大型多功能摇摆表演船的设计与实施

原 博，李 超，丁相文，薛根昌

（北京北特圣迪科技发展有限公司，北京 100028）

随着国民经济的飞速发展，人民生活水平日益提高，文化娱乐产业的发展日新月异，演艺表演形式也日趋多元化，标新立异的机械装置表演成为当前演出追逐的热点。这是舞台机械行业的机遇，也是挑战。

在模拟海战的表演形式中，“表演船”是最具代表性的装置之一。为了更好地模拟船体在实际航行中的动作、遭遇风浪的场景以及战争场面等多元化的表演形态，“表演船”需要嵌套各种机械动作来满足具体功能的需要。

本文以某水秀项目为例，详细介绍大型多功能摇摆表演船（以下简称“摇摆船”）装置的动作方案，解析实现动作方案的设计思路、工艺要求、机构原理及功能。

1 动作方案及运动姿态

船体长度18 m、宽度5 m、高度5.5 m，桅杆高度8 m，船体动载30 kN。图1所示为船体正常姿态效果图。

1.1 模拟风浪模式船体的运动姿态

（1）前后摇摆

船体绕其视觉形心位置前后摇摆。摇摆行程±10°，摇摆周期16 s，额定动载30 kN。

（2）左右摇摆

船体绕其视觉形心位置左右摇摆。摇摆行程±5°，摇摆周期7 s，额定动载30 kN。

图1 船体正常姿态效果图

1.2 模拟海战场面的运动姿态

图2所示为船体战争姿态的效果图。

船体在海战场面的动作除了前后摇摆、左右摇摆之外，还包含以下两个动作。

（1）船体断裂

船体前端绕底部摆动。摇摆行程0～30°，摆动时间16 s，额定动载10 kN。

（2）桅杆倒塌

中间桅杆绕其底部旋转倾倒。桅杆行程0～90°，倒下时间7 s，额定动载5 kN。

图2 船体战争姿态效果图

2 设计思路

2.1 整体工艺要求

众所周知，水中装置的关键是动力来源，并且还要保证水中装置运行的安全和可靠，避免漏电等安全隐患，一般采取两种方案。

（1）动力系统外置。电气设备隔离后，利用钢丝绳、链条等方式，将动力传递至水中的动作机构和设备，典型设备就是水中升降台、水中移动车台等。

（2）利用液压系统直接在水中进行驱动。

以上两种动力和驱动布置方式都有其局限性。动力系统外置式的布置方式，对于动作机构复杂的设备极其不适用，常常因为机构过于复杂和冗余无法设计，只能改为液压驱动的方式。而液压驱动一方面成本较高，另一方面常常因为漏油等原因影响水质。尤其是对水质环境要求较高的特殊工况，不适合使用液压驱动。

为了使动力系统和机构在满足使用条件和工况的情况下更为简单，摇摆船整体工艺平面布置如图3所示。基础条件进行干湿隔离，将整体的动力系统布置在干区，并进行防水处理。

这种布置方式在不影响观演效果的前提下，将整个设备作为干区设备进行正常设计，所有机构采用电动直驱，经济性好。

图3 摇摆船工艺平面布置图

图4 船体前后摇摆动作原理

2.2 装置的整体动作方案

船体所有动作包含前后摇摆、左右摇摆、船体断裂和桅杆倒塌四个动作。为了满足模拟动作的实际效果，四个动作层级嵌套布置，即船体断裂和桅杆倒塌两个动作相互独立，嵌套在左右颠簸的船体上。以上三个动作由船体带动，实现整体的前后摇摆。

3 各动作的机构设计

3.1 前后摇摆

如图4所示，摇摆船体有若干组支撑轮支撑并导向，由电机减速机带动链轮旋转，从而形成圆周方向的牵引力，实现整个船体的前后摇摆动作。配合限位开关的电气控制，完成前后摇摆的行程控制。

前后摇摆的回转中心设置在摇摆船的视觉形心处。既满足实际模拟动作的真实效果，使整个船体的摆动更加符合力学规律，动作更为流畅，也可使得整体设计无偏载，各部分受力更为均衡，大大降低动力系统的功率。

图5 船体左右摇摆动作原理图

3.2 左右摇摆

船体左右摇摆的动作原理如图5所示。左右摇摆动作机构采用齿轮齿条传动，船体摇摆的回转中心设置在其理论形心。这种机构设计方式在平衡状态下，驱动齿条连杆受力很小，驱动功率大大减小。

船体的摆动幅度较小（±5°），左右摇摆动作设置一对行程开关，一个零位开关，通过电控简单的设置（速度曲线的拟合），船体与连杆铰接处的运动便可实现近似的单摆运动，即简谐振动。根据简谐振动的运动特性可知，这种机构形式动作和谐、流畅，符合常规船体摆动时的力学特性，观赏效果真实。

3.3 船体断裂

船体断裂的动作原理如图6所示。船头与船体之间由铰链相连，船头的断裂动作由一组电动推杆的伸缩来实现，电动推杆之间机械同步，电动推杆上设置位置开关，用来控制整个动作的行程。

3.4 桅杆倒塌

桅杆倒塌的工艺不同于旗杆的倾倒设计。旗杆倾倒基本不受风阻的影响，模拟该动作只需实现旗杆自由状态下的自然倾倒。而桅杆的倒塌，受风帆的影响，倒下速度相对较小，也较为平稳。因此，在进行模拟时，需要保证桅杆匀速倒下。

桅杆倒塌的动作原理如图7所示。整个机构由卷扬机驱动，卷扬机倒挂固定于船体钢结构的下表面，采用上出绳，使得整个动作期间卷扬机出绳角度基本不变，倒塌速度基本为匀速。这种工艺设计，卷扬机的功率和钢丝绳的受力，仅需考虑桅杆倒塌时力矩最大状态时的瞬时功率和受力即可（因为卷扬机的出绳角度设计为基本不变，即整个驱动的反向力臂基本不变）。桅杆有铰接结构固定于船体钢结构的上表面，使桅杆可以自由地绕铰接点旋转；桅杆下部设置配重，可降低驱动部件的受力及功率。

图6 船体断裂动作原理图

图7 桅杆倒塌动作原理图

4 装置的整体设计方案

该摇摆船的整体设计方案如图8所示。所有动作按照层级嵌套布置，均可实现单独控制。在各动作行程范围内，为整个摇摆船在战争场面中的姿态带来意想不到的随意性，每个动作设置各自的零位开关，可以让船体在表演完成后，各个动作迅速归零，恢复正常航行状态。

图8 摇摆船布置图

图9 摇摆船实体效果

船体各个动作设计基本做到受力平衡，使得船体静态状态下，各个驱动基本不受力，一方面便于检修和维护，另一方面也是对各运动机构常态下的保护，使得各驱动具有更高的经济性和实用性。

5 实施效果

图9为该水秀项目摇摆船的最终实施效果。实施完工后，主体结构约18 t，美工包装后约22 t，总功率33.9 kW。摇摆船能够实现前后摇摆、左右摇摆、船体断裂以及桅杆倒塌四个动作，四个动作分别由一台电机独立驱动。各动作之间互不干扰，可以模拟完成风浪运行和海战场面等场景，运行流畅、效果逼真，满足工艺设计的要求，且具有极高的观赏价值。