技术 | 舞台机械工程验收中暴露的主要设计问题浅析
【中国演艺科技网讯】自从WH/T 27-2007《舞台机械 验收检测程序》颁布以来，剧场舞台机械工程的验收工作有所改善，逐步走上正规、严谨的轨道。但也存在不少问题，除机械本身的调整外，大部分问题涉及到舞台机械的功能特别是安全功能，以及怎样从控制系统设计上确保这些功能。笔者认为：除各种客观因素外，问题产生的主要根源是设计，因为好的设计是好的设备的先决条件。设计师（包括项目经理）对舞台机械系统各种安全功能和达到这些功能必须采取的措施，包括对各种安全装置及其控制要点，应有正确、恰当的理解，理解上的偏差将必然导致设计上的偏差。对照国外先进的设计理念，针对各剧场舞台机械的现状并联系验收工作发现的问题，经过冷静的思考、总结，笔者认为这些问题凸显了我国舞台机械专业与先进国家在设计方面的差距。
在几个剧院验收过程中遇到的与设计有关的问题，具有一定的普遍性和典型性，在此提出讨论以引起注意。
1、关于防火幕手动下降时间
由于忽略了验收测试环境（如冬天、偶然的一次或两次动作）和调试环境（为达到标准要求时间连续不停的多次动作）下油温差异（尽管液压油在正常工作温度范围内有较好的粘温特性，但较低温度与正常工作温度相比，液压油的黏度差别还是较大的）对结果的影响，验收测试与设备调试所得的紧急下降时间，差别很大。
2、关于设备的载荷测试和超载保护
载荷测试是验收检测的一项重要内容，主要是验证设备结构和传动系统的负载能力。升降设备的载荷测试是对设备的驱动装置、传动系统、支撑和承载结构在运动和静止状态下负载能力的考核，也是在负载状态下对操作和控制系统的性能进行的考核。
测试的重点是制动器、离合器和载荷保持装置，用试验载荷在设备全行程内进行测试。为确保设备在负载下的起升能力，对在运动时和静止时额定载荷相同的设备（如吊杆机），载荷测试的载荷为1.25倍的额定载荷；对在运动时和静止时载荷不同且静止载荷大于运动载荷的设备（如升降台等台下设备），如果设备的传动系统既不自锁、在静止状态又无锁紧机构，应以静止时的载荷作静止载荷试验，以1.25倍的额定载荷作运动时的载荷试验。设备在经常停止位置有锁紧机构或自锁机构的设备、带有逆止阀的液压缸驱动的设备，则不需要进行静止状态的载荷试验。对有固定平衡重的设备（采用绳轮驱动的设备除外），其载荷试验的载荷为1.25倍的总载荷差（即额定载荷与起升部件自重之和与平衡重量之差）。对有可变平衡重的设备，其试验载荷为1.25倍的最大可用载荷差（即额定载荷与起升部件自重之和与最小设定平衡重量之差）。对绳轮驱动（即曳引驱动）的设备，其运动时的试验载荷为1.3倍额定载荷，而其平衡重量等于额定载荷。
移动设备（侧车台、车载转台的移动台车）和旋转设备的载荷测试则用于考核设备的驱动系统和制动装置，测试载荷为运动时的额定载荷，在运动状态下进行测试。提升设备的标准安全离合器的性能测试应在额定载荷和额定速度条件下进行，而非标准安全离合器的性能测试则以额定速度和1.25倍的额定载荷进行。超载保护测试是载荷试验的另一项重要内容，试验载荷为1.2倍的额定载荷，在此载荷下过载保护开关应作出反应并停止设备的起升动作。这时，设备只可能作反向运动。
在实际工程的测试中，有些项目经理往往分不清载荷试验和超载保护的重要区别，认为超载保护测试就是要显示设备的能力，以至于超载保护不起作用，失去了保护设备的功能。升降设备的紧急停机功能的测试是载荷测试的一项重要内容，对机械系统来说主要是测试制动器（或载荷保持器）的能力。测试的条件是设备以额定载荷（有监理单位采用1.25倍的额定载荷，笔者认为其根据不足）和额定速度下降时，制动器应能在一定的制动距离内对运动的设备快速有效地制动并保持静止。制动器制动力的调整也应检查,按照有关标准的规定，舞台机械使用的双制动器应能进行单独的测试和调整。
3、速度偏差保护
机械设备驱动系统应能自动识别不允许的、会造成危险状态的速度偏差。当达到规定的速度偏差值时，应及时切断驱动装置的电源，同时启动机械制动。速度偏差保护在设备编组运行时有着重要的作用，在异步关联运动中（相当于安全型编组），组内设备以复杂的速度、行程等参数组合运行，操作的失误将导致场景及设备碰撞或损坏等危险情况。因此，控制系统必须高速监控组中所有运行设备的速度和位置，当组中的任一设备没有按照预设定或计算出的速度曲线运行，或者速度或位置偏差超出了允许的误差范围时，系统必须立即停止组内所有设备的运行，系统发出的停止命令应该是紧急停机命令（EMS），以免损坏场景和发生危险情况。所以，在有异步关联运动（安全型编组）要求的场合，速度偏差保护理应在控制系统设计时予以体现。
