機械創(chuàng)新課程設(shè)計范例

1、機械創(chuàng)新設(shè)計課程設(shè)計院系：機械工程學(xué)院班級：08 創(chuàng)新班成員：吳龍（0810111722） 閆浩（0810111723） 陳曦（0810111706） 指導(dǎo)老師：劉小鵬設(shè)計題目：魚式水下搜救器2011年3月19日魚式水下搜救器一、設(shè)計任務(wù)簡述日常生活或突發(fā)災(zāi)難中，經(jīng)常要進行水下搜救、監(jiān)視、打撈工作。現(xiàn)已有的方法主要有三種：一種是救援人員潛水進行打撈，潛水打撈危險，且不易深水打撈，成本高，適應(yīng)性差；另一種是采用水下監(jiān)視打撈器打撈，由于桿的長度及人的控制能力有限，局限性大，也不易在稍深水域打撈；還有一種是救援人員利用各種打撈裝置進行深水打撈，這種裝置設(shè)備高檔齊全、裝置操作復(fù)雜、救助功能不全、整套裝

2、置成本高；有的只具救生功能沒有打撈功能，有的只適用于救生，功能單一。鑒于此，我們設(shè)計了一種集各功能于一體的簡易救生器，其應(yīng)用前景廣泛。系統(tǒng)設(shè)計流程：總功能總功能原理解構(gòu)思工藝動作過程工藝過程分解執(zhí)行功能穩(wěn)定功能替換功能機械整體確定若干系統(tǒng)可行方案方案評價、決策綜合最優(yōu)方案二、設(shè)計分析1、 魚式水下搜救器的功能與設(shè)計要求（1） 功能 本搜救器適于水下十米處對溺水人員進行搜救或物體進行探位，從而幫助潛水搜救人員對營救目標進行定位進而施救。 本搜救器自帶攝像頭，工作人員可隨時監(jiān)控其工作情況?？蓽y量目標深度. 方便潛水搜救人員裝備適宜的抗壓工作服?；赥RIZ理論進行設(shè)計分析問題解決過程實現(xiàn)功能的物理

3、效應(yīng)控制物體位移機械力；液體動力；振動；慣性力傳遞能量（機械能、熱能、輻射能、電能）無線電傳送；鏈傳動；形變；齒輪機構(gòu)；絲桿傳動技術(shù)特性參數(shù)：1運動物體的質(zhì)量 9速度 14強度 21功率 28測試精度 35適用性和多用性36裝置的復(fù)雜性要擴大裝置的35適用范圍和多用性就必然會導(dǎo)致36裝置的復(fù)雜性提高。由沖突解決矩陣可以得問題解決的原理：15 b把物體的結(jié)構(gòu)分成既可變化又可相互配合的若干組成部分。為此我們?yōu)樗丫绕髟O(shè)計了動力裝置、定位裝置、救生裝置、無線電路控制裝置。要提高裝置的9速度，就要提高電機轉(zhuǎn)速，而降低21功率。由沖突解決矩陣可以得到問題解決的原理： 35d.改變物體的溫度或體積等參數(shù)。我

4、們將搜救器船身設(shè)計成半球狀既減少阻力又減少了體積。由于搜救器工作在水下必然會受到水壓，所以要考慮提高船身5強度，這樣會使整個裝置14質(zhì)量增加，由沖突解決矩陣可以得問題解決的原理： 27廉價替代品，用廉價可丟棄的物體替代昂貴的物體。于是我們想到了用廢舊的煤氣罐做船體，這樣就解決了船身強度不夠的問題。由于搜救器在水下工作而搜救人員在岸上操作，不能即時判斷水下搜救情況，為了提高搜救28精度，會是導(dǎo)致36搜救器電路變得復(fù)雜，由沖突解決矩陣可以得問題解決的原理：26復(fù)制，b.用圖像代替物體，并可進行放大和縮小。c.用紅外或紫外光去替代可見光，我們在搜救器上安裝了紅外攝像頭。很好的解決了這一問題。綜上，在

