國(guó)內(nèi)幾種典型水中升降臺(tái)淺析

姚吉芳

【摘 要】 介紹國(guó)內(nèi)幾種典型水中升降臺(tái)，包括液壓剪刀撐升降臺(tái)、液壓缸直頂升降臺(tái)、鋼絲繩升降臺(tái)、升降柱頂升升降臺(tái)。

【關(guān)鍵詞】 水中升降臺(tái)；液壓剪刀撐升降臺(tái)；液壓缸直頂升降臺(tái)；鋼絲繩升降臺(tái)；升降柱頂升升降臺(tái)

文章編號(hào)： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.07.007

最近幾年，以“水”為主要元素的演出越來(lái)越普遍，其中包括一些自然水域中的室外實(shí)景演出，甚至一些劇院、秀場(chǎng)等室內(nèi)表演場(chǎng)所也逐漸配置大型表演水池。通常，這些水秀舞臺(tái)配置有水中升降臺(tái)，能在演出過(guò)程中瞬間將水域變成干舞臺(tái)，滿足表演區(qū)域的“干”“濕”變化。

在水中使用升降臺(tái)，除了需要升降臺(tái)本身具備在水下正常運(yùn)行的能力，還需要考慮設(shè)備防腐、設(shè)備對(duì)水體的污染、電氣安全、設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)的便利等各種問(wèn)題。因此，水中升降臺(tái)性能的好壞將直接影響到演出運(yùn)營(yíng)。

水中升降臺(tái)按其升降方式可以分為三大類(lèi)：液壓傳動(dòng)、鋼絲繩牽引、升降柱頂升。這三類(lèi)升降臺(tái)又根據(jù)使用要求演變出若干種不同的形式。筆者就國(guó)內(nèi)幾種典型水中升降臺(tái)進(jìn)行討論與研究，以供同業(yè)參考與借鑒。

1 液壓剪刀撐升降臺(tái)

液壓剪刀撐升降臺(tái)在水中的使用比較普遍。通常用于升降行程較小、升降速度要求不高的場(chǎng)合。使用案例：萬(wàn)達(dá)漢秀劇場(chǎng)。

1.1 原理與設(shè)備組成

典型的液壓剪刀撐升降臺(tái)由臺(tái)面板、臺(tái)面鋼架、剪刀撐、液壓缸、液壓管路、液壓泵站等組成，如圖1所示。

1塊升降臺(tái)一般需要布置2組以上的剪刀撐，每組剪刀撐通常采用2個(gè)液壓缸。每組剪刀撐內(nèi)的2個(gè)油缸在運(yùn)行時(shí)需同步，油缸內(nèi)自帶位置傳感器，通過(guò)控制系統(tǒng)控制其精確動(dòng)作保證兩個(gè)油缸的伸出距離一致。各組剪刀撐在安裝時(shí)其起始角應(yīng)相同，否則，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將導(dǎo)致剪刀撐的上支點(diǎn)位置不一，從而無(wú)法同時(shí)頂升升降臺(tái)面。液壓升降臺(tái)由于采用多個(gè)油缸推動(dòng)、同步性要求高，設(shè)計(jì)和安裝時(shí)需特別注意。

1.1.1 液壓泵站

液壓升降臺(tái)是由液壓泵站提供動(dòng)力。液壓泵站在遠(yuǎn)離水區(qū)的位置，通過(guò)供油管路為液壓缸提供動(dòng)力。當(dāng)升降臺(tái)需要使用時(shí)，將事先開(kāi)啟液壓泵站的液壓泵。升降臺(tái)在使用過(guò)程中，即使升降臺(tái)不動(dòng)作，液壓泵也將持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。為使設(shè)備故障狀態(tài)下能回到起始狀態(tài)，通常還為液壓泵站配置手搖泵或小功率電力驅(qū)動(dòng)液壓泵。

1.1.2 液壓介質(zhì)

