全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽說明書模板

1、 作品名稱：深井救援器 目 錄作品簡介21 研制背景及意義1.1研制背景31.2 研制意義42 設計方案2.1 產品原理42.1.1 機械部分52.1.2 輔助部分72.2 方案確定73 使用方法和性能分析3.1使用方法73.2 性能分析74 設計計算4.1 設計要求74.2 整體機構的受力分析74.2.1 負載機構的受力分析84.3 構件的強度校核94.3.1 AB曲桿的強度校核94.3.2 CD桿強度校核124.3.3 BC桿的強度校核124.3.4 整個機構連接校核145 創(chuàng)新點14參考文獻15作品簡介 在現(xiàn)實生活中，不慎掉入深井的事件時有發(fā)生。通常因井口較小、救援設備單一而導致救援失敗

2、，為此我們設計了深井救援器。該產品專門用于井下救援，能快速有效地解決深井救援問題。應用簡單的機構完成救援任務是我們的設計理念。深井救援器以曲柄滑塊機構為主，附帶了鎖緊卡條，階梯，滑輪。曲柄滑塊機構起定位和承受人體體重的作用，鎖緊卡條與鎖緊卡扣緊后保證左右穩(wěn)定，階梯還能保持遇難者上升時平穩(wěn)和舒適及減少曲柄滑塊機構的受力，滑輪可以減少救援器與井壁的摩擦。在提升過程中，遇險者通過救援器下臂的拉手控制前后平衡，腳可以踩在階梯上，而階梯上部與救援器兩側支柱間連有彈簧，可調節(jié)長度。深井救援器結構緊湊，曲柄滑塊的曲柄與下臂能重合在一起，同時階梯結構帶有伸縮功能保證了機構占有更小的空間，使救援器在空間狹小的條

3、件下也能到達準確位置 。1 研制背景及意義1.1研制背景這是2009年7月31日發(fā)生在吉林省九臺市的真實事件。東亞訊（記者崔雷文/攝）昨日6時30分左右，九臺市其塔木鎮(zhèn)村民王某在地里干活時，隱約聽到有人喊救命。順著呼救聲，王某來到苞米地里的水井前，只見漆黑的井底下卡著一個人，一問才知道是村民韓大爺。原來韓大爺一早出來遛彎，不小心掉進井里。7時40分左右，九臺市消防大隊消防員趕到現(xiàn)場，經過勘查，水井深約20米、井口直徑僅40厘米。8時左右，消防員魏鵬身上綁著繩子，頭朝下進入井里，到了井下，發(fā)現(xiàn)井底是淤泥，水沒到老人胸口位置，由于井下缺氧，老人已處于神志不清狀態(tài)。因為井口窄小，消防員先后動用了5種

4、救援方案均告失敗，最后，消防員與現(xiàn)場民警商量，用手銬和麻繩把老人的手臂捆好，直到12時30分左右，才把韓大爺救出來，但此時老人因缺氧已死亡。墜入深井的案例在國內頻繁發(fā)生，下面是發(fā)生在山西省的兩起墜井事件。2009年08月25日21時，在山西長治市長治縣八義鎮(zhèn)官道村，一位女子不慎墜入二十多米深的井中，由于井口較窄，營救工作異常艱難。經過近兩個小時的努力，消防官兵終于將其救出。見（圖2）2009年6月25日9時，發(fā)生在山西省的一個井下救援事件，由于井口狹窄且較深，營救人員采用挖掘機在井口旁挖掘，當挖掘到井底時，起初在水面的被困者由于長時間處于井底導致身亡。見（圖3）圖1 緊急營救中 圖2 救援成功

5、 圖3救援失敗1.2 研制意義在墜入深井后，遇險者會輕度受傷，而四肢基本完好。我們設計的產品深井救援器，借助遇險者的四肢與救援器配合來完成救援。該產品不僅操作方便，而且加工簡單，成本低，能有效地解決狹小空間的救援問題，會給此類救援工作帶來了極大的方便，進而更有效率地挽救被困者的生命。2 設計方案2.1 產品原理2.1.1 機械部分圖4 深井救援器實體圖機械部分包括提升結構、鎖緊結構和曲柄滑塊機構、階梯結構。如圖5、圖6、圖7、圖8所示。 圖5 圖6 圖7 曲柄滑塊機構打開（左）和閉合狀態(tài)（右）圖8 階梯滑輪結構2.1.2 輔助部分考慮到被救者長時間處于被困狀態(tài)，饑渴、缺氧可能導致體力不支或半昏

