國慶70周年煙花燃放裝置“欣欣向榮”的設計

原博 高浪 鄭志榮 李軍良

[摘要]介紹國慶70N年聯歡活動三維動態煙花燃放裝置“欣欣向榮”主題的工藝要求、裝置要求、實現原理以及整體布置。

[關鍵詞]國慶70N年;煙花燃放裝置;工藝要求;驅動裝置;機械原理;整體布置

文章編號：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.11.005

2019年10月1日，立體化設計的七棵絢爛多姿、流光溢彩的“鐵樹銀花”給人以強烈的視覺沖擊，尤其是“欣欣向榮”的孔雀開屏襯托著“人民萬歲”幾個焰火大字，更是照亮全國億萬人民的心靈。

“鐵樹銀花”的表演理念來自中國焰火第一人蔡國強，將煙花燃放裝置設計為七棵樹的形狀，每棵樹高25m，包含四個象限，通過煙花樹的旋轉，每個象限分別組合完成四種不同形式的表演。第一象限為舞美的LED屏，其他三個象限組成三個主題的煙花裝置，分別為“牡丹盛開“美好家園”和“欣欣向榮”。

“欣欣向榮”主題的三維動態煙花燃放裝置（圖1）由北京北特圣迪科技發展有限公司進行研發設計，并執行電氣控制和現場的技術指導及保障。“欣欣向榮”作為本次活動的壓軸表演，工藝要求極為苛刻，本文將對該主題每一幅畫面的工藝要求、裝置要求、實現原理以及整體布置進行詳細闡述。

1總體要求

（1）每棵煙花樹上單幅畫面長寬約14m，為了保證單幅畫面的14m寬度，每套煙花裝置厚度要求最少1.4m（包含桁架厚度）。

（2）根據煙花樹的承載能力，要求每棵煙花樹上單個象限的煙花燃放裝置重量須在2.5t以內。

（3）為了滿足快裝快拆的要求，每套煙花燃放裝置均需采取整體起吊和安全快速的掛靠固定方式。

2單個畫面的工藝要求

2.1孔雀頭（第一棵煙花樹）

整個孔雀頭高約16m、寬14m，為了保證整體起吊和最大寬度的要求，整體厚度設計為1.6m。

2.2繁花似錦（第二棵煙花樹）

如圖2所示，左下畫面祥云花芯繞中心順時針旋轉，50s轉不小于12圈;花枝繞中心逆時針旋轉，50s轉不小于12圈。

右側畫面外花瓣繞中心逆時針旋轉，50s轉不小于12圈;內6片花瓣張開，50s開合不小于12次。

2.3綠色出行（第三棵煙花樹）

如圖3所示，左上畫面要求3個風車繞自中心旋轉，50s轉不小于8圈;4片葉子左右擺動，擺動角度約50°，擺動不小于8次（根部葉子擺動幅度略小）。

左下畫面，兩輛自行車車輪旋轉，50s轉不小于8圈;4片葉子左右擺動，擺動角度約50。，擺動不小于8次（根部葉子擺動幅度略小）。

右側畫面要求火車軌道鏈條式向后直線運動;5片小草左右擺動，擺動角度約50°，擺動不小于8次。

2.4命運共同體（第四棵煙花樹）

如圖4所示，上方畫面要求外手臂繞中心旋轉，50s轉不小于8圈;地球繞垂直地面旋轉，50s轉不小于8圈。

左下方畫面要求八個人沿八邊形邊翻轉，50s轉不小于8圈;中間風車逆時針旋轉。

右下側畫面外手臂繞中心順時針旋轉，50s轉不小于8圈;地球繞中心逆時針旋轉，50s轉不小于8圈。

2.5科技騰飛（第五棵煙花樹）

如圖5所示，左上方畫面高鐵繞中心順時針旋轉，50s轉不小于8圈;中間握手不動。

左下方畫面外側紙飛機繞中心逆時針旋轉，50s轉不小于8圈;中間飛機繞中心順時針旋轉，50s轉不小于8圈。

右側畫面潛艇上下振動，50s上下振動不小于8次。

2.6冬奧會（第六棵煙花樹）

如圖6所示，上方和左下方畫面要求外側雪花繞中心逆時針旋轉，50s轉不小于8圈;中間繞中心順時針旋轉，50s轉不小于8圈。

右下側畫面要求外側雪花開合運動，50s開合不小于8次。

中間繞中心順時針旋轉，50s轉不小于8圈。

2.7和平未來（第七棵煙花樹）

如圖7所示，左上方和右上方兩幅畫面工藝要求為橄欖枝繞中心順時針旋轉，50s轉不小于8圈。鴿子繞中心逆時針旋轉，50s轉不小于8圈。

左下方畫面的工藝要求為飛機繞小孩逆時針轉動，50s轉不小于8圈。

3功能的實現原理

為最大限度減輕重量，每套煙花裝置均采用一套驅動裝置進行驅動。按照運動方式，功能部件所有機構大致可分為：內外圈反向旋轉、旋轉運動和左右擺動組合運動、八邊形外翻旋轉機構、雪花開合裝置。其他功能部件的機械原理與以上類似。

