姚吉芳

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

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

文章編號： 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越普遍，其中包括一些自然水域中的室外實景演出，甚至一些劇院、秀場等室內(nèi)表演場所也逐漸配置大型表演水池。通常，這些水秀舞臺配置有水中升降臺，能在演出過程中瞬間將水域變成干舞臺，滿足表演區(qū)域的“干”“濕”變化。

在水中使用升降臺，除了需要升降臺本身具備在水下正常運行的能力，還需要考慮設備防腐、設備對水體的污染、電氣安全、設備維護保養(yǎng)的便利等各種問題。因此，水中升降臺性能的好壞將直接影響到演出運營。

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

1 液壓剪刀撐升降臺

液壓剪刀撐升降臺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合。使用案例：萬達漢秀劇場。

1.1 原理與設備組成

典型的液壓剪刀撐升降臺由臺面板、臺面鋼架、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個液壓缸。每組剪刀撐內(nèi)的2個油缸在運行時需同步，油缸內(nèi)自帶位置傳感器，通過控制系統(tǒng)控制其精確動作保證兩個油缸的伸出距離一致。各組剪刀撐在安裝時其起始角應相同，否則，在運動過程中將導致剪刀撐的上支點位置不一，從而無法同時頂升升降臺面。液壓升降臺由于采用多個油缸推動、同步性要求高，設計和安裝時需特別注意。

1.1.1 液壓泵站

液壓升降臺是由液壓泵站提供動力。液壓泵站在遠離水區(qū)的位置，通過供油管路為液壓缸提供動力。當升降臺需要使用時，將事先開啟液壓泵站的液壓泵。升降臺在使用過程中，即使升降臺不動作，液壓泵也將持續(xù)運轉(zhuǎn)。為使設備故障狀態(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題，為減少對水質(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，并無明顯區(qū)別。目前，國內(nèi)外的水中升降臺大多采用這種形式，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，導致系統(tǒng)的壓力低、密封和潤滑性能差；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)。設備主要依賴進口，投資大、運營費用高，后期的備品備件也要依賴國外，因而極少使用。

1.1.3 剪刀撐

剪刀撐的使用可使升降臺僅需要較淺的機坑即可提供較大的行程。對單級或雙級剪刀撐而言，剪刀撐機構(gòu)也作為導向使用。但是隨著剪刀撐級數(shù)的增加，舞臺臺面晃動會有不同程度的增加，當對臺面晃動要求高的時候，則需要配置額外的導向來支持升降臺面的穩(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滑措施，并在外側(cè)做有效密封，以便延長潤滑油被水稀釋的時間。

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 運行速度檢測和控制

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

1.1.6 位置檢測

液壓升降臺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)計算獲得。但為了獲得升降臺面的準確位置，則需要單獨設置一套拉線編碼器。編碼器可安裝在水中，采用IP68防護等級，能長時間浸水使用；也可以采用防護等級較低的編碼器，安裝在水池附近的干區(qū)，通過鋼絲繩引入水中，與升降臺臺面連接。

1.1.7 鎖定機構(gòu)

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

1.1.8 電氣隔離

當水中有演員表演時，為了避免因設備漏電造成演員觸電的風險，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。電氣隔離即強電部件安裝在遠離水域的位置，進入水體的管路用非金屬材料，確保水池內(nèi)外的金屬構(gòu)件不進行物理連接。對于液壓管路而言，需將進入水體前的某一段管路采用非金屬材料。

1.2 液壓剪刀撐升降臺的優(yōu)缺點

1.2.1 優(yōu)點

（1）技術(shù)成熟可靠，故障率低，在國內(nèi)外有較多使用案例；

（2）承載能力大；

（3）對土建的要求簡單，除了機坑底部的預埋受力要求，無其他土建需求；

（4）電氣隔離措施簡單。

1.2.2 缺點

（1）多缸同步控制難度大；

（2）速度的精準控制難度大；

（3）維護難度大；

（4）存在漏油的風險，易污染水質(zhì)。

2 液壓缸直頂升降臺

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

2.1 原理與設備組成

液壓缸直頂升降臺由臺面板、臺面鋼架、導向機構(gòu)、液壓缸、液壓管路、液壓泵站等組成，如圖2所示。

液壓缸直頂升降臺與液壓剪刀撐升降臺的區(qū)別在于，液壓缸直接頂升降機的導向機構(gòu)單獨設置。液壓缸直頂?shù)膬?yōu)勢是能使液壓缸的伸縮量與升降臺的升降行程一致，從而獲得升降速度和位置的精準控制，提高升降臺的同步性能；其劣勢是升降臺下面需要大于2倍升降行程的空間，當升降臺行程較大時，為減小土建成本，需要在水池底部打孔洞用于安裝液壓缸，但這也導致液壓缸維修相對困難。另外，大行程的液壓缸造價也相對較高。