由于液壓系統(tǒng)不可避免地存在泄漏問(wèn)題，為減少對(duì)水質(zhì)的污染，或?qū)ρ輪T身體的影響，其液壓介質(zhì)不能使用常規(guī)的液壓油，而是采用可降解的液壓油或純水。采用可降解液壓油的液壓系統(tǒng)與常規(guī)的油液壓系統(tǒng)相比較，除了介質(zhì)不同，并無(wú)明顯區(qū)別。目前，國(guó)內(nèi)外的水中升降臺(tái)大多采用這種形式，而采用純水液壓的液壓系統(tǒng)有較大區(qū)別。主要是由于水的黏度非常低，導(dǎo)致系統(tǒng)的壓力低、密封和潤(rùn)滑性能差；另外，還存在氣蝕、水垢等現(xiàn)象，純水液壓系統(tǒng)的元器件也需要用不銹鋼制作。純水液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)在世界范圍仍是一種正在深入研究并不斷獲得發(fā)展的技術(shù)。設(shè)備主要依賴進(jìn)口，投資大、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高，后期的備品備件也要依賴國(guó)外，因而極少使用。

1.1.3 剪刀撐

剪刀撐的使用可使升降臺(tái)僅需要較淺的機(jī)坑即可提供較大的行程。對(duì)單級(jí)或雙級(jí)剪刀撐而言，剪刀撐機(jī)構(gòu)也作為導(dǎo)向使用。但是隨著剪刀撐級(jí)數(shù)的增加，舞臺(tái)臺(tái)面晃動(dòng)會(huì)有不同程度的增加，當(dāng)對(duì)臺(tái)面晃動(dòng)要求高的時(shí)候，則需要配置額外的導(dǎo)向來(lái)支持升降臺(tái)面的穩(wěn)定性。剪刀撐采用鋼結(jié)構(gòu)制作，外表面經(jīng)油漆處理。油漆的質(zhì)量要求較高，需滿足水下防銹的需求。剪刀撐的鉸接部位需要采取潤(rùn)滑措施，并在外側(cè)做有效密封，以便延長(zhǎng)潤(rùn)滑油被水稀釋的時(shí)間。

1.1.4 液壓缸

液壓缸采用不銹鋼制作，內(nèi)部需帶有位置傳感器。由于需要多缸同步，液壓缸的制作精度要求較高。

1.1.5 運(yùn)行速度檢測(cè)和控制

采用液壓剪刀撐的升降臺(tái)并不直接檢測(cè)其運(yùn)行速度，而是通過(guò)讀取液壓缸內(nèi)部的位置傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件計(jì)算出升降臺(tái)的運(yùn)行速度。升降臺(tái)的升降速度與液壓缸的速度也不成線性比例關(guān)系。經(jīng)計(jì)算得到的升降臺(tái)速度將反饋給液壓控制系統(tǒng)，并通過(guò)調(diào)整液壓缸供油管路的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)速度的控制。

1.1.6 位置檢測(cè)

液壓升降臺(tái)的位置一般可以由液壓缸內(nèi)部的位置傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算獲得。但為了獲得升降臺(tái)面的準(zhǔn)確位置，則需要單獨(dú)設(shè)置一套拉線編碼器。編碼器可安裝在水中，采用IP68防護(hù)等級(jí)，能長(zhǎng)時(shí)間浸水使用；也可以采用防護(hù)等級(jí)較低的編碼器，安裝在水池附近的干區(qū)，通過(guò)鋼絲繩引入水中，與升降臺(tái)臺(tái)面連接。

1.1.7 鎖定機(jī)構(gòu)

為了增加臺(tái)面在特定位置的穩(wěn)定性，并使其能承受更大的載荷，可在一些特定位置設(shè)置鎖定機(jī)構(gòu)。鎖定機(jī)構(gòu)的設(shè)置還可以消除因液壓系統(tǒng)內(nèi)泄引起的臺(tái)面下沉。鎖定機(jī)構(gòu)采用液壓驅(qū)動(dòng)，其動(dòng)力源來(lái)自于升降臺(tái)的液壓系統(tǒng)。

