国庆70周年烟花燃放装置“欣欣向荣”的设计

原博 高浪 郑志荣 李军良

[摘要]介绍国庆70N年联欢活动三维动态烟花燃放装置“欣欣向荣”主题的工艺要求、装置要求、实现原理以及整体布置。

[关键词]国庆70N年;烟花燃放装置;工艺要求;驱动装置;机械原理;整体布置

文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.11.005

2019年10月1日，立体化设计的七棵绚烂多姿、流光溢彩的“铁树银花”给人以强烈的视觉冲击，尤其是“欣欣向荣”的孔雀开屏衬托着“人民万岁”几个焰火大字，更是照亮全国亿万人民的心灵。

“铁树银花”的表演理念来自中国焰火第一人蔡国强，将烟花燃放装置设计为七棵树的形状，每棵树高25m，包含四个象限，通过烟花树的旋转，每个象限分别组合完成四种不同形式的表演。第一象限为舞美的LED屏，其他三个象限组成三个主题的烟花装置，分别为“牡丹盛开“美好家园”和“欣欣向荣”。

“欣欣向荣”主题的三维动态烟花燃放装置（图1）由北京北特圣迪科技发展有限公司进行研发设计，并执行电气控制和现场的技术指导及保障。“欣欣向荣”作为本次活动的压轴表演，工艺要求极为苛刻，本文将对该主题每一幅画面的工艺要求、装置要求、实现原理以及整体布置进行详细阐述。

