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【摘 要】 介绍了双旋转悬臂伸缩桥架的开发应用背景、机械结构组成、设计过程、演出效果展示以及相关技术特点。
【关键词】 双旋转；悬臂；回转机构；有限元分析；安全保护
文章编号： 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
随着演艺事业的蓬勃发展，各类演艺秀场如雨后春笋般出现。为了满足演出的场景效果以及导演的设计意图，人们对舞台机械设备的配置要求也越来越高。
双旋转悬臂伸缩桥架，是将旋转、悬臂、伸缩功能三者有机结合起来，并通过安全防护装置使演员在运动的悬臂桥架上进行武打动作的装置。本文中所述的双旋转悬臂伸缩桥架是为上海迪士尼乐园主题剧目《风暴来临——杰克船长之惊天特比大冒险》专门设计的设备。
《加勒比海盗》（Pirates of the Caribbean）是由沃尔特·迪士尼电影公司发行的一系列奇幻历险电影，以迪士尼公司旗下的“加勒比海盗”主题公园景点为基础，讲述了以海盗船长杰克·斯派罗的传奇经历为主线的历险故事。上海迪士尼乐园根据《加勒比海盗》系列电影的创意建设了“宝藏湾”主题园区，为广大游客提供多项前所未有的互动娱乐及高科技体验。主题园区中有一处可容纳1 200名观众的“凡迭戈剧院”，观众可欣赏到《风暴来临——杰克船长之惊天特比大冒险》，这是专门为上海迪士尼量身定制的全球首演剧目。剧中，除了经典的剧情，悬挑的桥梁、伸缩的动作效果使剧情情节紧张、场面激烈，配合上特殊的吊装索具、炫目的灯光特效，力图给观众不一样的视觉感受，见图1。
2 机械组成
双旋转悬臂伸缩桥架主要由桥架1、桥架1驱动、桥架2、旋转立柱、支撑钢架和旋转立柱驱动组成，见图2。
桥架1相对于桥架2能够旋转180°，从完全延伸位置旋转并储存至桥架2上方。桥架2与旋转立柱固定，能够随着旋转立柱旋转180°。
双旋转悬臂伸缩桥架设计原型参照了立柱式悬臂起重机，并在其基础上增加了上层架桥的旋转功能。本设备的双旋转功能通过回转机构实现，回转机构由回转支承装置和回转驱动装置两大部分组成。前者将桥架的旋转部分支承在固定部位上，后者用来驱动回转部分相对于固定部分的回转。
3 运行轨迹
在剧情中，杰克船长将和另外一名海盗从支撑钢架的一端跳上桥架2，从一端移动到桥架1最远端，并且边追逐边打斗，上演惊险刺激的动作特技效果。
双旋转悬臂伸缩桥架不仅可叠加收纳于舞台内侧，亦可完全展开到观众头顶，让观众能够更加深切地感受打斗的惊险。两桥架可以各自单独运行，也可同时运行，根据场景需要自由切换，从而实现桥上演员由远及近的位置转换，见图3。
4 设计过程
双旋转悬臂伸缩桥架主要包含回转机构和钢架结构强度的设计。
4.1 回转机构的设计
作用在回转部分的载荷包括：回转部分自身重力、运动载荷及其载荷影响、各桥架结构和载荷的转动惯量、各机构制动时的惯性载荷等。
不管作用在桥架回转部分的外载荷有多少，都可以简化成3个力：1个沿回转中心铅垂向下的力V，1个绕回转中心的力偶T，以及1个作用在某一铅垂面的力偶矩M。其中，绕回转中心的力偶T由回转机构的电动机转矩或制动器的转矩平衡、铅垂力V以及力偶M经过回转装置共同支承。
因为在确定回转支承装置的计算载荷时，要选取最不利的工况，即两个桥架成180°，而动载在最远端，此时不计风力载荷，仅考虑试验载荷，可由以下公式计算：
4.2 钢架结构强度的设计
双旋转悬臂伸缩桥架在有载荷的工作情况下会弹性变形，因此，在设计中必须对桥架的静态刚度进行分析校核，使所有的结构和演出元件能够达到坚固、高刚性、低挠度的要求。双旋转悬臂伸缩桥架在运行过程中存在两种最不利的运行状态，即桥架1与桥架2成90°或180°交叉时的状态。
工程师采用ANSYS 10.0软件对整个钢结构进行了分析，强度、刚度、稳定性设计标准遵照GB3811-2008《起重机设计规范》中相关章节。
（1）强度：根据载荷组合类别，参看表1。
（2）刚度：根据不同结构，参看表2。
（3）稳定性：遵照GB3811-2008《起重机设计规范》第5.6、5.7章节。
桥架1与桥架2成90°时的应力云图及位移云图见图4～图7。
桥架1与桥架2成180°时的应力云图及位移云图见图8～图11。
经过有限元分析，双旋转悬臂伸缩桥架的应力和挠度都满足设计标准要求。
4.3 测试验收