4、关于超行程（紧急限位）开关
在行程开关失效时，超行程（紧急限位）开关应停止设备的运行，此时的停机是紧急停机。对采用固定缓冲限位的液压缸，不需要超行程开关。在条件允许时，超行程（紧急限位）开关应优先选用机械式直碰限位开关。紧急限位开关的紧急停机功能，应是0类停机。紧急限位开关的位置，应使设备以最大速度运行并考虑了相关系统的延时、设备的惯性等因素，在与固定结构（如栅顶、丝杠轴端）碰撞之前安全的停止。紧急限位开关的动作应基于闭路断开的原则。对摩擦传动系统，紧急限位开关必须由设备的运动部件直接触发。
允许使用安全水平与机械紧急限位开关相当的电子器件或装置代替机械式直碰紧急限位开关。当紧急限位开关激发时，机械设备应通过两个互相独立控制的制动器停止。对可变行程的机械，可在各相应行程范围设置紧急限位（软件设置的软限位）开关。必须能辨别是那台设备的紧急限位开关激发导致了设备（或设备组）运行的停止。
5、关于承载传动件松弛（松绳或欠载）保护开关
在使用钢丝绳、链、带等挠性元件作为承载件的传动件的提升机械设备上，应设置相应的保护开关，如吊杆卷扬机的松绳保护开关，在低载荷（承载传动件松弛时）状态下使设备在其运动方向停止。下次启动时，向相反方向的运动才是允许的。松绳保护开关在设计上存在的问题是：由于松绳保护开关的位置和结构，在发生松绳时开关根本不起作用，因为钢丝绳在远端的松弛不会传导至安装于卷筒近侧的松绳保护开关并使之动作。验收测试时，常用短路的办法使松绳保护开关激发，设备虽然停止，但设备在下次启动时仍能继续向下运动，而该方向的运动可能使已经存在的危险扩大；松绳保护开关与跳槽保护开关采用同一结构，也是极不合理的设计。
6、关于跳槽（叠绳）保护开关
在钢丝绳与卷筒的偏角符合规定时， 钢丝绳不会跳槽，也不需要跳槽保护开关。只有在钢丝绳与卷筒的偏角不符合规定时，钢丝绳才可能会跳槽，此时可设置排绳器使之符合规定或设置跳槽保护开关，国外多数采用前者。国家大剧院的招标文中介绍了跳槽（有些文件称为乱绳，其实不妥）保护和跳槽保护开关的概念，但在一定意义上此概念被滥用：在不需设置跳槽保护开关的地方设置跳槽保护开关；用导电板或压轮控制间隙的办法成为大多数跳槽保护开关的结构形式，而且经常把跳槽保护开关和松绳保护开关在结构上合二为一。用一套机构做两个开关，实际上这是个错误的设计。
当钢丝绳发生跳槽时、跳槽保护开关激发，设备在其运动方向停止，下次启动时，允许设备运动的方向是放绳而不是继续向卷筒上卷绳。但当欠载情况发生、松绳保护开关激发时，设备在其运动方向停止，下次启动时，允许设备运动的方向是向卷筒上卷绳而不是继续放绳。这两个完全相反的动作，控制系统并不能辨别，也就无法确定保护开关激发后设备再次启动时的动作方向，容易产生误动作，无法防止事故进一步扩大。
在奥地利、德国等国外标准中，看不到关于跳槽保护开关的描述，但在实际运用中，跳槽保护开关和松绳保护开关是完全独立的两个装置。在英国舞台技术咨询公司为巴塞罗那剧院所作的标书中提出了此概念，在中国由国家大剧院招标文件的扩散而流传，但在具体的结构设计上又没有和松绳保护开关进行区分。笔者建议：首先从设计上确保钢丝绳与卷筒的偏角符合规范要求，或采取如排绳器、移动式卷筒、移动卷扬机等必要的技术措施，从根本上杜绝跳槽或叠绳现象的发生；也可采取辅助的压绳辊，不再使用跳槽保护开关。
7、升降台防剪切开关
升降台的防剪切开关是个非常重要的安全设施，全面了解它的功能并进行控制设计，才能保证这一设施起到作用。
（1）升降台产生剪切的危险状态：
a.运动的升降台（或升降台组）与静止台之间产生的剪切：升降台向上运动时，安装在静止台上的防剪切开关被激发；升降台向下运动时，安装在运动台上的防剪切开关被激发。防剪切开关激发后，升降台的运动停止，下次启动时，只有反方向的运动才被允许。
b. 同向运动的两升降台之间由追越产生的剪切：同向运动的两升降台，当后台的设定速度大于前台时，在规定的行程内可能会产生后台追越前台的现象并由此发生剪切危险。升降台向上运动时，安装在被追越台上的防剪切开关被激发；升降台向下运动时，安装在追越台上的防剪切开关被激发。防剪切开关激发后，追越升降台的运动停止，而被追越升降台的运动继续。追越升降台的下次启动只有在相反方向的运动才是允许的。
