全液壓水中升降旋轉舞臺的設計與開發*

郭克橋，掌 昕

(甘肅工大舞臺技術工程有限公司，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

舞臺機械是舞臺文化的載體，也是最復雜、最能體現文化科技融合的領域。舞臺機械還不斷吸收和應用各種新技術，與時俱進。目前，各類大型實景演藝秀場的形式逐漸多元化，通過舞臺機械的多維運動，輔以各類水景、燈光、焰火、視頻、音效等，營造出氣勢恢宏且美輪美奐的藝術場景[1]。這種多元化的演藝形式不僅使觀眾觀演猶如身臨其境，同時還強化了觀眾、演員以及場景變化之間的互動，使整個觀演過程更具參與感、親和力。然而，此類秀場多以大型、室外、實景居多，這對舞臺機械的要求尤其嚴格，既要滿足超大負載的設備安全穩定地運行，又要滿足設備在室外風吹雨淋的環境下正常使用。如果秀場在劇目創意、場景設計過程中引入水景特效作為表現其藝術效果的載體，這就對舞臺機械提出了更高的要求。在國內，將舞臺與水有機結合將是今后舞臺機械發展的重要方向之一。

目前，國內僅有個別場館有水下單一升降的臺體，因絕緣、密封等技術難點解決不好而將驅動部分置于干區，造成驅動路線長，執行機構響應速度延時等不良影響，降低了性能指標。這就導致國內現有傳統設計的水中單一升降裝置，已無法滿足舞臺機械高動態性能、高精度的發展需求的問題。針對此類問題，我公司著手研發具有自主知識產權的液力剪撐式水中旋轉升降舞臺，提出液力剪撐式水中升降舞臺的設計方案。

1 水中升降旋轉舞臺的設計方案概述

液力剪撐式水中升降舞臺的設計如圖1所示。

圖1 水中升降旋轉舞臺總體結構示意圖1.液壓缸 2.底座 3.臺面鋼結構 4.轉臺 5.透水地板 6.剪刀撐結構 7.密封箱 8.動力泵站

設計方案為了實現升降和旋轉的功能，全套設備采用液壓驅動，升降和旋轉的執行機構共用一個動力泵站。升降由液壓系統驅動剪叉機構完成，旋轉是通過液壓回轉裝置驅動轉臺實現。為了縮短執行機構的響應速度，滿足設備運行的高精度要求，兩套驅動裝置都需要在水中工作。為保證驅動裝置可靠運行采取將動力泵站封閉在殼體之中， 殼體采取密封絕緣的保證措施，所有的出軸，聯線也必須密封以防止水滲入殼體內，暴露在水中的機械管線，必須采取高質量的防腐措施，各種導線采取有效的絕緣處理。

2 轉臺關鍵技術論述

2.1 液壓馬達的選型計算

如圖2所示，轉臺主要由臺面、承重輪、液壓回轉裝置、密封裝置等部件組成。

圖2 轉臺結構示意圖1.臺面 2.密封裝置 3.液壓回轉裝置 4.滾輪

2.1.1選擇參數和技術指標

根據轉臺設計要求，選擇如下參數：見表1。根據這些基本參數完成對液壓回轉裝置的選型工作。

表1 基本參數

2.1.2動力學計算

(1) 求轉臺所需驅動力

① 如圖3所示，N為施加在滾輪上的正壓力，k為滾動摩擦力臂，轉臺轉動時所需推力F為克服承重輪滾動時的摩擦力。

圖3 滾輪受力分析示意圖

G=G1+G2+G3=1+1.15+5.09

=7.23 (kN)

(1)

N=G=7.23 kN

(2)

取滾動摩擦力臂為k=1 mm，滾輪半徑r=50 mm，如圖，F、N分別對滾輪中心取距并列等式，計算公式如下：

M=Fr=Nk

(3)

將摩擦力臂k和滾輪半徑r代入公式(3)，經計算得：

F=(N×1)/50=(7.23×1)/50

=0.15 (kN)

(4)

故F為轉臺運轉所需要克服的滾動摩擦阻力(不含水阻)。

② 轉臺在水下轉動時所受的水阻力計算

水阻力計算公式如下：

(5)

