二维移动车台的研究与设计

严华锋，姚 亮，李 阳

（浙江大丰实业有限公司，浙江 余姚 315400）

车台是舞台机械中的重要设备之一，在现代剧场中得到了广泛的应用。车台的种类很多，驱动方案也各异，车台的移动路线一般由侧舞台至主舞台区，或由后舞台至主舞台区。其功能是将侧舞台区或后舞台区的景、物或演员输送到主舞台区，给剧场塑造良好的演出环境，为现代化的演出提供强有力的硬件保证。

车台一般以一维移动为主。通常所说的车台即为侧车台，侧车台沿舞台的横向移动，由侧舞台移动到主舞台区；后车台也一样，只是沿舞台的纵向移动，由后舞台移动到主舞台区。无论如何，车台只沿一个方向前移后退或左右移动，不具有既能横向移动又能纵向移动的功能。近年来，为满足对舞台设备功能进一步提升的要求，推出了既能横向移动，又能纵向移动的车台，即二维移动车台。

1 国外案例

1.1 德国慕尼黑国立剧场

由MAN公司提供的二维移动车台置于后舞台区与侧舞台区之间，如图1所示。二维车台上，可以先置景或物，然后移动到主舞台区，其移动路线是二维的。首先，二维车台由存贮位置或置景位置移动到后舞台区；然后，再由后舞台区移动到主舞台区。

1.2 日本琵琶湖国立剧场

由三精株式会社提供的二维车台置于侧舞台的后方，如图2所示。严格意义上说这是三维运行的车台。因为在车台存贮位置，5块车台叠在一起，车台需要运行时，先由车台下面的升降机将车台一一提升出舞台面，然后再沿舞台纵向移动。最多可用数量是每侧5块，总共10块，具体使用数量可以根据剧情确定。车台可以在侧舞台区沿纵向移动，也能在任一车台位沿舞台横向移动。当车台移动主舞台区后，车台又能在主舞台区纵向移动。但车台必须在舞台面以上移动，即车台移动时会高出舞台面一个车台的厚度。

2 车台结构剖析

对二维车台来说，关键点有二，即驱动系统、行走轮组。

2.1 驱动系统

琵琶湖剧场的驱动系统，其纵向与横向的驱动方式是不一样的，横向驱动与常规的驱动方式相似，它利用刚性链推或拉车台，在车台与刚性链之间有一辆联接小车，小车与车台之间联接采用了钩子。当车台需要横向移动时，钩子就锁上；在平时，钩子则是脱开的，而且小车存贮在侧舞台的最外侧。如果小车在别的位置，有可能与纵向移动的车台驱动发生干扰。纵向驱动则采用滚子链，滚子链布置在车台的两端，链条同步运行，从而驱动车台平稳地沿纵向移动。

2.2 行走轮组

行走轮是二维车台成功的关键，经剖析，以上两个剧场的行走轮组完全不同。

2.2.1 琵琶湖剧场的二维车台行走轮

图3为琵琶湖剧场的二维车台行走轮结构示意图，图4为实拍照片。行走轮由6个小而长的滚轮组成，6个滚轮分成两组，每组3只滚轮。每个滚轮以120°角布置，两组滚轮平行布置，相互之间错开角度也是120°。两组滚轮用固定的方式联接在一起，中心布置1根中心轴，两组滚轮可以沿中心轴旋转，如图3所示，通常此旋转直径可达125 mm，且由图3可知，此125 mm的旋转圆其实由6个圆弧组合而成。同时，每只滚轮又可以沿自已的中心轴旋转，但此滚轮的最大直径一般只有45 mm左右，而且沿滚轮长度方向直径有所变化，越靠滚轮侧向，直径越小。由于滚轮组既能沿自己的中心轴旋转，又能沿两组滚轮的中心旋转。所以此滚轮既能沿横向滚运，又能沿纵向滚动。此种滚轮由于结构小，所以与行走面的接触面积小，导致承载能力较差，同时运行的噪声高。

2.2.2 慕尼黑国立剧场的二维车台行走轮

图5为慕尼黑国立剧场的车台行走轮。该行走轮由两组行走轮组成，两组行走轮的行走方向相互垂直。其中一组为固定式，即行走轮的中心轴是固定在车台的钢架上；另一组则为浮动式，即轮子能上下浮动，浮动的上下高度约40 mm左右。浮动系统则通过液压来驱动，由于一个车台需要很多组的行走轮，因此，整个车台上也需要布满很多的液压驱动，每组行走轮系一个驱动。

