舞台机械  薄型旋转台 

分析与研究之（二）

毛会永、郭克桥、石志孝

（甘肃工大舞台技术工程有限公司，甘肃 兰州）

为《舞台机械 薄型旋转台》产品标准的编写提供一点参考数据与信息，也为今后薄型旋转台的设计、制造、安装、调试及检测验收提供一些参考建议。

针对甘肃工大舞台技术工程有限公司（以下简称“工大舞台”）多年来在不同工程中所设计、制造及安装的部分典型的薄型旋转台进行统计（见表1），主要从传动方式、尺寸规格、性能参数、结构特点、安装施工等方面分析研究，对性能参数取值的范围及合理性，设计、制造及安装过程中的关键点和难点及其对策进行总结。

目前薄型旋转台的种类繁杂，形式多样。按其传动方式可分为摩擦轮传动、齿轮传动、销齿传动、绳索传动、链条传动、齿形带传动，中心轴传动等。按其转盘形式可分为转台和转环亦或是有心轴转台和无心轴转台（转环）。按其台面规格从直径∅1.0m至∅60m不等。具体需要哪种产品，根据不同演出场馆和演出环境的需要以及不同剧目的效果需求而定。

工大舞台所做的系列工程中薄型旋转台的传动型式主要以摩擦轮传动和齿轮传动为主，直径最大做到∅40m，其中摩擦轮传动占62.5%，齿轮传动占33.3%，其他传动占4.1%。有中心轴转台占比75%，无心轴转环占比25%。直径小于等于∅10m的薄型旋转台（转环）占比54.2%，直径大于∅10m小于等于∅20m的薄型旋转台（转环）占比33.3%，直径大于∅20m的薄型旋转台（转环）占比12.5%。

旋转台的速度一般以边缘线速度表述，多为变频调速，速度取值遵循工程项目的招标文件要求。上述统计的薄型旋转台中，直径小于等于∅3m的其最大线速度在0.2m/s到0.8m/s，一般取值在0.5m/s或0.6m/s居多；直径大于∅3m小于等于∅10m的其最大线速度在0.5m/s到1.0m/s之间，一般取值在1.0m/s的居多；直径大于∅10m的转台或转环其最大线速度取值基本都是1.0m/s。

通过调查了解，直径小于∅3m的转台，有人员在上面表演时很少全速旋转运行，在0.5m/s以上的边缘线速度旋转运行时演出人员会感到眩晕等不适感；但有时由于演出效果需要在转台上摆放鲜花、物体等景物时也会在最高速度下运行。直径大于∅10m的转台或转环在1m/s的边缘线速度全速运行时，演出人员在转盘外围表演由于离心力作用就感到有些站不稳，心里产生惶恐情绪。

薄型旋转台的主体结构主要由转盘架体组件、中心转轴组件、承重轨道组件、承重轮组件、驱动及传动组件和位置与速度检测组件等。

1）转盘架体组件

转盘架体组件一般为薄片式圆盘形钢构架体，是薄型旋转台的结构载体。其设计思路通常是将整体圆盘结构均分成若干扇形或扇环分片结构，分块扇形或扇环在加工厂内组焊而成，加工时严格控制外形尺寸及焊接变形，出厂前需对各分片进行检查验收。各分片之间的连接一般设计成螺栓连接，便于现场调节安装，分片设计材料选用不同型号的型材，多以矩形管为主材。转盘架体设计的分片大小划分以具体情况而定，要考虑便于发货运输以及现场安装条件。上述转盘架体组件设计思路是对大型转盘而言，一般转盘直径大于∅3m时宜分片设计。如其直径不大于∅3m时，多设计为整体结构，承重轨道与转盘为一体，对承重轨道可以机加工来保证其平面精度。

2）中心转轴组件

薄型旋转台的中心转轴组件为转盘的旋转中心定位部件也是旋转支撑主体。转台中心转轴组件上一般要设计电滑环，因演出效果需要旋转台面上可能会设计供电插盒以便给所需要的灯具及其他演出设备供电。转环上无中心转轴组件，转环旋转运动的定位依靠导向轨道及导向轮来完成，导向轨道根据安装基础条件，设计适当大小直径的环形轨道，也可用承重轨道代替。导向轨道可安装在转盘架体组件的下表面，以转盘架体的理论中心为圆心布置，导向轮沿导向轨道均匀布置。实际上沿圆周均布的导向轮和环形导向轨道的组合可以看做是放大了的中心转轴组件。转环台面上的供电措施如有需要，宜设计滑触线供电或无接触供电。

