多蓋板的薄型大尺寸旋轉(zhuǎn)馬圈舞臺的設計與實施

馮 朝

（上海文化廣播影視集團有限公司，上海 200041）

雜技劇場表演舞臺不同于一側(cè)觀看的舞臺，為符合雜技的表演特點，一般設計為馬圈舞臺。為了滿足多元化的表演，增強表演的動感，讓觀眾更好地欣賞雜技節(jié)目，體驗雜技藝術(shù)的魅力，將固定馬圈舞臺改造為可旋轉(zhuǎn)馬圈舞臺，使舞臺可正反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速可調(diào)；并在保留原有臺下頂升臺功能的同時，添加其他功能的出入洞口。

文中以一個固定臺面的馬圈舞臺改造為例，將其改造成一個高260 mm、直徑14 m的旋轉(zhuǎn)馬圈舞臺，并設置1個直徑2.6 m、3個直徑0.7 m的可開啟式洞口，以便與原有或新設的頂升臺配合使用，增加或豐富演出的表現(xiàn)手段。筆者就改造目標、旋轉(zhuǎn)臺工作原理、蓋板機構(gòu)工作原理及蓋板區(qū)域的調(diào)整補強等幾方面進行解析。

1 舞臺的改造目標

現(xiàn)有舞臺的改造需達到四項要求：將現(xiàn)有舞臺抬高不超過15 cm，設立可以正向和反向旋轉(zhuǎn)的直徑14 m旋轉(zhuǎn)臺，邊緣旋轉(zhuǎn)線速度0.2 m/s～1 m/s；旋轉(zhuǎn)臺可配合原有地下頂升臺及新增3處0.7 m直徑出入洞口的使用，并能與洞口準確對接；旋轉(zhuǎn)臺可平穩(wěn)承重200 kg/㎡；遇故障可采取手動的應急措施。

舞臺臺面拆除清理后，為一塊平整的混凝土地面，中心位置下方為地下室的混凝土立柱及從立柱發(fā)散的混凝土大梁；需要在此地面上開直徑2.6 m的頂升臺洞口，并在大梁之間增設3個洞口。

新舞臺除提供旋轉(zhuǎn)功能，還需要通過設置不同尺寸的舞臺蓋板和動作機構(gòu)來滿足臺下裝置使用的需要。由于蓋板的存在，蓋板動作機構(gòu)對旋轉(zhuǎn)臺運行可能的影響，活動蓋板的動靜載荷，臺高的有限空間內(nèi)如何保證臺體剛度條件下實現(xiàn)蓋板的內(nèi)藏，這些都需要在初始設計時一體化考慮。

對于旋轉(zhuǎn)臺體與蓋板及洞下裝置的關(guān)系，在設計及實施中需遵循以下原則。

（1）蓋板跟隨臺體旋轉(zhuǎn)，但相對臺體呈靜止態(tài)，同時，蓋板動作機構(gòu)對臺體行走不能產(chǎn)生阻礙，即蓋板機構(gòu)均固定于轉(zhuǎn)動臺體上而非固定在地面。

（2）蓋板只能在轉(zhuǎn)臺被禁止旋轉(zhuǎn)的指定狀態(tài)下進行開閉動作，并在完成動作歸位后對旋轉(zhuǎn)臺其他狀態(tài)無影響。

（3）每個洞下裝置的活動各自獨立，只與所在洞的蓋板和蓋板機構(gòu)聯(lián)動控制。

（4）當遇洞口出現(xiàn)不可避免影響旋轉(zhuǎn)臺使用時，只有采取等效替代辦法保證轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)，并盡量減小對洞口的影響。

2 整體設計方案

旋轉(zhuǎn)臺整體設計思路是臺體采用中心回轉(zhuǎn)支承，中心之外設若干圈滾動輪，臺體邊緣設有若干組驅(qū)動裝置，帶動臺體順時針或逆時針運轉(zhuǎn)。綜合建筑的現(xiàn)狀，將中心回轉(zhuǎn)支承件安放在中心混凝土立柱上，若干圈行走輪位于混凝土同心圓大梁位置。主臺體采用鋼框架，鋼架形狀以同心圓和放射線結(jié)合形成主要構(gòu)造，鋼架在直徑2.6 m頂升臺洞口位置和3處直徑0.7 m的功能洞口位置做敞口處理。動力裝置采用電機摩擦驅(qū)動最外側(cè)臺體框，電機側(cè)置于梁間空隙處。帶有洞口位置的旋轉(zhuǎn)臺鋼架體示意圖見圖1。

