國(guó)慶70周年煙花燃放裝置“欣欣向榮”的設(shè)計(jì)

原博 高浪 鄭志榮 李軍良

[摘要]介紹國(guó)慶70N年聯(lián)歡活動(dòng)三維動(dòng)態(tài)煙花燃放裝置“欣欣向榮”主題的工藝要求、裝置要求、實(shí)現(xiàn)原理以及整體布置。

[關(guān)鍵詞]國(guó)慶70N年;煙花燃放裝置;工藝要求;驅(qū)動(dòng)裝置;機(jī)械原理;整體布置

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

2019年10月1日，立體化設(shè)計(jì)的七棵絢爛多姿、流光溢彩的“鐵樹銀花”給人以強(qiáng)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(gè)焰火大字，更是照亮全國(guó)億萬人民的心靈。

“鐵樹銀花”的表演理念來自中國(guó)焰火第一人蔡國(guó)強(qiáng)，將煙花燃放裝置設(shè)計(jì)為七棵樹的形狀，每棵樹高25m，包含四個(gè)象限，通過煙花樹的旋轉(zhuǎn)，每個(gè)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(gè)象限組成三個(gè)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(dòng)態(tài)煙花燃放裝置（圖1）由北京北特圣迪科技發(fā)展有限公司進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)，并執(zhí)行電氣控制和現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)指導(dǎo)及保障。“欣欣向榮”作為本次活動(dòng)的壓軸表演，工藝要求極為苛刻，本文將對(duì)該主題每一幅畫面的工藝要求、裝置要求、實(shí)現(xiàn)原理以及整體布置進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1總體要求

（1）每棵煙花樹上單幅畫面長(zhǎng)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(jù)煙花樹的承載能力，要求每棵煙花樹上單個(gè)象限的煙花燃放裝置重量須在2.5t以內(nèi)。

（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(gè)畫面的工藝要求

2.1孔雀頭（第一棵煙花樹）

整個(gè)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(shè)計(jì)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(shí)針旋轉(zhuǎn)，50s轉(zhuǎn)不小于12圈;花枝繞中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，50s轉(zhuǎn)不小于12圈。

右側(cè)畫面外花瓣繞中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，50s轉(zhuǎn)不小于12圈;內(nèi)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(gè)風(fēng)車?yán)@自中心旋轉(zhuǎn)，50s轉(zhuǎn)不小于8圈;4片葉子左右擺動(dòng)，擺動(dòng)角度約50°，擺動(dòng)不小于8次（根部葉子擺動(dòng)幅度略小）。

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

右側(cè)畫面要求火車軌道鏈條式向后直線運(yùn)動(dòng);5片小草左右擺動(dòng)，擺動(dòng)角度約50°，擺動(dòng)不小于8次。

2.4命運(yùn)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(zhuǎn)，50s轉(zhuǎn)不小于8圈;地球繞垂直地面旋轉(zhuǎn)，50s轉(zhuǎn)不小于8圈。

左下方畫面要求八個(gè)人沿八邊形邊翻轉(zhuǎn)，50s轉(zhuǎn)不小于8圈;中間風(fēng)車逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

右下側(cè)畫面外手臂繞中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，50s轉(zhuǎn)不小于8圈;地球繞中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，50s轉(zhuǎn)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(shí)針旋轉(zhuǎn)，50s轉(zhuǎn)不小于8圈;中間握手不動(dòng)。

左下方畫面外側(cè)紙飛機(jī)繞中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，50s轉(zhuǎn)不小于8圈;中間飛機(jī)繞中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，50s轉(zhuǎn)不小于8圈。

右側(cè)畫面潛艇上下振動(dòng)，50s上下振動(dòng)不小于8次。

2.6冬奧會(huì)（第六棵煙花樹）

如圖6所示，上方和左下方畫面要求外側(cè)雪花繞中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，50s轉(zhuǎn)不小于8圈;中間繞中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，50s轉(zhuǎn)不小于8圈。

右下側(cè)畫面要求外側(cè)雪花開合運(yùn)動(dòng)，50s開合不小于8次。

中間繞中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，50s轉(zhuǎn)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(shí)針旋轉(zhuǎn)，50s轉(zhuǎn)不小于8圈。鴿子繞中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，50s轉(zhuǎn)不小于8圈。

左下方畫面的工藝要求為飛機(jī)繞小孩逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，50s轉(zhuǎn)不小于8圈。

3功能的實(shí)現(xiàn)原理

為最大限度減輕重量，每套煙花裝置均采用一套驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。按照運(yùn)動(dòng)方式，功能部件所有機(jī)構(gòu)大致可分為：內(nèi)外圈反向旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和左右擺動(dòng)組合運(yùn)動(dòng)、八邊形外翻旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、雪花開合裝置。其他功能部件的機(jī)械原理與以上類似。