3）承重轨道和承重轮组件

承重轨道和承重轮组件是薄型旋转台的重要组成部分，其设计的好坏以及安装精度的高低决定整个转台的运行质量和效果。

承重轨道有下装式（固定安装）和上装式（随转盘架体旋转）之分，和承重轮的设计安装方式正好相反，承重轨道设计为下装式时承重轮需设计成上装式，反之亦然。

承重轮组件下装式在薄型旋转台中使用占绝大多数。主要有以下几方面原因。第一，是承重轮组件下装式是一种固定安装，便于现场测量、安装与调试；第二，若承重轮组件装在转盘架体上，不利于其安装和调整。且转盘运动时会随转盘一起运动，增大了整体运动的转动惯量；第三，承重轨道上装式，使其与转盘架体连接为一体，承重轨道也充当了转盘架体的支撑圈梁，减少转盘架体支撑圈梁的设置。

承重轮按其设计外形来分，可分为圆柱形轮、锥形轮和鼓形轮。不同形式的承重轮在其设计制造和使用方面各有利弊。为成本低亦能满足使用要求，大多薄型旋转台的承重轨道为标准型材工字钢、H型钢或槽钢等冷弯而成。需分段制作，调整校正轨道平面度并做弦向拉杆定位，以防运输过程变形过大。用标准工字钢、H型钢或槽钢设计的承重轨道的承重接触面平面，适应锥形承重轮和鼓形承重轮配合使用。

锥形承重轮在薄型旋转台中使用较多，在规格不同的薄型旋转台及转环(环台)中都有广泛的使用。其优点在于承重轮能在轨道面上保证纯滚动，承重轮与轨道面为线接触，承载能力相对较好，但加工制造相对较难；其二，若转台台面规格较大需设计多圈承重轮时，不同圈上的承重轮需按圈分别设计轮锥度，生产时需按不同锥度加工，加工完成后为便于现场不混乱，需在不同锥度的承重轮侧面打上明显的标记。

锥形承重轮的设计与安装必须保证在转台运行时承重轮沿承重轨道面做纯滚动。

a) 设计时锥形承重轮的锥面角度应根据承重轮沿转盘中心的运行轨道半径的不同而不同，其锥面角度与承重轨道的半径和锥形轮中半径有如下关系式：

     （1）

式中：α—圆锥角度，r—锥形轮中半径，R—承重轨道以转盘中心为圆心的轨道半径。

b) 安装时承重轮与承重轨道面接触的轮面母线应与转台半径在同一铅垂面内。

c) 安装时承重轮与承重轨道面接触的轮面母线必须与转台的旋转中心中垂线相交。

图1 锥形承重轮在薄型旋转台中下装式安装

 图2 锥形承重轮在薄型旋转台中上装式安装

鼓形承重轮在薄型旋转台中使用也相对较多。其优点在于，结构简单，便于设计、加工及制造，安装调整方便；其缺点是对承重轮及承重轨道的磨损相对较严重。鼓形承重轮在不同规格的薄型旋转台中均可使用，在台面规格于小∅2m的薄型旋转台中使用广泛，由于体积结构小，便于在厂内安装调试，检验检测，减少现场安装调试时间，降低安装成本。

4）驱动及传动组件

薄型旋转台的驱动组件一般为减速电机。传动形式有摩擦轮传动、齿轮传动、销齿传动、绳索传动、链条传动、齿形带传动、中心轴传动等。具统计工大舞台所做的工程中主要以齿轮传动和摩擦轮传动为主，其他传动在此不做分析讨论。

a) 齿轮传动的传动方式是固定安装的驱动机上的小齿轮与安装在转盘架体中心部位的齿圈相互啮合，使小齿轮带动齿圈做以转盘架体中心为圆心的旋转运动，从而带动整个转盘旋转（见图3）。

图3 齿轮传动小型薄型旋转台结构

齿轮传动方式的薄型旋转台其结构紧凑，运行平稳，装配制造精良，便于安装调试，主要用于转盘直径小于等于∅3m的薄型旋转台中。齿轮传动形式的薄型旋转台是一种驱动半径偏于旋转中心的齿轮副啮合传动方式，转盘直径大于∅3m的薄型旋转台不宜使用齿轮传动形式，当转台台面规格越大时，其自重大，额定动载荷也大，转台运动的总动载荷就很大，运动的转动惯量也就很大，从设计计算和使用能效方面考虑，就需齿圈直径足够大。齿圈直径过大时，不利加工制造，齿圈越大时其加工成本会很高，设计者和制造商都不会采纳成本很高的齿轮副传动。