1.1.8 電氣隔離

當(dāng)水中有演員表演時(shí)，為了避免因設(shè)備漏電造成演員觸電的風(fēng)險(xiǎn)，需考慮水下電氣安全，通常的做法是采用電氣隔離和等電位聯(lián)結(jié)等。電氣隔離即強(qiáng)電部件安裝在遠(yuǎn)離水域的位置，進(jìn)入水體的管路用非金屬材料，確保水池內(nèi)外的金屬構(gòu)件不進(jìn)行物理連接。對(duì)于液壓管路而言，需將進(jìn)入水體前的某一段管路采用非金屬材料。

1.2 液壓剪刀撐升降臺(tái)的優(yōu)缺點(diǎn)

1.2.1 優(yōu)點(diǎn)

（1）技術(shù)成熟可靠，故障率低，在國(guó)內(nèi)外有較多使用案例；

（2）承載能力大；

（3）對(duì)土建的要求簡(jiǎn)單，除了機(jī)坑底部的預(yù)埋受力要求，無(wú)其他土建需求；

（4）電氣隔離措施簡(jiǎn)單。

1.2.2 缺點(diǎn)

（1）多缸同步控制難度大；

（2）速度的精準(zhǔn)控制難度大；

（3）維護(hù)難度大；

（4）存在漏油的風(fēng)險(xiǎn)，易污染水質(zhì)。

2 液壓缸直頂升降臺(tái)

液壓缸直頂升降臺(tái)適用于升降速度和位置控制要求高的場(chǎng)合，如澳門(mén)《水舞間》的水中升降臺(tái)。

2.1 原理與設(shè)備組成

液壓缸直頂升降臺(tái)由臺(tái)面板、臺(tái)面鋼架、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、液壓缸、液壓管路、液壓泵站等組成，如圖2所示。

液壓缸直頂升降臺(tái)與液壓剪刀撐升降臺(tái)的區(qū)別在于，液壓缸直接頂升降機(jī)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)單獨(dú)設(shè)置。液壓缸直頂?shù)膬?yōu)勢(shì)是能使液壓缸的伸縮量與升降臺(tái)的升降行程一致，從而獲得升降速度和位置的精準(zhǔn)控制，提高升降臺(tái)的同步性能；其劣勢(shì)是升降臺(tái)下面需要大于2倍升降行程的空間，當(dāng)升降臺(tái)行程較大時(shí)，為減小土建成本，需要在水池底部打孔洞用于安裝液壓缸，但這也導(dǎo)致液壓缸維修相對(duì)困難。另外，大行程的液壓缸造價(jià)也相對(duì)較高。

升降臺(tái)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)通常布置在水池四周側(cè)壁。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由不銹鋼導(dǎo)軌和導(dǎo)靴組成，導(dǎo)靴內(nèi)襯非金屬自潤(rùn)滑材料，以便在水中也能正常使用。

液壓泵站、液壓缸、運(yùn)行速度檢測(cè)和控制、位置檢測(cè)、鎖定機(jī)構(gòu)、電氣隔離都與液壓剪刀撐升降臺(tái)相同。

2.2 液壓缸直頂升降臺(tái)的優(yōu)缺點(diǎn)

2.2.1 優(yōu)點(diǎn)

（1）技術(shù)成熟可靠，故障率低，在國(guó)內(nèi)外有較多使用案例；

（2）承載能力大；

（3）速度、位置控制精度高；

（4）電氣隔離措施簡(jiǎn)單。

2.2.2 缺點(diǎn)

（1）存在漏油的風(fēng)險(xiǎn)，易污染水質(zhì)；

（2）設(shè)備造價(jià)高；

（3）維護(hù)難度大。

3 鋼絲繩升降臺(tái)

鋼絲繩升降臺(tái)在水中的應(yīng)用也較常見(jiàn)，使用案例包括：萬(wàn)達(dá)傣秀劇場(chǎng)、上海歡樂(lè)谷等。

3.1 原理與設(shè)備組成

典型的鋼絲繩升降臺(tái)由臺(tái)面板、臺(tái)面鋼架、鋼絲繩、滑輪、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、浮筒、鋼絲繩卷?yè)P(yáng)機(jī)等組成，如圖3所示。

