国庆70周年烟花燃放装置的技术要点
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作者:李利 杜安坤 蔡朝阳 王强 高松松 刘增
[摘要]介绍国庆70周年联欢活动上，“美好家园”和“牡丹盛开”两个主题篇章共14套三维动态烟花燃放装置的技术原理和设计原则。
[关键词]国庆70周年;烟花树;三维动态烟花燃放装置;技术原理;机构设计;电气控制技术
文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.11.004
1前言
2019年10月1日晚，庆祝中华人民共和国成立70周年联欢活动在北京天安门广场举行。七棵惊艳的烟花树揭开神秘的面纱，三组动态焰火依次生动演绎“美好家园“牡丹盛开“欣欣向荣”三个主题，烘托出举国同庆的热烈气氛。
“铁树银花”的创意设计，由焰火总设计师蔡国强及其团队完成。每棵烟花树是一个三维动态烟花燃放装置，高25m，在三个象限中安装不同主题的烟花装置。当共同表现一个主题画面时，七棵树统一旋转到该主题象限，树上的7套烟花装置同时点燃。
北京东方高科舞台科技有限公司承担“美好家园”（图1）和“牡丹盛开”（图2）两个主题篇章共14套三维动态烟花燃放装置的研发设计、制作安装、电气控制、技术保障等工作，达到预期艺术效果，圆满完成任务。
三维动态烟花燃放装置，是一种专用于景观烟花燃放的机械装置，装置中包含多个金属网幕架，网幕架上铺设特效景观烟花管和点火线，通过电机驱动一系列机构，带动网幕架实现各种三维运动，呈现出三维动态烟花效果。本文对三维动态烟花燃放装置的技术原理进行解析。
2“美好家园”篇章的实现
“美好家园”主题用儿童画的表现手法，引入花鸟鱼虫、人与环境等众多元素，构成一幅自然和谐、生动活泼、天真烂漫的美好家园风光。为实现欢快的主题效果，要求每套装置都能动起来，在12m×18m（宽×高）的范围内尽情玩耍。元素不同，动作各不相同，运动形式有旋转、开合、平移、升降、摇摆，以及各种动作组合，例如风筝摇摆，小孩迈步，水母一边上升一边摆动触须，小鸟和蜻蜓一边旋转一边扇动翅膀，鲸鱼先在水面喷水然后下沉变成“蛟龙号”潜艇……元素众多、动作繁杂，正是这个主题实现的难点。所以说，“美好家园”主题是三个主题中技术难度最大的。
为解决上述难题，技术人员对技术方案进行反复的讨论、严格的论证，将动作归纳为旋转、开合、平移、升降、摇摆等几类，分门别类制定适合的传动方案，以达到以下几个主要目标：
（1）采用成熟通用、安全可靠的传动系统。
（2）电机数量最少，且工作过程中不换向。
（3）终端结构轻巧，根部结构坚固。
（4）分块数量少，便于吊装、拆卸、换药、运输。
“美好家园”主题装置技术参数与实现方案见表1，效果图和方案图见图3。
3“牡丹盛开”篇章的实现
国花牡丹，万花之王，雍容华贵，国色天香，寓意吉祥富贵、幸福美满。“牡丹盛开”这组画面，将大小牡丹花以不同的高度、仰角、偏角、偏距安装在七棵树上（图4），动作大开大合，此起彼伏，配合烟花变色，既富丽端庄又不失灵动，正是“唯有牡丹真国色，花开时节动京城”。
这组装置中，包含5朵大牡丹花和4朵小牡丹花，以及镶嵌有花苞、叶子的固定網幕架。大牡丹花重2.8t，分三层花瓣，每层6片，展开直径约10.6m，合拢直径约7m，外层花瓣开合62.5°，中层和内层花瓣随动，全程开合4次。小牡丹花重1.2t，分两层花瓣，每层6片，展开直径约7.6m，合拢直径约4.4m，外层花瓣开合62.5°，内层花瓣随动，全程开合4次。