在齿轮传动的薄型旋转台中，当转台在静止状态时，虽然驱动电机已制动，主驱动齿轮不会转动，但由于齿轮副之间啮合间隙的存在，沿转盘正反运行方向有轻微的晃动，当这个轻微晃动反映到转盘外缘部位时就很明显。所以在齿轮传动的薄型旋转台上需设计一套在转台停止状态时的锁定机构或制动装置，以消除啮合间隙导致的转盘晃动。

b) 摩擦轮传动形式的薄型旋转台在工程中使用最多，在不同规格的薄型旋转台及转环（环台）中均可使用。摩擦轮传动的优点是结构简单，制造容易，运行平稳，噪音低，过载可对重要零部件起到保护作用，能连续平滑地调节其传动比等。缺点是运动中的打滑，影响转台旋转运行的速度精度和位置精度控制，传动效率相对较低，结构尺寸较大等。

摩擦轮轮体一般设计成挂胶轮以增大摩擦因数。但挂胶轮允许的接触应力低，传递的功率较小。一般一套摩擦驱动配置的电机功率不宜超过5.5kW，功率过大很容易使摩擦轮表面的挂胶受损或脱落。因而，一般台面较大的转台（转环）依据总动载荷和运行速度确定所需要的功率，合理布置两套至多套驱动机，多套驱动机一般应在摩擦带圆周位置上均匀布置。主要几种布置形式见图4。

 图4 摩擦传动的驱动机布置

多套驱动机在摩擦带圆周上均匀布置能使转台运行更平稳，增大摩擦轮使用寿命，减少转台在保质期内频繁更换摩擦轮带来的费用损失。

薄型旋转台使用的摩擦轮传动组件的主要特点是设计了浮动机构（见图5）。组件中固定底座将摩擦轮传动组件的整体固定安装在相应位置的基础埋件上，浮动底座铰链在固定底座上，浮动底座带着减速电机、主摩擦轮组件、随动轮组件、弹簧加紧机构可沿浮动底座铰链点做弧形摆动。

图5 摩擦传动机构

浮动机构的作用：第一使主动摩擦轮与随动轮之间始终保持一定的压紧力，确保有效传动；第二是能消除因摩擦带安装精度不高、圆度不够、或与转盘旋转中心的同心度误差较大造成摩擦轮传动组件与摩擦带之间传动受阻、憋劲、卡滞现象，保证转盘正常运行。

5）检测组件

薄型旋转台的检测组件一般指在旋转运行过程中的速度检测或位置检测。对于独立的转台或转台环台组合或不同直径的多环台组合都需要进行速度检测及多环台组合运行的同步检测。一般在各自传动组件加装增量编码器即可完成控制。但检测到的运行速度及同步速度精度不高。尤其是对摩擦轮传动的转台检测到的运行速度往往大于实际运行速度，检测多台同步精度偏差很大，很难完成精确的同步运行控制。

鉴于上述情况，对于多台组合运行的转台（环台）有同步精度要求的需要设计合理的检测组件。这里列举两种不同的转台速度同步检测组件（见图6），一种是旋转链轮检测组件（适合承重轨道上安装），即需要在一定直径的环形承重轨道侧面固定安装一圈小型号的链条，转盘旋转运行时带动承重轨道及安装在其上的链条一起运行，通过链条与旋转链轮检测组件上的链轮啮合带动链轮旋转，从而带动与链轮同轴安装的增量编码器旋转。另一种是读码器检测组件，一般用于承重轨道上安装，其检测原理是在环形承重轨道侧面粘贴一圈条码带，利用读码器与条码带的相对运动，连续读取条码带上的条形码，从而达到检测效果。这两种检测组件都在不同工程中多次使用，并得到验证，检测同步精度可达到±5mm。

图6 检测组件

薄型旋转台还应设计初始位置的限位开关组件，限位开关有多种形式，更实用的限位开关应选用接近开关和磁感应开关，价廉宜用。

薄型旋转台现场测量与安装及其重要，其安装质量的好坏直接决定设备能否按预设正常运转，能否满足各项功能指标。

本文以大型无中轴多圈组合转环（最大转环外边直径∅40m，最小转环内边直径∅10m）的现场测量安装经验，分析讨论薄型旋转台的测量安装。相对有中心轴组件的转台来说，转环转盘架体上无实际圆心点，无中心转轴组件，故增设了导向轮和导向轨道，这就给现场安装操作带来更大的困难。