升降臺的導向機構(gòu)通常布置在水池四周側(cè)壁。導向機構(gòu)由不銹鋼導軌和導靴組成，導靴內(nèi)襯非金屬自潤滑材料，以便在水中也能正常使用。

液壓泵站、液壓缸、運行速度檢測和控制、位置檢測、鎖定機構(gòu)、電氣隔離都與液壓剪刀撐升降臺相同。

2.2 液壓缸直頂升降臺的優(yōu)缺點

2.2.1 優(yōu)點

（1）技術(shù)成熟可靠，故障率低，在國內(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）電氣隔離措施簡單。

2.2.2 缺點

（1）存在漏油的風險，易污染水質(zhì)；

（2）設備造價高；

（3）維護難度大。

3 鋼絲繩升降臺

鋼絲繩升降臺在水中的應用也較常見，使用案例包括：萬達傣秀劇場、上海歡樂谷等。

3.1 原理與設備組成

典型的鋼絲繩升降臺由臺面板、臺面鋼架、鋼絲繩、滑輪、導向機構(gòu)、浮筒、鋼絲繩卷揚機等組成，如圖3所示。

1塊升降臺一般需要布置3～4個鋼絲繩提升點，這些提升點可以由1臺鋼絲繩卷揚機驅(qū)動，也可以由2臺鋼絲繩卷揚機驅(qū)動。當采用2臺卷揚機驅(qū)動時，需要電氣同步，通過控制系統(tǒng)控制卷揚機的運轉(zhuǎn)保證鋼絲繩的提升距離一致。為了增加升降臺的載重能力，臺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，需考慮升降臺在無水工況（安裝調(diào)試或維護保養(yǎng)）下提升鋼絲繩所承受的拉力可能會大于升降臺正常使用時的拉力。為防止升降臺在水中無法通過其自重順利下降，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，電機與鋼絲繩之間還應有電氣隔離措施。

3.1.1 鋼絲繩卷揚機

鋼絲繩卷揚機布置在遠離水區(qū)的位置，為升降臺提供動力。卷揚機與升降臺之間通過鋼絲繩連接。卷揚機由編碼器、制動器1、電機、聯(lián)軸器、減速器、制動器2、卷筒、壓繩裝置和機架等組成，如圖5所示。為了滿足電氣隔離的要求，電機與機架和減速器之間應采取隔離措施。電機通過非金屬材料（尼龍或其他代替品）安裝在機架上；電機與減速器之間則通過非金屬聯(lián)軸器聯(lián)接。另外，對電機、機架分別進行有效的接地也是必不可少的措施。

3.1.2 鋼絲繩

鋼絲繩連接了卷揚機和升降臺鋼架。每路鋼絲繩的長度盡量保持一致，以便使鋼絲繩在受載后其伸長量盡量一致。當升降臺自重大于水對升降臺的阻力時，可采用開環(huán)控制，否則，應采用閉環(huán)控制以便升降臺面被鋼絲繩主動拉入水中。為提高在水中的抗腐蝕性能，鋼絲繩應采用不銹鋼材料。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，低溫強度和機械性能。316不銹鋼鋼絲繩與304不銹鋼鋼絲繩相比，大大提高了抗化學腐蝕的性能。316不銹鋼鋼絲繩對點蝕或針孔腐蝕的敏感性較小。這種鋼絲繩主要應用在：海水里用設備、化工、染料、造紙、草酸、肥料等生產(chǎn)設備及食品工業(yè)、沿海地區(qū)設施等。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，鋼絲繩使用過程中，不斷地擠壓、滲出油脂，對不銹鋼鋼絲繩起防腐和潤滑作用，同時保護麻芯。

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。其軸承可采用自潤滑的滑動軸承或帶有密封圈的滾動軸承。適合這種低速、重載工況的滑動軸承材料主要有塑料、陶瓷以及美國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 導向機構(gòu)

