第三节 舞台机械的驱动方式

舞台机械主要实现的运动是升降、平移、旋转等，同其他机械一样，它也需要动力源，通过原动机来进行能量转换，实现舞台机械的启动、停止以及其他的动作，满足使用的要求（见图2-9）。

原动机的类型有很多种，在舞台机械中常用的是液压驱动和电力驱动，这两种方式各有特点，在选择时还要考虑到剧场的实际情况，下面对这两种方式的特点分别进行介绍。

一、液压驱动

人类使用水力机械（见图2-10）及液压技术（见图2-11）虽然已有很长的历史，但是液压技术在机械领域中得以运用并取得迅速发展则是20世纪的事。由于液压传动有很多突出的优点，目前已被广泛地应用在各行各业中，在舞台机械的驱动形式中也占很大的比例。

所谓液压传动就是以液体为介质（主要是油液），依靠运动着的液体的压力能来传递动力的。液压系统工作时，液压泵把电机传来的回转式机械能转变为油液的压力能，油液被输送到液压缸或液压马达后，又由液压缸或液压马达把油液的压力能转变为直线式或回转式的机械能输出。同时，液压系统中的油液是在受调节、受控制的状态下进行工作的。

1．液压系统的组成

液压系统由以下四个主要部分组成：

（1）能源装置：它是将电机输入的机械能转化为油液的压力能（压力和流量）输出的能量转换装置，一般最常见的形式是液压泵（见图2-12）。

（2）执行元件：它是将油液的压力能转换成直线式或回转式机械能输出的能量转换装置，包括做直线运动的液压缸和做回转运动的液压马达、摆动缸等（见图2-13、图2-14）。

（3）调节控制元件：它是控制液压系统中油液的流量、压力和流动方向的装置，包括控制液体流量的节流阀（流量阀）、控制液体压力的溢流阀（压力阀）以及控制液流方向的换向阀、开停阀（方向阀）等液压元件，这些元件是保证系统正常工作不可缺少的组成部分（见图2-15）。

（4）辅助元件：这是除了以上三项以外的其他装置，包括油箱、滤油器、油管、管接头等，这些元件对保证液压系统可靠、稳定持久地工作有重大作用。

2．液压传动与机械、电气传动相比具备的优点

（1）能方便地进行无级调速，调速范围大。

（2）体积小、质量轻、功率大，即功率重量比大。一方面，在相同输出功率的情况下，其体积小、重量轻、惯性小、动作灵敏；另一方面，在体积或重量相近的情况下，其输出功率大，能传递较大的扭矩或推力。

（3）调节和控制简单、方便、省力，易实现自动化控制和过载保护。

（4）可实现无间隙传动，运动平稳。

（5）因传动介质为油液，故液压元件有自我润滑作用，使用寿命长。

（6）液压元件实现了标准化、系列化、通用化，便于设计、制造和推广使用。

（7）可以采用大推力的液压缸和大扭矩的液压马达直接带动负载，从而省去了中间的减速装置，使运动简化。

3．液压传动的缺点

（1）由于作为传动介质的液体是在一定的压力下，有时是在较高的压力下工作的，因此在有相对运动的表面间不可避免地要产生泄漏。同时，由于油液并不是绝对不可以压缩的，油管等也会产生弹性变形，所以液压传动不宜用在传动比要求较严格的场合。