c. 相向运动的两升降台之间产生的剪切：两相邻的升降台作相向运动时，容易产生剪切危险。此时，安装于下降升降台上的防剪切开关被激发。防剪切开关激发后，两升降台的运动均在其运动方向上停止。两升降台的下次启动只有在相反方向才是允许的。在两相邻的升降台作相向运动的场合，要特别注意速度值的设定。通常，防剪切开关本身的允许行程都是按额定速度、考虑了各传递环节的反应时间进行计算设计的，因此，两相邻升降台作相向运动的速度和的绝对值不应大于单台设备的额定速度。
（2）升降台的防剪切设计
升降台产生剪切危险的上述三种情况和针对三种情况的控制系统设计，德国及西欧的舞台机械制造商做得很好，能做出针对性的设计。应当承认，这方面国内与国外相比还有较大差距。例如：在国内，在第一种情况防剪切开关激发后，升降台的下次启动仍可以继续向原方向运动，使已存在的危险扩大而不是减小。其他两种情况目前还未在具体设计中体现。
8、侧车台防挤压（碰撞）开关
由于侧车台结构的特殊性，在车台两端设置防挤压（碰撞）开关的有效性一直受到怀疑，设不设也一直存在争论。事实上，欧洲国家的剧院里使用的侧车台也没有这一装置。
在欧洲的剧院里，主要靠操作人员能目视机械（包括侧车台）运动的全行程来达到舞台设备安全运行的，不能目视监测设备运动全行程时，现场要有另一操作人员指示或安设运行确认按钮。这是一条成功的经验，国内已经发生过的事故都是有悖这项基本常识造成的。包括行政和技术在内的管理，是杜绝事故发生的重要手段。少数单位设计并安装了侧车台防挤压（碰撞）开关，但达不到完全保护人员或物品安全的目的，原因是：开关只能由特定形状的障碍物激发，如面对侧台的人脚可以激发，而背对侧台的人腿和其他形状的物体则无法激发；安全开关都是急停开关，和防剪切开关一样，从开关被激发到设备完全停止，由于信号的传递需要时间，设备的惯性使从制动开始到设备完全停止需要一定的时间和一段制动距离，在这个距离内不可能对人或物提供有效的保护；现有的开关控制设计没有遵循激发后的第一次启动只能向减小伤害的方向运动的原则，防挤压（碰撞）开关动作并停车了，但是下次启动还能向原产生伤害的方向继续运动（意味着使已经产生的伤害扩大），增加了误操作的可能。
在国家大剧院歌剧院关于侧车台防挤压（碰撞）开关的技术讨论中，三菱公司曾提出过使用红外线、激光等探测技术，但在舞台演出条件下，人造雪花、烟雾等的应用使产生误动作的可能性增大，方案被否定。笔者认为，在有效、成熟技术尚未完善前，还是以健全的管理作为保障安全的根本措施，暂时不要华而不实的装置为好。
9、超过额定速度时的防护
在故障情况下，当设备驱动装置的速度超过额定速度并达到1.25倍（德国标准值，奥地利标准为1.2倍）额定速度时，设备必须立即停止。要达到这条规定存在一些困难，国内设计、设置该装置的不多。需要认真研究在何种情况下必须设置此装置，比如，在特别重要的应用场合，从电动机到卷筒间任意零件的破坏，可能因失速造成严重事故，必须在卷筒上加设制动器，以保持载荷不会下落伤人。
10、超过同步误差时的防护
在设备的同步关联编组（或锁定型编组）运动时，当任一设备的速度和位置超出允许误差范围即超出规定的同步误差时，系统必须停止所有设备的运行，系统发出紧急停机命令（EMS），以避免危险情况发生。系统应能识别是那台设备的运行超出了允许误差。有同步编组运行要求的设备，在载荷和制动器之间不允许使用离合器。关于超过同步误差时的防护，虽然标准都有规定，但在笔者参加验收的剧院（包括国外设计与供货的剧院）中均未设置。应该进行研究，如何设置。
11、设备连锁
容易产生危险又相互关联的设备，属于异步关联（连锁性）编组，它们只能按一定的连锁关系运动。不满足连锁关系，设备不能运动，以免发生危险。国内设计多数设备连锁关系如侧车台与辅助升降台、主升降台的连锁运动，车载转台与辅助升降台、主升降台的连锁运动，防护门、锁紧装置与主升降台的连锁运动等都能满足要求。但进出乐池的门与乐池升降台的连锁关系，因牵扯到建筑和设备两个专业的分工与协调，多数剧院没有满足；演员升降小车与演员活门的连锁，多数剧院也没有满足，这是今后需要改进的。