在嘗試了多種方案后，對于頂升臺洞口和功能洞口采用蓋板方案。直徑2.6 m頂升臺洞口的大蓋板，由于直徑大，等分為2個半圓蓋板，采用對搓式拉開及閉合的動作方式，驅(qū)動半圓可以選用體積更小的部件實現(xiàn)，對臺體內(nèi)部鋼構(gòu)架的截斷面和滾動輪的影響相對較小。而直徑0.7 m的功能洞口小蓋板因尺寸不大，則以整板進行開啟閉合。

各部分的設計參數(shù)如下。

（1）臺體

尺寸: φ14 m×0.26 m

載荷: 自重+2 kN/㎡動載；自重+5 kN/㎡靜載

行程距離: 360°任意

運行噪音: ≤40 dB(A)

邊緣線速度：0.02 m/s ～1 m/s

驅(qū)動類型: 摩擦輪驅(qū)動

（2）大蓋板及動作機構(gòu)

尺寸：R=1.3 m半圓

動載：自重

靜載：自重+5 kN/㎡

行程距離：2.7 m

始末運行時間：9 s（平移）+9 s（頂升）=18 s

定位精度：≤±3mm

驅(qū)動類型：卷揚機鋼絲繩牽引+電動推桿頂升

半圓形蓋板行走功率 ：2×0.37 kW

半圓蓋板升降推桿功率： 8×0.18 kW

半圓蓋板鎖止推桿功率 ：2×0.18 kW

（3）小蓋板及動作機構(gòu)

尺寸：圓形φ0.7 m

動載：自重

靜載：自重+5 kN/㎡

行程距離：0.72 m

始末運行時間：8 s（平移）+9 s（頂升）=17s

定位精度：≤±3mm

驅(qū)動類型：電動推桿牽引+電動推桿頂升

長臂推桿功率 ：2×0.18 kW

升降推桿功率 ：4×0.18 kW

3 蓋板機構(gòu)的工作原理

圖1 旋轉(zhuǎn)臺鋼架體示意圖

在蓋板機構(gòu)收到蓋板開閉信號后，蓋板機構(gòu)對蓋板執(zhí)行對應的動作。蓋板與舞臺面閉合的上升和脫離臺面的下落動作通過電動推桿實現(xiàn)，如圖2所示。利用電動推桿端頂部的滾輪作用于蓋板外側(cè)斜面，如圖3所示，推桿的推力在蓋板斜面產(chǎn)生的垂直分力將蓋板緩緩頂起直至與臺面平齊，復原臺面。反之電動推桿收縮，電動推桿端部的滾輪漸漸脫離蓋板的斜面，蓋板依靠自身重量下落，實現(xiàn)蓋板開啟。

已下落的蓋板在臺體內(nèi)的隱藏通過車臺的移動完成。每塊半圓蓋板配置一臺車臺和一套牽引卷揚機。半圓蓋板下落至洞口位置的車臺，卷揚機驅(qū)動鋼絲繩牽引車臺，帶動半圓蓋板移離，直至下方洞口完全露出；同理，車臺在卷揚機牽引下作相向移動，封閉下方洞口，如見圖4所示。

小蓋板的上下移動同大蓋板，而小蓋板的水平移動依靠長行程電動推桿，長行程電動推桿移動時，帶動車臺移動，完成小蓋板內(nèi)藏及下方洞口的啟用。車臺下方預置了行走軌道，如圖5所示。

4 蓋板與轉(zhuǎn)臺的整體設計及設備選型

當有道具或者演員需從舞臺下部造型出場時，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)到預設位置鎖定，蓋板動作機構(gòu)做打開預備，電動推桿組縮回推桿頭部頂輪，蓋板依靠自重和斜坡結(jié)構(gòu)隨之下沉。隨后蓋板車臺牽引卷揚機或長臂推桿動作，將蓋板平移藏至臺體結(jié)構(gòu)內(nèi)部。蓋板完全隱藏后，位于轉(zhuǎn)臺洞口下方的其他設備即可升起，將道具或演員運至舞臺臺面。

4.1 設計目標及設備選擇

每塊半圓蓋板和小蓋板在臺體內(nèi)均配置了4套水平電動推桿，如圖3所示。采用多副推桿的理由是，在產(chǎn)生同樣合力時增加蓋板跟轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，同時盡可能降低部件尺寸。

