设置于舞台主表演区的主舞台升降台是现代化机械舞台的主体,直接参与演出,增强表演效果。一般由多块独立的升降台组成,既可用于变换舞台形状,使舞台形成不同高度的平面,整个舞台在平面、台阶之间变化;又可在观众视线下运送演员上下场、变换布景、制造特殊气氛。
2.组成
主舞台升降台主要由台体、驱动系统、导向系统、平衡重系统、位移和速度检测系统、安全防护系统、附属功能机构及支撑结构等组成。如图2-2-2所示:
图2-2-2主舞台升降台组成
3.结构设计
根据剧场土建条件、性能指标需求、设备造价等因素的不同,在具体设计时,主舞台升降台的各部分结构组成可采用不同的方式。结合国内外已建成剧场的主舞台升降台典型型式,对升降台各结构组成分别说明。
(1)台体
台体设计除满足升降台承载要求外,还应考虑外型美观及造价经济合理。根据主舞台使用需求、基坑深度等条件,台体可分为单层台体和双层台体两大类。
1)单层台体
当主舞台基坑深度较浅或升降台高出舞台面行程小于3.00m时,台体一般采用单层台体方式。
图2-2-3单层台体
单层台体由侧片、主梁、次梁等部分组成,各部分之间通过焊接或螺栓连接成整体,主要工艺尺寸高度-H、宽度-W、长度-L如图2-2-3所示。
侧片是台体的承力基础,提升吊点座、平衡重钢丝绳连接座、导靴、插销机构等部件均安装在侧片上,如图2-2-3所示。侧片的高度与升降台高出舞台面的行程-S1及导靴间距离-D有关,。
主梁是台体的承力主体,承受木地板的自重及作用于升降台上的外载荷。一般设置两条主梁,间距尺寸W,主梁两端与侧片连接。根据主梁的跨度尺寸L及升降台所承受的外载荷大小不同,主梁可采用槽钢、工字钢、H型钢等型材或由型材组成的桁架结构。设计主梁时,在满足强度的基础上,其最大允许挠度不能超过升降台跨度的1/750。
主梁之间连接梁为次梁,直接承受升降台的外载荷,是木地板铺设的基础。设计时,通常在主梁之间设置多条次梁,根据次梁的跨度尺寸W及升降台所承受的外载荷不同,次梁可采用槽钢、工字钢等型材。为提高主梁与次梁构成的结构平面的抗扭刚度及稳定性,可将部分次梁(一般2条或3条)设计成与主梁结构型式相同,也可在次梁间设置斜杆。
由于升降台升起时舞台面会有洞口出现,对演职人员的人身安全构成风险,因此,单层升降台的使用越来越少。
2)双层台体
当舞台工艺需要或升降台高出舞台面行程大于3.00m时,台体一般采用双层台体方式。
图2-2-4双层台体
双层台体由侧片、上层台面、下层台面等组成,各部分之间通过焊接或螺栓连接成整体,主要工艺尺寸高度-H、台面间高度-H1、宽度-W、长度-L,如图2-2-4所示。
上层台面、下层台面均由主梁、次梁、斜杆等连接而成,两层台面之间高度为H1。通常H1与升降台升出舞台面行程S1及主舞台地下一层台仓深度相等,使得当升降台上层台面与舞台面平齐时,下层台面与地下一层台仓平齐,便于演出人员上下使用。
侧片、主梁、次梁等结构的作用及设计思路同单层台体。
以演出歌剧、舞剧为主的现代剧场,多数使用双层升降台。
(2)传动系统
通常说的升降台的传动系统,指的是承载件运动的执行机构,即承载件传动系统的简称。是驱动系统中除电动机、减速器、制动器、传动轴等部件外,与承载件之间传递运动及动力的部件组合,是直接驱动承载件运动的传动方式,如链条传动、钢丝绳传动、丝杠传动、齿轮齿条传动、液压缸传动、大螺旋传动、钢性链传动、剪刀臂传动等。每种传动方式都有各自的特点及适用条件,在设计时,应根据具体条件选用。
1)传动方式
①链条传动
☆原理简介:
驱动系统布置在基坑底部,升降台由4根链条悬挂,链条两端均与升降台连接,电动机驱动4个主动链轮转动,带动升降台上下升降。