鋼絲繩升降臺應配置導向機構(gòu)，通常采用不銹鋼導軌和導靴（內(nèi)襯非金屬自潤滑材料）。

3.1.5 運行速度檢測和控制

升降臺的運行速度由電機尾部的編碼器檢測。當多臺卷揚機驅(qū)動時，每一臺卷揚機均需要配置編碼器，編碼器的數(shù)據(jù)與升降臺的速度成比例關(guān)系。這些編碼器檢測到電機的轉(zhuǎn)速后反饋給控制系統(tǒng)，并由軸控制器或變頻器實現(xiàn)速度的控制。

3.1.6 位置檢測

在對位置精度要求不高的場合，升降臺的位置可以通過獲取卷揚機電機尾部的編碼器數(shù)據(jù)而得到；但如果為了獲得升降臺面的準確位置，則需要單獨設置拉線編碼器。

3.2 輔助機構(gòu)

3.2.1 松繩檢測

鋼絲繩升降臺應配置松繩檢測機構(gòu)，當其中任意一路鋼絲繩發(fā)生松弛并超出設計值時，使檢測機構(gòu)上的傳感器被觸發(fā)，設備停止運行。

3.2.2 鎖定機構(gòu)

同液壓升降臺一樣，鋼絲繩升降臺需在特定位置設置鎖定機構(gòu)。鎖定機構(gòu)通常采用氣動驅(qū)動。

3.2.3 浮筒

為增加升降臺的載重能力，可以為升降臺配置浮筒。浮筒由不銹鋼制作，均勻地分布在升降臺鋼架下面。每個區(qū)域的浮筒配有獨立的給、排水和排氣系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)浮筒內(nèi)的儲水量實現(xiàn)對浮筒的浮力調(diào)節(jié)。

3.3 鋼絲繩升降臺的優(yōu)缺點

3.3.1 優(yōu)點

（1）技術(shù)成熟可靠，設計安裝簡單；

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

（3）控制簡單；

（4）造價低；

（5）供貨周期短。

3.3.2 缺點

（1）對土建的要求較復雜；

（2）水中鋼絲繩使用壽命短，需定期更換；

（3）承載能力小；

（4）電氣隔離較難。

4 升降柱頂升升降臺

使用案例有：萬達漢秀劇場、《印象西湖》等。

4.1 原理與設備組成

升降柱頂升升降臺由臺面板、臺面鋼架、升降柱、密封組件、導向機構(gòu)、升降系統(tǒng)等組成，如圖6所示。

這類升降臺對土建的要求比較高，需要在水池底板下方設置單獨的設備層。升降臺的臺面架、導向機構(gòu)安裝在水池中，升降系統(tǒng)安裝在無水的設備層，臺面架與升降系統(tǒng)之間通過升降柱連接。升降柱在穿透水池底板的位置需安裝有密封組件。由于主要的機械部件安裝在無水的設備層，因此，這類水中升降臺的維護保養(yǎng)非常方便。

4.1.1 升降系統(tǒng)

由于升降系統(tǒng)安裝在無水的環(huán)境中，因此，常規(guī)升降臺的升降系統(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》的水中升降臺則由于升降行程小而使用了螺旋升降機。

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聯(lián)結(jié)以實現(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留的用于升降柱通過的孔洞處，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沿升降柱側(cè)面或密封組件支座滲入到干區(qū)。

4.1.4 導向機構(gòu)

當升降臺的升降行程較小時，可利用升降柱來保持臺面的側(cè)向穩(wěn)定而不再單獨設置導向機構(gòu)。當升降行程較大時，與水池壁相鄰的升降臺可設置不銹鋼導軌導向機構(gòu)；遠離水池壁的升降臺采用剪刀撐導向機構(gòu)。

4.1.5 運行速度、升降位置的檢測和控制

由于升降臺面與升降系統(tǒng)之間采用了剛性聯(lián)接，因此，通過檢測和控制升降系統(tǒng)與升降柱聯(lián)結(jié)端的運動即可達到目的。

4.2 升降柱頂升升降臺的優(yōu)缺點

4.2.1 優(yōu)點

（1）維護保養(yǎng)便利；

（2）對水質(zhì)的影響?。?/p>

（3）易實現(xiàn)電氣隔離；

（4）承載力大。

4.2.2 缺點

（1）對土建的要求高。

5 結(jié)論

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