宋耀軍，嚴(yán)華鋒

（浙江大豐實(shí)業(yè)有限公司，浙江 余姚 315400）

重慶大劇院是近幾年內(nèi)國內(nèi)投資規(guī)模較大的劇院之一，尤其是其大劇場，舞臺機(jī)械配置完善，如后車載轉(zhuǎn)臺、芭蕾舞車臺等。舞臺工藝設(shè)計是由一家國際舞臺咨詢公司完成，舞臺機(jī)械的細(xì)化設(shè)計、安裝和調(diào)試則由浙江大豐實(shí)業(yè)有限公司（以下簡稱“大豐公司”）完成。

1 臺下舞臺機(jī)械平面布置

重慶大劇院大劇場的工藝設(shè)計與國內(nèi)的其他劇院有一點(diǎn)區(qū)別，即：在臺下舞臺機(jī)械布置上多設(shè)置了一套設(shè)備——軟景存貯升降臺，用以存放軟景片或其他道具等。此升降臺設(shè)置在主舞臺升降臺與后補(bǔ)償升降臺之間，其大小為1.5 m × 23 m × 12 m（深×寬×高），而且，此設(shè)備從舞臺面開始能向上升起 10.59 m，而主舞臺升降臺與后車載轉(zhuǎn)臺的寬度均只有18 m，如圖1所示。

軟景存貯升降臺的設(shè)置，將整個舞臺的主舞臺區(qū)與后舞臺區(qū)從空間上完全隔離開來，也就是說，切斷了后車載轉(zhuǎn)臺的前后運(yùn)行軌道，給后車載轉(zhuǎn)臺的前后移動帶來很大的麻煩。

2 方案初定

在重慶大劇院大劇場的舞臺機(jī)械招標(biāo)文件中，推薦了后車載轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動方案和各個細(xì)節(jié)。前后移動采用剛性鏈（法國Serapid公司產(chǎn)品）推拉驅(qū)動，旋轉(zhuǎn)運(yùn)行采用齒輪齒條驅(qū)動的方案，整個后車載轉(zhuǎn)臺的車臺部分做成橋式結(jié)構(gòu)，后車載轉(zhuǎn)臺行走在兩側(cè)的鋼軌上；由于軟景存貯升降臺處無法在兩側(cè)布置，因此，鋼軌設(shè)在軟景存貯升降臺面上，平時用地板蓋住。在后車載轉(zhuǎn)臺運(yùn)行之前，手工打開設(shè)在軟景存貯升降臺面上的蓋板，然后降下升降臺，把前后分開的三段鋼軌聯(lián)接起來，讓后車載轉(zhuǎn)臺移動。

3 問題導(dǎo)出

對舞臺機(jī)械招標(biāo)文件中的方案，“大豐公司”進(jìn)行了仔細(xì)地分析和研究，盡管此驅(qū)動方案也能夠?qū)嵤?，但本著“做到更好”的信念和理念，此方案無疑有其缺陷。

3.1 鋼軌設(shè)置缺陷

在軟景存貯升降臺上設(shè)置鋼軌，缺陷有三點(diǎn)。其一，對臺面產(chǎn)生破壞，會多出幾條臺縫；其二，后車載轉(zhuǎn)臺移動時要打開蓋板，退回時又要蓋住，操作不便；其三，后車載轉(zhuǎn)臺在大劇場是一個最大最重而且有效載荷也是最大的設(shè)備，因此，升降臺上設(shè)置鋼軌來支承巨大的后車載轉(zhuǎn)臺的重量及載荷，對升降臺結(jié)構(gòu)及驅(qū)動等均會產(chǎn)生很大的壓力。

3.2 剛性鏈推拉缺陷

在招標(biāo)文件方案中，必須將剛性鏈與后車載轉(zhuǎn)臺聯(lián)接，而驅(qū)動機(jī)構(gòu)須放置在最后一塊后車載轉(zhuǎn)臺補(bǔ)臺的后面，鏈條必須儲存在車載轉(zhuǎn)臺補(bǔ)臺的下部，占用補(bǔ)臺的空間，且安裝檢修都比較困難；并且，在后車載轉(zhuǎn)臺移動過程中，無法將后車載轉(zhuǎn)臺補(bǔ)臺升起補(bǔ)平舞臺面。而后車載轉(zhuǎn)臺的移動速度最大僅0.2 m/s，整個移動過程需要很長時間（最大行程時的最快速度為120 s）；所有補(bǔ)臺須在剛性鏈?zhǔn)栈睾蟛拍苎a(bǔ)臺，若收回時間也是120 s，則總共時間為240 s，才能開始補(bǔ)平后舞臺區(qū)，而且，還沒有計算后車載轉(zhuǎn)臺鎖定及剛性鏈脫鉤的時間。因此，這給演出過程中忙碌的后舞臺區(qū)帶來很大的安全隱患。

