重影响舞台设备的使用安全，因此，按照常规设计并不能满足工艺要求（如图5）。
2.2 对应的解决方案
针对上述难题，通过分析论证，在设计时制定了相应的解决方案，即：对倾斜台钢架结构尤其是顶升装置的形式、数量和位置进行了设计优化；选择确定了倾斜顶升驱动机形式及其安装连接方式；设计了多连杆铰接机构，确保舞台围绕虚拟圆心进行旋转倾斜，避免与其他相邻设备产生运动干涉等。
2.2.1 多点支撑（顶升）结构
倾斜台宽度达18 m，设计采用多点支撑结构，有效改善台面钢架高度低刚度不足的情况。各支撑（顶升）驱动之间采用机械同步和电气同步相结合的“双同步”控制方式，确保各点顶升的同步精度，防止舞台在倾斜升降过程中因驱动机构不同步而造成的钢结构扭曲变形（如图6）。
2.2.2 柔性齿条顶升驱动
由于建筑结构已完成，留给设备安装的基坑过浅，用一般的顶升装置很难满足安装要求，为此，设计中采用了专利技术产品柔性齿条作为顶升驱动装置。柔性齿条是将齿条进行分块式柔性化设计，规避了刚性齿条的储藏弊端，齿块间互相铰接，通过齿轮啮合机构的转折，将垂直升降的齿条转换为水平储藏，具有很大的伸缩高度比，其最小安装高度不足0.8 m，这就解决了基坑浅、钢架低、安装高度不足的问题。考虑到顶升过程中顶升机构会随倾斜台角度的变化而产生偏摆，因此，将柔性齿条啮合箱基座和上支点设计成铰接安装，使其能够自适应偏摆角度的变化。利用柔性齿条顶升、结合自适应铰接啮合箱底座和顶升点的设计，既解决了倾斜台倾斜行程大与舞台垂直安装空间狭小的矛盾，又能够保证运行的平稳、可靠、安全（如图7）。
2.2.3 多连杆虚拟圆心铰链
按照舞台工艺要求，倾斜台翻转必须以舞台台面前端上边缘线作为旋转中心线，为此专门设计了一套多连杆机构，实现舞台围绕虚拟圆心进行翻转（如图8），从而彻底避免了舞台翻转时与固定台干涉的问题。多连杆机构的基本原理如图9所示，a点作为固定支座铰接点，拉杆仅可围绕该点旋转，即b点只可绕a点做圆周运动；c点在腰型槽的限制下绕虚拟圆心O做圆周运动；按照舞台翻转角度的要求来决定腰型槽的长度。
其余各点的设计需根据舞台钢结构的受力分布，并结合整个舞台的受力稳定性，确定各点的位置和各拉杆的长度。需要指出的是，该结构在运动中形成的虚拟圆心O并不是真正意义上固定不动的圆心，而是按一定的运动轨迹做微小往复运动的漂浮点，其运动轨迹呈横向的水滴状，轨迹的变化与各连杆的长度和各铰接点有直接关系，但这种微小的变化并不影响设备的正常运行，完全满足与相邻设备间互不干涉的要求。
3 结语
浅基坑倾斜车转台中倾斜台的设计，主要利用了柔性齿条安装空间小、行程大的特点，解决了舞台设备基坑浅、安装空间不足、行程大的问题；设计采用了铰接式柔性齿条底座和上顶升点，使其通过自适应偏摆的方式，极大地改善了齿条顶升时的受力状态；多点支撑结构解决了舞台钢架刚度不足的问题，并引入机械同步装置，结合电气同步控制，确保了多点支撑传动的同步可靠性，使各点的受力趋于均匀，顶升速度一致，舞台动作平稳；多连杆虚拟圆心机构的设计，使设备翻转中心与工艺要求的一致，解决了设备间的运动干涉问题。经过实践，上述各项设计在设备运行中均发挥出较好的作用，获得了良好的实际使用效果。
（编辑 薛云霞）