3.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（圖8）整套裝置由一臺(tái)減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，減速電機(jī)為雙出軸式，一端直接連接鏈輪，實(shí)現(xiàn)逆時(shí)針驅(qū)動(dòng)功能，另一端通過齒輪傳動(dòng)，換向后連接同類型的鏈輪，實(shí)現(xiàn)順時(shí)針驅(qū)動(dòng)功能。順逆鏈輪均可驅(qū)動(dòng)2至3排鏈條，并且在高度上錯(cuò)開，以便驅(qū)動(dòng)各個(gè)功能部件且避免鏈條間的干涉，最大程度實(shí)現(xiàn)功能件的標(biāo)準(zhǔn)化。為了確保傳動(dòng)的可靠性，整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置一臺(tái)相同功率的備用電機(jī)，以防主電機(jī)故障。

3.2內(nèi)外圈反向旋轉(zhuǎn)功能的實(shí)現(xiàn)

如圖9所示，內(nèi)外圈旋轉(zhuǎn)裝置為雙層套筒式結(jié)構(gòu)，執(zhí)行件（內(nèi)、外圈）與傳動(dòng)件（傳動(dòng)鏈輪）分別設(shè)置在套筒的兩側(cè)，這樣有利于懸臂套筒的受力。內(nèi)外圈由各自的鏈輪分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)鏈輪與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的鏈輪一樣，均可連接2至3排鏈條，而且高度方向錯(cuò)位布置。逆時(shí)針鏈輪處和內(nèi)外圈之間均設(shè)置有導(dǎo)電滑環(huán)，保證運(yùn)動(dòng)和煙花的點(diǎn)火線路互不干涉。

3.3旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和左右擺動(dòng)組合運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和左右擺動(dòng)組合運(yùn)動(dòng)主要出現(xiàn)在第三棵煙花樹“綠色出行”（圖3）中，“綠色出行”的三幅畫面運(yùn)動(dòng)的基本原理相同，現(xiàn)就其左上畫面來說，其運(yùn)動(dòng)原理如圖10所示，動(dòng)力由曲柄搖桿處通過鏈條接入，再通過鏈條并聯(lián)傳遞給回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件（風(fēng)車），曲柄搖桿機(jī)構(gòu)將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為擺動(dòng)后，通過四連桿機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)樹葉分別傳遞給各個(gè)從動(dòng)樹葉。驅(qū)動(dòng)樹葉的擺動(dòng)幅度由曲柄連桿機(jī)構(gòu)決定，從動(dòng)樹葉的擺動(dòng)幅度均可由四連桿機(jī)構(gòu)的連桿長(zhǎng)度和鉸接半徑調(diào)節(jié)。

3.4八邊形外翻旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

八邊形外翻旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是第四棵煙花樹“命運(yùn)共同體”（圖4）的左下方畫面，其運(yùn)動(dòng)原理如圖11所示，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力經(jīng)鏈輪并行傳遞，一個(gè)直接傳遞至風(fēng)車架，帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn);另一個(gè)通過換向器換向后，由鏈條傳遞給首尾相連的八個(gè)萬向接軸，帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，八個(gè)人形框架剛性地固定在八個(gè)萬向接軸上，完成繞萬向接軸翻轉(zhuǎn)的效果。

3.5雪花開合裝置的功能實(shí)現(xiàn)

雪花開合裝置是第六棵煙花樹“冬奧會(huì)”（圖6）的右下畫面，其動(dòng)作原理如圖12所示，機(jī)構(gòu)的開合桿單向鉸接在固定盤上，鏈輪驅(qū)動(dòng)曲軸帶動(dòng)萬向連桿驅(qū)動(dòng)開合桿進(jìn)行開合動(dòng)作，12根開合桿之間用隨動(dòng)連桿相連，總體組成一個(gè)巨大的可開合的雪花結(jié)構(gòu)。隨動(dòng)連桿一端單向鉸接在開合桿上，另一端與另一個(gè)隨動(dòng)連桿單向鉸接，但開合過程中隨動(dòng)桿兩端的扭轉(zhuǎn)動(dòng)作沒有釋放，會(huì)造成機(jī)械卡死，所以每個(gè)隨動(dòng)連桿的另兩個(gè)單向鉸之間設(shè)置有一個(gè)回轉(zhuǎn)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?jī)煽脴渲g由線條相連接，線條布置在網(wǎng)架上，由升降機(jī)起升至固定高度，保證焰火樹上的線條和網(wǎng)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(diǎn)亮次序?yàn)槭紫赛c(diǎn)亮除孔雀頭之外的六棵煙花樹，延時(shí)1s～2s所有機(jī)械裝置工作，形成3D焰火的效果，每棵樹呈現(xiàn)各自的主題;3s后點(diǎn)亮孔雀頭，并依次點(diǎn)亮線條，瞬間將6幅獨(dú)立的主題煙花連接成為一幅巨大的焰火長(zhǎng)卷“孔雀開屏”（圖14）。精心的設(shè)計(jì)、制作和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，讓煙花裝置表演完美綻放，令人回味無窮。

（編輯：王芳）