“小径深井救捞装置”简介

聊城职业技术学院科技成果推广要览一、成果名称小径深井救捞装置。二、完成单位聊城职业技术学院。三、成果简介1、基本情况“小径深井救捞装置”为山东省教育厅科技计划立项课题，编号J05B62。该项目由聊城职业技术学院机电工程系丁明成教授主持研制。2006年12月经省教育厅鉴定达国内先进水平（证书见附件）。已申报国家专利，专利号2006200826385（证书见附件）。2007年3月经学院批准申报国家安全生产监督局“生产安全、急救”科研成果推广项目。2、项目背景有关孩童不慎掉入小径（小于成人身径）深井的报道屡屡见诸媒体，目前唯一的办法是无奈动用数台大型挖掘机救人，此种办法耗用大量人财物力和时间，且无法保证井下孩童的生命安全；况且如果孩童掉入太深，此种办法根本无济于事。该项目旨在研制一种能够快速、方便、省时、节约的机械装置，以解决此项难题。3、技术原理该装置利用三根托爪插入打捞物以下，根据凸轮轨迹控制原理，控制托爪（托起打捞物）的翻转和固定。装置设有电子眼和显示器，井上人员可根据井下情况随时控制打捞过程，将打捞物提至井上；还设有供氧系统。装置结构简捷，操作方便，功能可靠。人工机械操作，除需12V干电池（供应摄像头、显示器）外，无需任何能源，节能环保。4、科技创新点“曲柄凸轮机构”的应用；连杆同时起到凸轮从动件和斜拉杆的作用；由斜楔式多节空心管联接组成刚性提绳，结构简单、功能多样。5、技术指标适于井径3060CM；额定载荷140KG；自重15KG；适于夜晚作业。四、生产条件及市场预测生产该装置仅需普通车床、铣床、台钻及钳工设备。所需材料为钢管、PVC管、高强度聚酰胺或尼龙塑料棒及成品组装件。由于该装置节省人财物力、操作简便、功能可靠，每次营救可节省费用数千元；而对生命的营救其社会意义是无价的。可适用于公安、消防、水利、油田、煤矿、旅游等部门对小径深井、山涧、墙（楼）缝、水窟等情况下生命及物品的救捞。由于国内尚无成熟的小径深井救捞装置，该装置的应用前景是相当广阔的。五、联系电话06358375040编252000EMAILCHINALCDMCSINACOM详见附件“小径深井救捞装置”成果介绍“小径深井救捞装置”（提拉式救捞装置）成果介绍“小径深井救捞设备”成果介绍一、课题的提出本课题来源属于自选课题。近年来，报纸、电视等媒体多见报道有关孩童掉入小径深井（多为直径2545CM水泥管机井）及营救的消息。由于井径细小，成年人无法进入井下，营救的方法多是无奈动用挖掘机等大型设备，此种方法费时、费力、费财、废井，且因救捞时间过长而无法保证井下孩童的生命，况且如果孩童掉入深度超过15M，挖掘机也是根本无法打捞的。丁明成老师查阅了有关资料、调查了有关部门，结果表明仅山东省，每年不慎掉入机井、油井等小径深井及深沟、山涧、楼体夹缝、软滩、薄冰窟洞（下通称小径深井）等的孩童事件不下1000起，连同其他小动物生命不下3000起，而掉入机械零部件、重要物品的情况则不下10000起。此种情况导致的生命损失不可估量，而每年的财产损失则在一亿元以上。急需一种专用救捞设备的问世。由于目前国内尚无此种情况的救捞专用设备，设计并生产此种专用设备便成了科研及生产部门亟待解决的问题，由此，丁明成老师及其科研小组选择了该课题作为研究方向。“小径深井救捞设备”科研项目是2005年6月份由电工程系丁明成等几位老师提出并经学院批准上报省教育厅，于同年8月份由省教育厅批准立项的。自立项批文下达到学院起，学院领导高度重视，工程系领导亲自抓落实，由丁明成老师为主组成了科研攻关小组，展开了紧张的设计准备工作。