全液压水中升降旋转舞台的设计与开发*

郭克桥，掌 昕

(甘肃工大舞台技术工程有限公司，甘肃 兰州 730050)

0 引 言

舞台机械是舞台文化的载体，也是最复杂、最能体现文化科技融合的领域。舞台机械还不断吸收和应用各种新技术，与时俱进。目前，各类大型实景演艺秀场的形式逐渐多元化，通过舞台机械的多维运动，辅以各类水景、灯光、焰火、视频、音效等，营造出气势恢宏且美轮美奂的艺术场景[1]。这种多元化的演艺形式不仅使观众观演犹如身临其境，同时还强化了观众、演员以及场景变化之间的互动，使整个观演过程更具参与感、亲和力。然而，此类秀场多以大型、室外、实景居多，这对舞台机械的要求尤其严格，既要满足超大负载的设备安全稳定地运行，又要满足设备在室外风吹雨淋的环境下正常使用。如果秀场在剧目创意、场景设计过程中引入水景特效作为表现其艺术效果的载体，这就对舞台机械提出了更高的要求。在国内，将舞台与水有机结合将是今后舞台机械发展的重要方向之一。

目前，国内仅有个别场馆有水下单一升降的台体，因绝缘、密封等技术难点解决不好而将驱动部分置于干区，造成驱动路线长，执行机构响应速度延时等不良影响，降低了性能指标。这就导致国内现有传统设计的水中单一升降装置，已无法满足舞台机械高动态性能、高精度的发展需求的问题。针对此类问题，我公司着手研发具有自主知识产权的液力剪撑式水中旋转升降舞台，提出液力剪撑式水中升降舞台的设计方案。

1 水中升降旋转舞台的设计方案概述

液力剪撑式水中升降舞台的设计如图1所示。

图1 水中升降旋转舞台总体结构示意图1.液压缸 2.底座 3.台面钢结构 4.转台 5.透水地板 6.剪刀撑结构 7.密封箱 8.动力泵站

设计方案为了实现升降和旋转的功能，全套设备采用液压驱动，升降和旋转的执行机构共用一个动力泵站。升降由液压系统驱动剪叉机构完成，旋转是通过液压回转装置驱动转台实现。为了缩短执行机构的响应速度，满足设备运行的高精度要求，两套驱动装置都需要在水中工作。为保证驱动装置可靠运行采取将动力泵站封闭在壳体之中， 壳体采取密封绝缘的保证措施，所有的出轴，联线也必须密封以防止水渗入壳体内，暴露在水中的机械管线，必须采取高质量的防腐措施，各种导线采取有效的绝缘处理。

2 转台关键技术论述

2.1 液压马达的选型计算

如图2所示，转台主要由台面、承重轮、液压回转装置、密封装置等部件组成。

图2 转台结构示意图1.台面 2.密封装置 3.液压回转装置 4.滚轮

2.1.1选择参数和技术指标

根据转台设计要求，选择如下参数：见表1。根据这些基本参数完成对液压回转装置的选型工作。

表1 基本参数

2.1.2动力学计算

(1) 求转台所需驱动力

① 如图3所示，N为施加在滚轮上的正压力，k为滚动摩擦力臂，转台转动时所需推力F为克服承重轮滚动时的摩擦力。

图3 滚轮受力分析示意图

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

=7.23 (kN)

(1)

N=G=7.23 kN

(2)

取滚动摩擦力臂为k=1 mm，滚轮半径r=50 mm，如图，F、N分别对滚轮中心取距并列等式，计算公式如下：

M=Fr=Nk

(3)

将摩擦力臂k和滚轮半径r代入公式(3)，经计算得：

F=(N×1)/50=(7.23×1)/50

=0.15 (kN)

(4)

故F为转台运转所需要克服的滚动摩擦阻力(不含水阻)。

② 转台在水下转动时所受的水阻力计算

水阻力计算公式如下：

(5)

式中：c是阻力系数，ρ是密度，v是速度，s是垂直方向横截面积。

转台台面架水阻力计算，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)

转台边缘水阻力计算，由公式(5)得：

f2= 0.5×0.981×1 000 kg/m3×0.72×0.02m×

2π÷1000=0.03 kN

(7)

假设有2个1 m×1 m的方形演出道具固定在转台边缘处，随着转台旋转，其所受的水阻力为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)

转台水阻力共计:

f阻=f1+f2+f3=0.085+0.03+0.48=0.595(kN)

(9)

转台所需驱动力共计:

f驱=F+f阻=0.15+0.595=0.745(kN)

(10)

(2) 液压马达参数计算

液压马达理论输出扭矩T：

T=F×D/2×ηm

(11)

式中：ηm为机械效率，取ηm为0.9。

将已知参数带入到公式(11)中，则：

T=F×D/2×ηm=745×2/2×0.9

=670.5(N·m)

(12)

液压马达理论每转排油量V：

(13)

式中：ηm为液压马达机械效率，取ηm为0.9。

P为液压马达工作压力，P=10 MPa

将已知参数带入到公式(13)中，则：

V=(2×3.14×670.5×106)/(10×0.9×106)

=468 (mL/r)

(14)

故液压马达实际输出转矩为：

Ts=(P×V×ηm)/2π

=10×494×0.9÷2÷3.14

=670.7 (N·m)

(15)

液压马达转速范围n：

转台最高转速：

n1=vmax/πD=0.7×60÷3.14÷2=6.69(r/min)

转台最低转速：

n2=vmin/πD=0.1×60÷3.14÷2=1(r/min)

由于液压马达转速较高，因此选择减速器作为中间减速装置，选取减速器传动比i=9。

故液压马达转速范围是：

i×n2=9 r/min≤n≤i×n1=60.21 r/min

液压马达所需流量Q：

(16)