在大小牡丹花的设计过程中，采取的设计思路和技术措施如下。
（1）模块化设计，采用相同的结构形式，便于制作和安装。底盘统一采用六边形结构，周边安装封闭传动轴系，传动轴上安装六个外层大花瓣。
（2）外层大花瓣呈双曲面形式，既要美观，又不能干涉。采用三维动态设计手段进行花瓣曲面外观设计，同时进行运动干涉检查和动力学机构分析，为驱动和传动机构设计提供参数依据。
（3）一台电机实现18个花瓣同时动作，减少电机数量，电机不换向。采用曲柄摇杆机构，电机单向连续旋转，带动传动轴往复摇动，实现6个大花瓣同步往复开合。在底盘上安装中层、内层小花瓣各6个，外层与中层、中层与内层之间采用双摇杆机构，通过大花瓣的往复运动带动中层和内层小花瓣的往复摇摆。
（4）底盘采用钢结构制作，花瓣采用铝合金型材折弯焊接，做到轻重适宜。采用有限元分析软件对花瓣在各个角度、各种负载工况进行计算，确保强度上留有足够大的安全系数，但刚度上允许较大的变形（图5～图6）。
4电气控制技术
4.1控制系统总要求
立足稳定、可靠、安全，采用成熟可靠的技术和产品。为保障国家大型活动演出成功，必须做到万无一失，杜绝一失万无。
环境适应性强，要求防火、防水、防振、防尘、防漏电、防雷、防静电、防误操作，软硬件系统都要坚固健壮。
4.2技术路线
采取电机驱动双备份、电气系统双冗余的技术路线。
控制站点按树配置，每棵树的站点经网关集线器独立分配。过程控制与电气单动、手动操作相结合，联动模式下的全自动过程中，允许对单个设备的启停进行干预，做到快速、准确的切换操作。同时，在树底提供就地应急操作功能。
4.3集成与制作
系统整体结构包括UPS不间断电源、控制核心的操作台、能量供给的树下配电箱、远程站点的树上控制箱、执行驱动的电机和制动器、检测位置的开关传感器等。电气控制系统概略图见图7。
动力回路、控制回路、检测回路、网络回路等电路电缆，均采用全屏蔽阻燃软电缆，设备与设备均经过电缆两端的重载连接器和网络专用连接器进行连接。
操作台有冗余PLC、触摸屏、操作界面的操作按钮、网络集线器;控制箱有远程站点、低压电器及其线路。控制箱和配电箱为全密闭箱体。整个系统采用一点接地、一点接零，零地分开。设备、零部件、材料等均采取降额设计，裕量均大于50%。
4.4系统程序软件
依据烟花创意脚本，单个设备的运行过程按时间轴统一运行。依照初始状态、启动延时、停顿等参量设置，过程分解为子任务。人机界面设有控制模式、画面选择、禁用、状态显示、一键启动、程控单动等操作（图8）。
5总结
在三维动态烟花燃放装置的研发设计中，始终遵循以下设计原则。
（1）总体：简单、可靠、安全、稳定。
（2）结构：在兼顾安全的要求下，优先选用轻质材料（铝合金），以减轻装置质量。
（3）机构：减速电机单向旋转带动机构实现装置往复运动;尽量通过机构实现动力和运动传递，减少电机数量。
（4）电气控制：电气控制系统尽可能简化，不使用变频器、编码器等设备，尽可能减少制动器、零位开关的数量。
（5）冗余：所有电机、开关、钢丝绳、链条等都有备份，其他部件有足够的安全系数。
（6）操作：合理分块，便于运输、组装、拆卸、吊装、换药等操作。
在后期的制作安装、调试演练、技术保障过程中，确实体现出由于遵循上述设计原则而带来的各种便利和优势。
（编辑：王芳）
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