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1、舞台机械的安全性、可靠性与安全防护装置国家大剧院舞台设备部教授级高级工程师 段慧文摘要：安全性、可靠性是舞台机械设备的基本特性，安全防护装置是舞台机械的重要组成部分，是确保设备运行安全、防止发生人身伤亡事故、保证演出顺利进行不可缺少的装置。本文的重点不在于安全防护装置本身，而在于提醒设计人员对安全防护装置的重视，了解各类安全防护装置的设计要求以及正确选择安全防护装置。关键词：舞台机械安全性可靠性安全功能安全装置防护装置我曾经在本刊上发表过“舞台机械应具备的基本性能”和“舞台机械的安全设计”的文章，主要从设计的角度对设备安全、人身安全和电气安全等三方面提出一些看法，着重在设计参数、结构参数、标准
2、与规范的应用等方面，从舞台机械的基本性能出发，讨论一些重要的和容易被忽略又事关安全的问题，目的是从设计开始就要力图确保安全。本文将就舞台机械的安全性、可靠性以及安全防护装置的有关问题进行一些探讨，进一步加深对舞台机械安全性的认识，供设计人员参考。 舞台机械的安全性舞台机械的安全性是指舞台机械在按使用说明书（或操作手册）规定的预定使用条件下（有时在使用说明书或操作手册中给定的期限内），执行其功能和在运输、安装、调整、维修、拆卸和处理时不产生损伤或危害人员健康的能力。舞台机械的预定使用是指对它的合理使用。合理使用是指：根据舞台机械制造厂提供的信息或根据该机械的设计、结构与功能特点，采取与使用说明书
3、或操作手册中的技术说明相一致的方法与步骤，并适当考虑一些可以预见的不正确行为和误用，进行的正当使用。可预见的不正确行为和误用，是指非有意的对机器设备的滥用，通常是一般的不小心所致。有时是操作人员在某些情况下的反射行为，如机器设备在正常使用时突然失灵、产生故障或出现差错等情况时人的错误反应行为。对某些可供非专业人员使用的机械设备，要特别注意某些人（如儿童或残疾人）的可以预见的危险行为。对于以出租剧场和接待大量外来文艺团体进行演出为主要经营模式的剧场，对舞台机械设备的合理使用就显得十分重要。使用时，要有专业人员的技术指导，杜绝某些可以预见的危险行为。虽然这类剧场在设计伊始就考虑了舞台机械设备的实用
4、性和适应性（实际上，由于攀比风、贪大求全风盛行，真正做到这点的不多），但是，非专业技术人员使用舞台机械设备的几率仍然很多，此时，对它们的合理使用及可能产生的危险行为应该引起剧场管理人员的特别注意。安全性的着眼点是可能产生事故（损伤或危害健康）的起因和后果。设计、制造一个不产生事故的舞台机械设备是对该机械设备的基本安全要求，当操作或演出人员面临可能发生事故的危险状态时，所设定的安全要求应保证该机械设备不会达到危险或不安全的状态。舞台机械的可靠性舞台机械的可靠性是指舞台机械的零、部件或设备在规定的条件下和给定的期限内，执行所规定的功能而不产生故障的能力。机械零、部件的可靠性是机械安全功能完备性即机
5、械安全性的基础。对任何类型舞台机械的设计，首先要保证每一个零、部件是可靠的，这台机械设备才可能是安全的，这是一个普遍适用的原则。因此，通过设计达到舞台机械的可靠是保证舞台机械安全的基本环节。只有使舞台机械的所有零、部件在预定的使用条件下和在预定的期限内，能承受所有与该舞台机械有关的各种干扰和应力（如冲击、振动、温度、腐蚀、电磁等），也不会失效并使该舞台机械产生危险的误动作，正确的执行其功能而不产生故障，才能保证这台舞台机械是可靠的，对它的使用也才是安全的。 通过设计保证舞台机械的可靠性舞台机械零、部件的可靠性是由设计决定的，必须采取所有可能的手段和方法，通过设计减小舞台机械在长期使用过程中可能
