一种水上救援装置的设计.doc

一种水上救援装置的设计毛泽兵1 刘含莲1 孟凡提1 龙诗东1朱钦淼2（1.山东大学机械工程学院，山东济南 250002; 2.华中科技大学机械学院，湖北武汉430000）摘要：溺水事件在我国时常发生，从救助落水者方面，介绍一种水上救援装置，着重阐述了其工作原理和内部结构特点。该水上救援装置包括延时模块和充气模块。通过对延时器，充气救生圈的具体设计，使该水上救援装置具有效率高，较精准的弹射等特点，从而达到及时抢险的目的。关键词：水上救援；充气救生圈；延时器；设计中图分类号： 文献标识码：BDesign of a rescuing device for waterworldMao ze-bing1 Liu Han-lian1 Meng Fan-ti1 Long Shi-dong1 ZHU Qin-miao2(1.School of Mechanical Engineering, Shandong University, Shandong, Jinan 250002,China；2.School of Mechanical Engineering, Huazhong University of Science and Technology,Hubei，Wuhan430000,China)Abstract: Drowning often happens in our country. In the view of rescuing drowning people , a rescuing device for waterworld was presented，the working principle and inner structure of which were emphatically elaborated , The device includes the time delay module and inflatable modules. By better designing of timer and inflatable bag, it can shoot precisely and high efficiency, which is benefit for rescuing timely. Key words: waterworld remote rescuing; inflatable bag; delay timer; design溺水事件是我国公民死因中较为普遍的一种。世界卫生组织(WHO)估计，2000年全球约有45万人死于意外溺水(不包括洪水，用溺水方式的自杀和他杀),其中97%溺水死亡发生在中，低收入国家1 Peden M. McGee K. Sharma G The injury chart book :a graphical overview of the global burden of injuresR Geneva: World Health Organization,2002;32-50。目前，国内对溺水人员的救援通常是通过船只或者消防队员穿上救生衣下水救人，不能及时的将落水者救到岸上会增加其遇害的危险，不能远距离的救援，鉴于这一情况，本文设计了一种水上救援装置。1. 水上救援装置的整体设计1.1 水上救援装置的基本结构和工作原理如图1所示为水上救援装置的基本结构，该装置分为三部分：弓弩、自充气救生圈、绕线轮。其中自动救生圈外壳里有自动充气救生圈，充气模块和定时模块。拉绳绕线轮绕线轮自充气救生圈外壳瞄准器弓弩图1 整体效果图Fig.1 the whole effect chart图1中拉绳末端和自动充气救生圈外壳固定在弓弩滑槽的挡块，板簧中储存了大量的能量。救援人员瞄准落水者周围水域，抠动扳机，将自动救生圈射入水中，自充气救生圈外壳里的自动充气救生圈充气膨胀。当落水者抓住救生圈后，救援人员可以通过绕线轮将落水者拉回岸边，完成救援工作。1.2自动救生圈充气模块的设计和运行方式自动救生圈充气模块如图2所示，自动救生圈外壳被射出去后，延时器的输出轴带动齿轮1转动，齿轮2带动锁紧装置6转动。当6转动到一定角度时，滑块8解离约束，弹簧的弹性势能大部分转换为滑块8的动能。滑块撞击充气连接阀中的钢针，顶破储气瓶1瓶口，从而将储气瓶1内的气体释放出来。87465321图2 自充气救生圈总体图Fig.2 air inflation life buoy1储气瓶 2叠压平整后的救生圈 3充气连接阀 4定时模块 5弹簧座 6锁紧装置7齿轮1和齿轮2 8滑块当充满液态二氧化碳的储气瓶1被钢针顶破之后，瓶内大量的液态二氧化碳迅速气化，通过充气连接阀3流入救生圈的单向阀，二氧化碳气体充满整个救生圈，实现自动充气的功能。1.3 延时模块的设计扭簧是该装置的动力源，选用机械动力源使其就有足够的稳定性。上紧后的扭簧带动轴2旋转，轴2上的锥齿轮与轴4上的锥齿轮啮合，将运动传递给输出轴4；通过轴4，第一级啮合齿轮组 5和第二级啮合齿轮组6中的齿轮组合以及涡轮蜗杆7的组合将运动传递到旋转阻尼件8。475683214图3 延时器内部结构图Fig3.timer inner structure1 扭簧 2 输入轴 3 锥齿轮 4 输出轴 5 第一级啮合齿轮组 6 第二级啮合齿轮组 7涡轮蜗杆 8 旋转阻尼件第一级啮合齿轮组5的传动比是1/ 2，第二级啮合齿轮组6的传动比是1/3，涡轮蜗杆7的传动比是1/20。经过三级传动之后，旋转阻尼件8的速度将达到输出轴4的转速的120倍，而旋转阻尼件8上输出的转矩缩小120倍。所以在旋转阻尼件8上插入绕线轮的细线就可以阻止整个模块的运动从而使自动救生圈不会在未发射之前充气，起到稳定性能作用。当自动救生圈射出后，细线和旋转阻尼件分离，输出轴4转动，起到延时作用。2 分析与计算2.1理论距离的计算：弓箭的质量为m1=0.1kg，用弩射出后可达到的初速度为v1=50m/s2 NL28-C型两用弩的生产参数。弓箭上附带一个质量为m2=0.3kg的可充气的救生圈。根据能量守恒原理得 (1) (2)式中v2为救生圈被射出初速度，得到。救生圈抛物线运动，所以救生圈的运动方程 （3）为救生圈的初速度与水平方向的夹角，当忽略空气阻力，则可以得： （4）可知，自动救生圈最远的射程是62.5m。在一般情况下，射出点的水平位置高于最终箭的着陆点的位置，救生圈仍会继续向前做抛物线运动。假设救生圈还要下降两米方能到达目标射击点，近似计算如下：下落所需时间 （5）x方向上继续向前运动的距离为： （6）故总的最远的理想飞行距离可以达到： 2.2钢瓶冲击校核钢瓶的瓶口材料是钢材与铝合金，其许用剪切应力，t表示钢瓶瓶口的厚度，钢瓶瓶口厚度，用来冲击钢瓶的钢针其针尖面积为3 NL28-C型两用弩的生产参数。弹簧设计基本参数如下：钢丝直径 d=2.0 (mm) ，弹簧中径 D=18.00 (mm)，旋绕比 C=9，曲度系数 K=1.16，有效圈数 n=23，压并圈数 n2=2，弹簧总圈数 n1=25，实际刚度 k=2 (N/mm).。滑块材料是45钢，其质量为100g，弹簧压缩之后储存的能量： （5） （6）式中表示滑块的动能,刚度k=2(N/mm)，压缩量，忽略滑块和滑槽的阻力，则可以得到： （7） （8）式中，m表示滑块质量，v表示滑块冲击前瞬间的速度，F表示冲击力，表示冲击时间。刚性冲击的冲击时间其数量级是4 谢铁帮等主编. 互换性与技术测量. 武汉：华中科技大学出版社，1998年5月，取 。钢瓶瓶口所受的