國內幾種典型水中升降臺淺析

姚吉芳

【摘 要】 介紹國內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使用要求演變出若干種不同的形式。筆者就國內幾種典型水中升降臺進行討論與研究，以供同業參考與借鑒。

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。每組剪刀撐內的2個油缸在運行時需同步，油缸內自帶位置傳感器，通過控制系統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，液壓泵也將持續運轉。為使設備故障狀態下能回到起始狀態，通常還為液壓泵站配置手搖泵或小功率電力驅動液壓泵。

1.1.2 液壓介質

由于液壓系統不可避免地存在泄漏問題，為減少對水質的污染，或對演員身體的影響，其液壓介質不能使用常規的液壓油，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與常規的油液壓系統相比較，除了介質不同，并無明顯區別。目前，國內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有較大區別。主要是由于水的黏度非常低，導致系統的壓力低、密封和潤滑性能差；另外，還存在氣蝕、水垢等現象，純水液壓系統的元器件也需要用不銹鋼制作。純水液壓驅動技術在世界范圍仍是一種正在深入研究并不斷獲得發展的技術。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，剪刀撐機構也作為導向使用。但是隨著剪刀撐級數的增加，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定性。剪刀撐采用鋼結構制作，外表面經油漆處理。油漆的質量要求較高，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部的位置傳感器數據，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系。經計算得到的升降臺速度將反饋給液壓控制系統，并通過調整液壓缸供油管路的流量來實現速度的控制。

1.1.6 位置檢測

液壓升降臺的位置一般可以由液壓缸內部的位置傳感器數據經計算獲得。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，通過鋼絲繩引入水中，與升降臺臺面連接。

1.1.7 鎖定機構

為了增加臺面在特定位置的穩定性，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。鎖定機構的設置還可以消除因液壓系統內泄引起的臺面下沉。鎖定機構采用液壓驅動，其動力源來自于升降臺的液壓系統。

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結等。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，確保水池內外的金屬構件不進行物理連接。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缺點

1.2.1 優點

（1）技術成熟可靠，故障率低，在國內外有較多使用案例；

（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。

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、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別在于，液壓缸直接頂升降機的導向機構單獨設置。液壓缸直頂的優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。

升降臺的導向機構通常布置在水池四周側壁。導向機構由不銹鋼導軌和導靴組成，導靴內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、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缺點

2.2.1 優點

（1）技術成熟可靠，故障率低，在國內外有較多使用案例；

（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；

（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、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臺鋼絲繩卷揚機驅動，也可以由2臺鋼絲繩卷揚機驅動。當采用2臺卷揚機驅動時，需要電氣同步，通過控制系統控制卷揚機的運轉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（安裝調試或維護保養）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軸器聯接。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，可采用開環控制，否則，應采用閉環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：304、316和316L。304不銹鋼絲繩是所有不銹鋼絲繩產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、肥料等生產設備及食品工業、沿海地區設施等。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大氣的侵蝕。在含氯離子的水中，316L鋼絲繩耐腐蝕性能優于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，防止潤滑脂被水稀釋或污染水質。

3.1.4 導向機構

鋼絲繩升降臺應配置導向機構，通常采用不銹鋼導軌和導靴（內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。當多臺卷揚機驅動時，每一臺卷揚機均需要配置編碼器，編碼器的數據與升降臺的速度成比例關系。這些編碼器檢測到電機的轉速后反饋給控制系統，并由軸控制器或變頻器實現速度的控制。

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據而得到；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

3.2.1 松繩檢測

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

3.2.2 鎖定機構

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。鎖定機構通常采用氣動驅動。

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。每個區域的浮筒配有獨立的給、排水和排氣系統，通過調節浮筒內的儲水量實現對浮筒的浮力調節。

3.3 鋼絲繩升降臺的優缺點

3.3.1 優點

（1）技術成熟可靠，設計安裝簡單；

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

（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、升降系統等組成，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、導向機構安裝在水池中，升降系統安裝在無水的設備層，臺面架與升降系統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非常方便。

4.1.1 升降系統

由于升降系統安裝在無水的環境中，因此，常規升降臺的升降系統都可以在這里使用，如《漢秀》使用的是如圖6所示的鏈條升降系統；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，需考慮壓桿穩定。升降柱與升降系統升降結構的連接處采用非金屬法蘭盤聯結以實現電氣隔離，防止干區發生漏電后傳入水池中，造成演出人員觸電事故的發生。

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面或密封組件支座滲入到干區。

4.1.4 導向機構

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向穩定而不再單獨設置導向機構。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；遠離水池壁的升降臺采用剪刀撐導向機構。

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之間采用了剛性聯接，因此，通過檢測和控制升降系統與升降柱聯結端的運動即可達到目的。

4.2 升降柱頂升升降臺的優缺點

4.2.1 優點

（1）維護保養便利；

（2）對水質的影響小；

（3）易實現電氣隔離；

（4）承載力大。

4.2.2 缺點

（1）對土建的要求高。

5 結論

通過上述各種水中升降臺的研究，發現其各有優缺點。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先采用鋼絲繩升降臺。