1塊升降臺(tái)一般需要布置3～4個(gè)鋼絲繩提升點(diǎn)，這些提升點(diǎn)可以由1臺(tái)鋼絲繩卷?yè)P(yáng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可以由2臺(tái)鋼絲繩卷?yè)P(yáng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)采用2臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，需要電氣同步，通過(guò)控制系統(tǒng)控制卷?yè)P(yáng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)保證鋼絲繩的提升距離一致。為了增加升降臺(tái)的載重能力，臺(tái)面下方配置有浮筒作為配重使用。需要注意的是：利用浮筒作為配重時(shí)，需考慮升降臺(tái)在無(wú)水工況（安裝調(diào)試或維護(hù)保養(yǎng)）下提升鋼絲繩所承受的拉力可能會(huì)大于升降臺(tái)正常使用時(shí)的拉力。為防止升降臺(tái)在水中無(wú)法通過(guò)其自重順利下降，鋼絲繩也可采用閉環(huán)布置，如圖4所示。為滿足電氣隔離的需求，電機(jī)與鋼絲繩之間還應(yīng)有電氣隔離措施。

3.1.1 鋼絲繩卷?yè)P(yáng)機(jī)

鋼絲繩卷?yè)P(yáng)機(jī)布置在遠(yuǎn)離水區(qū)的位置，為升降臺(tái)提供動(dòng)力。卷?yè)P(yáng)機(jī)與升降臺(tái)之間通過(guò)鋼絲繩連接。卷?yè)P(yáng)機(jī)由編碼器、制動(dòng)器1、電機(jī)、聯(lián)軸器、減速器、制動(dòng)器2、卷筒、壓繩裝置和機(jī)架等組成，如圖5所示。為了滿足電氣隔離的要求，電機(jī)與機(jī)架和減速器之間應(yīng)采取隔離措施。電機(jī)通過(guò)非金屬材料（尼龍或其他代替品）安裝在機(jī)架上；電機(jī)與減速器之間則通過(guò)非金屬聯(lián)軸器聯(lián)接。另外，對(duì)電機(jī)、機(jī)架分別進(jìn)行有效的接地也是必不可少的措施。

3.1.2 鋼絲繩

鋼絲繩連接了卷?yè)P(yáng)機(jī)和升降臺(tái)鋼架。每路鋼絲繩的長(zhǎng)度盡量保持一致，以便使鋼絲繩在受載后其伸長(zhǎng)量盡量一致。當(dāng)升降臺(tái)自重大于水對(duì)升降臺(tái)的阻力時(shí)，可采用開(kāi)環(huán)控制，否則，應(yīng)采用閉環(huán)控制以便升降臺(tái)面被鋼絲繩主動(dòng)拉入水中。為提高在水中的抗腐蝕性能，鋼絲繩應(yīng)采用不銹鋼材料。不銹鋼鋼絲繩主要有三種材質(zhì)：304、316和316L。304不銹鋼絲繩是所有不銹鋼絲繩產(chǎn)品中用途最為廣泛的，具有良好的耐蝕性、耐熱性，低溫強(qiáng)度和機(jī)械性能。316不銹鋼鋼絲繩與304不銹鋼鋼絲繩相比，大大提高了抗化學(xué)腐蝕的性能。316不銹鋼鋼絲繩對(duì)點(diǎn)蝕或針孔腐蝕的敏感性較小。這種鋼絲繩主要應(yīng)用在：海水里用設(shè)備、化工、染料、造紙、草酸、肥料等生產(chǎn)設(shè)備及食品工業(yè)、沿海地區(qū)設(shè)施等。316L鋼絲繩是含鉬不銹鋼種，具有良好的耐氯化物侵蝕性能，可以耐海水和侵蝕性工業(yè)大氣的侵蝕。在含氯離子的水中，316L鋼絲繩耐腐蝕性能優(yōu)于304和316。不銹鋼鋼絲繩在水中也需要潤(rùn)滑，通常使用麻芯脂浸漬鋼絲繩中的麻繩芯的工藝，鋼絲繩使用過(guò)程中，不斷地?cái)D壓、滲出油脂，對(duì)不銹鋼鋼絲繩起防腐和潤(rùn)滑作用，同時(shí)保護(hù)麻芯。