☆方案特点:
链条驱动升降台传动效率高,升降行程较大,升降速度高,升降台运行平稳,无明显震动及冲击,定位精度高,运行噪音小,造价较低,已广泛应用于国内外剧场,是主升降台优先选用的驱动方式。
☆适用范围:
升降行程较大,通常在3.00m～12.00m;设备基坑深度足够,通常要求:基坑深度≥升降台行程+4.00m。
☆注意事项:
链条安装前,应检测链条的节距,保证同一升降台用的4根链条节距一致。当升降台行程大于12.00m时,应在上下链轮间加设链条保护轮,避免运动时链条晃动。
驱动系统布置在基坑底部,升降台由4根钢丝绳悬挂,钢丝绳一端与升降台连接,一端固定在卷筒上,升降台上升时通过卷筒缠绕收绳,下降时卷筒反转放绳,靠升降台自重下降。
为减小钢丝绳直径,可设置动滑轮,增加钢丝绳倍率。
钢丝绳式驱动升降台传动效率高,升降行程大,升降速度高,升降台运行平稳,无震动及冲击,定位精度高,运行噪音小,造价适中,已广泛应用于国内外剧场,是主升降台优先选用的驱动方式。
升降行程需求大,通常3.00m～20.00m;升降速度高,通常大于2.50m/s;设备基坑深度足够,通常要求:基坑深度≥升降台行程+4.00m。
应严格控制卷筒直径加工精度,保证升降台4根钢丝绳同步收放。
驱动系统布置在基坑底部,利用丝杠与螺母的相对运动传递运动及动力,有丝杠旋转螺母升降和螺母旋转丝杠升降两种方式。
方式1:丝杠旋转螺母升降:丝杠布置在升降台两侧,螺母安装在升降台上,电机驱动丝杠旋转,带动螺母上下直线运动。丝杠应该一端铰支一端固定。
方式2:螺母旋转丝杠升降:丝杠与升降台钢性连接,螺母安装在基坑底部,电机驱动螺母旋转,带动丝杠上下直线运动。
丝杠传动升降台传动效率偏低,允许升降速度较低,但承载能力强,稳定可靠,定位准确。为提高传动效率,通常采用滚珠丝杠。
由于长丝杠制造困难(其热处理需要大型竖井式热处理炉),适用升降行程较小(通常小于6.00m)的升降台;演出过程中不要求升降台频繁升降,或者要求升降台长期稳定停放在某一位置无下沉,如以会议为主的剧场或音乐厅演奏升降台;对升降速度及运行噪音要求不高的剧场。
应严格控制丝杠加工及安装精度,否则,升降台运行时容易产生较大噪音及震动。
④齿轮齿条传动
齿轮齿条传动是利用齿轮齿条的相对运动传递运动及动力。一般有两种传动方式:
方式1:齿条布置在升降台两侧,固定不动,齿轮及驱动系统安装在升降台上,通过驱动齿轮转动沿齿条上下直线爬行,带动升降台上下移动。由于电机、减速机等安装在台体结构上,运行噪音较大。
方式2:齿条与升降台钢性连接,齿轮及驱动系统安装在基坑底部,电机驱动齿轮旋转,带动齿条上下直线运动。通常在要求升降台下降后,与侧台连接无障碍时,选择此种方式。该方式需要在升降台基坑底部挖设井洞存放齿条,土建施工难度及费用较大。
齿轮齿条传动升降台传动效率高,承载能力强,稳定可靠,升降行程大,升降速度高,升降台运行平稳,定位精度高,运行噪音小。
升降台下降后,与两侧台仓之间无导轨、链条、钢丝绳等障碍,可以从两侧台仓运送大型道具至主升降台上;要求升降台长期稳定停放在某一位置无下沉,如以会议为主的剧场或音乐厅演奏升降台。
应严格控制齿条的加工及安装精度,否则,升降台运行时容易产生较大噪音及震动。
液压缸传动利用液压缸传递运动和动力,一般有两种传动方式:
方式1:液压缸布置在升降台下部,活塞杆端头与升降台结构连接,缸体固定在舞台基坑基础上,液压泵站驱动液压缸活塞杆伸缩直接顶升升降台。此方式结构简单,安装快捷方便,但需要多条液压缸长期稳定同步升降,控制难度大。