3.3 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動缺陷

若按舞臺機(jī)械招標(biāo)文件中的方案，后車載轉(zhuǎn)臺上旋轉(zhuǎn)環(huán)的驅(qū)動采用齒輪齒條，其實(shí)際齒條是一個直徑須大于12.5 m的大齒輪。在后車載轉(zhuǎn)臺上設(shè)置這樣一個大齒輪，其加工、安裝及與驅(qū)動齒輪的嚙合精度都很難保證，并且，會產(chǎn)生很大的運(yùn)行噪音。

4 設(shè)計研究

針對招標(biāo)文件中的方案，經(jīng)共同商議、反復(fù)研究后，確定在保持后車載轉(zhuǎn)臺工藝性能不變的前提下，大幅度改進(jìn)設(shè)計驅(qū)動方案。

4.1 軟景存貯升降臺上軌道的取消

在通常情況下，橋架式后車載轉(zhuǎn)臺兩側(cè)安裝有多組行走輪，在兩側(cè)鋪設(shè)的對稱布置軌道上行走。在兩側(cè)的行走輪之間采用桁架聯(lián)接，也稱為橋式聯(lián)接，每側(cè)有幾組行走輪，即有幾組桁架，也就有幾組橋，如圖2所示。而后車載轉(zhuǎn)臺上前后布置的每組橋之間通常采用浮動式聯(lián)接，這樣，可以充分保證每組橋上的受力均勻，也就是說能保證每組行走輪的受力均勻。

但在本案中，如采用通常的結(jié)構(gòu)，當(dāng)行走輪行走到軟景存貯升降臺上時，若沒有軌道，行走輪就會下降，整個后車載轉(zhuǎn)臺表面就不平整，最終導(dǎo)致后車載轉(zhuǎn)臺無法正常工作；若在軟景存貯升降臺上鋪設(shè)軌道，將導(dǎo)致上面分析的不方便和以后劇場管理的混亂。經(jīng)研究后，采用了取消軟景存貯升降臺上的軌道及增加每側(cè)行走輪數(shù)量（本案中每側(cè)9組行走輪，其中3組為驅(qū)動輪，共18組）的方法，如圖3所示。理由是：軟景存貯升降臺的深度為1.5 m，如將每側(cè)的9組行走輪安裝在一個剛性的桁架中，若其中一組行走輪懸空，剛性桁架也能支承懸空一組行走輪所在的后車載轉(zhuǎn)臺部分重量及載荷。

4.2 最大懸臂長度和中間懸掛長度計算

4.2.1 最大懸臂長度

當(dāng)后車載轉(zhuǎn)臺前行時，第一個行走輪進(jìn)入軟景存貯升降臺區(qū)域后，由于此區(qū)域沒有行走軌道，第一個行走輪就出現(xiàn)懸空狀態(tài)。此時，第二組行走輪（即驅(qū)動輪）承擔(dān)第一個行走輪本應(yīng)承擔(dān)的自重和載荷。在此情況下，后車載轉(zhuǎn)臺出現(xiàn)兩個因素的變化：其一，第二組行走輪（即驅(qū)動輪）的載荷出現(xiàn)突變，成倍增加；其二，側(cè)桁架出現(xiàn)巨大的彎力，以桁架的強(qiáng)度來承擔(dān)本應(yīng)由第一個行走輪承擔(dān)的重量。因此，在設(shè)計上采取了兩項(xiàng)針對性措施：其一，對第二組行走輪采用了二輪組合的方式，由兩個輪子來平均承擔(dān)本應(yīng)該第一個行走輪與第二組行走輪共同承擔(dān)的重量和載荷；其二，加強(qiáng)了側(cè)桁架的強(qiáng)度，保證側(cè)桁架能完全承擔(dān)上面所述的自重和載荷。由于側(cè)桁架高度的限制，因此，通過計算嚴(yán)格限定懸臂的最大長度A，見圖3。

4.2.2 中間懸掛長度

當(dāng)后車載轉(zhuǎn)臺繼續(xù)前行時，第一個行走輪跨越軟景存貯升降臺區(qū)域后，行走到軌道上，此時第一個行走輪又能承擔(dān)自重和載荷，進(jìn)一步前行后，第二組驅(qū)動輪出現(xiàn)懸空，進(jìn)而第二組進(jìn)入另一段軌道，第三個行走輪懸空，但無論在哪一位置，后車載轉(zhuǎn)臺的懸空輪數(shù)量最多只有一個或一組。與懸臂的情況相似，同樣也要出現(xiàn)兩個問題，因此，在設(shè)計時同樣嚴(yán)格地限制了中間懸掛的長度B，見圖3。同樣規(guī)格的后車載轉(zhuǎn)臺，如軌道連續(xù)，一般情況下側(cè)設(shè)置7組行走輪就能滿足承載要求；而在重慶大劇院，由于軌道的不連續(xù)，經(jīng)過反復(fù)計算及模擬運(yùn)行全過程，設(shè)置了9組行走輪和驅(qū)動輪，保證了設(shè)備全程運(yùn)行可靠。

4.3 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的改進(jìn)

