原 博，李 超，丁相文，薛根昌

（北京北特圣迪科技發(fā)展有限公司，北京 100028）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民生活水平日益提高，文化娛樂(lè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展日新月異，演藝表演形式也日趨多元化，標(biāo)新立異的機(jī)械裝置表演成為當(dāng)前演出追逐的熱點(diǎn)。這是舞臺(tái)機(jī)械行業(yè)的機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。

在模擬海戰(zhàn)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(shí)際航行中的動(dòng)作、遭遇風(fēng)浪的場(chǎng)景以及戰(zhàn)爭(zhēng)場(chǎng)面等多元化的表演形態(tài)，“表演船”需要嵌套各種機(jī)械動(dòng)作來(lái)滿足具體功能的需要。

本文以某水秀項(xiàng)目為例，詳細(xì)介紹大型多功能搖擺表演船（以下簡(jiǎn)稱“搖擺船”）裝置的動(dòng)作方案，解析實(shí)現(xiàn)動(dòng)作方案的設(shè)計(jì)思路、工藝要求、機(jī)構(gòu)原理及功能。

1 動(dòng)作方案及運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

船體長(zhǎng)度18 m、寬度5 m、高度5.5 m，桅桿高度8 m，船體動(dòng)載30 kN。圖1所示為船體正常姿態(tài)效果圖。

1.1 模擬風(fēng)浪模式船體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

（1）前后搖擺

船體繞其視覺(jué)形心位置前后搖擺。搖擺行程±10°，搖擺周期16 s，額定動(dòng)載30 kN。

（2）左右搖擺

船體繞其視覺(jué)形心位置左右搖擺。搖擺行程±5°，搖擺周期7 s，額定動(dòng)載30 kN。

圖1 船體正常姿態(tài)效果圖

1.2 模擬海戰(zhàn)場(chǎng)面的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

圖2所示為船體戰(zhàn)爭(zhēng)姿態(tài)的效果圖。

船體在海戰(zhàn)場(chǎng)面的動(dòng)作除了前后搖擺、左右搖擺之外，還包含以下兩個(gè)動(dòng)作。

（1）船體斷裂

船體前端繞底部擺動(dòng)。搖擺行程0～30°，擺動(dòng)時(shí)間16 s，額定動(dòng)載10 kN。

（2）桅桿倒塌

中間桅桿繞其底部旋轉(zhuǎn)傾倒。桅桿行程0～90°，倒下時(shí)間7 s，額定動(dòng)載5 kN。

圖2 船體戰(zhàn)爭(zhēng)姿態(tài)效果圖

2 設(shè)計(jì)思路

2.1 整體工藝要求

眾所周知，水中裝置的關(guān)鍵是動(dòng)力來(lái)源，并且還要保證水中裝置運(yùn)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(dòng)力系統(tǒng)外置。電氣設(shè)備隔離后，利用鋼絲繩、鏈條等方式，將動(dòng)力傳遞至水中的動(dòng)作機(jī)構(gòu)和設(shè)備，典型設(shè)備就是水中升降臺(tái)、水中移動(dòng)車臺(tái)等。

（2）利用液壓系統(tǒng)直接在水中進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

以上兩種動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)布置方式都有其局限性。動(dòng)力系統(tǒng)外置式的布置方式，對(duì)于動(dòng)作機(jī)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備極其不適用，常常因?yàn)闄C(jī)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜和冗余無(wú)法設(shè)計(jì)，只能改為液壓驅(qū)動(dòng)的方式。而液壓驅(qū)動(dòng)一方面成本較高，另一方面常常因?yàn)槁┯偷仍蛴绊懰|(zhì)。尤其是對(duì)水質(zhì)環(huán)境要求較高的特殊工況，不適合使用液壓驅(qū)動(dòng)。

為了使動(dòng)力系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)在滿足使用條件和工況的情況下更為簡(jiǎn)單，搖擺船整體工藝平面布置如圖3所示?；A(chǔ)條件進(jìn)行干濕隔離，將整體的動(dòng)力系統(tǒng)布置在干區(qū)，并進(jìn)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(gè)設(shè)備作為干區(qū)設(shè)備進(jìn)行正常設(shè)計(jì)，所有機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)直驅(qū)，經(jīng)濟(jì)性好。

圖3 搖擺船工藝平面布置圖

圖4 船體前后搖擺動(dòng)作原理

2.2 裝置的整體動(dòng)作方案

船體所有動(dòng)作包含前后搖擺、左右搖擺、船體斷裂和桅桿倒塌四個(gè)動(dòng)作。為了滿足模擬動(dòng)作的實(shí)際效果，四個(gè)動(dòng)作層級(jí)嵌套布置，即船體斷裂和桅桿倒塌兩個(gè)動(dòng)作相互獨(dú)立，嵌套在左右顛簸的船體上。以上三個(gè)動(dòng)作由船體帶動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整體的前后搖擺。

3 各動(dòng)作的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(dǎo)向，由電機(jī)減速機(jī)帶動(dòng)鏈輪旋轉(zhuǎn)，從而形成圓周方向的牽引力，實(shí)現(xiàn)整個(gè)船體的前后搖擺動(dòng)作。配合限位開(kāi)關(guān)的電氣控制，完成前后搖擺的行程控制。

