簡述雙旋轉(zhuǎn)懸臂伸縮橋架的開發(fā)應用

史曉東 王岸楊 戴歡斌 董君偉

【摘 要】 介紹了雙旋轉(zhuǎn)懸臂伸縮橋架的開發(fā)應用背景、機械結(jié)構(gòu)組成、設(shè)計過程、演出效果展示以及相關(guān)技術(shù)特點。

【關(guān)鍵詞】 雙旋轉(zhuǎn)；懸臂；回轉(zhuǎn)機構(gòu)；有限元分析；安全保護

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2016.06.011

【Abstract】This paper introduces specific technical features of retractable outrigger with dual-rotational cantilever， including background information of its development and application， mechanical structure， design procedure and demonstration of stage effect etc..

【Key Words】dual-rotation； cantilever； swirl gear； finite element analysis； safety protection

1 概述

隨著演藝事業(yè)的蓬勃發(fā)展，各類演藝秀場如雨后春筍般出現(xiàn)。為了滿足演出的場景效果以及導演的設(shè)計意圖，人們對舞臺機械設(shè)備的配置要求也越來越高。

雙旋轉(zhuǎn)懸臂伸縮橋架，是將旋轉(zhuǎn)、懸臂、伸縮功能三者有機結(jié)合起來，并通過安全防護裝置使演員在運動的懸臂橋架上進行武打動作的裝置。本文中所述的雙旋轉(zhuǎn)懸臂伸縮橋架是為上海迪士尼樂園主題劇目《風暴來臨——杰克船長之驚天特比大冒險》專門設(shè)計的設(shè)備。

《加勒比海盜》（Pirates of the Caribbean）是由沃爾特·迪士尼電影公司發(fā)行的一系列奇幻歷險電影，以迪士尼公司旗下的“加勒比海盜”主題公園景點為基礎(chǔ)，講述了以海盜船長杰克·斯派羅的傳奇經(jīng)歷為主線的歷險故事。上海迪士尼樂園根據(jù)《加勒比海盜》系列電影的創(chuàng)意建設(shè)了“寶藏灣”主題園區(qū)，為廣大游客提供多項前所未有的互動娛樂及高科技體驗。主題園區(qū)中有一處可容納1 200名觀眾的“凡迭戈劇院”，觀眾可欣賞到《風暴來臨——杰克船長之驚天特比大冒險》，這是專門為上海迪士尼量身定制的全球首演劇目。劇中，除了經(jīng)典的劇情，懸挑的橋梁、伸縮的動作效果使劇情情節(jié)緊張、場面激烈，配合上特殊的吊裝索具、炫目的燈光特效，力圖給觀眾不一樣的視覺感受，見圖1。

2 機械組成

雙旋轉(zhuǎn)懸臂伸縮橋架主要由橋架1、橋架1驅(qū)動、橋架2、旋轉(zhuǎn)立柱、支撐鋼架和旋轉(zhuǎn)立柱驅(qū)動組成，見圖2。

橋架1相對于橋架2能夠旋轉(zhuǎn)180°，從完全延伸位置旋轉(zhuǎn)并儲存至橋架2上方。橋架2與旋轉(zhuǎn)立柱固定，能夠隨著旋轉(zhuǎn)立柱旋轉(zhuǎn)180°。

雙旋轉(zhuǎn)懸臂伸縮橋架設(shè)計原型參照了立柱式懸臂起重機，并在其基礎(chǔ)上增加了上層架橋的旋轉(zhuǎn)功能。本設(shè)備的雙旋轉(zhuǎn)功能通過回轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)，回轉(zhuǎn)機構(gòu)由回轉(zhuǎn)支承裝置和回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置兩大部分組成。前者將橋架的旋轉(zhuǎn)部分支承在固定部位上，后者用來驅(qū)動回轉(zhuǎn)部分相對于固定部分的回轉(zhuǎn)。

3 運行軌跡

在劇情中，杰克船長將和另外一名海盜從支撐鋼架的一端跳上橋架2，從一端移動到橋架1最遠端，并且邊追逐邊打斗，上演驚險刺激的動作特技效果。

雙旋轉(zhuǎn)懸臂伸縮橋架不僅可疊加收納于舞臺內(nèi)側(cè)，亦可完全展開到觀眾頭頂，讓觀眾能夠更加深切地感受打斗的驚險。兩橋架可以各自單獨運行，也可同時運行，根據(jù)場景需要自由切換，從而實現(xiàn)橋上演員由遠及近的位置轉(zhuǎn)換，見圖3。

4 設(shè)計過程

雙旋轉(zhuǎn)懸臂伸縮橋架主要包含回轉(zhuǎn)機構(gòu)和鋼架結(jié)構(gòu)強度的設(shè)計。

4.1 回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計

作用在回轉(zhuǎn)部分的載荷包括：回轉(zhuǎn)部分自身重力、運動載荷及其載荷影響、各橋架結(jié)構(gòu)和載荷的轉(zhuǎn)動慣量、各機構(gòu)制動時的慣性載荷等。

不管作用在橋架回轉(zhuǎn)部分的外載荷有多少，都可以簡化成3個力：1個沿回轉(zhuǎn)中心鉛垂向下的力V，1個繞回轉(zhuǎn)中心的力偶T，以及1個作用在某一鉛垂面的力偶矩M。其中，繞回轉(zhuǎn)中心的力偶T由回轉(zhuǎn)機構(gòu)的電動機轉(zhuǎn)矩或制動器的轉(zhuǎn)矩平衡、鉛垂力V以及力偶M經(jīng)過回轉(zhuǎn)裝置共同支承。