圖2 大蓋板電動推桿的上升和下降動作

圖3 大蓋板電動推桿的布置圖

圖4 半圓蓋板移動示意圖

圖5 小蓋板水平移動示意圖

蓋板跟隨旋轉(zhuǎn)或靜止狀態(tài)時要承受與臺體其他部位同等量的動荷載與靜載荷，舞臺設計動荷載2 kN/㎡，靜荷載5 kN/㎡，按半圓蓋板自重5.6 kN，小蓋板自重0.7 kN計算取得的推桿和驅(qū)動電機，電機推力主要完成克服蓋板自重的頂升。

根據(jù)設計目標，設備選擇如下。

（1）臺體驅(qū)動電機的選擇

電機選用S E W D R S 9 0 L 4- 2.2 k W；減速比i=1 500/88.6=16.9；減速機選用MR CI 81 U03A-28*250-16.7 v6

（2）半圓蓋板牽引電機減速機的選擇

型號為S E W D R S 7 1 S 4-0.3 7 k W；減速比i=1 500/66=22.7；減速機選用ROSSI MR CI 50 U03A-14*160-24.1 B3

（3）大蓋板頂升電動推桿的選擇（頂升階段）

大蓋板頂升電動推桿型號為WTL30-R4-310-TSFCM(NC)-IN3-LH，其性能參數(shù)見表1。

采用軟件模擬分析電動推桿豎直方向的受力。建立推桿模型，對模型施加5 kN的正壓力，分析結(jié)果如圖6所示，施加最大靜載荷時，推桿的應力為76 MPa，滿足設計要求。

（4）小蓋板頂升電動推桿的選擇

小蓋板頂升電動推桿型號為WTL20-R6-220-F0-FCM(NC)-IN3-LH，其性能參數(shù)見表2。

（5） 水平推拉電動推桿的選擇

水平推拉電動推桿型號為WTL40-R2-720-TSFCM(NC)-IN3-RH，其性能參數(shù)見表3。

4.2 蓋板的限位插銷設計

為了達到蓋板上方使用所需設計荷載能力以及舞臺旋轉(zhuǎn)時蓋板相應能力穩(wěn)定不變，在推桿頭部連接有限位插銷，當推桿端部滑輪漸漸將蓋板頂起，將限位插銷伸向蓋板板底并到位后，與每個推桿連接并同步動作的4個帶輪的限位插銷將蓋板限位，此時所有蓋板面的承載轉(zhuǎn)由板下支撐部件，即4套限位插銷承擔，在無后續(xù)開啟命令到來前，插銷部件保證蓋板在旋轉(zhuǎn)和靜止中穩(wěn)固。

通過模擬計算驗證所選限位插銷的受力和變形狀況，表明其能夠承受同等量的荷載。

4.3 鋼架結(jié)構(gòu)的調(diào)整補強

有了蓋板動作機構(gòu)的實現(xiàn)方式，再確定蓋板區(qū)域鋼架結(jié)構(gòu)的調(diào)整補強。圖7給出了帶有蓋板敞口的臺體鋼架和蓋板機構(gòu)布置平面圖，從圖7可看到，由于蓋板的存在，打亂了原有的同心圓和放射線相結(jié)合的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，蓋板途徑線路的架體都需要重新布局設計和單獨核算。

表1 大蓋板頂升電動推桿的性能參數(shù)

表2 小蓋板頂升電動推桿的性能參數(shù)

表3 水平推拉電動推桿的性能參數(shù)

圖6 電動推桿豎直方向受力分析

圖7 帶有蓋板機構(gòu)的主臺體平面示意圖

4.3.1 小蓋板區(qū)域鋼架結(jié)構(gòu)的調(diào)整補強

3個小蓋板洞口剛好處于內(nèi)圈第二圈同心圓主鋼架位置，鋼架在此位置無法連續(xù)，對此，3個小蓋板洞口均采用了在洞口位置設置柜型框進行結(jié)構(gòu)調(diào)整。帶有頂升滾輪和限位插銷的4副水平頂升推桿呈斜十字型對角布置，與車臺長臂推桿錯位，避免對車臺軌道的影響。車臺軌道設置在矩形框架中下部、行走輪的內(nèi)側(cè)；推桿驅(qū)動電機與車臺推桿驅(qū)動電機分別設置在鋼架體空隙內(nèi)。電動推桿與電機均依托臺體主框架固定安裝。

