劇場(chǎng)防火隔離幕阻尼系統(tǒng)特性分析與應(yīng)用研究

魏發(fā)孔

(蘭州理工大學(xué) 舞臺(tái)設(shè)備研究所，甘肅 蘭州 730050)

1 引言

設(shè)置于劇場(chǎng)舞臺(tái)臺(tái)口的剛性防火隔離幕(簡(jiǎn)稱(chēng)防火幕)，在舞臺(tái)發(fā)生火災(zāi)時(shí)經(jīng)工作人員操作其鋼制幕體迅速下降關(guān)閉臺(tái)口，隔離火源防止火勢(shì)蔓延，便于觀眾安全撤離。其中鋼制幕體下降時(shí)的阻尼裝置是其關(guān)鍵部件及核心技術(shù)。此前，國(guó)內(nèi)有相當(dāng)部分劇場(chǎng)的設(shè)備采用閥控液缸式提升阻尼裝置[1，2]。這些裝置都很好地實(shí)現(xiàn)了該設(shè)備的基本功能，且各有其特點(diǎn)。但閥控液缸式結(jié)構(gòu)需要專(zhuān)制液缸及其附件，且泄漏的問(wèn)題比較難于解決，一般來(lái)說(shuō)要解決的好成本比較高，也不便于部件標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。

國(guó)內(nèi)外采用的另一種阻尼結(jié)構(gòu)是閥控液泵式[3，4]，這種系統(tǒng)采用了通用液壓泵(馬達(dá))和標(biāo)準(zhǔn)液壓閥，其結(jié)構(gòu)不僅滿足基本功能需要，且便于快速組合，成本相對(duì)較低。但現(xiàn)有的閥控液泵式阻尼裝置在應(yīng)用上都不同程度地存在一些需要進(jìn)一步探討的問(wèn)題。

文獻(xiàn)[3]中圖2-5-10和文獻(xiàn)[4]中顯示的結(jié)構(gòu)，都是目前國(guó)內(nèi)常用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其液壓泵(馬達(dá))和電機(jī)、制動(dòng)器、減速器、卷筒直連串接。正常情況下，多數(shù)都將提升速度設(shè)定在0.2m/s左右(電動(dòng)提升的速度一般在0.1m/s～0.5m/s之間選取設(shè)定)。阻尼下降的控制總時(shí)間設(shè)在不大于45s，而國(guó)際上多數(shù)國(guó)家要求的阻尼下降控制總時(shí)間不大于30s。當(dāng)此類(lèi)系統(tǒng)按照后者要求調(diào)試時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)異常。試驗(yàn)證明，阻尼下降總時(shí)間調(diào)整到40s時(shí)，振動(dòng)與噪聲比較明顯，當(dāng)調(diào)整到38s時(shí)，振動(dòng)加劇噪聲擴(kuò)大，當(dāng)調(diào)整到36s時(shí)，除了劇烈振動(dòng)及噪聲，還出現(xiàn)嘯叫聲，只有調(diào)整到大于40s時(shí)才能比較正常地運(yùn)行。所以，一般都調(diào)整到阻尼下降總時(shí)間不大于45s 。若按國(guó)際上先進(jìn)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)要求，該系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)。

據(jù)上所述，對(duì)于防火幕提升阻尼系統(tǒng)的運(yùn)行特性需進(jìn)一步分析探討，以求改進(jìn)此類(lèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使其達(dá)到國(guó)際先進(jìn)指標(biāo)的要求，且更趨于合理與安全。

2 幕體提升與阻尼系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析

根據(jù)舞臺(tái)臺(tái)口大小的不同，防火幕幕體的重量一般在8T～16T之間。故其系統(tǒng)設(shè)置平衡重平衡大部分重量，設(shè)定少量平衡差。提升卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)與下降阻尼器串接固連，提升卷?yè)P(yáng)采用復(fù)式懸吊。電動(dòng)提升時(shí)，卷?yè)P(yáng)機(jī)克服平衡差重力及總體慣性力而使幕體向上運(yùn)動(dòng)。幕體阻尼下降時(shí)依靠平衡差自重下降，同時(shí)連接到提升卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)的液壓阻尼器阻止其下降從而控制下降速度。防火幕平衡系統(tǒng)示意如圖1所示。圖中h為下降總行程、h1、h2、h3分別為一、二、三級(jí)阻尼下降行程。h0為自由下降行程，該行程到位，速度達(dá)到一級(jí)阻尼下降速度。