3.1驅動系統

驅動系統（圖8）整套裝置由一臺減速電機驅動，減速電機為雙出軸式，一端直接連接鏈輪，實現逆時針驅動功能，另一端通過齒輪傳動，換向后連接同類型的鏈輪，實現順時針驅動功能。順逆鏈輪均可驅動2至3排鏈條，并且在高度上錯開，以便驅動各個功能部件且避免鏈條間的干涉，最大程度實現功能件的標準化。為了確保傳動的可靠性，整個驅動系統設置一臺相同功率的備用電機，以防主電機故障。

3.2內外圈反向旋轉功能的實現

如圖9所示，內外圈旋轉裝置為雙層套筒式結構，執行件（內、外圈）與傳動件（傳動鏈輪）分別設置在套筒的兩側，這樣有利于懸臂套筒的受力。內外圈由各自的鏈輪分別進行驅動，傳動鏈輪與驅動系統的鏈輪一樣，均可連接2至3排鏈條，而且高度方向錯位布置。逆時針鏈輪處和內外圈之間均設置有導電滑環，保證運動和煙花的點火線路互不干涉。

3.3旋轉運動和左右擺動組合運動的實現

旋轉運動和左右擺動組合運動主要出現在第三棵煙花樹“綠色出行”（圖3）中，“綠色出行”的三幅畫面運動的基本原理相同，現就其左上畫面來說，其運動原理如圖10所示，動力由曲柄搖桿處通過鏈條接入，再通過鏈條并聯傳遞給回轉運動部件（風車），曲柄搖桿機構將回轉運動轉化為擺動后，通過四連桿機構由驅動樹葉分別傳遞給各個從動樹葉。驅動樹葉的擺動幅度由曲柄連桿機構決定，從動樹葉的擺動幅度均可由四連桿機構的連桿長度和鉸接半徑調節。

3.4八邊形外翻旋轉機構的實現

八邊形外翻旋轉機構是第四棵煙花樹“命運共同體”（圖4）的左下方畫面，其運動原理如圖11所示，驅動系統的動力經鏈輪并行傳遞，一個直接傳遞至風車架，帶動其旋轉;另一個通過換向器換向后，由鏈條傳遞給首尾相連的八個萬向接軸，帶動其旋轉，八個人形框架剛性地固定在八個萬向接軸上，完成繞萬向接軸翻轉的效果。

3.5雪花開合裝置的功能實現

雪花開合裝置是第六棵煙花樹“冬奧會”（圖6）的右下畫面，其動作原理如圖12所示，機構的開合桿單向鉸接在固定盤上，鏈輪驅動曲軸帶動萬向連桿驅動開合桿進行開合動作，12根開合桿之間用隨動連桿相連，總體組成一個巨大的可開合的雪花結構。隨動連桿一端單向鉸接在開合桿上，另一端與另一個隨動連桿單向鉸接，但開合過程中隨動桿兩端的扭轉動作沒有釋放，會造成機械卡死，所以每個隨動連桿的另兩個單向鉸之間設置有一個回轉鉸，以釋放該方向的自由度。

4煙花樹的總體布置

七棵煙花樹的排布如圖13所示，每兩棵樹之間由線條相連接，線條布置在網架上，由升降機起升至固定高度，保證焰火樹上的線條和網架上的線條良好的銜接，從而組成一幅巨大的孔雀開屏。

5煙花裝置的表演形式

煙花的點亮次序為首先點亮除孔雀頭之外的六棵煙花樹，延時1s～2s所有機械裝置工作，形成3D焰火的效果，每棵樹呈現各自的主題;3s后點亮孔雀頭，并依次點亮線條，瞬間將6幅獨立的主題煙花連接成為一幅巨大的焰火長卷“孔雀開屏”（圖14）。精心的設計、制作和現場維護，讓煙花裝置表演完美綻放，令人回味無窮。

（編輯：王芳）