方式2:液压缸水平布置,两端与钢丝绳或链条连接,液压泵站驱动液压缸活塞杆伸缩,通过钢丝绳或链条转向后带动升降台上下移动。此方式可以用一条液压缸驱动升降台,减小了控制难度,提高了设备的运行稳定性,同时也降低了升降台的基坑深度。
液压缸传动升降台承载能力强,运行平稳,安装快捷,将泵站设在其他房间并做隔声处理后运行噪音小。
升降台承受大载荷,电机驱动不易实现时;临时性演出,需要将升降台快速拼装完成时。
液压系统需要专业人员定期维护检测,更换密封圈等元器件,维修成本高;由于液压系统本身的特点,使得在安装、调试及检修阶段液压油会对周围环境造成一定的污染;液压缸容易泄漏,导致升降台下沉,定位不准。
大螺旋为加拿大GALA公司的专利产品,已有20多年的历史,在欧洲、美国、加拿大等国应用很广,在我国也应用于几十个剧场。其利用自组装装置旋转运动将平卷钢片和立卷钢片组装成柱状空心螺旋传递运动及动力。大螺旋设备布置在基坑底部,上端与升降台体结构连接,下端固定在舞台基坑基础上。
大螺旋传动升降台占用空间小,传动效率较高,稳定可靠,升降台运行平稳,定位精度高,需要进口,造价较高。
舞台设备基坑深度浅,需要较大升降行程(通常在3.00m～12.00m)时。
大螺旋设备自身不能承受水平力,必须在升降全行程导向,对升降台导向系统水平抗载能力及安装精度要求高;大螺旋设备对最低载荷有要求,以防大螺旋产生结构性松散。设计时应进行校核。如升降台台体结构及木地板自重不能满足大螺旋的最低载荷需求,应在台体结构上加装适量的平衡重;大螺旋上严禁有异物缠绕或进入,为降低运行时产生过高噪音,建议在大螺旋上加装隔声保护罩;大螺旋对安装精度要求高,必须由经过GALA公司培训合格的专业人员安装施工。
刚性链是法国SERAPID公司的专利产品,是一种在一个方向呈现挠性、另一个方向呈现刚性的特殊链条。刚性链向上顶升升降台时,链条呈现为刚性;下降时链条呈现为挠性,通过刚性链传动设备内部的导向轨道,将其弯折至水平方向存储,有效减小了升降台基坑深度。
刚性链设备布置在基坑底部,上端与升降台体结构连接,下端固定在舞台基坑基础上,电机同步驱动多台刚性链,带动升降台升降。
刚性传动升降台占用空间小,传动效率较高,结构简单,稳定可靠,升降台运行平稳,定位精度高,噪音小,需要进口,造价较高。
舞台设备基坑深度浅,需要较大升降行程(通常在3.00m～12.50m)时。
刚性链设备自身不能承受水平力,必须在升降全行程导向,对升降台导向系统水平抗载能力及安装精度要求高。
剪刀臂是一种传统、成熟的传动方式,在起重运输领域广泛应用。传统的剪刀臂通过丝杠或钢丝绳等拉动剪刀臂的下部,带动升降台升降。升降台通过2组剪刀臂支撑,剪刀臂下端通过丝杠拉动。在条件允许的情况下,应尽量增大剪刀臂的初始角,以改善丝杠的受力状态。
因此,在舞台设备中通常使用恒扭矩、恒速(恒功率)剪刀臂。电机安装在臂杆交点中线上,驱动滚轮水平收缩,挤压臂杆完成台面上下升降。通过设计臂杆与滚轮接触面的几何曲线形状,使得台面的升降行程与滚轮的水平移动行程成线性比例关系,当平台承受的载荷不变时,滚轮水平移动驱动力也不变。
方案特点:
剪刀臂传动升降台占用空间小,结构简单、造价较低。传统剪刀臂驱动方式存在驱动力大小及升降速度随着臂杆角度的变化而变化、不易实现精确定位等问题。但升降台稳定可靠,升降台运行平稳,定位精度高,安装便捷,造价较低。其中,恒扭矩剪刀臂对加工的要求较高,但易实现模块化设计,目前较为广泛应用。
适用范围:
舞台设备基坑深度浅,升降行程通常在1.00m～4.00m时。