6、迷狀態(tài)，這會給給救援工作帶來更大困難。深井救援器可根據情況安裝輔助設備語音視頻傳輸、照明系統(tǒng)及附帶安全帶。通過該系統(tǒng)救援人員和被救人員可以通過無線傳輸使雙方通話，救援人員可以通過攝像頭看到井下的情況，對救援工作進行指導，可以保證工作的順利進行。輔助部分的安全帶主要是為了防止被困者由于被困時間較長，體力不足而導致身體脫離機構，還分擔了部分腋窩的受力，從而達到雙重的保護作用，進而保證救援工作的順利進行。2.2 方案確定在設計此救援器時首要考慮的是井口的大小，根據井口的大小和實際應用的需要設計出曲柄的長度，進而確定連桿長度和滑塊的大小。由于在上拉過程中，下臂會給人一個很大的擠壓力，因此在上臂增加一個

7、鎖緊卡條，防止救援器張角變小，既防止救援器對人體的擠壓，又保證救援器展開的穩(wěn)定性。遇險者通過救援器末端的拉手和階梯控制前后平衡。3 使用方法和性能分析3.1 使用方法繩索的一端連接在救援器的吊扣上，另一端連接手動葫蘆，手動葫蘆連接在三角架上。當救援工作開始后打開語音圖像傳輸系統(tǒng)，方便對被困者進行指導。當救援器到達被困者面前時，被困者打開曲柄滑塊機構腳踩在階梯上，自己調節(jié)所需的寬度和階梯的長度，把曲柄放入腋窩下，雙手握住下面的把手套，腳踩在階梯上被救者就可以隨著救援器的提升而被救出。 此救援器操作簡單、方便、靈活，可以在短時間內將人救出。3.2 性能分析救援器的結構設計簡單，無復雜的零件，易于加

8、工，成本低，可裝配性與工藝性好；操作簡單方便，可以快速解決深井救援問題；對人體健康無影響、對環(huán)境無污染。如果此產品被推廣，將會是深井救援的一大亮點。4 設計計算4.1 設計要求考慮實際救援工作中，救援器承載一個人的重量及救援器與周邊環(huán)境可能產生的摩擦，實際救援過程中，救援器帶著被救人員勻速豎直上升。正常人體重650N，在考慮摩擦等因素，設計計算承載力為1000N。4.2 整體機構的受力分析由于實際工作中無特殊工作環(huán)境要求，工作精度要求較低，所以將整體機構簡化如圖4.21進行分析。4.2.1 負載機構的受力分析將負載機構簡化成如圖4.22所示。 并且假設外力負載作用于AB中點。1、 對AB桿受力

9、分析 對AB桿受力分析如圖4.23所示 即： 且： 整理解得： 2、對BC桿受力分析對BC桿受力分析如圖4.24所示BC是二立桿所以： 因為 既： 整理計算得： 4.3 構件的強度校核因為在實際應用中無特殊環(huán)境，工作時精度要求較低，無特殊的工作負載，所以在對構件進行強度校核時只考慮構件所受的主要應力，而特定條件下所發(fā)生的特殊工作狀況不給予考慮。在設計中，工作安全因數(shù)S及壓桿穩(wěn)定因數(shù)分別取2和3以滿足常規(guī)普通條件的工作安全要求。4.3.1 AB曲桿的強度校核 1、AB曲桿材料為Q235鋼 2、Q235鋼抗拉、抗壓強度設計值； 3、Q235鋼抗剪切強度設計值； 4、AB曲桿的曲率半徑190mm；

10、5、AB曲桿的橫截面積為； 6、工作安全因數(shù)； 7、AB曲桿的彎曲內應力計算如圖4.32所示，以圓形角為的徑向界面m-m，將曲桿AH分成兩部分，取右部分進行分析。如圖4.33所示，把作用于這一部分上的力分別投影于軸線在m-m截面處的切線和法線方向，并對m-m截面的形心取矩，根據平衡方程容易得： 當時 、 當時 、 8、AB曲桿的應力校核計算1) 按拉應力于壓應力校核曲桿AB因為與彎矩M對應的正應力沿截面高度按雙曲線規(guī)律分布，與軸力對應的正應力在截面上均勻分布，計算最大正應力時，將上述兩種正應力得出截面內側（n）邊緣處的最大拉應力： （1）M為AB桿所受的彎矩，；為n面到曲率中心的距離，；r為橫