3.1.3 滑輪

位于水中或與濕鋼絲繩接觸的滑輪需采用不銹鋼制作。其軸承可采用自潤(rùn)滑的滑動(dòng)軸承或帶有密封圈的滾動(dòng)軸承。適合這種低速、重載工況的滑動(dòng)軸承材料主要有塑料、陶瓷以及美國(guó)Graphite Metallizing公司研制的Graphalloy（石墨/金屬合金）錫制巴比合金材料。若采用滾動(dòng)軸承，則需要考慮妥善的密封措施，防止?jié)櫥凰♂尰蛭廴舅|(zhì)。

3.1.4 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

鋼絲繩升降臺(tái)應(yīng)配置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，通常采用不銹鋼導(dǎo)軌和導(dǎo)靴（內(nèi)襯非金屬自潤(rùn)滑材料）。

3.1.5 運(yùn)行速度檢測(cè)和控制

升降臺(tái)的運(yùn)行速度由電機(jī)尾部的編碼器檢測(cè)。當(dāng)多臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，每一臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)均需要配置編碼器，編碼器的數(shù)據(jù)與升降臺(tái)的速度成比例關(guān)系。這些編碼器檢測(cè)到電機(jī)的轉(zhuǎn)速后反饋給控制系統(tǒng)，并由軸控制器或變頻器實(shí)現(xiàn)速度的控制。

3.1.6 位置檢測(cè)

在對(duì)位置精度要求不高的場(chǎng)合，升降臺(tái)的位置可以通過(guò)獲取卷?yè)P(yáng)機(jī)電機(jī)尾部的編碼器數(shù)據(jù)而得到；但如果為了獲得升降臺(tái)面的準(zhǔn)確位置，則需要單獨(dú)設(shè)置拉線編碼器。

3.2 輔助機(jī)構(gòu)

3.2.1 松繩檢測(cè)

鋼絲繩升降臺(tái)應(yīng)配置松繩檢測(cè)機(jī)構(gòu)，當(dāng)其中任意一路鋼絲繩發(fā)生松弛并超出設(shè)計(jì)值時(shí)，使檢測(cè)機(jī)構(gòu)上的傳感器被觸發(fā)，設(shè)備停止運(yùn)行。

3.2.2 鎖定機(jī)構(gòu)

同液壓升降臺(tái)一樣，鋼絲繩升降臺(tái)需在特定位置設(shè)置鎖定機(jī)構(gòu)。鎖定機(jī)構(gòu)通常采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。

3.2.3 浮筒

為增加升降臺(tái)的載重能力，可以為升降臺(tái)配置浮筒。浮筒由不銹鋼制作，均勻地分布在升降臺(tái)鋼架下面。每個(gè)區(qū)域的浮筒配有獨(dú)立的給、排水和排氣系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)浮筒內(nèi)的儲(chǔ)水量實(shí)現(xiàn)對(duì)浮筒的浮力調(diào)節(jié)。

3.3 鋼絲繩升降臺(tái)的優(yōu)缺點(diǎn)

3.3.1 優(yōu)點(diǎn)

（1）技術(shù)成熟可靠，設(shè)計(jì)安裝簡(jiǎn)單；

（2）對(duì)水質(zhì)的影響較小，主要的污染來(lái)自鋼絲繩內(nèi)的潤(rùn)滑脂和滑輪軸承內(nèi)的潤(rùn)滑脂；

（3）控制簡(jiǎn)單；

（4）造價(jià)低；

（5）供貨周期短。

3.3.2 缺點(diǎn)

（1）對(duì)土建的要求較復(fù)雜；

（2）水中鋼絲繩使用壽命短，需定期更換；

（3）承載能力?。?/p>

（4）電氣隔離較難。

4 升降柱頂升升降臺(tái)