1总体要求

（1）每棵烟花树上单幅画面长宽约14m，为了保证单幅画面的14m宽度，每套烟花装置厚度要求最少1.4m（包含桁架厚度）。

（2）根据烟花树的承载能力，要求每棵烟花树上单个象限的烟花燃放装置重量须在2.5t以内。

（3）为了满足快装快拆的要求，每套烟花燃放装置均需采取整体起吊和安全快速的挂靠固定方式。

2单个画面的工艺要求

2.1孔雀头（第一棵烟花树）

整个孔雀头高约16m、宽14m，为了保证整体起吊和最大宽度的要求，整体厚度设计为1.6m。

2.2繁花似锦（第二棵烟花树）

如图2所示，左下画面祥云花芯绕中心顺时针旋转，50s转不小于12圈;花枝绕中心逆时针旋转，50s转不小于12圈。

右侧画面外花瓣繞中心逆时针旋转，50s转不小于12圈;内6片花瓣张开，50s开合不小于12次。

2.3绿色出行（第三棵烟花树）

如图3所示，左上画面要求3个风车绕自中心旋转，50s转不小于8圈;4片叶子左右摆动，摆动角度约50°，摆动不小于8次（根部叶子摆动幅度略小）。

左下画面，两辆自行车车轮旋转，50s转不小于8圈;4片叶子左右摆动，摆动角度约50。，摆动不小于8次（根部叶子摆动幅度略小）。

右侧画面要求火车轨道链条式向后直线运动;5片小草左右摆动，摆动角度约50°，摆动不小于8次。

2.4命运共同体（第四棵烟花树）

如图4所示，上方画面要求外手臂绕中心旋转，50s转不小于8圈;地球绕垂直地面旋转，50s转不小于8圈。

左下方画面要求八个人沿八边形边翻转，50s转不小于8圈;中间风车逆时针旋转。

右下侧画面外手臂绕中心顺时针旋转，50s转不小于8圈;地球绕中心逆时针旋转，50s转不小于8圈。

2.5科技腾飞（第五棵烟花树）

如图5所示，左上方画面高铁绕中心顺时针旋转，50s转不小于8圈;中间握手不动。

左下方画面外侧纸飞机绕中心逆时针旋转，50s转不小于8圈;中间飞机绕中心顺时针旋转，50s转不小于8圈。

右侧画面潜艇上下振动，50s上下振动不小于8次。

2.6冬奥会（第六棵烟花树）

如图6所示，上方和左下方画面要求外侧雪花绕中心逆时针旋转，50s转不小于8圈;中间绕中心顺时针旋转，50s转不小于8圈。

右下侧画面要求外侧雪花开合运动，50s开合不小于8次。

中间绕中心顺时针旋转，50s转不小于8圈。

2.7和平未来（第七棵烟花树）

如图7所示，左上方和右上方两幅画面工艺要求为橄榄枝绕中心顺时针旋转，50s转不小于8圈。鸽子绕中心逆时针旋转，50s转不小于8圈。

左下方画面的工艺要求为飞机绕小孩逆时针转动，50s转不小于8圈。

3功能的实现原理

为最大限度减轻重量，每套烟花装置均采用一套驱动装置进行驱动。按照运动方式，功能部件所有机构大致可分为：内外圈反向旋转、旋转运动和左右摆动组合运动、八边形外翻旋转机构、雪花开合装置。其他功能部件的机械原理与以上类似。

3.1驱动系统

驱动系统（图8）整套装置由一台减速电机驱动，减速电机为双出轴式，一端直接连接链轮，实现逆时针驱动功能，另一端通过齿轮传动，换向后连接同类型的链轮，实现顺时针驱动功能。顺逆链轮均可驱动2至3排链条，并且在高度上错开，以便驱动各个功能部件且避免链条间的干涉，最大程度实现功能件的标准化。为了确保传动的可靠性，整个驱动系统设置一台相同功率的备用电机，以防主电机故障。

3.2内外圈反向旋转功能的实现

如图9所示，内外圈旋转装置为双层套筒式结构，执行件（内、外圈）与传动件（传动链轮）分别设置在套筒的两侧，这样有利于悬臂套筒的受力。内外圈由各自的链轮分别进行驱动，传动链轮与驱动系统的链轮一样，均可连接2至3排链条，而且高度方向错位布置。逆时针链轮处和内外圈之间均设置有导电滑环，保证运动和烟花的点火线路互不干涉。

3.3旋转运动和左右摆动组合运动的实现

旋转运动和左右摆动组合运动主要出现在第三棵烟花树“绿色出行”（图3）中，“绿色出行”的三幅画面运动的基本原理相同，现就其左上画面来说，其运动原理如图10所示，动力由曲柄摇杆处通过链条接入，再通过链条并联传递给回转运动部件（风车），曲柄摇杆机构将回转运动转化为摆动后，通过四连杆机构由驱动树叶分别传递给各个从动树叶。驱动树叶的摆动幅度由曲柄连杆机构决定，从动树叶的摆动幅度均可由四连杆机构的连杆长度和铰接半径调节。

3.4八边形外翻旋转机构的实现

八边形外翻旋转机构是第四棵烟花树“命运共同体”（图4）的左下方画面，其运动原理如图11所示，驱动系统的动力经链轮并行传递，一个直接传递至风车架，带动其旋转;另一个通过换向器换向后，由链条传递给首尾相连的八个万向接轴，带动其旋转，八个人形框架刚性地固定在八个万向接轴上，完成绕万向接轴翻转的效果。

3.5雪花开合装置的功能实现

雪花开合装置是第六棵烟花树“冬奥会”（图6）的右下画面，其动作原理如图12所示，机构的开合杆单向铰接在固定盘上，链轮驱动曲轴带动万向连杆驱动开合杆进行开合动作，12根开合杆之间用随动连杆相连，总体组成一个巨大的可开合的雪花结构。随动连杆一端单向铰接在开合杆上，另一端与另一个随动连杆单向铰接，但开合过程中随动杆两端的扭转动作没有释放，会造成机械卡死，所以每个随动连杆的另两个单向铰之间设置有一个回转铰，以释放该方向的自由度。

4烟花树的总体布置

七棵烟花树的排布如图13所示，每两棵树之间由线条相连接，线条布置在网架上，由升降机起升至固定高度，保证焰火树上的线条和网架上的线条良好的衔接，从而组成一幅巨大的孔雀开屏。

5烟花装置的表演形式

烟花的点亮次序为首先点亮除孔雀头之外的六棵烟花树，延时1s～2s所有机械装置工作，形成3D焰火的效果，每棵树呈现各自的主题;3s后点亮孔雀头，并依次点亮线条，瞬间将6幅独立的主题烟花连接成为一幅巨大的焰火长卷“孔雀开屏”（图14）。精心的设计、制作和现场维护，让烟花装置表演完美绽放，令人回味无穷。

（编辑：王芳）