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液压旋转升降舞台设计与应用

引言
随着文化生活的日益丰富,人们对演出活动中舞台效果的要求越来越高。在比较高档的文化娱乐场所,为创造一种生动活泼的立体演出效果,传统的静止舞台逐渐被摈弃,而代之以旋转升降舞台。笔者承担了某五星级大酒店室内旋转升降舞台的设计工作,在制订设计方案时,考虑到有效利用现场的有限空间,尽可能地减少传动装置的占地面积,可靠保证舞台平稳升降和旋转,采用了液压传动方式。


1  旋转升降舞台的工作原理


该舞台直径6m,采用钢结构焊接件作为基架,再以防火材料加以装饰。舞台本体自重约3500㎏,设计最大有效载荷2500㎏,舞台最大升降高度为1m,要求能够单独控制舞台的升降和旋转运动。
    舞台总体结构如图一所示。舞台由台面4、转轴3、齿圈2、滚柱组件1、液压马达5、键6、底板7、底座8及均布于底座下方的驱动液压缸(图中未绘出)组成。四只伸缩式液压缸的活塞同步上升时,推动底座及舞台沿导轨竖直上升。舞台的旋转运动由可独立控制的液压马达驱动齿圈2来实现。为有效降低摩擦阻力矩,在底座和台面间布置了滚柱组件,保证液压马达能够比较轻便地驱动舞台回转。 

2  液压系统设计
2.1 液压系统组成及工作原理
液压系统组成如图二所示。其工作过程如下:
舞台升降:油泵电机启动后,双联油泵1开始工作,但大流量泵和小流量泵均处于卸荷状态。舞台上升时,电磁铁YA6得电,升降回路升压,大流量泵输出的液压油分别通过换向阀4~8再经四个液控单向阀12~15进入四个液压缸无杆腔,产生推力,克服舞台重量和导轨副摩擦推动舞台上升。因液压缸尺寸较大,舞台上升速度较慢(设计上升速度为0.02m/s),为减少液压元件的数量,保障系统的可靠性,不设置调速元件而采取由油泵和液压缸尺寸予以直接保证的设计方案;当舞台停止上升或到达最大行程时,电磁铁YA6失电,换向阀25处于左位,主回路卸压。由于液控单向阀12~15锁死,舞台停止在锁死位置;舞台下降时,电磁铁YA5、 YA6得电,系统控制回路升压,高压油进入液控单向阀12~15的先导控制阀,将液控单向阀打开,同时YA1~YA4得电,换向阀4~7接油箱,舞台依靠自重下降。下降速度可由调速阀12~15调定。同步控制:本系统四条同步支路所选用的元件型号相同、各支路输入流量相同,可以较好的保证四个伸缩式油缸的同步上升、同步下降。
平衡控制:为使四个液压缸产生相同的推力,系统中采用四个单向阀16~19将四条支路隔离开,然后用一个溢流阀20进行压力控制,保证各支路设定压力相同。