11、截面的中心軸半徑；S為整個橫截面積對中心軸的靜矩；為AB曲桿所受的最大軸力，；A為AB曲桿橫截面積， 。 確定曲桿AB的橫截面積的中心軸半徑r 為m面到曲率中心的距離，。 確定曲桿AB橫截面對中心軸的靜矩S 為曲桿AB橫截面積的形心軸，。 將r、S值代入公式（1）得： 同理，截面外側（m）邊緣最大壓應力為： M為曲桿AB的彎矩，；為m面到曲率中心的距離，；r為曲桿AB的中性層半徑，；曲桿AB所受最大軸力，；A為曲桿AB的橫截面積，。 AB曲桿材料的需用壓應力和需用壓應力： 因為、，所以AB曲桿滿足拉、壓強度校核。1) 按剪切應力校核曲桿AB F為AB曲桿所受外力，；A為AB曲桿的橫截面積，。

12、AB曲桿的需用剪切強度： 因為，所以AB曲桿滿足剪切強度校核。由于AB曲桿的拉應力、壓應力和剪切應力強度校核均滿足，所以AB曲桿滿足實際工作使用要求。4.3.2 CD桿強度校核1、 CD桿材料為Q235；2、 CD桿的橫截面積為；3、 按拉應力校核CD桿校核 F為CD桿受力，A為CD桿的橫截面積， CD曲桿材料的需用壓應力和需用壓應力：因為，所以CD桿滿足強度校核。4.3.3 BC桿的強度校核1、 BC桿材料為Q235；2、 BC桿長為；3、 BC桿橫截面積為；4、 取壓桿穩(wěn)定系數(shù)；5、 按壓桿穩(wěn)定校核BC桿1) Q235極限柔度為；2) 計算BC桿的柔度 （1）壓桿的長度因數(shù)；BC桿的自由長

13、度；BC桿的截面慣性半徑 其中，I為BC桿橫截面的慣性矩： ，所以代入公式（1）整理得： 其中，經計算得： 3) 用歐拉公式校核BC桿 因為，所以可以使用歐拉公式 （2）為BC桿的臨界壓力；E為BC桿材料的彈性模量，；I為BC桿橫截面的慣性矩，；為BC桿的長度因數(shù)；為BC桿的自由長度，將上述值代入公式（2）得： BC桿的工作安全因數(shù)n： N遠遠大于，所以BC桿一定滿足工作要求。4.3.4 整個機構連接校核救援器所有轉動連接部分均采用直徑為8mm的六角頭螺栓連接既能保證連接的穩(wěn)定性也能保證轉動副的正常運轉。經分析，整個救援器受力最大的六角頭螺栓在E處，固對E處六角頭螺栓進行校核，若其滿足強度要求

14、則所有轉動連接處均滿足強度要求。如圖4.35分析按剪切應力校核E處六角螺栓強度六角頭螺栓材料為45號鋼；45號鋼的強度極限；六角頭螺栓的公稱直徑為8；六角頭螺栓截面積；六角頭螺栓所受的力；轉動副工作安全系數(shù)；E處六角頭螺栓所受剪切應力： 六角頭螺栓材料的許用應力： 因為，所以E處六角頭螺栓連接滿足實際工作強度要求。5 創(chuàng)新點（1）采用曲柄滑塊機構，完成救援器的主要機械運動，曲柄能與下臂重合減小占用的空間；（2）救援器兩臂張角大小可調整，能夠滿足不同直徑井口救援工作的需要；（3）鎖緊卡條使救援器更加穩(wěn)定，同時減小救援器對人體的擠壓；（4）機械與電子設備結合使救援人員與待救人員進行互動，提高救援效率。 參考文獻1 北力.救援現(xiàn)狀及未來分析J.北方消防,2003年20期2西北工業(yè)大學機械原理及機械零件教研室，編孫桓 陳作模 葛文杰主編. 機械原理，第七 版M. 高等教育出版社，20063 鄧建黨.偏置式曲柄滑塊機構的設計J.濮陽職業(yè)技術學院學報,2008年02期4 莫愛貴.