圖1 防火隔離幕平衡系統(tǒng)示意圖

若將自由下降行程的總時(shí)間控制在t0內(nèi)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理有：

(1)

式中：a1——自由下降過(guò)程加速度，m/s2；

h0——自由下降段行程，m；

t0——自由下降段時(shí)間，s

在平衡系統(tǒng)中，解得系統(tǒng)平衡重為：

(2)

式中：m2——平衡重質(zhì)量，kg；

m1——幕體質(zhì)量，kg；

g——重力加速度， 9.81m/s2；

η——平衡系統(tǒng)機(jī)械設(shè)定總效率，0.96。

根據(jù)上式，按自由下降行程在時(shí)間t0內(nèi)自由下降計(jì)算的最大加速度推得的理論平衡差比較小，但是，實(shí)際結(jié)構(gòu)中的摩擦阻力很大，效率的誤差較大，為了保證能可靠自動(dòng)下降，一般取設(shè)定總效率不大于0.96。其誤差將在阻尼器調(diào)整中校正。

2.1 對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的分析

在規(guī)定的總下降時(shí)間內(nèi)，對(duì)文獻(xiàn)[3]中圖2-5-10結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行分析，其運(yùn)動(dòng)計(jì)算圖線如圖2所示：

圖2 阻尼下降過(guò)程運(yùn)動(dòng)圖線(1)

其中，自由下降過(guò)程的平均速度為：

(3)

h0——自由下降段行程，m；

v1——自由下降段末速度，m/s；

v0——自由下降段初速度，m/s，v0=0；

t0——自由下降段時(shí)間，s。

由結(jié)構(gòu)確定的幕體以速度v升降時(shí)，泵的轉(zhuǎn)速為：

(4)

式中：nB——泵的轉(zhuǎn)速，r/min；

v——幕體升降速度，m/s；

Dj——卷筒直徑，mm；

i——減速器速比。

首先，確定合理的第三級(jí)阻尼下降速度及行程，再確定第二級(jí)阻尼下降速度及行程，然后，列出多元一次方程計(jì)算一級(jí)阻尼下降速度及行程，從而確定自由下降時(shí)間。其間忽略開(kāi)關(guān)動(dòng)作瞬間的過(guò)渡過(guò)程，均按穩(wěn)定過(guò)程考慮。有如下算例：

(1)假定應(yīng)用條件(按常規(guī)劇場(chǎng)最大規(guī)格考慮)

舞臺(tái)臺(tái)口為18m寬×12m高；幕體質(zhì)量為15t；

幕體下降總行程為12.5m；

二、三級(jí)阻尼下降總行程為2.5m；

三級(jí)阻尼下降行程為0.2m；

幕體下降總時(shí)間不大于45s；

設(shè)定提升速度為0.2m/s。

(2)設(shè)定與計(jì)算

由于該系統(tǒng)三段阻尼下降過(guò)程都是節(jié)流閥控制定速下降，故第三級(jí)速度不宜太高，一般僅確定為0.05m/s為宜，則其占用時(shí)間為4s。第二級(jí)速度確定為0.23m/s，其占用時(shí)間為10s。

由h1+h0=10 設(shè)h0=0.20， 則h1=9.80

根據(jù)已知條件列方程組：

調(diào)試解算方程組得其余參數(shù)結(jié)果如表1所示：

表1 按總下降時(shí)間不大于45s計(jì)算阻尼下降過(guò)程參數(shù)

由(2)式計(jì)算系統(tǒng)平衡重質(zhì)量：

(3)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性

a)該系統(tǒng)的第三級(jí)阻尼下降是通過(guò)節(jié)流閥控制定速下降，盡管其速度設(shè)置很低，占用了4s的時(shí)間，但如果幕體反復(fù)升降運(yùn)行(正常要求應(yīng)會(huì)經(jīng)常升降且假定不設(shè)電動(dòng)下降)，幕體下沿的彈性密封條很容易損壞。

b)經(jīng)反復(fù)調(diào)試測(cè)算后確定的性能參數(shù)，總下降時(shí)間已經(jīng)接近于45s的控制限度，但就其泵與電機(jī)直連結(jié)構(gòu)而言，一級(jí)阻尼下降時(shí)的速度v1相對(duì)于提升速度vT，仍然偏高。