式中：ηv为容积效率，取ηv=0.9。

将上面的排量和转速计算结果代入到公式(16)，则：

=31.3(L/min)

(17)

综上分析：液压马达选择带自控式制动器的钢球马达，具体参数如表2所列。

2.2 水下动密封方案的确定

水下旋转台研制的关键问题之一是轴的动密封，即轴伸出壳体处的密封。轴在旋转时，由于轴与壳体间存在间隙，就会产生泄漏，而且介质压力越高，轴的转速越快，越易产生泄。主要对适用于水下旋转台的两种密封方式进行对比，根据对比结果确定最优方案。

2.2.1双油封正反装

骨架油封是油封的典型代表，一般说的油封即指的是骨架油封。油封的作用一般就是将传动部件中需要润滑的部件与出力部件隔离，骨架就如同混凝土构件里面的钢筋，起到加强的作用，并使油封能保持形状及张力，不至于让润滑油渗漏[2]，把油封的这种安装方式叫做正装。同理，如图4所示，将另一个油封反装就会起到防水的作用。采用这种密封方式可以使设备具备良好的防漏油渗水的功能，且成本较低。

图4 油封正反装示意图

2.2.2磁流体密封

磁流体密封技术是一种新型的密封方式，它是指利用具有高饱和磁强度的磁流体来进行相关机械设备密封，由于磁流体本身是一种液态流体，具备液态流体的基本特性，以及具有磁性固体材料的磁性，磁流体密封技术就是利用磁流体对磁场的响应变化特性而来。图5是一种典型的利用磁流体进行密封的装置组成结构示意图，磁流体密封主要由两部分构成，即磁流体和经特殊设计的磁流体密封装置，磁流体密封装置包括导磁轴、磁极、不导磁座、轴承、永久磁铁等部分。

为了提高整个密封装置的密封效果和承压能力，需要在磁流体密封结构中构成多个磁性回路，即多级磁流体密封结构，密封时存在压差作用，当该压差作用于“液体O形密封圈”之上时磁流体会略微移动，由于磁流体对外界磁场的响应作用，该“液体O形密封圈”具有保持和恢复原始状态的特性，由此产生了对抗压差的磁力，这就是磁流体的密封作用原理。磁流体转轴动密封技术成功地应用于真空密封、气体密封和防尘密封中,但用在液体密封方面,工业化实际应用较少见[3]。

图5 磁流体密封示意图

动密封方式要根据所要研制的水下转台的设计要求来选择，骨架油封结构简单，装卸方便,成本低廉，而且非常适用于低压、低速的条件下，应首先考虑。

目前，磁流体密封技术应用最成熟的方面在密封气体介质或真空，而对于液体密封还不是很完善。为了将磁流体密封技术应用于液体密封，国内外研究较多的是采用两个方法，一种是采用辅助手段将密封液体与磁流体分隔开来, 但这些密封结构比较复杂; 另一种是研制不受被密封液体侵害的磁流体，因此，如何研制出具有良好性能的磁流体，能够对液体进行较好的密封，一直是人们研究的热点。

2.3 设备的智能控制

为了实现水中升降旋转舞台的智能化控制，结合舞台的实际情况，对智能舞台控制系统的软硬件进行设计，促使舞台的自动化更加可靠有效。为了使得控制系统可以有效结合舞台的表演情况，促使相关机械设备可以自动的做出反应，专门为其研发了一种轴控制器，该轴控制器可通过与标准的运行曲线产生各种点的数据，形成对比，用适当的算法产生控制参数，形成精确定位和速度控制。该轴控制器通过工业以太网有效的实现智能舞台控制系统数据传输。在安全方面，轴控制器基于双通道安全性硬件，不仅集成了标准PLC所有的轴控功能，而且能够满足安全等级Sil3标准，并且轴控制器还可以将所涉及机械及电器和控制的信号，作为冗余回路。轴控制器为双通道设计且具有看门狗冗余功能，看门狗还排除非法速度输出，大大提高了数据传输的可靠性，降低失误的情况发生，使得控制系统更加符合舞台表演的实际需求。建立能够进行数据采集能力的数据采集系统与数据存储系统，并由具有数据分析能力和处理能力的控制系统完成对涉水升降旋转组合装备的逻辑判断，并发出的控制指令，通过数据采集系统对运动状况进行记录，并对电机的运动方向和速度进行确定。通过对音乐输出信号的识别等特征，由系统通过软件对电机的运动进行控制，从而使得整个舞台的表演效果更加具有感染力。

此外，舞台控制系统还具有人机交互功能，可以对参数设定、设备编组、场景运行、场景序列运行进行控制与操作，具有可随意选择的运行表、局部显示图、视觉化的运行过程、场次软件，通过模拟出涉水升降旋转组合装备演出的完整效果，实现虚拟与实际控制的完美统一，从而实现控制。

3 整体设计应用效果

对液压马达的选型计算，水下动密封方式的选择以及设备的智能控制这三个方面进行分析和试验，结果表明，该设备的整体设计方案是合理可靠的，能够保证全套设备在水中安全平稳地运行。全液压水中升降旋转舞台推广应用以后，极大地丰富了舞台机械设备的使用场合，使舞台机械与水景相结合，提供给舞美人员更大的创作空间，制造出更多的舞台特殊效果，这于更立体、更生动地传播中国文化艺术形态具有重要意义。

4 结 语

综上所述，水中升降旋转台的设计利用了已经非常成熟的液压技术、水下密封技术以及控制技术，使其在额定工作载荷下实现在水中升降和旋转的功能，且可以实现任意位置定位，将设备同时预设多个预停位置，系统将自动运行到位，智能化程度高。整套设备做密封和防腐处理，无漏油渗水，充分满足其设计要求。