通過研究，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動采用了摩擦式驅(qū)動。如圖4所示，在中心旋轉(zhuǎn)臺和旋轉(zhuǎn)環(huán)上分別設(shè)置一條摩擦環(huán)，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)安裝在后車載轉(zhuǎn)臺的鋼架上，當(dāng)摩擦驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)時，驅(qū)動整個旋轉(zhuǎn)臺或旋轉(zhuǎn)環(huán)旋轉(zhuǎn)。在本案中，分別設(shè)置4套驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臺和旋轉(zhuǎn)環(huán)。此驅(qū)動方式具有運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲小等特點(diǎn)。由于摩擦驅(qū)動存在驅(qū)動輪與摩擦環(huán)之間打滑的必然性，因此，僅憑控制電機(jī)，無法達(dá)到旋轉(zhuǎn)臺或旋轉(zhuǎn)環(huán)的位置控制，為此，分別在旋轉(zhuǎn)臺和旋轉(zhuǎn)環(huán)上設(shè)置了一套旋轉(zhuǎn)角度測量與控制機(jī)構(gòu)，以求準(zhǔn)確控制旋轉(zhuǎn)角度。

4.4 前后移動驅(qū)動功率與電機(jī)數(shù)量的確定

電機(jī)驅(qū)動功率計算如下∶ P = FV/η。其中，P為電機(jī)功率，F(xiàn)為后車載轉(zhuǎn)臺的最大驅(qū)動力，η為整個驅(qū)動系統(tǒng)的傳動效率。而F = (G + L) a + F0。其中，G為后車載轉(zhuǎn)臺自重，L為后車載轉(zhuǎn)臺最大載荷，a為后車載轉(zhuǎn)臺起動或停止的最大加速度或減速度，F(xiàn)0為后車載轉(zhuǎn)臺常速運(yùn)行時的摩擦阻力。

根據(jù)有關(guān)設(shè)計文件的要求，計算了電機(jī)的驅(qū)動功率。由圖3可知，整個后車載轉(zhuǎn)臺的前后移動由6臺驅(qū)動電機(jī)（每側(cè)3臺）組合完成，而這6臺驅(qū)動電機(jī)采用了一樣的功率和型號。設(shè)單個驅(qū)動電機(jī)的功率為P0。在設(shè)計時，選取了P0 = kP/4，其中，k為驅(qū)動力不平衡系數(shù)。理由是在某一組驅(qū)動輪懸空時，其余4臺電機(jī)能發(fā)揮它們的功率，也就是說，無論后車載轉(zhuǎn)臺在任何位置，整個后車載轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動力總能保證設(shè)備的設(shè)計指標(biāo)，即符合有關(guān)設(shè)計文件要求。換句話說，當(dāng)6組驅(qū)動輪全部著落于軌道時，后車載轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動力相當(dāng)于設(shè)計要求的1.5倍。

4.5 懸掛系統(tǒng)的應(yīng)用

如上所述，設(shè)計將所有的行走輪與驅(qū)動輪全部安裝在一根側(cè)向的剛性桁架上。正因?yàn)樵阼旒苌系陌惭b，后車載轉(zhuǎn)臺能順利地跨越有斷口的軌道，保證了設(shè)備的正常運(yùn)行；但同樣也帶來了一個麻煩的問題，即當(dāng)軌道鋪設(shè)不平整時，即使此行走輪或驅(qū)動輪不在軟景存貯升降臺上，也可能會出現(xiàn)部分行走輪或驅(qū)動輪的懸空問題。如行走輪不著軌道，最大的問題是產(chǎn)生各個行走輪或驅(qū)動輪受力不均。如若驅(qū)動輪懸空，問題就會相當(dāng)嚴(yán)重，出現(xiàn)驅(qū)動輪空轉(zhuǎn)或打滑現(xiàn)象，導(dǎo)致后車載轉(zhuǎn)臺無法正常運(yùn)行。同樣，即使驅(qū)動輪著落在軌道上，如沒有足夠的正壓力，也會導(dǎo)致驅(qū)動輪的打滑現(xiàn)象，一樣會導(dǎo)致整個后車載轉(zhuǎn)臺無法正常運(yùn)行。

為此，設(shè)計時導(dǎo)入了懸掛的理念。此懸掛理念相似于汽車的懸掛系統(tǒng)，懸掛系統(tǒng)能保證汽車在不平的馬路上行走時，4只輪子都能受力。此懸掛系統(tǒng)引入后，基本保證了每一個行走輪或驅(qū)動輪的受力均勻；同時，也保證了每一組驅(qū)動輪具有足夠的驅(qū)動力，使設(shè)備運(yùn)行正常。另外，懸掛系統(tǒng)的引入，也大大地緩解了在軟景存貯升降臺上的行走輪或驅(qū)動輪進(jìn)入下一段軌道時的剛性撞擊現(xiàn)象，由剛性撞擊轉(zhuǎn)換成彈性撞擊。同時，設(shè)計時對軌道進(jìn)行了特殊的處理，行走輪或驅(qū)動輪的這一撞擊，只有在對行走過程中高度關(guān)注的情況下，才能體會到。

在嚴(yán)格的檢測下，整套設(shè)備順利地通過了驗(yàn)收，各項(xiàng)性能指標(biāo)完全達(dá)到設(shè)計要求。目前，此設(shè)備已正常運(yùn)行一年。