將v1代入(4)式，得幕體阻尼下降中最高速反拖泵與電機(jī)達(dá)到的轉(zhuǎn)速nB。將vT代入(4)式得幕體提升過(guò)程的電機(jī)轉(zhuǎn)速即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nD。則系統(tǒng)中：

(5)

式中：k——電機(jī)轉(zhuǎn)子最大運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速相對(duì)額定轉(zhuǎn)速的放大倍數(shù)。

可見(jiàn)，電機(jī)轉(zhuǎn)子超速的放大倍數(shù)已達(dá)到1.7倍。

c)一般電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡精度都是根據(jù)其設(shè)計(jì)的額定轉(zhuǎn)速確定，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速越高平衡精度亦越高，反之亦然。故其超速運(yùn)行通常不宜超過(guò)120%，由于這里是短期運(yùn)行，其k值還可以接受，但是不能再提高速度，這即是該系統(tǒng)難以調(diào)整到總下降時(shí)間不大于30s的原因所在。

2.2 對(duì)改型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的分析

欲縮短阻尼下降控制總時(shí)間，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)指標(biāo)，唯有提高各段下降速度，進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整或結(jié)構(gòu)改變，即重新規(guī)劃計(jì)算各參數(shù)，其運(yùn)動(dòng)計(jì)算圖線如圖3所示：

圖3 阻尼下降過(guò)程運(yùn)動(dòng)圖線(2)

仍按以上方法計(jì)算，忽略開(kāi)關(guān)動(dòng)作瞬間的過(guò)渡過(guò)程，均按穩(wěn)定過(guò)程考慮。有如下算例：

(1)假定應(yīng)用條件

幕體下降總時(shí)間不大于30s；

其余條件同前。

(2)設(shè)定與計(jì)算

若僅提高一、二級(jí)下降速度，則速度變化過(guò)于陡峭而影響特性，故將第三級(jí)速度由0.05m/s提升到0.10m/s，對(duì)最后0.10m行程過(guò)程進(jìn)行變速控制，由0.10m/s逐步變?yōu)?速。如此，既使第三級(jí)下降時(shí)間縮短到3s，也減少了沖擊，調(diào)整合適的情況下，可使幕體反復(fù)運(yùn)行而不損壞下沿彈性密封條。

故第三級(jí)下降占用時(shí)間為3s。第二級(jí)下降速度確定為0.33m/s，占用時(shí)間為7s。

由h1+h0=10 設(shè)h0=0.50， 則h1=9.50

根據(jù)已知條件列方程組：

調(diào)試解算方程組得參數(shù)結(jié)果如表2所示：

表2 按總下降時(shí)間不大于30s計(jì)算阻尼下降過(guò)程參數(shù)

計(jì)算系統(tǒng)平衡重質(zhì)量：

改型后的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖4所示：

圖4 閥控液泵式阻尼系統(tǒng)原理圖

阻尼器中在原結(jié)構(gòu)系統(tǒng)增加了機(jī)動(dòng)閥j，在絲杠螺母組件中配置斜面撞塊實(shí)現(xiàn)變速控制。

(3)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性

改型后的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)滿足了總下降時(shí)間不大于30s的指標(biāo)，同時(shí)改善了反復(fù)下降沖擊損壞幕體下沿彈性密封條的問(wèn)題，但是若提升速度仍按0.2m/s設(shè)置，則其k值已達(dá)到：

這樣高的k值，顯然不能正常工作，因此，幕體提升速度必須提升至0.40m/s。如此，須得加大電機(jī)功率，且需配置變頻器調(diào)速。同時(shí)，由于減速比的變化導(dǎo)致泵的流量減小，根據(jù)后面(20)、(21)式，節(jié)流閥通流面積也將減小。

解決這一問(wèn)題的另一方案是將電機(jī)從串聯(lián)結(jié)構(gòu)中分離，僅將卷筒、減速器、液壓泵(馬達(dá))串接直連，電機(jī)通過(guò)鏈條傳動(dòng)副并加電磁離合器與主傳動(dòng)軸相結(jié)合。其局部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 電機(jī)分離結(jié)構(gòu)示意