为了实现在现场高频率的运转工况下设备运行良好的目标，制造商按照1：1的比例进行了试制，在工厂连续循环测试1 000次以上，完全满足了现场演出需求，并顺利通过验收，见图12。
5 技术特点 双旋转悬臂伸缩桥架具有转动惯性大、运转速度快的特点。悬臂展开长度达9 m，单个桥架运行最高转速4 r/min，两个桥架一起运行最高转速可达8 r/min。
5.1 结构形式新颖
目前，类似悬臂桥架的结构主要表现形式为单一伸缩或者旋转，而且相对速度会比较缓慢，且由于受安全条件限制，演员只能固定站立在原点。例如《天门狐仙》中采用伸缩模式，《长恨歌》中采用旋转模式。
双旋转悬臂伸缩桥架融上述3项功能于一体，达到了国际领先水平，与众不同的表演形式将带给观众全新的体验。
5.2 高精度定位
每个驱动电机配备增量编码器和绝对值编码器各1个，使速度、位置能够精确把握。
5.3 多项安全保护
在演出过程中，两位表演者在桥架展开过程中边打斗边往另一端移动，刺激的场面扣人心弦，且其中有一部分时间将在观众头顶进行，安全问题是重中之重。
（1）桥架栏杆上安装了防坠落保护系统，表演者身上的安全绳索能够在其上滑动，保证了表演者在上面不会坠落；
（2）在桥架栏杆上设置了使能开关，突发状况时，表演者可紧急停止设备；
（3）桥架1的侧面安装了防剪切条，防止两个桥架叠加时对表演者造成剪切伤害；
（4）在运行极限位置配置了行程限位开关，且软件上也进行了限制；
（5）电机配置了双制动，并且都有微动检测开关，保证了制动器动作信号的准确传送；
（6）在旋转立柱底部安装了液压缓冲器，防止在制动器失效的状况下对其他设备或建筑造成破环。
5.4 电气控制系统安全可靠
双旋转悬臂伸缩桥架的控制系统采用专业可靠的Beckhoff控制器和科技人员二次开发的专用于舞台机械的控制系统，对所有舞台设备的驱动装置和现场传感器等实施运动控制、状态监视；并提供操作界面和操作方法，保证设备人员安全，配备维护及检修手段等。另外，根据IEC61508安全标准要求及人机工程学原理，增强了其安全功能和操作便利性。
2016年6月16日，上海迪士尼乐园正式对外营业，图13为桥架在现场实际布局中的展示，图14为剧目彩排时的演出效果展示。双旋转悬臂伸缩桥架的特技表演为“宝藏湾”主题园区上演的经典剧目画上精彩的一笔。
（编辑 薛云霞）
【关键词】 双旋转；悬臂；回转机构；有限元分析；安全保护
文章编号： 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
随着演艺事业的蓬勃发展，各类演艺秀场如雨后春笋般出现。为了满足演出的场景效果以及导演的设计意图，人们对舞台机械设备的配置要求也越来越高。
双旋转悬臂伸缩桥架，是将旋转、悬臂、伸缩功能三者有机结合起来，并通过安全防护装置使演员在运动的悬臂桥架上进行武打动作的装置。本文中所述的双旋转悬臂伸缩桥架是为上海迪士尼乐园主题剧目《风暴来临——杰克船长之惊天特比大冒险》专门设计的设备。
《加勒比海盗》（Pirates of the Caribbean）是由沃尔特·迪士尼电影公司发行的一系列奇幻历险电影，以迪士尼公司旗下的“加勒比海盗”主题公园景点为基础，讲述了以海盗船长杰克·斯派罗的传奇经历为主线的历险故事。上海迪士尼乐园根据《加勒比海盗》系列电影的创意建设了“宝藏湾”主题园区，为广大游客提供多项前所未有的互动娱乐及高科技体验。主题园区中有一处可容纳1 200名观众的“凡迭戈剧院”，观众可欣赏到《风暴来临——杰克船长之惊天特比大冒险》，这是专门为上海迪士尼量身定制的全球首演剧目。剧中，除了经典的剧情，悬挑的桥梁、伸缩的动作效果使剧情情节紧张、场面激烈，配合上特殊的吊装索具、炫目的灯光特效，力图给观众不一样的视觉感受，见图1。
2 机械组成
双旋转悬臂伸缩桥架主要由桥架1、桥架1驱动、桥架2、旋转立柱、支撑钢架和旋转立柱驱动组成，见图2。
桥架1相对于桥架2能够旋转180°，从完全延伸位置旋转并储存至桥架2上方。桥架2与旋转立柱固定，能够随着旋转立柱旋转180°。
双旋转悬臂伸缩桥架设计原型参照了立柱式悬臂起重机，并在其基础上增加了上层架桥的旋转功能。本设备的双旋转功能通过回转机构实现，回转机构由回转支承装置和回转驱动装置两大部分组成。前者将桥架的旋转部分支承在固定部位上，后者用来驱动回转部分相对于固定部分的回转。
3 运行轨迹