剪刀臂传动升降台见图2-2-20～图2-2-21。
(3)驱动系统组成及布置实例
主升降台驱动系统由电动机、减速机、制动器、传动轴系、驱动副等组成,其中制动器设置两套,互为备份,以提高升降的安全可靠性。
(4)导向系统
导向系统的功能是保证升降台垂直运行的精度,无水平漂移;承受因人员走动或道具移动产生的水平力;承受因舞台面水平力产生的力矩,保证升降台不晃动。
导向系统的结构型式有导轨导靴式及剪刀臂式两种。
1)导轨导靴式
导轨导靴式导向系统导向效果好,承载能力大,应用广泛。
系统由导轨和导靴组成,大多数情况下,将导轨固定安装在升降台周边土建基础上,导靴安装在升降台结构上。
导轨可选用电梯导轨、钢轨、直线滑轨等,也可机加工制作。现场安装时,对导轨的直线度及垂直度要求非常高,通常要求误差不大于±1mm。
导靴分为滑块式及滚轮式两种,滑块式导靴结构简单,内衬为耐磨材料,与导轨滑动接触,间隙小,导向精度高;滚轮式导靴与轨面的摩擦系数低,阻力小,结构较为复杂。
布置方式:通常设置2～4根导轨,布置在升降台四周,每根导轨对应2个导靴,设计时,应尽量加大导轨间及上下导靴间的距离。
导轨长度:在升降台基坑深度允许情况下,导轨长度≥升降台行程+导靴间距离。当升降台基坑深度较浅,没有足够的导向距离时,可采用两级伸缩式导轨。
导轨能承受的侧向载荷不应小于标定静载荷的1/20。
2)剪刀臂式
在升降台基坑深度非常浅,而升降行程又较大时,无法使用导轨导靴式导向系统,可采用剪刀臂式导向系统,常与大螺旋或刚性链驱动方式配套使用。
每对剪刀臂只能承受单方向水平力,设计时,应在升降台横竖两个方向分别设置一对或多对剪刀臂。
(5)平衡重系统
通常每套升降台设置两套平衡重,分别悬挂于升降台左右两侧,用于平衡主升降台固定载荷及部分动载荷。平衡重系统可以减小驱动系统中电机功率,减小链条、钢丝绳、齿轮齿条等驱动副的载荷,提高升降台的操控性及安全性。
1)组成
平衡重系统中包含平衡重箱体、平衡重块、升降导轨、吊点及转向滑轮、钢丝绳组件等。为降低造价,平衡重块通常采用铸件,考虑到搬运、安装方便,单块平衡重块的重量不宜超过30kg。
2)设计原则
一般情况下,平衡重箱体与升降台结构用钢丝绳连接,按照功率最小的设计原则,平衡重总重量为升降台自重+动载荷的50%。
钢丝绳传动的升降台,也可将平衡重钢丝绳与卷筒连接,平衡重总重量一般在升降台自重至(升降台自重+动载荷的50%)之间。
齿轮齿条传动的升降台,平衡重箱体与升降台结构用钢丝绳连接,由于升降台靠台体自重下降,平衡重总重量一般小于升降台自重3t～5t。
(6)速度及位移检测系统
主舞台升降台等舞台机械设备在演出中使用频繁,大多需要速度可调及精确定位。
1)速度检测
驱动电机通常选用变频电机,将矢量编码器安装在电机后出轴上,与电机同步转动,输出信号作为速度检测反馈信号。对升降台升降速度的调控其实就是电机输出转速的调控。
2)位移检测
位移精度要求不太高时,可以同时将电机后出轴上的矢量编码器的输出信号作为位置检测反馈信号;位移精度要求高时,可以加设拉线绝对值编码器,固定安装在基坑地面,拉线钢丝绳与升降台体连接,其输出信号作为位移检测反馈信号。
(7)安全防护系统
在主舞台升降台上及演员通道应设置安全防护设备,当遇到意外情况时确保演职人员及设备的安全,主要有安全网、防剪切装置、防护门、定位插销、运行警示灯、边界警示灯等。
1)安全网
2)防剪切装置
防剪切装置安装在升降台木地板周边及主舞台基坑周边,由缓冲胶条及线状开关组成,当升降台运行时,如果触碰到异物,缓冲胶条挤压变形,线状开关给出信号,升降台立即停止运行。
