国内几种典型水中升降台浅析

姚吉芳

【摘 要】 介绍国内几种典型水中升降台，包括液压剪刀撑升降台、液压缸直顶升降台、钢丝绳升降台、升降柱顶升升降台。

【关键词】 水中升降台；液压剪刀撑升降台；液压缸直顶升降台；钢丝绳升降台；升降柱顶升升降台

文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.07.007

最近几年，以“水”为主要元素的演出越来越普遍，其中包括一些自然水域中的室外实景演出，甚至一些剧院、秀场等室内表演场所也逐渐配置大型表演水池。通常，这些水秀舞台配置有水中升降台，能在演出过程中瞬间将水域变成干舞台，满足表演区域的“干”“湿”变化。

在水中使用升降台，除了需要升降台本身具备在水下正常运行的能力，还需要考虑设备防腐、设备对水体的污染、电气安全、设备维护保养的便利等各种问题。因此，水中升降台性能的好坏将直接影响到演出运营。

水中升降台按其升降方式可以分为三大类：液压传动、钢丝绳牵引、升降柱顶升。这三类升降台又根据使用要求演变出若干种不同的形式。笔者就国内几种典型水中升降台进行讨论与研究，以供同业参考与借鉴。

1 液压剪刀撑升降台

液压剪刀撑升降台在水中的使用比较普遍。通常用于升降行程较小、升降速度要求不高的场合。使用案例：万达汉秀剧场。

1.1 原理与设备组成

典型的液压剪刀撑升降台由台面板、台面钢架、剪刀撑、液压缸、液压管路、液压泵站等组成，如图1所示。

1块升降台一般需要布置2组以上的剪刀撑，每组剪刀撑通常采用2个液压缸。每组剪刀撑内的2个油缸在运行时需同步，油缸内自带位置传感器，通过控制系统控制其精确动作保证两个油缸的伸出距离一致。各组剪刀撑在安装时其起始角应相同，否则，在运动过程中将导致剪刀撑的上支点位置不一，从而无法同时顶升升降台面。液压升降台由于采用多个油缸推动、同步性要求高，设计和安装时需特别注意。

1.1.1 液压泵站

液压升降台是由液压泵站提供动力。液压泵站在远离水区的位置，通过供油管路为液压缸提供动力。当升降台需要使用时，将事先开启液压泵站的液压泵。升降台在使用过程中，即使升降台不动作，液压泵也将持续运转。为使设备故障状态下能回到起始状态，通常还为液压泵站配置手摇泵或小功率电力驱动液压泵。

1.1.2 液压介质

由于液压系统不可避免地存在泄漏问题，为减少对水质的污染，或对演员身体的影响，其液壓介质不能使用常规的液压油，而是采用可降解的液压油或纯水。采用可降解液压油的液压系统与常规的油液压系统相比较，除了介质不同，并无明显区别。目前，国内外的水中升降台大多采用这种形式，而采用纯水液压的液压系统有较大区别。主要是由于水的黏度非常低，导致系统的压力低、密封和润滑性能差；另外，还存在气蚀、水垢等现象，纯水液压系统的元器件也需要用不锈钢制作。纯水液压驱动技术在世界范围仍是一种正在深入研究并不断获得发展的技术。设备主要依赖进口，投资大、运营费用高，后期的备品备件也要依赖国外，因而极少使用。

1.1.3 剪刀撑

剪刀撑的使用可使升降台仅需要较浅的机坑即可提供较大的行程。对单级或双级剪刀撑而言，剪刀撑机构也作为导向使用。但是随着剪刀撑级数的增加，舞台台面晃动会有不同程度的增加，当对台面晃动要求高的时候，则需要配置额外的导向来支持升降台面的稳定性。剪刀撑采用钢结构制作，外表面经油漆处理。油漆的质量要求较高，需满足水下防锈的需求。剪刀撑的铰接部位需要采取润滑措施，并在外侧做有效密封，以便延长润滑油被水稀释的时间。