電機(jī)分離后配置電磁離合器的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，不受k值影響，故其提升速度仍可設(shè)置為0.20m/s。

上述分析過(guò)程忽略了一級(jí)阻尼下降與二級(jí)之間、二級(jí)與三級(jí)之間切換時(shí)開(kāi)關(guān)動(dòng)作瞬間的過(guò)渡過(guò)程，均按穩(wěn)定過(guò)程考慮。實(shí)際這兩處的開(kāi)關(guān)撞塊都是帶斜面的結(jié)構(gòu)，因此，過(guò)渡過(guò)程是變速過(guò)程，但是，只要將切換處的行程和時(shí)間都對(duì)稱(chēng)向上下級(jí)分配，則不影響控制結(jié)果。

3 阻尼系統(tǒng)泵、閥的特性分析

閥控液泵式阻尼系統(tǒng)不同于通常意義上的液壓動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。它的功能是消耗機(jī)械能，而不是轉(zhuǎn)換并提供機(jī)械能，故其特性明顯有別于液壓動(dòng)力系統(tǒng)。

系統(tǒng)齒輪泵與幕體提升卷筒同軸連接后，由幕體下降時(shí)的平衡差機(jī)械能驅(qū)動(dòng)齒輪泵運(yùn)行泵油，按排油直接輸入節(jié)流閥節(jié)流阻尼考慮。

3.1 外嚙合齒輪泵的特性分析

齒輪泵的流量連續(xù)性方程為：

Op(t)=qBnp-Cip(p1-p2)-Ccpp1

(6)

式中：Op(t)——齒輪泵的流量；

qB——齒輪泵的排量；

np——齒輪泵的轉(zhuǎn)速；

Cip，Ccp——齒輪泵的內(nèi)泄漏與外泄漏系數(shù)；

p1，p2——齒輪泵的出口壓力及補(bǔ)油壓力。

將(6)式增量方程進(jìn)行拉氏變換，得：

Op(s)=qBnp-Ctpp1

(7)

式中：Ctp——齒輪泵的總泄漏系數(shù)；

Ctp=Cip+Ccp。

其特性框圖如圖6所示：

圖6 齒輪泵的特性框圖

3.2 節(jié)流閥的特性分析

節(jié)流閥在阻尼系統(tǒng)起到液阻的作用，液阻R定義為通流閥口的壓力差與通流量的比值，即：

(8)

式中：R——液阻；

Q——流經(jīng)液阻的流量；

Δp——液阻進(jìn)出口的壓力差。

節(jié)流閥入口端的流量連續(xù)性方程為：

(9)

式中：V0——齒輪泵腔室容積；

βc——體積彈性模數(shù)。

將(9)式增量方程進(jìn)行拉氏變換，得：

(10)

其特性框圖如圖7所示：

圖7 節(jié)流閥入口端特性框圖

節(jié)流閥在系統(tǒng)中作為可調(diào)液阻[5]，一旦調(diào)定將成為一個(gè)固定液阻。不計(jì)油液壓縮性，油液流經(jīng)節(jié)流閥的總壓降為：

(11)

式中：p1，p2——節(jié)流閥進(jìn)出口的壓力

Qj——通過(guò)節(jié)流閥的流量

Cd——節(jié)流口系數(shù)

Aj——節(jié)流口通流截面積

φ——節(jié)流閥指數(shù)

Lj——液感

對(duì)(11)式進(jìn)行線性化后寫(xiě)出增量式，并考慮到穩(wěn)態(tài)下的關(guān)系，將增量式簡(jiǎn)化為：

(12)

式中：p10，p20——節(jié)流閥進(jìn)出口處的壓力穩(wěn)態(tài)值。

對(duì)(12)式進(jìn)行拉氏變換，整理后得：

(13)

假定節(jié)流閥出口壓力為零，其傳遞函數(shù)為：

(14)

