大型多功能搖擺表演船的設計與實施

原 博，李 超，丁相文，薛根昌

（北京北特圣迪科技發展有限公司，北京 100028）

隨著國民經濟的飛速發展，人民生活水平日益提高，文化娛樂產業的發展日新月異，演藝表演形式也日趨多元化，標新立異的機械裝置表演成為當前演出追逐的熱點。這是舞臺機械行業的機遇，也是挑戰。

在模擬海戰的表演形式中，“表演船”是最具代表性的裝置之一。為了更好地模擬船體在實際航行中的動作、遭遇風浪的場景以及戰爭場面等多元化的表演形態，“表演船”需要嵌套各種機械動作來滿足具體功能的需要。

本文以某水秀項目為例，詳細介紹大型多功能搖擺表演船（以下簡稱“搖擺船”）裝置的動作方案，解析實現動作方案的設計思路、工藝要求、機構原理及功能。

1 動作方案及運動姿態

船體長度18 m、寬度5 m、高度5.5 m，桅桿高度8 m，船體動載30 kN。圖1所示為船體正常姿態效果圖。

1.1 模擬風浪模式船體的運動姿態

（1）前后搖擺

船體繞其視覺形心位置前后搖擺。搖擺行程±10°，搖擺周期16 s，額定動載30 kN。

（2）左右搖擺

船體繞其視覺形心位置左右搖擺。搖擺行程±5°，搖擺周期7 s，額定動載30 kN。

圖1 船體正常姿態效果圖

1.2 模擬海戰場面的運動姿態

圖2所示為船體戰爭姿態的效果圖。

船體在海戰場面的動作除了前后搖擺、左右搖擺之外，還包含以下兩個動作。

（1）船體斷裂

船體前端繞底部擺動。搖擺行程0～30°，擺動時間16 s，額定動載10 kN。

（2）桅桿倒塌

中間桅桿繞其底部旋轉傾倒。桅桿行程0～90°，倒下時間7 s，額定動載5 kN。

圖2 船體戰爭姿態效果圖

2 設計思路

2.1 整體工藝要求

眾所周知，水中裝置的關鍵是動力來源，并且還要保證水中裝置運行的安全和可靠，避免漏電等安全隱患，一般采取兩種方案。

（1）動力系統外置。電氣設備隔離后，利用鋼絲繩、鏈條等方式，將動力傳遞至水中的動作機構和設備，典型設備就是水中升降臺、水中移動車臺等。

（2）利用液壓系統直接在水中進行驅動。

以上兩種動力和驅動布置方式都有其局限性。動力系統外置式的布置方式，對于動作機構復雜的設備極其不適用，常常因為機構過于復雜和冗余無法設計，只能改為液壓驅動的方式。而液壓驅動一方面成本較高，另一方面常常因為漏油等原因影響水質。尤其是對水質環境要求較高的特殊工況，不適合使用液壓驅動。

為了使動力系統和機構在滿足使用條件和工況的情況下更為簡單，搖擺船整體工藝平面布置如圖3所示。基礎條件進行干濕隔離，將整體的動力系統布置在干區，并進行防水處理。

這種布置方式在不影響觀演效果的前提下，將整個設備作為干區設備進行正常設計，所有機構采用電動直驅，經濟性好。

圖3 搖擺船工藝平面布置圖

圖4 船體前后搖擺動作原理

2.2 裝置的整體動作方案

船體所有動作包含前后搖擺、左右搖擺、船體斷裂和桅桿倒塌四個動作。為了滿足模擬動作的實際效果，四個動作層級嵌套布置，即船體斷裂和桅桿倒塌兩個動作相互獨立，嵌套在左右顛簸的船體上。以上三個動作由船體帶動，實現整體的前后搖擺。

3 各動作的機構設計

3.1 前后搖擺

如圖4所示，搖擺船體有若干組支撐輪支撐并導向，由電機減速機帶動鏈輪旋轉，從而形成圓周方向的牽引力，實現整個船體的前后搖擺動作。配合限位開關的電氣控制，完成前后搖擺的行程控制。

前后搖擺的回轉中心設置在搖擺船的視覺形心處。既滿足實際模擬動作的真實效果，使整個船體的擺動更加符合力學規律，動作更為流暢，也可使得整體設計無偏載，各部分受力更為均衡，大大降低動力系統的功率。

圖5 船體左右搖擺動作原理圖

3.2 左右搖擺

船體左右搖擺的動作原理如圖5所示。左右搖擺動作機構采用齒輪齒條傳動，船體搖擺的回轉中心設置在其理論形心。這種機構設計方式在平衡狀態下，驅動齒條連桿受力很小，驅動功率大大減小。

船體的擺動幅度較小（±5°），左右搖擺動作設置一對行程開關，一個零位開關，通過電控簡單的設置（速度曲線的擬合），船體與連桿鉸接處的運動便可實現近似的單擺運動，即簡諧振動。根據簡諧振動的運動特性可知，這種機構形式動作和諧、流暢，符合常規船體擺動時的力學特性，觀賞效果真實。

3.3 船體斷裂

船體斷裂的動作原理如圖6所示。船頭與船體之間由鉸鏈相連，船頭的斷裂動作由一組電動推桿的伸縮來實現，電動推桿之間機械同步，電動推桿上設置位置開關，用來控制整個動作的行程。

3.4 桅桿倒塌

桅桿倒塌的工藝不同于旗桿的傾倒設計。旗桿傾倒基本不受風阻的影響，模擬該動作只需實現旗桿自由狀態下的自然傾倒。而桅桿的倒塌，受風帆的影響，倒下速度相對較小，也較為平穩。因此，在進行模擬時，需要保證桅桿勻速倒下。

桅桿倒塌的動作原理如圖7所示。整個機構由卷揚機驅動，卷揚機倒掛固定于船體鋼結構的下表面，采用上出繩，使得整個動作期間卷揚機出繩角度基本不變，倒塌速度基本為勻速。這種工藝設計，卷揚機的功率和鋼絲繩的受力，僅需考慮桅桿倒塌時力矩最大狀態時的瞬時功率和受力即可（因為卷揚機的出繩角度設計為基本不變，即整個驅動的反向力臂基本不變）。桅桿有鉸接結構固定于船體鋼結構的上表面，使桅桿可以自由地繞鉸接點旋轉；桅桿下部設置配重，可降低驅動部件的受力及功率。

圖6 船體斷裂動作原理圖

圖7 桅桿倒塌動作原理圖

4 裝置的整體設計方案

該搖擺船的整體設計方案如圖8所示。所有動作按照層級嵌套布置，均可實現單獨控制。在各動作行程范圍內，為整個搖擺船在戰爭場面中的姿態帶來意想不到的隨意性，每個動作設置各自的零位開關，可以讓船體在表演完成后，各個動作迅速歸零，恢復正常航行狀態。

圖8 搖擺船布置圖

圖9 搖擺船實體效果

船體各個動作設計基本做到受力平衡，使得船體靜態狀態下，各個驅動基本不受力，一方面便于檢修和維護，另一方面也是對各運動機構常態下的保護，使得各驅動具有更高的經濟性和實用性。

5 實施效果

圖9為該水秀項目搖擺船的最終實施效果。實施完工后，主體結構約18 t，美工包裝后約22 t，總功率33.9 kW。搖擺船能夠實現前后搖擺、左右搖擺、船體斷裂以及桅桿倒塌四個動作，四個動作分別由一臺電機獨立驅動。各動作之間互不干擾，可以模擬完成風浪運行和海戰場面等場景，運行流暢、效果逼真，滿足工藝設計的要求，且具有極高的觀賞價值。