芭蕾舞台倾斜台面虚拟铰轴的设计与分析

张向勇　刘斌　常江江

[摘要]介绍虚拟铰轴机构在芭蕾舞台倾斜台面中的应用，该机构有效地实现了台面接口在运动过程中始终保持契合，重点对翻转驱动力进行分析，并进一步提出改进与优化措施。

[关键词]芭蕾舞台；倾斜台面；虚拟铰轴；翻转驱动力；优化措施

文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2016.08.013

1 虚拟铰轴的提出

可倾斜台面的芭蕾舞台是舞台行业中常用的机械设备，它可以通过不同的倾斜角度变换及相互间的配合，更完美地向观众呈现表演的效果。为了实现芭蕾舞台台面的倾斜功能，最理想的状态是以木地板的上边缘为旋转轴进行倾斜，如图1所示。

在倾斜过程中，A点与固定台面的水平位置、高度相比均没有发生变化，所以不会因为台面倾斜而与固定台面产生干涉问题。

但是工程实际中，无法在木地板的上边缘设置铰点，只能是尽量靠近A点，如图2所示。

对比倾斜前后的位置，可以看出，A点与固定台面的水平位置、高度相比均有变化，并且产生了干涉。显然这种设计满足不了要求。

国家大剧院芭蕾舞台倾斜机构采用了一个以旋转点A为圆心的弧形轨道，并增设了一个拉杆限制倾斜台面的自由度，以便使台面能够沿着弧形轨道运动，如图3所示。

从图3中可以看到，倾斜前的位置和最大倾角的位置与固定台面相比均没有发生位置变化，满足使用要求。但是，在倾斜过程中，旋转点A存在少量的位移变化。

基于虚铰原理的虚拟铰轴机构，可以解决上述问题。该机构采用了两个以旋转点A为圆心的弧形轨道，使台面无论旋转到任何位置，都能看成是倾斜台面在围绕虚拟铰点A旋转，虚拟铰点A的位置保持不变，有效地实现了台面接口在运动过程中始终保持契合，如图4所示。

采用这种结构进行芭蕾舞台设计时，翻转驱动机构的作用方式、弧形轨道的几何尺寸等因素对虚拟铰轴机构的使用效果都有直接影响。

2 翻转驱动力分析

受翻转台面厚度所限，翻转驱动机构的作用力相对铰点的力臂较小，所以作用力方向对铰点的影响是显著的。下面对两种设计进行分析。

2.1 驱动形式1

结合图5、图6、图7进行分析。

已知：F₄=100000N（自重+载荷）

对A点取矩：

2.3 分析

对2.1、2.2的计算结果进行汇总分析，得到表1。

驱动形式1中的滚轮B点、C点受力比驱动形式2大了很多，会导致摩擦阻力太大，翻转驱动力不足，倾斜台面可能翻不起来。

修改为驱动形式2后，倾斜台面可以正常翻转，虚拟铰轴机构在全过程中，A点的位置偏移在±2mm范围内。

3 改进与优化措施

对虚拟铰轴机构进行改进与优化，有以下几种措施。

3.1 措施一：移动滚轮位置

往前移动滚轮，使得第一个滚轮尽量在A点的下方。通过受力分析，发现此种优化对滚轮B点、C点的受力有所改善，但改善不大。

3.2 措施二：拉大滚轮间距

尽量拉大两个滚轮之间的距离，使其力臂尽量大。通过受力分析，发现此种优化对滚轮B点、C点的受力有很大改善，受力基本上是原来的一半。如图11的左边所示。

3.3 措施三：改变推杆驱动形式

改变动力推杆的驱动形式，变为半个剪刀撑的驱动，这样充分释放了水平方向的附件力，对滚轮B点、C点的受力也有很大改善。如图11的右边所示。

4 结论

基于虚铰原理的芭蕾舞台倾斜台面虚拟铰轴，有效地保证了台面接口在运动过程中始终保持契合。在此基础上，笔者提出的一些改进与优化措施，有助于该机构在类似设备中的应用推广。

（编辑 王芳）