设备现场测量安装步骤如下：

首先需确定，多圈组合转环要同步安装，且定位回转中心为同一点。

a) 复核基础条件。安装前全面检查并测量建筑基坑结构的尺寸及地面预埋件的位置，是否符合设计输入资料的相关数据，注意结构误差。

b) 确定定位中心（旋转中心）。以建筑基础的墙面或埋件为参照，用拉线和钢卷尺找出转台圆心，确定后将“旋转安装用定位芯轴组件”固定就位在圆心位置，芯轴与水平面保证垂直，垂直度误差不大于1mm。定位芯轴组件不再变动，以便后续不同时间段测量各圆周位置，将保证为同一圆心。

旋转安装用定位芯轴组件是考虑转环尺寸过大且无中心轴组件，为便于现场测量位置定距而设计的一套工装。此工装由定位芯轴、与芯轴直径向吻合的多个环形隔套（可调节高度）、旋转法兰以及与旋转法兰相连接的杆件组成。由于杆件较长时杆件的挠度误差会影响测量结果，所以此杆件需做成小型桁架，以确保足够的刚度，在杆件上沿长度方向固定一钢尺，并固定一垂直向下的标记笔，可沿杆件长度方向调整，便于测绘数据。

c) 确定各承重轮沿不同圆周布置的安装。按图纸尺寸，以定位芯轴为圆心推动长杆旋转，找准不同圆周上承重轮支座位置，分别调整各圆周上的承重轮支座，使其与转台中心点的距离误差在±3mm内；使各承重轮的高度在同一水平高度，高度误差在±5mm内，高度误差需用水准仪测量；承重轮滚轮的轮面母线必须通过转台中心，以保证轮子在转动时的纯滚动；随后将各承重轮支座与预埋板固定焊接。注意各圆周上的承重轮组件是不同的，按各圆周承重轮的编号，将其安装在相对应的圆周上。

d) 精调承重轮高度。分别精调各圆周上的承重轮调节螺母，使各承重轮的轮缘顶点在同一水平高度，高度差在 ±1mm内，用水准仪测量。

e) 拼接各承重轨道，调整圆度误差，平面度误差。将各承重轨道分段现场拼接成圆环，控制圆环扭曲变形，调整使其平面度误差在±1mm之内，用定位芯轴工装进行测量调整，使各承重轨道圆周处到中心点误差在±5mm之内；兼有导向导轨和摩擦带的承重轨道，应使其圆周处到中心点误差在±2mm之内。承重圈各接缝必须打磨光滑平整。

承重轨道的拼接要以各圆周上布好的承重轮为支撑，必要时做定位工装固定。

冷弯成型的承重轨道，对焊拼接非常容易变形，现场处理整体圆度和扭曲变形是难点，方法不多，以局部加热变形调整为主。

f) 安装导向轮和驱动组件。按图纸示意位置，在安装导向轮的承重轨道（也可叫导向导轨）圆周外侧不同位置均布多个导向轮组件，固定各导向轮支座，精调各导向轮调节螺母，使各导向轮组件的轮缘顶点距离导向轨道导向接触面2mm。按位置要求安装各驱动机，安装驱动机时拉紧弹簧应在放松位置，将驱动机摩擦轮靠在环形导轨侧面上，无误后固定驱动机，最后将压紧弹簧拉紧。

g) 安装台面分块。按图将各分块依次摆放在承重轨道上，测量确定位置后将各分块之间螺栓连接，将各台面分片与承重轨道用压板螺栓方式连接固定。台面分块与承重轨道尽量不采用焊接方式，因焊接造成的承重轨道变形后，很难修复。

h) 驱动接电，通电试运行，调整复核精度。低速运行，查看运行是否畅通，必要时再微调各承重轮及导向轮，最终使转台转动灵活均匀，声音正常，无卡滞现象。复核转盘运行过程，保证在±5mm，若偏摆量过大，微调导向轮，多次运行调整，最终达到质量要求。

i) 分别运行各环台，精确测量检查各环台之间的缝隙，以及有无相互干涉磨蹭现象，必要时微调导向轮，保证各环台相互之间的间隙≤12mm。

j) 安装速度同步检测组件和行程限位开关组件并调整。

大型无中轴多圈组合转环的现场测量安装难度大，需注意的环节多，要达到完全正常运行并交付使用的条件，不是按上述步骤按部就班就能完成，好多细节不能一一描述，有些测量调整需要反复多次进行，更需有技术有经验有职业道德的工匠认真仔细的操作才能达到圆满。