6、产生的风险，使舞台机械在本质上是安全的。在舞台机械的安全设计一文中曾提出过足够的安全系数、合适的刚度、合理的结构和尺寸参数、可靠的安全装置、必要的备用系统或装置等设计要点。这里，为保证舞台机械的可靠性，对设计时应采取的措施简要叙述如下：采用适当、合理的设计结构，尽可能减小或避免产生危险。如容易接触的零件不应有会引起损伤的锐边、尖角、粗糙表面、突出部分和开口等。注意零、部件的形状和相对位置，增大或减小运动零、部件之间的最大或最小距离，使操作人员可以安全进入/接近或不能进入/接近设备，从而避免挤压或剪切危险。限制运动零件的质量、速度和加速度，以减小其动能和惯性力，限制或减小危险的程度。完全、不打折
7、扣的执行各项设计标准的规定，特别是针对舞台机械的特殊规定（目前国内这类标准正在编制中，可参考国外的有关标准）；合理选用材料及其制造工艺方法，正确选用安全系数，计算零件的强度，按舞台机械设备的需要计算零件和结构件的刚度，所选各种数据应符合舞台机械专业的有关规则；采取良好的结构设计和适当的措施（如使用载荷传感器或力矩限制器预防超载荷、使用速度编码器控制超速度、使用压力阀或压力传感器防止超压力等）限制构件或设备的应力；设置必要的安全功能和一定数量的安全装置，安全装置可以是单一的，也可以是与防护装置联用的；对舞台机械设备系统工程还要有必要的备用系统或装置，在控制系统中的某些环节要进行冗余设计；控制系统
8、的设计必须有操作者进行人工干预的子系统，如操作盘的使用授权、紧急停机等；控制系统必须能够防止故障（动力中断、安全保护装置被激发等）排除后的自动再启动；遵循人类功效学的原则设计操作控制系统，操作台的布置要合理，以减小操作者的紧张和体力消耗；各种指示器和显示装置的配置符合人的视觉习惯，位置合理，易于察看，信息的显示应在人能察觉的参数和特征范围之内；通过舞台机械本身的设计还不能适当避免或充分限制危险时，设置必要的防护装置，以保护操作、维修人员和演、职人员的安全。等等。 舞台机械装置常见的危险和安全功能 常见危险）机械方面挤压：主要由车台或车载转台运行时产生；剪切：主要由主升降台或乐池升降台等设备运行
9、时产生；缠绕：主要由钢丝绳卷扬机运行时产生；高压液流喷射：液压设备管道破裂时产生；其他：零件机械强度不够引起的断裂、与机械设备有关的人员滑倒、跌落等。）电气方面电击：可由人体与高压带电元件直接接触、带电元件的绝缘失效或静电引起；短路：过载等。安全功能舞台机械除要具备规定的功能（这些功能有悬吊景物，进行升降、旋转、平移等运动运送布景或人员演出，装载灯具，调整台口大小等）外，还必须具备安全功能，安全功能是舞台机械设计中需着重考虑的重要功能，这些功能是保证舞台机械安全运转的必备条件。安全功能是指当机械出现故障（由机械内部或由机械外部引起的）时，保护机械或人员不受损伤和危害，或不使损伤或危害继续增大的
10、功能。在机械安全标准中将安全功能定义为：出现故障会立即增加损伤或危害健康风险的机器功能（GB/T15706.1-1995机械安全基本概念与设计通则第1部分：基本术语、方法学）。常见的安全功能有：预防意外起动的功能、保持机械设备在安全限制参数范围以内运行的功能、对安全限制以内的参数进行自动监控的功能等，这些功能通过各种类型的安全装置，限制舞台机械在设计规定的技术参数范围内和规定的条件下运行，以避免设备或人员受到损伤或伤害。在舞台机械中有各种各样的安全装置担负着不同的安全功能，如：吊杆卷扬机的行程和超行程保护功能、钢丝绳松绳保护功能、过载保护功能、防钢丝绳脱槽（或叠绳）保护功能、速度及速度误差保护