式中：c是阻力系數，ρ是密度，v是速度，s是垂直方向橫截面積。

轉臺臺面架水阻力計算，c取0.981，由公式(5)得：

f1= 0.5×0.981×1 000 kg/m3×0.72×0.08 m×

0.735 m÷1000×6=0.085 (kN)

(6)

轉臺邊緣水阻力計算，由公式(5)得：

f2= 0.5×0.981×1 000 kg/m3×0.72×0.02m×

2π÷1000=0.03 kN

(7)

假設有2個1 m×1 m的方形演出道具固定在轉臺邊緣處，隨著轉臺旋轉，其所受的水阻力為F3，由公式(5)得：

f3= 0.5×0.981×1 000 kg/m3×0.72×1 m×1 m÷

1000×2=0.48 kN

(8)

轉臺水阻力共計:

f阻=f1+f2+f3=0.085+0.03+0.48=0.595(kN)

(9)

轉臺所需驅動力共計:

f驅=F+f阻=0.15+0.595=0.745(kN)

(10)

(2) 液壓馬達參數計算

液壓馬達理論輸出扭矩T：

T=F×D/2×ηm

(11)

式中：ηm為機械效率，取ηm為0.9。

將已知參數帶入到公式(11)中，則：

T=F×D/2×ηm=745×2/2×0.9

=670.5(N·m)

(12)

液壓馬達理論每轉排油量V：

(13)

式中：ηm為液壓馬達機械效率，取ηm為0.9。

P為液壓馬達工作壓力，P=10 MPa

將已知參數帶入到公式(13)中，則：

V=(2×3.14×670.5×106)/(10×0.9×106)

=468 (mL/r)

(14)

故液壓馬達實際輸出轉矩為：

Ts=(P×V×ηm)/2π

=10×494×0.9÷2÷3.14

=670.7 (N·m)

(15)

液壓馬達轉速范圍n：

轉臺最高轉速：

n1=vmax/πD=0.7×60÷3.14÷2=6.69(r/min)

轉臺最低轉速：

n2=vmin/πD=0.1×60÷3.14÷2=1(r/min)

由于液壓馬達轉速較高，因此選擇減速器作為中間減速裝置，選取減速器傳動比i=9。

故液壓馬達轉速范圍是：

i×n2=9 r/min≤n≤i×n1=60.21 r/min

液壓馬達所需流量Q：

(16)

式中：ηv為容積效率，取ηv=0.9。

將上面的排量和轉速計算結果代入到公式(16)，則：

=31.3(L/min)

(17)

綜上分析：液壓馬達選擇帶自控式制動器的鋼球馬達，具體參數如表2所列。

2.2 水下動密封方案的確定

水下旋轉臺研制的關鍵問題之一是軸的動密封，即軸伸出殼體處的密封。軸在旋轉時，由于軸與殼體間存在間隙，就會產生泄漏，而且介質壓力越高，軸的轉速越快，越易產生泄。主要對適用于水下旋轉臺的兩種密封方式進行對比，根據對比結果確定最優方案。

2.2.1雙油封正反裝

骨架油封是油封的典型代表，一般說的油封即指的是骨架油封。油封的作用一般就是將傳動部件中需要潤滑的部件與出力部件隔離，骨架就如同混凝土構件里面的鋼筋，起到加強的作用，并使油封能保持形狀及張力，不至于讓潤滑油滲漏[2]，把油封的這種安裝方式叫做正裝。同理，如圖4所示，將另一個油封反裝就會起到防水的作用。采用這種密封方式可以使設備具備良好的防漏油滲水的功能，且成本較低。

圖4 油封正反裝示意圖

2.2.2磁流體密封

磁流體密封技術是一種新型的密封方式，它是指利用具有高飽和磁強度的磁流體來進行相關機械設備密封，由于磁流體本身是一種液態流體，具備液態流體的基本特性，以及具有磁性固體材料的磁性，磁流體密封技術就是利用磁流體對磁場的響應變化特性而來。圖5是一種典型的利用磁流體進行密封的裝置組成結構示意圖，磁流體密封主要由兩部分構成，即磁流體和經特殊設計的磁流體密封裝置，磁流體密封裝置包括導磁軸、磁極、不導磁座、軸承、永久磁鐵等部分。