因為在確定回轉(zhuǎn)支承裝置的計算載荷時，要選取最不利的工況，即兩個橋架成180°，而動載在最遠端，此時不計風力載荷，僅考慮試驗載荷，可由以下公式計算：

4.2 鋼架結(jié)構(gòu)強度的設(shè)計

雙旋轉(zhuǎn)懸臂伸縮橋架在有載荷的工作情況下會彈性變形，因此，在設(shè)計中必須對橋架的靜態(tài)剛度進行分析校核，使所有的結(jié)構(gòu)和演出元件能夠達到堅固、高剛性、低撓度的要求。雙旋轉(zhuǎn)懸臂伸縮橋架在運行過程中存在兩種最不利的運行狀態(tài)，即橋架1與橋架2成90°或180°交叉時的狀態(tài)。

工程師采用ANSYS 10.0軟件對整個鋼結(jié)構(gòu)進行了分析，強度、剛度、穩(wěn)定性設(shè)計標準遵照GB3811-2008《起重機設(shè)計規(guī)范》中相關(guān)章節(jié)。

（1）強度：根據(jù)載荷組合類別，參看表1。

（2）剛度：根據(jù)不同結(jié)構(gòu)，參看表2。

（3）穩(wěn)定性：遵照GB3811-2008《起重機設(shè)計規(guī)范》第5.6、5.7章節(jié)。

橋架1與橋架2成90°時的應力云圖及位移云圖見圖4～圖7。

橋架1與橋架2成180°時的應力云圖及位移云圖見圖8～圖11。

經(jīng)過有限元分析，雙旋轉(zhuǎn)懸臂伸縮橋架的應力和撓度都滿足設(shè)計標準要求。

4.3 測試驗收

為了實現(xiàn)在現(xiàn)場高頻率的運轉(zhuǎn)工況下設(shè)備運行良好的目標，制造商按照1：1的比例進行了試制，在工廠連續(xù)循環(huán)測試1 000次以上，完全滿足了現(xiàn)場演出需求，并順利通過驗收，見圖12。

5 技術(shù)特點

雙旋轉(zhuǎn)懸臂伸縮橋架具有轉(zhuǎn)動慣性大、運轉(zhuǎn)速度快的特點。懸臂展開長度達9 m，單個橋架運行最高轉(zhuǎn)速4 r/min，兩個橋架一起運行最高轉(zhuǎn)速可達8 r/min。

5.1 結(jié)構(gòu)形式新穎

目前，類似懸臂橋架的結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)形式為單一伸縮或者旋轉(zhuǎn)，而且相對速度會比較緩慢，且由于受安全條件限制，演員只能固定站立在原點。例如《天門狐仙》中采用伸縮模式，《長恨歌》中采用旋轉(zhuǎn)模式。

雙旋轉(zhuǎn)懸臂伸縮橋架融上述3項功能于一體，達到了國際領(lǐng)先水平，與眾不同的表演形式將帶給觀眾全新的體驗。

5.2 高精度定位

每個驅(qū)動電機配備增量編碼器和絕對值編碼器各1個，使速度、位置能夠精確把握。

5.3 多項安全保護

在演出過程中，兩位表演者在橋架展開過程中邊打斗邊往另一端移動，刺激的場面扣人心弦，且其中有一部分時間將在觀眾頭頂進行，安全問題是重中之重。

（1）橋架欄桿上安裝了防墜落保護系統(tǒng)，表演者身上的安全繩索能夠在其上滑動，保證了表演者在上面不會墜落；

（2）在橋架欄桿上設(shè)置了使能開關(guān)，突發(fā)狀況時，表演者可緊急停止設(shè)備；

（3）橋架1的側(cè)面安裝了防剪切條，防止兩個橋架疊加時對表演者造成剪切傷害；

（4）在運行極限位置配置了行程限位開關(guān)，且軟件上也進行了限制；

（5）電機配置了雙制動，并且都有微動檢測開關(guān)，保證了制動器動作信號的準確傳送；

（6）在旋轉(zhuǎn)立柱底部安裝了液壓緩沖器，防止在制動器失效的狀況下對其他設(shè)備或建筑造成破環(huán)。

5.4 電氣控制系統(tǒng)安全可靠

雙旋轉(zhuǎn)懸臂伸縮橋架的控制系統(tǒng)采用專業(yè)可靠的Beckhoff控制器和科技人員二次開發(fā)的專用于舞臺機械的控制系統(tǒng)，對所有舞臺設(shè)備的驅(qū)動裝置和現(xiàn)場傳感器等實施運動控制、狀態(tài)監(jiān)視；并提供操作界面和操作方法，保證設(shè)備人員安全，配備維護及檢修手段等。另外，根據(jù)IEC61508安全標準要求及人機工程學原理，增強了其安全功能和操作便利性。

2016年6月16日，上海迪士尼樂園正式對外營業(yè)，圖13為橋架在現(xiàn)場實際布局中的展示，圖14為劇目彩排時的演出效果展示。雙旋轉(zhuǎn)懸臂伸縮橋架的特技表演為“寶藏灣”主題園區(qū)上演的經(jīng)典劇目畫上精彩的一筆。

（編輯 薛云霞）