前后搖擺的回轉(zhuǎn)中心設(shè)置在搖擺船的視覺(jué)形心處。既滿足實(shí)際模擬動(dòng)作的真實(shí)效果，使整個(gè)船體的擺動(dòng)更加符合力學(xué)規(guī)律，動(dòng)作更為流暢，也可使得整體設(shè)計(jì)無(wú)偏載，各部分受力更為均衡，大大降低動(dòng)力系統(tǒng)的功率。

圖5 船體左右搖擺動(dòng)作原理圖

3.2 左右搖擺

船體左右搖擺的動(dòng)作原理如圖5所示。左右搖擺動(dòng)作機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條傳動(dòng)，船體搖擺的回轉(zhuǎn)中心設(shè)置在其理論形心。這種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方式在平衡狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)齒條連桿受力很小，驅(qū)動(dòng)功率大大減小。

船體的擺動(dòng)幅度較小（±5°），左右搖擺動(dòng)作設(shè)置一對(duì)行程開(kāi)關(guān)，一個(gè)零位開(kāi)關(guān)，通過(guò)電控簡(jiǎn)單的設(shè)置（速度曲線的擬合），船體與連桿鉸接處的運(yùn)動(dòng)便可實(shí)現(xiàn)近似的單擺運(yùn)動(dòng)，即簡(jiǎn)諧振動(dòng)。根據(jù)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性可知，這種機(jī)構(gòu)形式動(dòng)作和諧、流暢，符合常規(guī)船體擺動(dòng)時(shí)的力學(xué)特性，觀賞效果真實(shí)。

3.3 船體斷裂

船體斷裂的動(dòng)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(dòng)作由一組電動(dòng)推桿的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)，電動(dòng)推桿之間機(jī)械同步，電動(dòng)推桿上設(shè)置位置開(kāi)關(guān)，用來(lái)控制整個(gè)動(dòng)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(shè)計(jì)。旗桿傾倒基本不受風(fēng)阻的影響，模擬該動(dòng)作只需實(shí)現(xiàn)旗桿自由狀態(tài)下的自然傾倒。而桅桿的倒塌，受風(fēng)帆的影響，倒下速度相對(duì)較小，也較為平穩(wěn)。因此，在進(jìn)行模擬時(shí)，需要保證桅桿勻速倒下。

桅桿倒塌的動(dòng)作原理如圖7所示。整個(gè)機(jī)構(gòu)由卷?yè)P(yáng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，卷?yè)P(yáng)機(jī)倒掛固定于船體鋼結(jié)構(gòu)的下表面，采用上出繩，使得整個(gè)動(dòng)作期間卷?yè)P(yáng)機(jī)出繩角度基本不變，倒塌速度基本為勻速。這種工藝設(shè)計(jì)，卷?yè)P(yáng)機(jī)的功率和鋼絲繩的受力，僅需考慮桅桿倒塌時(shí)力矩最大狀態(tài)時(shí)的瞬時(shí)功率和受力即可（因?yàn)榫頁(yè)P(yáng)機(jī)的出繩角度設(shè)計(jì)為基本不變，即整個(gè)驅(qū)動(dòng)的反向力臂基本不變）。桅桿有鉸接結(jié)構(gòu)固定于船體鋼結(jié)構(gòu)的上表面，使桅桿可以自由地繞鉸接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)；桅桿下部設(shè)置配重，可降低驅(qū)動(dòng)部件的受力及功率。

圖6 船體斷裂動(dòng)作原理圖

圖7 桅桿倒塌動(dòng)作原理圖

4 裝置的整體設(shè)計(jì)方案

該搖擺船的整體設(shè)計(jì)方案如圖8所示。所有動(dòng)作按照層級(jí)嵌套布置，均可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制。在各動(dòng)作行程范圍內(nèi)，為整個(gè)搖擺船在戰(zhàn)爭(zhēng)場(chǎng)面中的姿態(tài)帶來(lái)意想不到的隨意性，每個(gè)動(dòng)作設(shè)置各自的零位開(kāi)關(guān)，可以讓船體在表演完成后，各個(gè)動(dòng)作迅速歸零，恢復(fù)正常航行狀態(tài)。

圖8 搖擺船布置圖

圖9 搖擺船實(shí)體效果

船體各個(gè)動(dòng)作設(shè)計(jì)基本做到受力平衡，使得船體靜態(tài)狀態(tài)下，各個(gè)驅(qū)動(dòng)基本不受力，一方面便于檢修和維護(hù)，另一方面也是對(duì)各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)常態(tài)下的保護(hù)，使得各驅(qū)動(dòng)具有更高的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

5 實(shí)施效果

圖9為該水秀項(xiàng)目搖擺船的最終實(shí)施效果。實(shí)施完工后，主體結(jié)構(gòu)約18 t，美工包裝后約22 t，總功率33.9 kW。搖擺船能夠?qū)崿F(xiàn)前后搖擺、左右搖擺、船體斷裂以及桅桿倒塌四個(gè)動(dòng)作，四個(gè)動(dòng)作分別由一臺(tái)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。各動(dòng)作之間互不干擾，可以模擬完成風(fēng)浪運(yùn)行和海戰(zhàn)場(chǎng)面等場(chǎng)景，運(yùn)行流暢、效果逼真，滿足工藝設(shè)計(jì)的要求，且具有極高的觀賞價(jià)值。