历经近一年的设计、研究、计算、校核、试验、修改、样机制作等项研制工作，于2006年8月底基本结束。项目设计原理已取得国家专利局专利受理申请书；9月初由丁老师带领参与研制的部分科研小组学生携样机及科研资料参加2006年山东省大学生机电产品创新设计大赛荣获一等奖，受到省内专家、学者的较高评价。二、国内外技术现状经山东省科学院情报所查新，目前国内未见利用该装置技术原理的小径深井救捞设备。三、项目的目的及意义该课题针对目前小径深井掉入孩童、其他小生命及物品因尚无专用设备而造成的救捞困难甚至无法救捞的状况，目的是研制一种用于小径深井救捞的专用设备，能够方便、快捷、有效地的解决小径深井中生命及物品的打捞问题。该设备的研制将能够成功解救宝贵的孩童生命、宠物生命，能够打捞许多重要物品进而挽回重大的财产损失。根据调研结果，不计对生命的解救价值（其社会意义重大），仅在省内产生的物品方面的挽回损失每年就在一亿元以上。其经济效益和社会效益都是巨大的。该产品可适用于水利、农田、油田、公安110、武警、消防、旅游部门及城乡居民家庭。其应用范围是巨大的。四、技术原理1、确立项目设立的应用背景小径深井、深谷、深坑、山涧缝隙中掉入（或卡滞）物品难以打捞，特别是小径深井内掉入孩童事件近些年时有发生的，媒体也屡见报道。据科技部门查新，到目前为止，国内尚无专用的救捞设备解决此类问题。以小径深井（一般指直径小于成人身体直径的深井）掉入孩童为例，目前经常采用的方法是无奈地从井侧用挖掘机挖深坑救人，这种方法也只能只适用于孩童掉入不太深的情况，而且费时、费力、废财，且不能保证井下孩童的生命安全，即使解救了孩童生命，深井一般也报废了。小径深井救捞设备旨在用最少的人力、物力和最短的时间解决此类问题。2确立技术原理（方案）用于小径深井的救捞设备经查新目前为国内空白，无工作部件技术方案可供参考。我们提出如下几种方案以供论证选择。平行四边形机构“成钩”方案；如图（1）经分析、研究，平行四边形“成钩”方案机械结构复杂、刚性不足，使整个设备体积较大，不便插入被捞物以下。手动或电机齿轮机构方案如图（2）经分析、研究，手动或电机齿轮机构“成钩”方案虽工作稳定性较高，但电机携带不便、对动力要求高，机构复杂，且齿轮机构配置、制造要求高，实现困难；而手动虽然机构简化、对动力无要求，但仍需制造或选配要求较高的齿轮齿条机构，仍然不便实现。液压阀控制方案分析、研究表明液压机构工作平稳、稳定性好，但油箱、油缸、控制阀等一套机构结构复杂、部件重量大、工作条件要求极高，所以用液压控制“成钩”方案是最不简便、使用的方法。差动螺旋“成钩”方案；如图（3）由图3可知此机构“成钩”迅速、可靠、稳定，但机构尺寸较大、制造困难，机构重量较大。以上四种机构方案中，除叙述中提到的弊端外，还有一个共有的弊端可以成钩，但“”钩的强度、刚度都不够，难以提起较大的重量。如图4所示10图中没有斜拉杆的“钩”在提起重物是根部所受弯矩极大，强、刚度都不大，不能提起太大的载荷；而20图中的“钩”有斜拉杆的作用，提起载荷的重量要大得多。而只有提拉式凸轮机构的“成钩”方案才是相对较为科学和合理的。提拉式凸轮机构“成钩”方案。如图（5）由图可知提拉式凸轮机构由人工提拉油丝绳，将滚销提起至凸轮凹洼处卡住，此时托爪成900水平状态，而凸轮“顶杆”恰好起到了斜拉杆的作用。这是最简便、合理、科学的“成钩”方式。综上所述，经反复研究、分析、对比，形成以下结论平行四边形“成钩”方案机械结构复杂、刚性不足，使整个设备体积较大，不便插入被捞物以下；手动或电机带动齿轮机构“成钩”方案除机械结构也较复杂、体积较大以外，使用电机需高压电做动力使得条件受限制，且携带、使用均不方便；液压式方案控制准确，但体积也较大，且制造困难。