舞台机械设计

耶鲁戏剧学院教授经典著作，戏剧专业必备图书，国内知名教授编译，中国工程院院士朵英贤作序推荐！展示众多舞台设计实例，提供完整的舞台设计流程，从一般概念到具体细节一网打尽！一台机械装置可以抓起万钧的重物，也可以轻轻地投下一根羽毛。它的实现也许就像使用一套气缸机构来关闭门扇那样简单；或者就像观众厅顶上安装的枝形吊灯，用多台卷扬机分别提升它的各个单元并控制其同步那样复杂。舞台上有蓄电池驱动的无线控制的小船，液压升降吊车，模仿百年以前的马拉赛车以及跑在轨道上冒着烟雾、火花和蒸汽的机车等。所有用于实现这些舞台效果的机械都只围绕一个共同点，就是专门设计和制造用来实现导演和布景设计师的艺术目标。

本书从基础理论到大量的计算实例，较系统地阐述了演出场所机械设备设计的基本理论和计算方法，包含舞台机械物理学、舞台机械部件、机械设计过程和舞台机械纲要四个部分，理论严谨，实例充分，可读性强。本书可作为舞台机械设计方面的教材和培训用书，适合相关院校机械专业、舞台技术专业师生阅读，也可供舞台设备行业的工程技术人员，以及剧场中设计、施工、安装及操作舞台设备的技术人员参考使用。

艾伦·亨德里克森（Alan Hendrickson）是耶鲁戏剧学院（Yale School of Drama）的技术设计和制作教授（副教授），1984年以来，他一直是风景机械化和控制方面的独立顾问。耶鲁大学开设的课程包括舞台机械物理、自动化控制、气动和液压以及剧院应用的机械设计。他的顾问工作包括液压、控制和机械设计，主要通过哈德逊风景工作室在百老汇、国家旅游和地区剧院演出中进行效果设计。