其特性框圖如圖8所示：

圖8 節(jié)流閥的特性框圖

3.3 齒輪泵-節(jié)流閥集成系統(tǒng)特性

由于阻尼時(shí)齒輪泵的排油直接進(jìn)入節(jié)流閥，在調(diào)定的壓力范圍內(nèi)其集成系統(tǒng)框圖如圖9所示：

圖9 齒輪泵與節(jié)流閥集成特性框圖

根據(jù)圖9框圖，簡(jiǎn)化后得出齒輪泵-節(jié)流閥集成特性傳遞函數(shù)為：

(15)

由以上分析看出：節(jié)流閥的慣性環(huán)節(jié)對(duì)高頻干擾起過(guò)濾作用，因此有制止高頻脈動(dòng)的功能，但對(duì)低頻不起抑制作用。而齒輪泵的流量脈動(dòng)比較顯著，且其脈動(dòng)頻率與齒數(shù)相關(guān)。

漸開(kāi)線外嚙合直齒輪泵的瞬時(shí)流量為[6]

(16)

式中：Qsh——齒輪泵的瞬時(shí)流量；

B——齒輪寬度；

Re——齒輪的齒頂圓半徑；

R——齒輪的節(jié)圓半徑；

f——齒輪嚙合點(diǎn)q到嚙合節(jié)點(diǎn)p的距離。

外嚙合直齒輪泵的流量不均勻系數(shù)為：

(17)

式中：δq——流量不均勻系數(shù)；

Qshmax——瞬間流量最大值；

Qshmin——瞬間流量最小值；

Qt——理論流量值。

根據(jù)(17)式及(16)式導(dǎo)出(略去詳細(xì)過(guò)程)：

(18)

式中：n——齒輪泵轉(zhuǎn)速；

m——齒輪模數(shù)；

z1——齒輪1的齒數(shù)；

z2——齒輪2的齒數(shù)；

αn——齒形壓力角。

由(18)式看出，流量脈動(dòng)主要取決于齒輪齒數(shù)，齒數(shù)越少脈動(dòng)越大。由此，本系統(tǒng)選用齒輪液壓馬達(dá)替代齒輪泵工作。齒輪液壓馬達(dá)的齒輪齒數(shù)較齒輪泵的齒輪齒數(shù)多，可減小脈動(dòng)。同時(shí)，也便于雙向運(yùn)行。

假定齒輪泵(液壓馬達(dá)替代)的進(jìn)口壓力為零，則其出口壓力為：

(19)

式中：p1——泵的出口壓力，Pa；

T——泵的輸入轉(zhuǎn)矩，Nm；

qB——泵的排量，m3/r；

ηB——泵的效率，0.84

阻尼時(shí)泵(液壓馬達(dá))的實(shí)際輸出流量為：

(20)

式中：Qp——泵的實(shí)際輸出流量，m3/s；

nB——泵的轉(zhuǎn)速，r/min；

ηr——泵的容積效率，按馬達(dá)0.85s。

節(jié)流閥的通流面積為：

(21)

式中：ρ——油液密度，900kg/m3；

μ——流量系數(shù)，0.644。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)有閥控液泵式阻尼裝置的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)限制了阻尼下降速度的提升，即阻尼下降總時(shí)間的控制范圍不大于45s為限，要達(dá)到阻尼下降總時(shí)間不大于30s的國(guó)際先進(jìn)指標(biāo)，須要改變特性匹配或結(jié)構(gòu)配置。具體措施為：

(1)提高各級(jí)阻尼下降速度，優(yōu)化匹配。且將第三級(jí)阻尼行程的最后半程，設(shè)計(jì)為斜面控制機(jī)動(dòng)閥變速下降至0速，避免沖擊。

(2)阻尼下降速度合理提高后，驗(yàn)算電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速放大系數(shù)k值。一般k值不大于1.5為宜。否則，應(yīng)提高電動(dòng)提升速度，以達(dá)到匹配?；蛘邔㈦姍C(jī)與原串聯(lián)主軸分離，配置鏈條傳動(dòng)副及電磁離合器，在阻尼下降時(shí)電機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)。

(3)阻尼系統(tǒng)泵、閥特性分析提供了液壓元件選型的依據(jù)。(19)式至(21)式提供了元件配置的參數(shù)計(jì)算。

(4)改型設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，分別按提高提升速度和分離電機(jī)配置兩種方式進(jìn)行了調(diào)試驗(yàn)證，其性能達(dá)到預(yù)期效果。

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