使用案例有：萬(wàn)達(dá)漢秀劇場(chǎng)、《印象西湖》等。

4.1 原理與設(shè)備組成

升降柱頂升升降臺(tái)由臺(tái)面板、臺(tái)面鋼架、升降柱、密封組件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、升降系統(tǒng)等組成，如圖6所示。

這類(lèi)升降臺(tái)對(duì)土建的要求比較高，需要在水池底板下方設(shè)置單獨(dú)的設(shè)備層。升降臺(tái)的臺(tái)面架、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)安裝在水池中，升降系統(tǒng)安裝在無(wú)水的設(shè)備層，臺(tái)面架與升降系統(tǒng)之間通過(guò)升降柱連接。升降柱在穿透水池底板的位置需安裝有密封組件。由于主要的機(jī)械部件安裝在無(wú)水的設(shè)備層，因此，這類(lèi)水中升降臺(tái)的維護(hù)保養(yǎng)非常方便。

4.1.1 升降系統(tǒng)

由于升降系統(tǒng)安裝在無(wú)水的環(huán)境中，因此，常規(guī)升降臺(tái)的升降系統(tǒng)都可以在這里使用，如《漢秀》使用的是如圖6所示的鏈條升降系統(tǒng)；而《印象西湖》的水中升降臺(tái)則由于升降行程小而使用了螺旋升降機(jī)。

4.1.2 升降柱

升降柱采用不銹鋼材料，立柱要求行程大、直線度和表面光潔度要求高，同時(shí)由于升降柱受壓較大，需考慮壓桿穩(wěn)定。升降柱與升降系統(tǒng)升降結(jié)構(gòu)的連接處采用非金屬法蘭盤(pán)聯(lián)結(jié)以實(shí)現(xiàn)電氣隔離，防止干區(qū)發(fā)生漏電后傳入水池中，造成演出人員觸電事故的發(fā)生。

4.1.3 密封組件

密封組件安裝在水池底板預(yù)留的用于升降柱通過(guò)的孔洞處，組件采用多道Y型密封圈和O型密封圈組合使用的形式，確保水池中的水不會(huì)沿升降柱側(cè)面或密封組件支座滲入到干區(qū)。

4.1.4 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

當(dāng)升降臺(tái)的升降行程較小時(shí)，可利用升降柱來(lái)保持臺(tái)面的側(cè)向穩(wěn)定而不再單獨(dú)設(shè)置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。當(dāng)升降行程較大時(shí)，與水池壁相鄰的升降臺(tái)可設(shè)置不銹鋼導(dǎo)軌導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；遠(yuǎn)離水池壁的升降臺(tái)采用剪刀撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。

4.1.5 運(yùn)行速度、升降位置的檢測(cè)和控制

由于升降臺(tái)面與升降系統(tǒng)之間采用了剛性聯(lián)接，因此，通過(guò)檢測(cè)和控制升降系統(tǒng)與升降柱聯(lián)結(jié)端的運(yùn)動(dòng)即可達(dá)到目的。

4.2 升降柱頂升升降臺(tái)的優(yōu)缺點(diǎn)

4.2.1 優(yōu)點(diǎn)

（1）維護(hù)保養(yǎng)便利；

（2）對(duì)水質(zhì)的影響?。?/p>

（3）易實(shí)現(xiàn)電氣隔離；

（4）承載力大。

4.2.2 缺點(diǎn)

（1）對(duì)土建的要求高。

5 結(jié)論

通過(guò)上述各種水中升降臺(tái)的研究，發(fā)現(xiàn)其各有優(yōu)缺點(diǎn)。因此，筆者對(duì)設(shè)備的選型建議是：對(duì)承載力大或速度和位置控制要求高的水中升降臺(tái)，優(yōu)先采用升降柱頂升升降臺(tái)，對(duì)載荷小或速度和位置控制要求低的水中升降臺(tái)優(yōu)先采用鋼絲繩升降臺(tái)。