第三節 舞臺機械的驅動方式

舞臺機械主要實現的運動是升降、平移、旋轉等，同其他機械一樣，它也需要動力源，通過原動機來進行能量轉換，實現舞臺機械的啟動、停止以及其他的動作，滿足使用的要求（見圖2-9）。

原動機的類型有很多種，在舞臺機械中常用的是液壓驅動和電力驅動，這兩種方式各有特點，在選擇時還要考慮到劇場的實際情況，下面對這兩種方式的特點分別進行介紹。

一、液壓驅動

人類使用水力機械（見圖2-10）及液壓技術（見圖2-11）雖然已有很長的歷史，但是液壓技術在機械領域中得以運用并取得迅速發展則是20世紀的事。由于液壓傳動有很多突出的優點，目前已被廣泛地應用在各行各業中，在舞臺機械的驅動形式中也占很大的比例。

所謂液壓傳動就是以液體為介質（主要是油液），依靠運動著的液體的壓力能來傳遞動力的。液壓系統工作時，液壓泵把電機傳來的回轉式機械能轉變為油液的壓力能，油液被輸送到液壓缸或液壓馬達后，又由液壓缸或液壓馬達把油液的壓力能轉變為直線式或回轉式的機械能輸出。同時，液壓系統中的油液是在受調節、受控制的狀態下進行工作的。

1．液壓系統的組成

液壓系統由以下四個主要部分組成：

（1）能源裝置：它是將電機輸入的機械能轉化為油液的壓力能（壓力和流量）輸出的能量轉換裝置，一般最常見的形式是液壓泵（見圖2-12）。

（2）執行元件：它是將油液的壓力能轉換成直線式或回轉式機械能輸出的能量轉換裝置，包括做直線運動的液壓缸和做回轉運動的液壓馬達、擺動缸等（見圖2-13、圖2-14）。

（3）調節控制元件：它是控制液壓系統中油液的流量、壓力和流動方向的裝置，包括控制液體流量的節流閥（流量閥）、控制液體壓力的溢流閥（壓力閥）以及控制液流方向的換向閥、開停閥（方向閥）等液壓元件，這些元件是保證系統正常工作不可缺少的組成部分（見圖2-15）。

（4）輔助元件：這是除了以上三項以外的其他裝置，包括油箱、濾油器、油管、管接頭等，這些元件對保證液壓系統可靠、穩定持久地工作有重大作用。

2．液壓傳動與機械、電氣傳動相比具備的優點

（1）能方便地進行無級調速，調速范圍大。

（2）體積小、質量輕、功率大，即功率重量比大。一方面，在相同輸出功率的情況下，其體積小、重量輕、慣性小、動作靈敏；另一方面，在體積或重量相近的情況下，其輸出功率大，能傳遞較大的扭矩或推力。

（3）調節和控制簡單、方便、省力，易實現自動化控制和過載保護。

（4）可實現無間隙傳動，運動平穩。

（5）因傳動介質為油液，故液壓元件有自我潤滑作用，使用壽命長。

（6）液壓元件實現了標準化、系列化、通用化，便于設計、制造和推廣使用。

（7）可以采用大推力的液壓缸和大扭矩的液壓馬達直接帶動負載，從而省去了中間的減速裝置，使運動簡化。

3．液壓傳動的缺點

（1）由于作為傳動介質的液體是在一定的壓力下，有時是在較高的壓力下工作的，因此在有相對運動的表面間不可避免地要產生泄漏。同時，由于油液并不是絕對不可以壓縮的，油管等也會產生彈性變形，所以液壓傳動不宜用在傳動比要求較嚴格的場合。

（2）液壓傳動中的液壓沖擊和空穴現象會產生很大的震動和噪聲。

（3）在能量轉換和傳遞過程中，由于存在機械摩擦、壓力損失、泄漏損失，因而易使油液發熱，總效率降低，故液壓傳動不宜用于遠距離傳動。

（4）液壓傳動性能對溫度比較敏感，故不宜在高溫及低溫下工作；液壓傳動裝置對油液的污染亦較敏感，故要求有良好的過濾設施。

（5）液壓元件加工精度要求高，一般情況下又要求有獨立的能源（如液壓泵站），這些可能使產品成本提高。

（6）液壓系統出現故障時不易追查原因，不易迅速排除。

4．液壓系統的設計步驟

（1）明確設計要求

明確待設計的液壓系統所要完成的運動和所要滿足的工作性能，具體來說就是：

①主機的類型、布置方式（臥式、斜式或垂直式）、空間位置等；

②執行元件的運動方式（直線運動、轉動或擺動）、動作循環及其范圍；

③舞臺機械所帶負荷的大小、性質及變化范圍，執行元件的速度及其變化范圍；

④各液壓執行元件動作之間的順序、轉換和互鎖要求；

⑤工作性能，如速度的平穩性、工作的可靠性、轉換精度、停留時間等方面的要求；

⑥液壓系統的工作環境；

⑦其他諸如液壓裝置的重量、外形尺寸、經濟性等方面的要求。

（2）工況分析

分析液壓執行元件在工作過程中速度和負載的變化規律，求出工作循環中各工作階段的速度和負載的大小，求出最大負載和最大速度值以及二者所在的工況，這是確定系統的性能參數和執行元件的結構參數（結構尺寸）的主要依據。