当车台需要固定的一组行走轮行走时，浮动的一组上浮，此时，整个车台的重量靠固定一组的行走轮承担。反之，如果车台需要换方向行走时，即沿原先的垂直方向行走，此时，浮动的轮子通过液压驱动，将轮子下降，并把整个车台顶起原来位置约20 mm左右，此时，车台的固定轮子就会悬空，车台的重量与载荷则由浮动的一组轮子承担，车台就可以沿浮动轮行走的方向移动了。

此行走轮系由于行走轮的尺寸大，且两个方向的行走轮的大小一样，因此，车台移动平稳。但此轮系导致车台换向时需要转换行走轮，且机构复杂；同时，车台的高度也有20 mm的变化。

3 二维车台的设计与研究

3.1 驱动设计

剖析两个剧场的车台后，发现两者均为被动式车台，驱动系统过于复杂，且安装难度也大。笔者所在公司设计团队根据自身的特点，将二维车台设计成主动式驱动，即驱动机构设计置于车台内部。图6给出了二维车台的驱动结构，此为一个驱动单元，其中有两台驱动电机，分别安装在一个可以旋转的钢架上，旋转钢架又嵌在方形钢架内，方形钢架的大小一般设计成与车台的宽度相同，因此，可以用方形钢架的任意一面与车台的钢架联接，组合成完整的车台。

驱动单元的供电采用蓄电瓶供电的方式，控制则采用无线遥控的办法。当单元上的两只电机驱动行走轮同方向运行时，单元就前进或后退。相反，当两台电机驱动行走轮反方运行时，如单元方形钢架被固定或与其他构件联接在一起，旋转单元则沿着自身的中心旋转。如果旋转单元旋转90°角，驱动单元的移动方向就会转向90°角，实现由左右移动的车台向前后移动转换。一般一块标准的车台由两个或三个驱动单元组成。图7给出了整个车台的驱动方向。图7上图，车台可以沿长轴方向移动，而下图，两个驱动分别旋转了90°角，此时车台可以沿短轴方向移动。无论车台大小如何，每一块车台，必须有两个及以上的单元，否则驱动换向时，整个车台就会旋转。

3.2 行走轮组

行走轮组是二维车台的关键部件，直接决定车台设计的成败。由于琵琶湖剧场行走轮的噪声大，而慕尼黑国立剧场的行走轮机构复杂。设计中同样避开了这两种设计方案，选用了如图8所示的行走轮组。每一单元的行走轮组由3只万向轮及1个旋转盘组成，万向轮以旋转盘为中心分布，每个轮子安装底板分布在中心的周围，且相互之间间隔120°角。同时，旋转盘可以绕其中心旋转。因此，当车台沿一个方向移动时，万向轮与旋转盘会组合着旋转，使万向轮的行走轨迹完全与车台行走方向一致。

从理论上讲，此种结构的行走轮无论在任何状态发生转向，行走轮与行走面之间不会发生摩擦，达到最小的车台移动方向转换阻力。但行走面并不一定会十分理想，如果在行走过程中，三个万向轮的一个悬空或与行走面不接触，旋转盘就会打破原有的力学平衡，旋转盘发生旋转。如果旋转盘在移动过程中一直旋转，万向轮就会不断地找准自己的行走轨迹，同时，由于行走轮与行走面之间并非点接触，而是线（实际是面）接触，因此，导致轮子与行走面之间不断的摩擦，最终的结果是轮子变形和舞台地板被磨擦。为此，设计中加大了旋转盘的旋转阻力，保证在某一个万向轮悬空时，旋转盘不发生完全的旋转，而只是小角度的摆动。这样，很好地解决了问题。但事情都是一分为二的，虽然车台行走时，旋转盘不会发生完全旋转，在车台需要换向时，却加大了换向阻力，为此，配置了足够大的电机，保证了车台的顺利换向。

3.3 导向机构

由于车台需要向两个互相垂直的方向移动，用常规的滚轮嵌入式导向轮无法完成导向任务。因此，导入了插板式的导向机构，由于车台的运行是两个垂直的方向，插板式导向板在车台转换方向前，也须转换方向。此插板式导向机构由两部分组成，一部分安装在车台上，是导向板部分，它可以插入主升降台或车台补台的槽内，当需要旋转时，能让导板旋转90°角。另一部分则是旋转驱动，安装在主升降台或车台补台上，此机构刚好安装在纵向与横向导向轨的交叉点上，导向板也须在此接点上转换方向。当导向板位于旋转驱动机构时，经机构驱动，导向板会随着旋转机构驱动，旋转90°角，导向板由横向转换成纵向，或由纵向转换成横向，做好车台转向运行的准备。经实际制造，插板导向很好地满足了二维移动车台的要求。

经过剖析、研究、设计，试制了二维移动式车台，取得了圆满的结果。