（2）液压传动中的液压冲击和空穴现象会产生很大的震动和噪声。

（3）在能量转换和传递过程中，由于存在机械摩擦、压力损失、泄漏损失，因而易使油液发热，总效率降低，故液压传动不宜用于远距离传动。

（4）液压传动性能对温度比较敏感，故不宜在高温及低温下工作；液压传动装置对油液的污染亦较敏感，故要求有良好的过滤设施。

（5）液压元件加工精度要求高，一般情况下又要求有独立的能源（如液压泵站），这些可能使产品成本提高。

（6）液压系统出现故障时不易追查原因，不易迅速排除。

4．液压系统的设计步骤

（1）明确设计要求

明确待设计的液压系统所要完成的运动和所要满足的工作性能，具体来说就是：

①主机的类型、布置方式（卧式、斜式或垂直式）、空间位置等；

②执行元件的运动方式（直线运动、转动或摆动）、动作循环及其范围；

③舞台机械所带负荷的大小、性质及变化范围，执行元件的速度及其变化范围；

④各液压执行元件动作之间的顺序、转换和互锁要求；

⑤工作性能，如速度的平稳性、工作的可靠性、转换精度、停留时间等方面的要求；

⑥液压系统的工作环境；

⑦其他诸如液压装置的重量、外形尺寸、经济性等方面的要求。

（2）工况分析

分析液压执行元件在工作过程中速度和负载的变化规律，求出工作循环中各工作阶段的速度和负载的大小，求出最大负载和最大速度值以及二者所在的工况，这是确定系统的性能参数和执行元件的结构参数（结构尺寸）的主要依据。

（3）确定液压系统的主要性能参数

液压系统的主要性能参数是指液压执行元件的工作压力和最大流量，这两者是计算和选择液压元件、辅件、原动机（电机），进行液压系统设计的主要依据。

（4）拟订液压系统图（见图2-16）

一般方法是首先根据动作和性能的要求，选择并拟订出液压基本回路，然后再将各个基本回路组合成一个完整的液压系统。

（5）计算和选择液压元件

计算液压元件在工作中所承受的压力和通过的流量，以便选择和确定元件的规格尺寸。

（6）估算液压系统的性能

（7）绘制工作图、编写技术文件

主要包括液压系统图、元件配置图、泵站装配图、液压缸和其他专用件的装配图和零件图、管路装配图和电气线路图等。

二、电力驱动

电力驱动是指以电动机为原动机驱动各种机械，通过电动机将电能转换成机械能，驱动机械运动（见图2-17）。根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类，其中，交流电动机又可分为同步电动机和异步（感应）电动机两种。同步电动机转子转速和定子电流的频率保持严格不变的关系，故称为同步。直流电动机按照励磁方式的不同分为他励、并励、串励和复励四种（可见直流电动机工作原理）。

电力驱动系统一般由电动机、控制设备、传动机构、生产机械和电源组成，如图2-18所示。

电动机作为电能转换成机械能的主要设备，在实际应用中首先要具有较高的机电能量转换效率，还要根据生产机械的工艺要求控制和调节旋转速度。直流电动机驱动和交流电动机驱动在19世纪中先后诞生，交流电动机相比直流电动机，省去了换向器和电刷，结构简单、结实、紧凑，维修工作量小、运行效率高、转动惯量小、动态响应快、价格也低廉，可以做到高电压、大容量、高速化，但由于它缺乏相应的控制手段，控制调速比较困难，所以在20世纪的大部分年代里，交流电动机主要用在不调速的场合。相比之下，直流电动机的转速容易控制和调节，在额定转速以下，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电压的恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可以获得优良的动、静态调速性能，因此它作为调速电动机的代表，曾广泛地用于工业生产中，在舞台机械中也不例外，在国外的一些剧场中，至今仍能看到直流电动机驱动的舞台机械。

但是直流电动机的机械式换向器，给直流传动的应用带来了一系列的限制：

首先是换向器表面线速度以及换向电流、电压有一定的极限容许值，约束了单台电机的转速、功率上限。超过这一极限时就只能采取多电枢方案，这就增加了电机制造的难度和成本以及调速控制系统的复杂性。

其次是由于要使换向器可靠地工作，电枢以及换向器的直径一般都做得比较大，因此电动机的转动惯量就大，这对有快速响应要求的调速场合或者安装场地上有尺寸要求的场合是很不利的。

再次是换向器必须定期停机检修，运行中也要经常注意观察换向器的火花情况，因此在一些恶劣条件下或难以接近的工作场所，使用直流电动机就很难保证长期运行的安全性。由于这些限制，人们长期以来一直致力于寻找用没有换向器的交流电动机来取代直流电动机。

自从20世纪70年代以来，由于电力电子技术和微电子技术的飞速发展、新器件和新的控制系统的不断推出，交流电机驱动逐渐具有与直流电机驱动同样优良的调速性能，从而使交流电机驱动得到了迅速的发展。

除了上述的两种驱动方式外，还有其他类型的驱动方式和传动执行机构，应该根据剧场的实际使用情况、投资额度、产品的性价比等多方面综合比较选用。

有关液压驱动和电力驱动这两种方式在舞台机械中的使用情况，已经有专家进行了比较，见表2-2。