4.3.2 大蓋板區(qū)域鋼架結(jié)構(gòu)的調(diào)整補強

大蓋板因自身尺寸大，啟閉路徑長，對鋼架影響較大，對該區(qū)域鋼架進行專門設計。2個半圓蓋板下移后會占用兩倍臺面厚度的空間，首先對半圓蓋板鋼架自身進行減厚處理，使用小規(guī)格鋼材和管材增密，增加自身剛度；而半圓蓋板的車臺行走路徑較長、較寬，為此特別對半圓蓋板車臺移動軌道設置了類似鐵路路基橫梁的橫向連接架，考慮到車臺軌道位于圓中心一側(cè)，實際無法完全覆蓋洞口，半圓蓋板自重又較重，為防止車臺運載中失穩(wěn)，方便只有單側(cè)作用的鋼絲繩牽引車臺，車臺和車臺軌道采用了類似抽屜的推拉方式，以減小因洞口軌道缺失引起的蓋板運送困難和失穩(wěn)。與軌道適應的抽屜結(jié)構(gòu)和類似鐵路橫梁連接架構(gòu)造結(jié)合，成為半圓大蓋板區(qū)域臺體鋼架的重要替代。

圖8 應力圖

圖9 位移圖

從計算可知，半圓蓋板由于最大拉開尺寸已超出主臺體，故半圓中心線略向內(nèi)傾斜，可保證車臺拉開后仍處于臺體內(nèi)，從而維護了轉(zhuǎn)臺邊界區(qū)域的結(jié)構(gòu)強度安全。為求證帶有大蓋板敞口主臺體鋼架體的剛性強度與耐變形情況，設計階段對其進行了預應力和沖擊力軟件分析驗算。建模時，鋼架部分區(qū)域采用了等效結(jié)構(gòu)，材質(zhì)設為普通碳鋼，對模型施加了最大靜載荷和自重力，仿真結(jié)果見圖8、圖9、圖10。

由仿真結(jié)果可知，應力集中在15 MPa ～60 MPa之間，最大應變位移為3.89 mm，增加400 kg切向力的位移最大形變量為3.91 mm。根據(jù)鋼架模擬驗算，需對鋼架敞口和薄弱處進行結(jié)構(gòu)補強調(diào)整，通過增加部分縱橫向連接構(gòu)件來抵消部分變形和位移的形成，以及在大蓋板外側(cè)臺體邊緣部位增加交叉桿（如圖7所示），其同時降低了轉(zhuǎn)臺外圍驅(qū)動電機摩擦力擠壓可能引起的變形，也保證了為支撐下方行走輪的強度。

圖10 增加400 kg切向力的位移圖

大蓋板共8副頂升水平推桿順著半圓蓋板移動方向設置，為兼顧車臺與洞口，每塊半圓蓋板一側(cè)的2副電動推桿采用固定桿，另一側(cè)的2副推桿跟隨車臺前后移動。2組鋼絲繩牽引電機與鋼絲繩組布置在半圓周外的空隙處。鋼架按半圓移動路徑進行調(diào)整后，由于抽屜箱式結(jié)構(gòu)的存在，且抽屜框架已占用了大部分厚度空間，舞臺面的木質(zhì)地板直接利用抽屜框架敷設。

臺體設置了4圈行走輪，沿軌道半徑2.4 m、4.2 m、5.78 m、和6.9 m處，合計有180個行走輪。從圖7知，大蓋板與動作部件對其中兩圈行走輪有直接影響，個別行走輪調(diào)整了設置位置，無法安置的按空位設置。小蓋板洞口位于行走輪之間，行走輪在3個小洞口區(qū)域連貫完整，對行走輪無影響。其他行走輪按均布、個別位置調(diào)整的方式設置。因行走輪總體分擔均勻，運轉(zhuǎn)行走臺面整體平穩(wěn)。

5 結(jié)語

完工后的主臺體鋼架體自重16.6 T，上敷木地板后完成重量近20 T。主臺體在外圈邊沿配置了8組驅(qū)動電機。總功率17.6 kW。轉(zhuǎn)臺包含有：主臺體、中心回轉(zhuǎn)支承和行走輪組、主臺體驅(qū)動組件、活動大蓋板及電動推桿組和車臺牽引卷揚機、活動小蓋板及電動推桿組和移動車臺，以及演員安全保護措施等在內(nèi)的電氣伺服控制系統(tǒng)。

該旋轉(zhuǎn)馬圈舞臺具有尺寸大、厚度薄的特征，厚度為26 cm；轉(zhuǎn)臺具有勻速變速旋轉(zhuǎn)、可正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)、靜止、洞口蓋板掩藏或閉合的功能，為演員不同的表演方式提供方便；轉(zhuǎn)臺設置的多個不同口徑內(nèi)藏式的蓋板活門，可以與不同功能的設備進行對接配合，助力豐富演出內(nèi)容與形式。