1.1.4 液压缸

液压缸采用不锈钢制作，内部需带有位置传感器。由于需要多缸同步，液压缸的制作精度要求较高。

1.1.5 运行速度检测和控制

采用液压剪刀撑的升降台并不直接检测其运行速度，而是通过读取液压缸内部的位置传感器数据，通过软件计算出升降台的运行速度。升降台的升降速度与液压缸的速度也不成线性比例关系。经计算得到的升降台速度将反馈给液压控制系统，并通过调整液压缸供油管路的流量来实现速度的控制。

1.1.6 位置检测

液压升降台的位置一般可以由液压缸内部的位置传感器数据经计算获得。但为了获得升降台面的准确位置，则需要单独设置一套拉线编码器。编码器可安装在水中，采用IP68防护等级，能长时间浸水使用；也可以采用防护等级较低的编码器，安装在水池附近的干区，通过钢丝绳引入水中，与升降台台面连接。

1.1.7 锁定机构

为了增加台面在特定位置的稳定性，并使其能承受更大的载荷，可在一些特定位置设置锁定机构。锁定机构的设置还可以消除因液压系统内泄引起的台面下沉。锁定机构采用液压驱动，其动力源来自于升降台的液压系统。

1.1.8 电气隔离

当水中有演员表演时，为了避免因设备漏电造成演员触电的风险，需考虑水下电气安全，通常的做法是采用电气隔离和等电位联结等。电气隔离即强电部件安装在远离水域的位置，进入水体的管路用非金属材料，确保水池内外的金属构件不进行物理连接。对于液压管路而言，需将进入水体前的某一段管路采用非金属材料。

1.2 液压剪刀撑升降台的优缺点

1.2.1 优点

（1）技术成熟可靠，故障率低，在国内外有较多使用案例；

（2）承载能力大；

（3）对土建的要求简单，除了机坑底部的预埋受力要求，无其他土建需求；

（4）电气隔离措施简单。

1.2.2 缺点

（1）多缸同步控制难度大；

（2）速度的精准控制难度大；

（3）维护难度大；

（4）存在漏油的风险，易污染水质。

2 液压缸直顶升降台

液压缸直顶升降台适用于升降速度和位置控制要求高的场合，如澳门《水舞间》的水中升降台。

2.1 原理与设备组成

液压缸直顶升降台由台面板、台面钢架、导向机构、液压缸、液压管路、液压泵站等组成，如图2所示。

液压缸直顶升降台与液压剪刀撑升降台的区别在于，液压缸直接顶升降机的导向机构单独设置。液压缸直顶的优势是能使液压缸的伸缩量与升降台的升降行程一致，从而获得升降速度和位置的精准控制，提高升降台的同步性能；其劣势是升降台下面需要大于2倍升降行程的空间，当升降台行程较大时，为减小土建成本，需要在水池底部打孔洞用于安装液压缸，但这也导致液压缸维修相对困难。另外，大行程的液压缸造价也相对较高。