在剧情中，杰克船长将和另外一名海盗从支撑钢架的一端跳上桥架2，从一端移动到桥架1最远端，并且边追逐边打斗，上演惊险刺激的动作特技效果。
双旋转悬臂伸缩桥架不仅可叠加收纳于舞台内侧，亦可完全展开到观众头顶，让观众能够更加深切地感受打斗的惊险。两桥架可以各自单独运行，也可同时运行，根据场景需要自由切换，从而实现桥上演员由远及近的位置转换，见图3。
4 设计过程
双旋转悬臂伸缩桥架主要包含回转机构和钢架结构强度的设计。
4.1 回转机构的设计
作用在回转部分的载荷包括：回转部分自身重力、运动载荷及其载荷影响、各桥架结构和载荷的转动惯量、各机构制动时的惯性载荷等。
不管作用在桥架回转部分的外载荷有多少，都可以简化成3个力：1个沿回转中心铅垂向下的力V，1个绕回转中心的力偶T，以及1个作用在某一铅垂面的力偶矩M。其中，绕回转中心的力偶T由回转机构的电动机转矩或制动器的转矩平衡、铅垂力V以及力偶M经过回转装置共同支承。
因为在确定回转支承装置的计算载荷时，要选取最不利的工况，即两个桥架成180°，而动载在最远端，此时不计风力载荷，仅考虑试验载荷，可由以下公式计算：
4.2 钢架结构强度的设计
双旋转悬臂伸缩桥架在有载荷的工作情况下会弹性变形，因此，在设计中必须对桥架的静态刚度进行分析校核，使所有的结构和演出元件能够达到坚固、高刚性、低挠度的要求。双旋转悬臂伸缩桥架在运行过程中存在两种最不利的运行状态，即桥架1与桥架2成90°或180°交叉时的状态。
工程师采用ANSYS 10.0软件对整个钢结构进行了分析，强度、刚度、稳定性设计标准遵照GB3811-2008《起重机设计规范》中相关章节。
（1）强度：根据载荷组合类别，参看表1。
（2）刚度：根据不同结构，参看表2。
（3）稳定性：遵照GB3811-2008《起重机设计规范》第5.6、5.7章节。
桥架1与桥架2成90°时的应力云图及位移云图见图4～图7。
桥架1与桥架2成180°时的应力云图及位移云图见图8～图11。
经过有限元分析，双旋转悬臂伸缩桥架的应力和挠度都满足设计标准要求。
4.3 测试验收
为了实现在现场高频率的运转工况下设备运行良好的目标，制造商按照1：1的比例进行了试制，在工厂连续循环测试1 000次以上，完全满足了现场演出需求，并顺利通过验收，见图12。
5 技术特点 双旋转悬臂伸缩桥架具有转动惯性大、运转速度快的特点。悬臂展开长度达9 m，单个桥架运行最高转速4 r/min，两个桥架一起运行最高转速可达8 r/min。
5.1 结构形式新颖
目前，类似悬臂桥架的结构主要表现形式为单一伸缩或者旋转，而且相对速度会比较缓慢，且由于受安全条件限制，演员只能固定站立在原点。例如《天门狐仙》中采用伸缩模式，《长恨歌》中采用旋转模式。
双旋转悬臂伸缩桥架融上述3项功能于一体，达到了国际领先水平，与众不同的表演形式将带给观众全新的体验。
5.2 高精度定位
每个驱动电机配备增量编码器和绝对值编码器各1个，使速度、位置能够精确把握。
5.3 多项安全保护
在演出过程中，两位表演者在桥架展开过程中边打斗边往另一端移动，刺激的场面扣人心弦，且其中有一部分时间将在观众头顶进行，安全问题是重中之重。
（1）桥架栏杆上安装了防坠落保护系统，表演者身上的安全绳索能够在其上滑动，保证了表演者在上面不会坠落；
（2）在桥架栏杆上设置了使能开关，突发状况时，表演者可紧急停止设备；
（3）桥架1的侧面安装了防剪切条，防止两个桥架叠加时对表演者造成剪切伤害；
（4）在运行极限位置配置了行程限位开关，且软件上也进行了限制；
（5）电机配置了双制动，并且都有微动检测开关，保证了制动器动作信号的准确传送；
（6）在旋转立柱底部安装了液压缓冲器，防止在制动器失效的状况下对其他设备或建筑造成破环。
5.4 电气控制系统安全可靠
双旋转悬臂伸缩桥架的控制系统采用专业可靠的Beckhoff控制器和科技人员二次开发的专用于舞台机械的控制系统，对所有舞台设备的驱动装置和现场传感器等实施运动控制、状态监视；并提供操作界面和操作方法，保证设备人员安全，配备维护及检修手段等。另外，根据IEC61508安全标准要求及人机工程学原理，增强了其安全功能和操作便利性。
2016年6月16日，上海迪士尼乐园正式对外营业，图13为桥架在现场实际布局中的展示，图14为剧目彩排时的演出效果展示。双旋转悬臂伸缩桥架的特技表演为“宝藏湾”主题园区上演的经典剧目画上精彩的一笔。
（编辑 薛云霞）