差动螺旋“成钩”方案结构尺寸较大，操纵也不方便；而提拉式结构采用人工动力，结构简单，操作方便，使用性能较好。最终选定采用提拉式凸轮机构“成钩”方案。3确立基本结构总体结构（见图1）小径深井救捞设备是一种集机械、电子、通讯、医疗技术于一体的专用小口径（或狭逢）条件下的救（打）捞设备。它主要由圆盘、可调节立杆、可调节托爪、电器箱、多节管、控制盘组成。圆盘是安装（或支撑）其他零部件的非固定机架；三根可调节立杆靠伸缩长度以适应打捞物大小的需要；三个可调节托爪沿井壁插入打捞物下部后，可经控制盘控制随时变到与立杆成900的水平位置，形成“钩状”，以托起打捞物；密封的电器箱内装有照明灯、摄像头、氧气管，以清晰地向控制盘的显示器传输井下图像及输氧；多节管即“提绳”，可由人工控制整个设备转动任意角度并承受推力，管内通有灯线、电缆线、氧气管、油丝绳，可根据需要接长或接短。设备主要零部件材料以工程塑料为主，轻巧防锈，结构紧凑、造价低廉、操作简单、使用方便，研究目标是成为城乡居民及水利、油田、旅游、探险、警方等部门在小径深井（或狭逢）中救捞生物、物品的理想急救工具。4、主要工作部件结构（见图2）小径深井救捞设备主要工作部件为可调节托爪，可调节托爪的特征在于可经控制盘上的油丝绳棍子手柄控制随时变到与立杆成900的位置，以托起打捞物。可调节托爪的销轴铰链联接立杆和托爪，立杆与托爪靠扭转软簧（逆时针扭力）的弹力而将其定位在竖直一直线上限位板限位；当油丝绳慢慢地向上拉动斜拉杆上端的滚销时，滚销沿凸轮表面上行，同时经斜拉杆克服扭转软簧扭力使托爪顺时针向内翻转；当滚销向上慢行到凸轮楔槽时，滚销被“卡滞”，托爪即被定位在水平位置，斜拉杆承受托起重物引起的拉力，即可将重物向上提起。限定滚销路径的凸轮上部是一斜向内上方的直线轮廓，当需要放下托爪时，油丝绳快速向上提起，并快速放开，滚销即沿此轮廓迅速斜向内向上滚动并靠托爪弹力返回（及重力）的带动，迅速下落至起始位置，等待下一个提起循环。油丝绳提起与放开的一个循环过程中，须掌握“慢提快放”的原则，以确保滚销沿凸轮内侧轮廓返回起始位置。托爪翻转范围是001000，托爪上翻超过900了100，是使滚销斜向内向上的提升有一个自由空间；限位板的作用是在扭转软簧的扭力（逆时针）作用下将托爪与立杆限定在垂直直线位置上。五、起“提绳”作用的多节管结构（见图3）提起设备和重物的“提绳”用多节管做成，便于折叠携带，其特征在于通过井上人工控制可转动设备，以寻找最佳插入位置；在管内通有灯线、电缆线、油丝绳和输氧细管，以使设备紧凑；同时多节管可承受轴向推力，便于人力推动托爪插入打捞物下部。6、控制盘结构（见图4）提拉管上部（地面）联接一个控制盘，用于控制油丝绳提放及照明、氧气、摄像头开关，并设有小型显示器（观察装置的工作状态）。扭转油丝绳辊子的手摇把柄可摘下，控制滚销的慢提与快放。五、起“提绳”作用的多节管结构（见图3）提起设备和重物的“提绳”用多节管做成，便于折叠携带，其特征在于通过井上人工控制可转动设备，以寻找最佳插入位置；在管内通有灯线、电缆线、油丝绳和输氧细管，以使设备紧凑；同时多节管可承受轴向推力，便于人力推动托爪插入打捞物下部。6、控制盘结构（见图4）提拉管上部（地面）联接一个控制盘，用于控制油丝绳提放及照明、氧气、摄像头开关，并设有小型显示器（观察装置的工作状态）。扭转油丝绳辊子的手摇把柄可摘下，控制滚销的慢提与快放。7、电器箱在支撑盘上还设有一个电器箱，电器箱内可安装照明灯、摄像头、氧气管下口等。以保证地面人员观察井下情况以及防止被打捞孩童因缺氧而窒息。