液压系统原理


     舞台旋转:考虑到施工现场场地有限,为节约空间,提高效率,本设计中采用了双联式油泵。大流量泵用于驱动舞台升降,小流量泵用于驱动液压马达带动舞台旋转。两种运动可以独立控制,互不干涉。油泵启动时,通过换向阀27卸压;需要控制舞台正向旋转时,电磁铁YA9、YA7得电,换向阀24处于左位。高压油经阀24进入液压马达驱动其回转,通过马达输出轴齿轮与齿圈传递舞台以驱动力矩。若YA9、YA7得电,则马达驱动舞台反转。单向阀22、23和溢流阀26组成液压马达过载保护回路。
2.2 电气控制回路设计
    分析舞台工作过程,为实现液压系统的运行控制,各电气元件的动作循环如图三所示。根据电气元件动作循环表设计电气控制线路图(见图四)。按下上升按扭SB3,中间继电器K1得电并自锁,电磁铁YA6得电,换向阀25置左位,舞台上升。舞台上升至行程终点压下行程开关ST,中间继电器K1失电,换向阀25边为常位,液压系统升压。此时液控单向阀12~15截止,液压缸G1~G4无杆腔中的液压油不能排回油箱,处于保压状态,维持舞台在该处静止。按下下降按扭SB4,中间继电器K2得电并自锁,同时K1得电,电磁铁YA5、 YA6、YA1 ~ YA4均通电,高压油经换向阀3进入液控单向阀12~15的先导阀,液控单向阀打开,液压缸在调速阀8~11的控制下缓缓下降。舞台升降和回转可以灵活机动控制,运行中可随时停留。按下按扭SB7,液压缸控制回路失电,舞台在该处停留;按下按扭SB8,液压马达控制回路失电,舞台停止旋转。控制线路中设置了动合触头KM1来保证油泵启动后再控制各液压阀,达到了电机启动和液压控制的互锁目的。


    3  液压系统维护与故障处理
  
该舞台机械传动装置比较简单,只要定期对齿轮副和导轨副进行润滑,防止异物进入,可以保证很高的可靠性。而液压系统相对比较复杂,影响其正常运转的因素也多,因此对液压系统进行主动保养和预防性维护,可以使液压旋转升降舞台保持良好的技术状态。旋转升降舞台液压控制元件与电气元件工作环境比较恶劣,主动保养和预防性维护的重点是这些元器件的可靠性。应经常性地检查换向阀电磁铁的工作状态及阀芯滑动是否灵活,及时消除阻滞现象。定期清理周围环境中铁屑等杂物,防止控制阀阀芯被卡死。要检查电气元件是否存在短路等隐患,清扫灰尘,去除油污,保障电气元件正常工作。滤油器滤芯在工作250h后,应进行检查,进行清洗或更换。液压油箱应每隔3个月从底部放油口清除水分和杂质一次,并每隔一年(或工作满2000h)更换全部液压油。
     液压旋转升降舞台经过近两年的运行,性能稳定。期间出现过一次小故障,故障形式表现为泵启动后明显听到异常声响,舞台升降不灵活。操作上升按扭后,有时出现舞台无反应,有时经过较长时间后可以上升,但速度极慢。下降时出现同样故障,且伴有舞台抖动现象。我们分析,造成异响这种现象的原因可能是油泵吸真空或柱塞泵内部件损坏所致。但柱塞泵工作时间并不长,问题最有可能发生在油泵吸油不足方面。而油泵吸油不足可能是吸油管过滤器堵塞或者吸油管漏气导致供油不充分。考虑液压系统安装空间狭小,拆开油箱检查比较困难,我们将液压阀27的进油软管拆开,启动电机后发现油液间断性喷出,随后停止排油。油箱油量指示正常,拆开油箱后仔细观察吸油管无异常现象。果断更换过滤器,试运行排油正常,操作舞台上升按钮,舞台能正常上升,但舞台下降时依旧不能正常完成动作。凭经验判断产生这种故障的原因最有可能发生在换向阀4~7和调速阀8~11中。在舞台下降时依此推动换向阀4~7的推杆,发现推动换向阀6的推杆时,舞台能正常下降。检查换向阀6电磁铁线圈,发现接线头出现松动造成接触不良。紧固接线螺钉,故障排除。
   结束语
   
液压旋转升降舞台是活跃人们文化娱乐生活、提高和丰富演出效果的重要设施,笔者在确立总体方案和进行液压系统、电气控制系统设计时,周密论证,科学设计。该设计整体结构简单,液压系统稳定性高,能确保舞台运行的平稳性、安全性和可靠性要求。同时介绍该液压系统的一例典型故障的诊断与维修过程,提出了对该液压系统进行有效保养和维护的措施,为用户日常使用旋转升降舞台提供了指导。
 
 

 

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