序编译者说明前言第1篇舞台机械物理学第1章基础概念和定义31.1基本原理31.2位移41.3平移的定义41.4速率和速度51.5加速度71.6x、v和a之间的图像关系71.7练习题9第2章匀加速运动公式102.1匀加速运动102.2匀加速运动的常用公式112.3已知时间和距离的运动142.4重力加速度162.5练习题17第3章加速物体的力：F加速183.1概述183.2牛顿运动定律183.3质量和力193.4质量和力的换算203.5重量203.6加速物体需要的力213.7练习题22第4章摩擦力：F摩擦234.1摩擦——复杂性及简化234.2定义244.3滑动摩擦254.4静摩擦264.5动摩擦274.6摩擦因数的测量284.7滚动摩擦304.8绳在柱面上的摩擦314.9练习题34第5章起升力：F起升355.1重力、重量和起升力355.2起升力355.3平衡重365.4练习题37第6章最大功率和力386.1功率386.2最大功率396.3最大力426.4练习题43第7章旋转运动的基本原理457.1旋转运动的定义457.2坐标系457.3角位移467.4角速度487.5角加速度487.6线性关系和旋转关系之间的转换497.7向心加速度497.8恒角加速度的公式507.9转矩517.10练习题52第8章加速质量的转矩：T加速548.1概要548.2转动惯量548.3旋转轴线的变换578.4wk2598.5加速物体的转矩598.6滚动体648.7练习题65第9章克服摩擦的转矩：T摩擦669.1转动和摩擦669.2由摩擦产生的转矩：T摩擦679.3脚轮摩擦及转台679.4回转轴承的摩擦719.5练习题75第10章起升转矩：T起升7710.1概要7710.2质量中心7810.3起升转矩7910.4练习题82第11章最大功率和转矩8411.1功率8411.2最大功率8511.3最大转矩9211.4质量和弹性振动9311.5练习题94第12章多种运动的组合9612.1概要9612.2直线运动和旋转运动的功率组合9612.3功率方程的转换条件公式9912.4多种速度组合的影响10112.5练习题105第2篇舞台机械部件第13章安全10813.1一般概念10813.2风险评估10913.3消除危险10913.4单件失效预防设计11013.5设计系数和安全系数11113.6紧急停机11213.7相关法规和标准11213.8正式程序11313.9检查及维修11413.10补充信息115第14章驱动装置11614.1电动、液动或气动11614.2驱动机11614.3电动机11614.4常见的电动机类型11714.5规格和配置11814.6制动减速电动机11914.7速度/转矩曲线11914.8机壳12014.9服务系数12014.10选择电动机12014.11液压执行机构12114.12气压执行机构12114.13缸12214.14缸的安装形式和活塞杆的尺寸12314.15止动管12514.16缸的选择12514.17平衡阀12714.18补充信息127第15章减速12815.1减速12815.2减速方法12915.3补充信息141第16章轴14216.1轴的基础知识14216.2轴的强度14216.3轴直径和扭转刚度的经验规则14316.4轴的其他应力源14416.5轴的弯扭组合分析14516.6共振速度14616.7应力集中14716.8键和键槽14716.9实际轴设计的考虑14916.10补充信息153第17章轴承和轮15417.1轴承15417.2滚动轴承15417.3滑动轴承15517.4压力和速度计算15617.5带座轴承15717.6直线轴承15817.7回转支承或转盘轴承15917.8凸轮从动件16017.9轨道承载能力16117.10选择轴承应考虑的问题16217.11滚轮及脚轮16317.12滚轮及脚轮的相关术语16317.13专用轮16417.14补充信息164第18章钢丝绳和滑轮16518.1钢丝绳16518.2钢丝绳的相关术语16518.3检查16818.4滑轮16818.5滑轮的相关术语16918.6补充信息171第19章卷筒17219.1有槽卷筒17219.2卷筒的类型17219.3卷筒部件17319.4卷筒的材料17419.5绳槽尺寸17519.6卷筒的直径17519.7卷筒的长度17519.8卷筒槽每英寸螺纹线数17619.9钢丝绳的锚固17719.10卷筒的制造17719.11卷筒绕绳方式17819.12补充信息179第20章螺旋副18020.1螺旋副的基本原理18020.2滑动螺旋副——爱克米螺纹（英制T形螺纹）18120.3滚动螺旋副——滚珠丝杠18220.4常见螺旋副的使用18220.5补充信息184第21章制动器18521.1弹簧装置制动器18521.2制动噪声18721.3制动器的安装位置18721.4手动释放18821.5安装方向18921.6流体动力制动回路18921.7超速制动19021.8制动与释放速度19021.9补充信息191第22章控制元件19222.1外置传感器19222.2位置传感19322.3限位开关速比19422.4断火19522.5插接件19622.6补充信息196第23章框架及结构19723.1一般概念19723.2全护围的框架与敞开的框架19723.3角钢型与数控切割板型19823.4钢材与铝材19923.5安装与操作的选择19923.6结构设计要考虑的问题200第3篇机械设计过程第24章剧场的机械设计20424.1概要20424.2五个关键点20424.3产业和剧场的机械设计20724.4影响一个人设计能力的因素20924.5总结213第25章设计说明21525.1概要21525.2什么时候技术规格书是必要的21625.3一份完整技术说明的要素21725.4总结227第26章概念设计22826.1概要