为增加实用性，在立杆及托杆的外侧安装有滚动轮，可使得设备的放下与提升不被卡滞，保证向下顺利施放。使用时，首先根据施救环境调整立杆长度及施救宽度；打开照明灯、摄像头及显示屏、氧气开关等，通过提拉多节管人工下放装置直至施救物，通过显示器观察装置工作状态转动、下降装置等并适时拉动与滚销相连的油丝绳，托爪在凸轮内廓限定的斜拉杆运动下向内转动，到900的水平位置被“卡滞”定位，托住物品，此时井上人员既可向上拉动多接管提绳将打捞物提至井上。五、设计依据（一）主要零部件的形式、形状、尺寸、参数确定的依据1、凸轮形式、结构选择依据结构与功能对可调节立杆的最主要、最基本的要求是体积不可太大，以保证托爪顺利插入打捞物下；结构不可太复杂，以保证操作方便。前面已经叙述凸轮式工作部件最为合理，因为它利用凸轮顶杆同时又是斜拉杆，斜拉杆起到对托爪的拉进作用，由图1分析可知，这是相当理想的结构形式了，因为它体积（占有空间）不大，结构又极为简单。凸轮形式选择依据我们从以下结构形式中选择（二）主要危险截面的计算与校核说明本设备的受力危险零部件发生在托爪根部（即悬臂梁固定端）、托爪销轴4及斜拉杆销轴处。其余部分因受力（含弯、扭矩等）较轻、且截面较大，故无需校核。现将在设计提升能力为主20KG情况下，主要零部件危险界面的设计与校核、计算归纳如下。（见图1）1、托爪根部的设计与校核托爪主要受力为弯矩。按托爪最大长度L200MM、单爪托起最大重量20KG200N计考虑承重不均，托爪根部（斜拉杆下部）最大弯矩为M40000NMM图1托爪设计与校核托爪轴较套管抗弯能力强，故设计套管尺寸。套管材料采用Q235普通碳钢，其屈服极限S为235MPA，取安全系数N为15，则许用弯应力235/15157MPA。钢套管抗弯模量WM/40000/157255（MM3）取界面尺寸为D15MM,D12MM之钢套管，其抗弯模量W01D31401153112/154337MM3WW此管抗弯能力足够，可用。2、托爪销轴设计与校核托爪销轴主要受力为剪力。由于斜拉杆拉力F3的作用，托爪受力简图见图2。托爪受力为F1200N，AB150MM,BC50MM则F33F1600N螺栓材料为Q235,取安全系数为15，235/15157MPA，再取055055157864MPA取直径为5螺栓，则最大剪应力MAX4F3/D24600/5231MPAMAX螺栓抗剪强度足够，可用。3、斜拉杆销轴设计与校核此轴销主要受力为剪力。斜拉杆受力F2，如图3，则（结合图2）F2SIN60050F1200F2F1200/（SIN60050）200200/（31/2/250）912N取055055157864MPA由以上引述则斜拉杆销轴截面积SF2/912/864105MM2取销轴直径为D12MM,则SD2/4122/4113MM2由于SS,所以此销轴可用。4、主要零部件设计尺寸、材料及加工工艺1、圆盘设计尺寸（如左图）为厚60MM外径250MM；内台阶孔径150MM，深50MM中间通孔径40MM相隔1200的3个横杆插孔孔径15MM。材料聚酰胺、尼龙等工程塑料。车床加工工艺两端夹，粗车外圆至2505，做基准；钻中间通孔20，扩至40；以外圆做定位夹，粗车、精车内孔至150，深50；两端夹精车外圆至250。钻床工艺1分度头分度找相隔1200的3个15孔中心，划线；2钻3个15孔至要求。2、轨迹控制凸轮设计尺寸（如左图）为厚度12MM。外廓尺寸高120，宽60，另两边角度分别为300、600。内凸轮圆弧半径R115MM，R210MM，R35MM。关键尺寸滚子最高点与最低点垂直距离90MM