升降台的导向机构通常布置在水池四周侧壁。导向机构由不锈钢导轨和导靴组成，导靴内衬非金属自润滑材料，以便在水中也能正常使用。

液压泵站、液压缸、运行速度检测和控制、位置检测、锁定机构、电气隔离都与液压剪刀撑升降台相同。

2.2 液压缸直顶升降台的优缺点

2.2.1 优点

（1）技术成熟可靠，故障率低，在国内外有较多使用案例；

（2）承载能力大；

（3）速度、位置控制精度高；

（4）电气隔离措施简单。

2.2.2 缺点

（1）存在漏油的风险，易污染水质；

（2）設备造价高；

（3）维护难度大。

3 钢丝绳升降台

钢丝绳升降台在水中的应用也较常见，使用案例包括：万达傣秀剧场、上海欢乐谷等。

3.1 原理与设备组成

典型的钢丝绳升降台由台面板、台面钢架、钢丝绳、滑轮、导向机构、浮筒、钢丝绳卷扬机等组成，如图3所示。

1块升降台一般需要布置3～4个钢丝绳提升点，这些提升点可以由1台钢丝绳卷扬机驱动，也可以由2台钢丝绳卷扬机驱动。当采用2台卷扬机驱动时，需要电气同步，通过控制系统控制卷扬机的运转保证钢丝绳的提升距离一致。为了增加升降台的载重能力，台面下方配置有浮筒作为配重使用。需要注意的是：利用浮筒作为配重时，需考虑升降台在无水工况（安装调试或维护保养）下提升钢丝绳所承受的拉力可能会大于升降台正常使用时的拉力。为防止升降台在水中无法通过其自重顺利下降，钢丝绳也可采用闭环布置，如图4所示。为满足电气隔离的需求，电机与钢丝绳之间还应有电气隔离措施。

3.1.1 钢丝绳卷扬机

钢丝绳卷扬机布置在远离水区的位置，为升降台提供动力。卷扬机与升降台之间通过钢丝绳连接。卷扬机由编码器、制动器1、电机、联轴器、减速器、制动器2、卷筒、压绳装置和机架等组成，如图5所示。为了满足电气隔离的要求，电机与机架和减速器之间应采取隔离措施。电机通过非金属材料（尼龙或其他代替品）安装在机架上；电机与减速器之间则通过非金属联轴器联接。另外，对电机、机架分别进行有效的接地也是必不可少的措施。

3.1.2 钢丝绳

钢丝绳连接了卷扬机和升降台钢架。每路钢丝绳的长度尽量保持一致，以便使钢丝绳在受载后其伸长量尽量一致。当升降台自重大于水对升降台的阻力时，可采用开环控制，否则，应采用闭环控制以便升降台面被钢丝绳主动拉入水中。为提高在水中的抗腐蚀性能，钢丝绳应采用不锈钢材料。不锈钢钢丝绳主要有三种材质：304、316和316L。304不锈钢丝绳是所有不锈钢丝绳产品中用途最为广泛的，具有良好的耐蚀性、耐热性，低温强度和机械性能。316不锈钢钢丝绳与304不锈钢钢丝绳相比，大大提高了抗化学腐蚀的性能。316不锈钢钢丝绳对点蚀或针孔腐蚀的敏感性较小。这种钢丝绳主要应用在：海水里用设备、化工、染料、造纸、草酸、肥料等生产设备及食品工业、沿海地区设施等。316L钢丝绳是含钼不锈钢种，具有良好的耐氯化物侵蚀性能，可以耐海水和侵蚀性工业大气的侵蚀。在含氯离子的水中，316L钢丝绳耐腐蚀性能优于304和316。不锈钢钢丝绳在水中也需要润滑，通常使用麻芯脂浸渍钢丝绳中的麻绳芯的工艺，钢丝绳使用过程中，不断地挤压、渗出油脂，对不锈钢钢丝绳起防腐和润滑作用，同时保护麻芯。

3.1.3 滑轮

位于水中或与湿钢丝绳接触的滑轮需采用不锈钢制作。其轴承可采用自润滑的滑动轴承或带有密封圈的滚动轴承。适合这种低速、重载工况的滑动轴承材料主要有塑料、陶瓷以及美国Graphite Metallizing公司研制的Graphalloy（石墨/金属合金）锡制巴比合金材料。若采用滚动轴承，则需要考虑妥善的密封措施，防止润滑脂被水稀释或污染水质。

3.1.4 导向机构

钢丝绳升降台应配置导向机构，通常采用不锈钢导轨和导靴（内衬非金属自润滑材料）。

3.1.5 运行速度检测和控制

升降台的运行速度由电机尾部的编码器检测。当多台卷扬机驱动时，每一台卷扬机均需要配置编码器，编码器的数据与升降台的速度成比例关系。这些编码器检测到电机的转速后反馈给控制系统，并由轴控制器或变频器实现速度的控制。