11、功能等；台下设备的防剪切保护功能、防挤压保护功能、防跌落保护功能、行程及超行程保护功能等；控制系统中的防止意外起动的功能、运行指示功能、急停功能、参数自动监控功能、操作盘的授权和操作盘间优选和互斥的功能、安全显示功能、故障诊断功能等。实践证明，舞台机械设备及其控制系统的这些基本安全功能是舞台机械长期、安全和稳定运转的基本保证。 舞台机械的安全防护安全装置和防护装置安全防护是指在舞台机械的设计不能适当避免或充分限制人们遭遇可能的各种危险时，采用称为安全防护装置（安全装置、防护装置）的特定技术手段，保证舞台机械使用时安全的措施。）安全装置为了舞台机械的安全操作和运行、消除或减小各种危险（机械的和人
12、身的）的装置称为安全装置。这种装置可以是单一的，也可以是与防护装置联用的（但不是防护装置）。在舞台机械上设置的典型的安全装置有：防火幕：上、下行程及超行程开关，发生火灾紧急情况时，幕体无动力紧急下降及速度控制、缓冲装置，卷扬机松绳检测装置，紧急下降时的声、光显示装置等；布景吊杆：上、下行程及超行程开关，减速开关，速度连续检测装置，位置连续检测装置，过载检测装置，松绳检测装置，防钢丝绳脱槽装置和叠绳检测装置（无排绳器或钢丝绳偏角超出规定时）等；自由单点吊机和轨道单点吊机：上、下行程及超行程开关，速度连续检测装置，位置连续检测装置，过载检测装置，松绳检测装置，防钢丝绳脱槽装置和叠绳检测装置（无排绳
13、器或钢丝绳偏角超出规定时）等；灯光渡桥、灯光吊笼及定速天幕吊杆及侧吊杆：上、下行程及超行程开关，松绳检测装置，防钢丝绳脱槽装置和叠绳检测装置（无排绳器或钢丝绳偏角超出规定时）等；主舞台升降台、乐池升降台：上、下行程及超行程开关，减速开关，速度连续检测装置，位置连续检测装置，过载检测装置（必要时），松绳检测装置，防钢丝绳脱槽装置和叠绳检测装置（钢丝绳传动时），钢丝绳、链条或液压缸直顶传动时的定位锁紧装置，防剪切装置，运转声、光显示装置，采用“大螺旋”传动时的台面初始载荷测量开关装置（详见“演艺设备与科技”2005年第5期“大螺旋”在剧院领域的应用“一文）等；侧舞台车台：行程及超行程开关，减速开关
14、，速度连续检测装置，位置连续检测装置，防挤压和障碍检测装置（机械式、光电式、激光式或超声式）等；车载转台的车台：行程及超行程开关，减速开关，防挤压和障碍检测装置（机械式、光电式、激光式或超声式）等；有些舞台机械还采用了一些其他的安全装置：连锁装置（与防护装置联用的安全装置）：即在特定条件下运转的舞台机械如乐池升降台，和乐池进、出口门在电气上有连锁关系，只要乐池进、出口门不关闭，乐池升降台就不能运行。主舞台升降台与舞台各层台仓的防护门在电气上也有连锁关系，防护门关闭时，升降台可以运行（执行启动、停止或通过指令）；防护门打开时，升降台不能运行。自动停机装置：当人身体的一部分超越安全界限时，舞台机械