（3）確定液壓系統的主要性能參數

液壓系統的主要性能參數是指液壓執行元件的工作壓力和最大流量，這兩者是計算和選擇液壓元件、輔件、原動機（電機），進行液壓系統設計的主要依據。

（4）擬訂液壓系統圖（見圖2-16）

一般方法是首先根據動作和性能的要求，選擇并擬訂出液壓基本回路，然后再將各個基本回路組合成一個完整的液壓系統。

（5）計算和選擇液壓元件

計算液壓元件在工作中所承受的壓力和通過的流量，以便選擇和確定元件的規格尺寸。

（6）估算液壓系統的性能

（7）繪制工作圖、編寫技術文件

主要包括液壓系統圖、元件配置圖、泵站裝配圖、液壓缸和其他專用件的裝配圖和零件圖、管路裝配圖和電氣線路圖等。

二、電力驅動

電力驅動是指以電動機為原動機驅動各種機械，通過電動機將電能轉換成機械能，驅動機械運動（見圖2-17）。根據采用的電流制式不同，電動機分為直流電動機和交流電動機兩大類，其中，交流電動機又可分為同步電動機和異步（感應）電動機兩種。同步電動機轉子轉速和定子電流的頻率保持嚴格不變的關系，故稱為同步。直流電動機按照勵磁方式的不同分為他勵、并勵、串勵和復勵四種（可見直流電動機工作原理）。

電力驅動系統一般由電動機、控制設備、傳動機構、生產機械和電源組成，如圖2-18所示。

電動機作為電能轉換成機械能的主要設備，在實際應用中首先要具有較高的機電能量轉換效率，還要根據生產機械的工藝要求控制和調節旋轉速度。直流電動機驅動和交流電動機驅動在19世紀中先后誕生，交流電動機相比直流電動機，省去了換向器和電刷，結構簡單、結實、緊湊，維修工作量小、運行效率高、轉動慣量小、動態響應快、價格也低廉，可以做到高電壓、大容量、高速化，但由于它缺乏相應的控制手段，控制調速比較困難，所以在20世紀的大部分年代里，交流電動機主要用在不調速的場合。相比之下，直流電動機的轉速容易控制和調節，在額定轉速以下，保持勵磁電流恒定，可用改變電樞電壓的方法實現恒轉矩調速；在額定轉速以上，保持電樞電壓的恒定，可用改變勵磁的方法實現恒功率調速。采用轉速、電流雙閉環直流調速系統可以獲得優良的動、靜態調速性能，因此它作為調速電動機的代表，曾廣泛地用于工業生產中，在舞臺機械中也不例外，在國外的一些劇場中，至今仍能看到直流電動機驅動的舞臺機械。

但是直流電動機的機械式換向器，給直流傳動的應用帶來了一系列的限制：

首先是換向器表面線速度以及換向電流、電壓有一定的極限容許值，約束了單臺電機的轉速、功率上限。超過這一極限時就只能采取多電樞方案，這就增加了電機制造的難度和成本以及調速控制系統的復雜性。

其次是由于要使換向器可靠地工作，電樞以及換向器的直徑一般都做得比較大，因此電動機的轉動慣量就大，這對有快速響應要求的調速場合或者安裝場地上有尺寸要求的場合是很不利的。

再次是換向器必須定期停機檢修，運行中也要經常注意觀察換向器的火花情況，因此在一些惡劣條件下或難以接近的工作場所，使用直流電動機就很難保證長期運行的安全性。由于這些限制，人們長期以來一直致力于尋找用沒有換向器的交流電動機來取代直流電動機。

自從20世紀70年代以來，由于電力電子技術和微電子技術的飛速發展、新器件和新的控制系統的不斷推出，交流電機驅動逐漸具有與直流電機驅動同樣優良的調速性能，從而使交流電機驅動得到了迅速的發展。

除了上述的兩種驅動方式外，還有其他類型的驅動方式和傳動執行機構，應該根據劇場的實際使用情況、投資額度、產品的性價比等多方面綜合比較選用。

有關液壓驅動和電力驅動這兩種方式在舞臺機械中的使用情況，已經有專家進行了比較，見表2-2。