3.1.6 位置检测

在对位置精度要求不高的场合，升降台的位置可以通过获取卷扬机电机尾部的编码器数据而得到；但如果为了获得升降台面的准确位置，则需要单独设置拉线编码器。

3.2 辅助机构

3.2.1 松绳检测

钢丝绳升降台应配置松绳检测机构，当其中任意一路钢丝绳发生松弛并超出设计值时，使检测机构上的传感器被触发，设备停止运行。

3.2.2 锁定机构

同液压升降台一样，钢丝绳升降台需在特定位置设置锁定机构。锁定机构通常采用气动驱动。

3.2.3 浮筒

为增加升降台的载重能力，可以为升降台配置浮筒。浮筒由不锈钢制作，均匀地分布在升降台钢架下面。每个区域的浮筒配有独立的给、排水和排气系统，通过调节浮筒内的储水量实现对浮筒的浮力调节。

3.3 钢丝绳升降台的优缺点

3.3.1 优点

（1）技术成熟可靠，设计安装简单；

（2）对水质的影响较小，主要的污染来自钢丝绳内的润滑脂和滑轮轴承内的润滑脂；

（3）控制简单；

（4）造价低；

（5）供货周期短。

3.3.2 缺点

（1）对土建的要求较复杂；

（2）水中钢丝绳使用寿命短，需定期更换；

（3）承载能力小；

（4）电气隔离较难。

4 升降柱顶升升降台

使用案例有：万达汉秀剧场、《印象西湖》等。

4.1 原理与设备组成

升降柱顶升升降台由台面板、台面钢架、升降柱、密封组件、导向机构、升降系统等组成，如图6所示。

这类升降台对土建的要求比较高，需要在水池底板下方设置单独的设备层。升降台的台面架、导向机构安装在水池中，升降系统安装在无水的设备层，台面架与升降系统之间通过升降柱连接。升降柱在穿透水池底板的位置需安装有密封组件。由于主要的机械部件安装在无水的设备层，因此，这类水中升降台的维护保养非常方便。

4.1.1 升降系统

由于升降系统安装在无水的环境中，因此，常规升降台的升降系统都可以在这里使用，如《汉秀》使用的是如图6所示的链条升降系统；而《印象西湖》的水中升降台则由于升降行程小而使用了螺旋升降机。

4.1.2 升降柱

升降柱采用不锈钢材料，立柱要求行程大、直线度和表面光洁度要求高，同时由于升降柱受压较大，需考虑压杆稳定。升降柱与升降系统升降结构的连接处采用非金属法兰盘联结以实现电气隔离，防止干区发生漏电后传入水池中，造成演出人员触电事故的发生。

4.1.3 密封组件

密封组件安装在水池底板预留的用于升降柱通過的孔洞处，组件采用多道Y型密封圈和O型密封圈组合使用的形式，确保水池中的水不会沿升降柱侧面或密封组件支座渗入到干区。

4.1.4 导向机构

当升降台的升降行程较小时，可利用升降柱来保持台面的侧向稳定而不再单独设置导向机构。当升降行程较大时，与水池壁相邻的升降台可设置不锈钢导轨导向机构；远离水池壁的升降台采用剪刀撑导向机构。

4.1.5 运行速度、升降位置的检测和控制

由于升降台面与升降系统之间采用了刚性联接，因此，通过检测和控制升降系统与升降柱联结端的运动即可达到目的。

4.2 升降柱顶升升降台的优缺点

4.2.1 优点

（1）维护保养便利；

（2）对水质的影响小；

（3）易实现电气隔离；

（4）承载力大。

4.2.2 缺点

（1）对土建的要求高。

5 结论

通过上述各种水中升降台的研究，发现其各有优缺点。因此，笔者对设备的选型建议是：对承载力大或速度和位置控制要求高的水中升降台，优先采用升降柱顶升升降台，对载荷小或速度和位置控制要求低的水中升降台优先采用钢丝绳升降台。