15、停止运行。自动停机装置可以是机械式的，如伸缩探头、弹性触发装置等；也可以是非机械式的，如光电装置、超声装置、压敏元件等。升降台的防剪切装置、侧车台和移动车转台移动台的防挤压装置，都有自动停机的功能。）防护装置防护装置是指对舞台机械的特殊部分采门专用的技术措施进行防护，避免对人员产生危害的装置。在通过舞台机械本身的设计还不能适当避免或充分限制危险时，应当设置适当的防护装置。它能防止人员进入被防护装置包围的空间，有时还要能接受设备抛出或掉下的部件。通常，多数的防护装置是设置物体障碍，如罩、壳、门以及封闭护栏等，使人员不能或不易接近或进入。防护装置可以是单独作用的，如固定式防护装置，只有它在关闭（即
16、保持在应该的位置上）状态时，才能提供有效的防护；也可以是与连锁装置（有防护锁或无防护锁）联合作用的，此时，防护装置本身无论处于任何位置，都能保证防护作用，因为该防护作用是由防护装置确定的防护位置和在此位置上的连锁装置来确保的。舞台机械常用的防护装置类型）固定式防护装置：固定式防护装置经常用作对舞台机械（如手动吊杆、假台口上片、灯光渡桥、防火幕和防火隔音幕、主舞台升降台等机械）的平衡重、幕体等人员可能接触的运动部件的防护。采用紧固零件将其在骨架上固定并保持在应有位置即关闭位置，除非使用工具不可能将其打开或拆除。少数的固定式防护装置，如升降台仅仅通过而不停靠的各层台仓的防护栏干，采用永久固定（如焊
17、接）的方式。）活动式防护装置：通过机械的方法（如铰链、滑道）与舞台机械的构架或邻近的固定结构相联接，在需要时到达关闭位置进行防护。防护装置打开时，与设备保持相对位置固定。如主升降台两侧的安全防护网、舞台台仓下芭蕾舞台板进入主升降台通道上的防护门、从舞台台仓两侧进入主升降台的防护门等。这类防护装置多用单独的电动机驱动系统，一般都与连锁装置联用。）连锁防护装置：多数在舞台机械上使用的活动式防护装置，与它们防护的设备间都有电气连锁关系，都属于连锁防护装置。其特点是只要连锁防护装置没有关闭，给出的是停机命令，只有连锁防护装置处于关闭状态，设备才能执行运行命令，但连锁防护装置的关闭本身并不能使设备自行起
18、动。）带防护锁的连锁防护装置：具有连锁装置和锁紧装置两种特性的防护装置。如国家大剧院戏剧场鼓筒式转台内部防护栏杆的进、出门，台仓内转台四周从防护栏杆进、出转台的门，都设有电气防护锁。详见演艺设备与科技2005年第6期国家大剧院戏剧场鼓筒式转台的总体结构与安全防护措施一文。 舞台机械安全防护装置的选用和设计要点安全防护装置的选用安全防护装置的主要作用是防止设备零、部件运动时对人员产生的危险，安全防护装置类型的选用，要根据设备运转时，操作者或其他人员需要接近或进入该危险区的频度决定。例如，固定式防护装置结构简单，在设备正常运转期间操作者或其他人员不需要进入危险区时应优先选用；如果进入危险区的需要较
19、多，反复、多次打开和重新固定防护装置将带来不便时，则应考虑选用活动式防护装置、连锁防护装置、自动停机装置等。）设备正常运转时，操作者或其他人员不接近或不进入危险区时，根据场合不同选用固定式防护装置、连锁防护装置、自动停机装置等。）设备正常运转时，操作者或其他人员可能进入危险区时，根据需要选用连锁防护装置、自动停机装置、带防护锁的连锁防护装置等。）对设备进行检查、维护修理时需要人员进入危险区时，防护装置应能保证他们的安全。这需要控制系统的协同设计。设计安全防护装置的注意事项一般要求）安全防护装置的形式及结构应与设备的工作环境相适应，坚固耐用且不会对设备的正常运转造成干扰。）防护装置的设置不会对设