在舞台上使用的机械有多种多样。一台机械装置可以抓起万钧的重物，也可以轻轻地投下一根羽毛。它的实现也许就像使用一套气缸机构来关闭门扇那样简单；或者就像观众厅顶上安装的枝形吊灯，用多台卷扬机分别提升它的各个单元并控制其同步那样复杂。舞台上有蓄电池驱动的无线控制的小船，液压升降吊车，模仿百年以前的马拉赛车以及跑在轨道上冒着烟雾、火花和蒸汽的机车等。所有用于实现这些舞台效果的机械都只围绕一个共同点，就是专门设计和制造用来实现导演和布景设计师的艺术目标。 本书是有关这类机械的介绍，写作的目的是为设计、施工、安装以及日常操作舞台设备的剧场技术人员提供参考。这些技术人员以及他们的雇主是一个极其多样化的群体。他们在机械设计方面的正规受教育水平跨度很大，从无完整教育到具备机械工程学位的都有。他们对这类设备的操作和使用经验也可能是有限的或者是广泛的，他们可能在教育或社区剧院、大歌剧院工作，或者为百老汇、拉斯维加斯、旅游或主题公园市场等商业性演出场所服务。毫不奇怪，因为可覆盖的主题范围和潜在的观众多样性决定了本书所包含的内容永远也无法满足这方面的所有人，这是一项不可能完成的目标。然而本书提供了良好的基础开端，其主要目的是作为对这个领域感兴趣的剧场技术人员的参考书。 本书可作为Alys Holden和Bronislaw Sammler的《舞台结构设计》（Structural Design for the Stage）的配套教材，因为结构和机械设计常常交织在一起。在耶鲁戏剧学院，《舞台结构设计》安排了超过三个学期的毕业生水平的课程，其中两个学期是在三年制的第一年。本书的第1部分和第2部分，舞台机械物理学和舞台机械部件安排在第二学年的第一学期。学生经过前一年课程的学习已经具备了木材和钢材的结构知识，并且可应用数学手段解决大部分的问题。第三年作为机械设计选修课，包括第3和第4部分，机械设计过程和舞台机械概要，作为机械设计课程的参考。 另一个与之配套的大量可选材料来自因特网上关于特征、规格以及各种机械部件的推荐应用等。以前，印刷材料作为技术人员收集保存的主要参考资料。但是今天所有的信息更多地通过网络可在世界上任何地方方便迅速地获得，查到它们不是很困难，因为任何搜索引擎都会搜到数百条诸如“轴承座”“减速电动机”之类的信息，选择资料已不再是麻烦的事情，但随之而来的可能是部分发行人员提供的品牌成为您查找信息的关键限制。 机械设计需要如此多的信息，但目前没有一本书能包括全部内容，因此本书应该是唯一的开端。我曾经考虑许久将书名修改为《舞台机械设计介绍》。整本书已经介绍了每一个单独的主要机械部件：滚子链、齿轮减速器、轴承以及电动机等。一本名为《螺栓连接的设计与性能介绍》的书就有950页之多，而且仅仅是介绍！ 本书一开始，插图就是一个关键，在现有的资料里很难找到靠近这个题目且能重现的小黑白照片，能找到的往往都不能清楚地显示设备的状况。因此，这里采用的是线条图，有些按插图严格地绘制而成，有些是直接从现有设备结构绘图中选出的。自始至终想表达设备装置的原理，但并不提供加工制造图。本书的主导思想是提供进入机械设计的每一个步骤，而这些无尺寸的描述绝不会让你轻易放弃。现在是否比照片表达原理更清晰，将由读者来判断。 另一个问题是单位的混合使用，在美国人们往往习惯于使用传统的单位制（很早就确立的，但现在与英制单位略有不同）。当然，在世界上其他地方使用的是米制单位，许多美国购进的设备部件都是欧洲或亚洲制造的，因此电动机功率的单位为W，缺损零件需要米制尺寸配件，且质量的单位是kg，这是需要我们熟悉的问题。在第1～6章中的例题和复习题都混合使用了传统单位制和米制单位制。由于本书的基础原理比较简单，故混合使用单位的麻烦还不是太大。在后续章节中的公式还是用两种单位制进行介绍，但例题和复习题将全部用传统单位制。这不是很理想，但由于问题复杂程度和例题的长度不便使用混合单位。这将给习惯使用米制单位的人们使用这本书带来不便。 本书不包括运行设备所需要的控制系统的内容，机械控制系统由于内容足够多，应由专门的书籍介绍。从安全角度考虑，机械控制系统更多地涉及操作者，在机械整体系统设计中具有专门的职责。 本书中有一些警告和声明，应注意遵守。即使舞台自动化系统中的每一个部分都能正常运行，搬用布景本身也会有危险存在。安全问题始终存在于机械的设计、制造、安装和使用以及演出的全过程中。在工作中应有认真的态度和正确的方法。请服务工程师来验证你的工作，或者开发一种不在你的能力范围内的机器都应有认真的态度和正确的方法。在使用潜在不安全的设备时应坚持你的权利，养成说“不”的习惯。因为没有人比你更了解你能做什么或不能做什么。机械设计需要一定的心态和一定的个性，通过学习和实践来获得知识和经验，工作中应善于观察，注重实际，作风严谨，偏于保守，保证安全。 我要感谢在本书的写作过程中提供过帮助的很多人，第一个也是最主要的是Adirondac工作室的Colin Buckhurst，从我多年作