计算条件为:升降台的最大运动速度或最大相对运动速度是0.30m/s。边缘安全开关受激发至设备完全停止的各时段以TO、T1、T2、T3和T4表示,计算结果见表2-2-1。
表2-2-1升降台停止行程计算结果
TO00.300安全开关触发
T1300.309安全开关固有延迟,依产品定
T2700.3021接触器综合延迟
T3400.3012控制系统延迟
T4200减速至零30受控急停
总计72
由于缓冲胶条有空行程,还应记入计算总行程的1/3即24mm。这样,从线性开关激发至设备完全停止,设备运行的总行程为约100mm,应按此选用合适的产品。由于产品有效行程的限制,也成为升降台速度不宜过大的因素之一。
上述计算是按单台设备运行最大速度为0.30m/s进行的,当两台升降台作相对运动时,操作人员应调整其最大相对速度不得超过0.30m/s。
3)防护门
4)定位插销
5)运行警示灯
安装在舞台基坑台仓通道上,当升降台运行时,警示灯闪烁,提醒人员注意安全。
6)边界警示灯
安装在升降台表面周边,在演出中暗场时,升降台上演员可以清楚看到升降台边界,避免发生坠落危险。
(8)附属功能机构
主舞台升降台除具备升降功能外,还可在其上加设多种装置,丰富主舞台升降台的使用功能,较为常见有演员活门,倾斜台面等。
1)演员活门
演员活门安装在双层升降台的上层台板上,具有电动或手动开闭功能,以便主升降台下层台板上的演员通过与之相配合的演员升降小车到达上层台板,达到特殊表演效果。如图2-2-27～图2-2-28所示。
每块升降台根据需要可安装3～8块演员活门,通常尺寸为每块1.00mx1.00m,开闭角度为90°,闭合后可承受与升降台相同的的静载荷。
演员活门常与演员升降小车配合使用。
2)倾斜台面
升降台的面板用电动机驱动,可使地板面向观众席倾斜5°～8°,用以改善观众视角和扩大景深。如图2-2-29所示。
(9)支撑结构
升降台的结构自重和所有外载荷由支撑结构支撑,舞台内布置多台升降台时,在升降台两侧的支撑结构常做成联排钢架,用以安装传动系统、导向系统、平衡重系统等。驱动系统中的电动机座、减速器座以及轴承座等安装在机坑的适当位置。
4.子母升降台
为了增加升降台使用的灵活性,可以在升降台上设置一套或多套升降子台,形成子母升降台,子台可以随母台一起升降,也可以单独升降。
(1)子台布置形式
根据工艺需要,子台可以有多种不同的布置形式,实现不同的功能。下面对剧场中常见的几种形式作简单介绍。
形式1:前后分块。将母台均匀分成前后两块,后面一块为子台,可以单独升降,最低降至与母台面平齐,最高可以上升至设定的行程,一般为0.30m～1.50m。这种形式在会议较多的剧场中使用,可以将主舞台转换成高差相等的台阶状主席台或合唱台;在音乐厅,也经常作为演奏台使用。
形式2:左右分块。将母台左右分成3块,可以将中间1块设置成子台,也可以将3块均设置成子台。子台可以单独升降,最低降至与母台面平齐,最高可以上升至设定的行程,一般为3.00m～4.50m。这种形式可以增加演出中升降台使用的灵活性。
形式3:上下分块。子台大小与母台相同,可以相对母台单独升降,最低可以与母台面接触,最高可以上升至设定的行程,一般为3.00m～4.50m。这种形式主要应用在使用中需要双层升降台,而土建基坑深度不足的剧场。如果母台上有演员或道具时,子台的误动作可能导致危险,使用这种子母台应特别注意。在欧洲,这种子母台的使用受到限制。
(2)子台驱动方式
前面所述主升降台的各种驱动方式均可应用在子台上,较为常用的是钢丝绳、丝杠、刚性链等,可以根据实际情况选用。