20、备和人员带来附加危险。）防护装置的设置应符合有关标准关于防止肢体触及危险区的安全距离的规定。固定式防护装置）防护网应有一定的高度，一般距地面2.3m以上。）护网的孔径以人手不能伸进为限。）防护网与设备运动件的净距离应大于50mm，或符合有关安全距离的标准。连锁防护装置）防护装置关闭前，被防护的设备（或设备的可动部分）不能动作。）如果设备的运动指令在执行时，防护装置被打开，则给出停机命令。）防护装置关闭时，设备的运动指令可以执行，但防护装置关闭的本身并不能自行启动设备的运动。带防护锁的连锁防护装置）防护装置关闭和在防护锁锁定前，被防护的设备（或设备部分）不能运动。）可能造成危险的设备运动部分通过
21、前，防护装置一直保持关闭和锁定。）防护装置关闭和锁定时，设备的运动功能可以执行，但防护装置关闭和锁定的本身并不能自行启动设备的运动。 结语安全防护装置是舞台机械设备不可缺少的重要组成部分，是在设计开始就要着重考虑的问题。舞台机械专业不仅要和电气控制专业密切配合，设计好设备内部的有关安全问题的各种安全装置，还要设计好设备外部的各种防护装置，以减少由于舞台机械设备自身设计不能完全避免或充分限制的危险。大多数安全防护装置（固定式安全防护装置除外）并不能独立工作、单独完成安全防护任务，多是与操作控制系统融为一体的。舞台机械设备的工作环境和运转条件是极其复杂的，为了保证演员、剧场舞美工作人员和维修管理人
22、员的安全，舞台机械的设计人员除从机械设计、安全设计和防护装置设计等方面工作外，还要着眼于紧急状态，设置一些必要的附加措施，以预防或减轻意外事故带来的危害。这些措施有：紧急停机装置（简称急停装置，不同于自动停机装置），可以避免即将发生的事故或使已经发生的事故所造成的危害不再扩大。急停装置必须是易于识别、清晰可见、能迅速接近的手动操纵器。急停装置操纵器被激发后，应一直保持接合状态直至经适当操作后才能重新复位。急停装置重调复位前，对设备的任何启动指令均是无效的，急停装置重调复位本身不能使设备重新起动，而只是在事故或故障已经排除、允许起动时才能动起。关于紧急停机系统详见“演艺设备与科技”2005年第4
23、期“现代舞台机械的控制系统”一文。人员陷入危险时必需的逃生措施，如在主舞台升降台钢结构的最下部与固定地面之间，必须有800mm以上的逃生距离。舞台机械的安全防护装置不能影响设备的维修，且在维修期间也能确保维修人员的安全。一旦维修人员进入并使用就地操作模式后，设备将拒绝来自其它操作台（盘）的任何信号或指令。在不使用就地操作盘时，可以断开动力电源或其他形式的动力源。关于设备的就地操作详见“演艺设备与科技”2005年第4期“现代舞台机械的控制系统”一文。通常，通过设计和采用安全防护技术也不能完全避免风险时，必须给用户关于遗留风险的提示和警告，设置必要的使用信息。如在文件中、机械设备上、设备安装使用地
24、点给出视觉（如闪光灯）、听觉（如蜂鸣器）、标志符号等信号和文字警告装置。视觉、听觉信号要易于觉察并和其他信号相区别，标志、符号和文字警告要易于理解和明确，各种形象图形符号应优先于文字警告。本文的重点不在对各类安全防护装置本身结构的讨论，而在于提醒设计人员对舞台机械设备的安全性、可靠性以及安全防护装置的重视，了解各类安全防护装置的设计要求以及正确选择安全防护装置。参考文献： 机械安全基本概念与设计通则第部分：基本术语、方法学 机械安全基本概念与设计通则第部分：技术原则与规范 机械安全防止上肢触及危险区的安全距离 机械安全防止下肢触及危险区的安全距离 机械安全指示、标志和操作第部分：关于视觉、听觉和触觉信号的要求 机械安全指示、标志和操作第部分：标志要求