為了提高整個密封裝置的密封效果和承壓能力，需要在磁流體密封結構中構成多個磁性回路，即多級磁流體密封結構，密封時存在壓差作用，當該壓差作用于“液體O形密封圈”之上時磁流體會略微移動，由于磁流體對外界磁場的響應作用，該“液體O形密封圈”具有保持和恢復原始狀態的特性，由此產生了對抗壓差的磁力，這就是磁流體的密封作用原理。磁流體轉軸動密封技術成功地應用于真空密封、氣體密封和防塵密封中,但用在液體密封方面,工業化實際應用較少見[3]。

圖5 磁流體密封示意圖

動密封方式要根據所要研制的水下轉臺的設計要求來選擇，骨架油封結構簡單，裝卸方便,成本低廉，而且非常適用于低壓、低速的條件下，應首先考慮。

目前，磁流體密封技術應用最成熟的方面在密封氣體介質或真空，而對于液體密封還不是很完善。為了將磁流體密封技術應用于液體密封，國內外研究較多的是采用兩個方法，一種是采用輔助手段將密封液體與磁流體分隔開來, 但這些密封結構比較復雜; 另一種是研制不受被密封液體侵害的磁流體，因此，如何研制出具有良好性能的磁流體，能夠對液體進行較好的密封，一直是人們研究的熱點。

2.3 設備的智能控制

為了實現水中升降旋轉舞臺的智能化控制，結合舞臺的實際情況，對智能舞臺控制系統的軟硬件進行設計，促使舞臺的自動化更加可靠有效。為了使得控制系統可以有效結合舞臺的表演情況，促使相關機械設備可以自動的做出反應，專門為其研發了一種軸控制器，該軸控制器可通過與標準的運行曲線產生各種點的數據，形成對比，用適當的算法產生控制參數，形成精確定位和速度控制。該軸控制器通過工業以太網有效的實現智能舞臺控制系統數據傳輸。在安全方面，軸控制器基于雙通道安全性硬件，不僅集成了標準PLC所有的軸控功能，而且能夠滿足安全等級Sil3標準，并且軸控制器還可以將所涉及機械及電器和控制的信號，作為冗余回路。軸控制器為雙通道設計且具有看門狗冗余功能，看門狗還排除非法速度輸出，大大提高了數據傳輸的可靠性，降低失誤的情況發生，使得控制系統更加符合舞臺表演的實際需求。建立能夠進行數據采集能力的數據采集系統與數據存儲系統，并由具有數據分析能力和處理能力的控制系統完成對涉水升降旋轉組合裝備的邏輯判斷，并發出的控制指令，通過數據采集系統對運動狀況進行記錄，并對電機的運動方向和速度進行確定。通過對音樂輸出信號的識別等特征，由系統通過軟件對電機的運動進行控制，從而使得整個舞臺的表演效果更加具有感染力。

此外，舞臺控制系統還具有人機交互功能，可以對參數設定、設備編組、場景運行、場景序列運行進行控制與操作，具有可隨意選擇的運行表、局部顯示圖、視覺化的運行過程、場次軟件，通過模擬出涉水升降旋轉組合裝備演出的完整效果，實現虛擬與實際控制的完美統一，從而實現控制。

3 整體設計應用效果

對液壓馬達的選型計算，水下動密封方式的選擇以及設備的智能控制這三個方面進行分析和試驗，結果表明，該設備的整體設計方案是合理可靠的，能夠保證全套設備在水中安全平穩地運行。全液壓水中升降旋轉舞臺推廣應用以后，極大地豐富了舞臺機械設備的使用場合，使舞臺機械與水景相結合，提供給舞美人員更大的創作空間，制造出更多的舞臺特殊效果，這于更立體、更生動地傳播中國文化藝術形態具有重要意義。

4 結 語

綜上所述，水中升降旋轉臺的設計利用了已經非常成熟的液壓技術、水下密封技術以及控制技術，使其在額定工作載荷下實現在水中升降和旋轉的功能，且可以實現任意位置定位，將設備同時預設多個預停位置，系統將自動運行到位，智能化程度高。整套設備做密封和防腐處理，無漏油滲水，充分滿足其設計要求。