5、方案設(shè)計中，為了達到魚式水下搜救器功能多樣性，擴大搜救器的使用范圍，同時又要減小裝置的復(fù)雜性，我們將搜救器結(jié)構(gòu)設(shè)計分成既可變化又可相互配合的若干組成部分。三、工作原理魚式搜救器集水下搜與救于一身，整個船體的上浮、下沉是用氣囊的充放氣來實現(xiàn)的；船體尾部裝有兩個螺旋槳，來實現(xiàn)前進后退和拐彎；船體上帶有遠紅外攝像頭，經(jīng)過無線傳輸，岸上的救援者就可看到真實的水下環(huán)境；通過浮在水面的浮漂式氣管可得到其在水面的準確位置，壓力傳感器的數(shù)據(jù)顯示，可得知下潛的深度，從而確定搜救器水下的準確位置；當(dāng)通過攝像頭搜尋到目標時就可以通過電磁閥，放下救生鉤，勾住目標，然后讓氣囊充氣上浮。此為搜救器的全部工作過程。整個裝置

6、與水面上的控制面板之間的的無限通信控制和傳輸數(shù)據(jù)都是通過浮在水面上的浮球里的信號搜發(fā)起實現(xiàn)的。綜上所述整個裝置可分為個模塊，下面重點介紹。氣囊本搜救器在水中的升降是用兩個氣囊的充放氣來實現(xiàn)的，氣囊安裝在上蓋板兩個隔艙中，三通管與氣囊相連，氣囊分前后兩艙安裝，三通管另一端通過電磁閥與氣泵相連利用氣泵來給氣囊充氣。電磁閥與氣泵安裝在下箱體中。如圖一所示：圖一 氣囊圖定位裝置本裝置的水平定位是利用浮漂式氣管實現(xiàn)的，而深度定位是利用固定在下箱體中的壓力傳感器實現(xiàn)的。浮漂式氣管浮在水面上，肉眼就可清楚的知道其在水面的位置，而壓力傳感器通過壓力傳感器控制電路、主控制器與電源相連，數(shù)據(jù)信號可以通過無線傳輸傳

7、到LCD顯示屏上。壓力傳感器的精確度可達5cm，能提供精準的水下位置深度。如圖所示： 圖二 圖三 浮漂式氣管 圖四 壓力傳感器 救生裝置工作原理救生裝置包括電磁鐵和救生鉤，安裝在下箱體的電磁鐵通過電磁鐵操控電路、主控制器與電源相連，電磁鐵的通、斷電由控制面板無線控制。救生鉤通過300400mm短線固定在下箱體的腹部。 圖五 救生鉤 圖六 電磁閥 4無線電路控制原理水下搜救器的船艙體中所包含的壓力傳感器、紅外攝像頭、電機的驅(qū)動、電池閥以及電磁鐵的控制部分電路經(jīng)通過與漂浮在水面的浮球里的無線發(fā)射板相連，利用其與控制面板的信號收發(fā)器接收和輸出進行傳輸。各個部分的控制都將通過控制面板進行操控。操控面板

8、如圖所示：圖七 無線電路控制面板總控制電路如圖所示：圖八 總控制電路示意圖四、設(shè)計方案(1)船體的設(shè)計 圖九 上蓋板 圖十下箱體船體分為上下兩個艙，上艙安放氣囊，與外界相通的，下艙是完全密封的，里面安裝有蓄電池，氣泵，電磁閥，控制電路板，攝像頭，電機等，是完全密封的。為了盡可能減少船體的阻力，我們設(shè)計了魚式船體，整個船體成圓柱形，其水下阻力為 （1）（為流體阻力系數(shù)，經(jīng)查經(jīng)驗數(shù)據(jù)表的=1.2，s為船體的橫截面積，為流體密度，v為船體速度，這里按照船體全速前進的速度0.5m/s計算） （2）動力裝置及密封設(shè)計動力裝置包括安裝在下箱體尾部的左、右電機，電機軸上安裝的左、右螺旋槳，電機軸通過防水密封

9、套件固定在下箱體后板上，電機通過電機驅(qū)動電路、主控制器與電源相連,由控制面板無線獨立控制，可實現(xiàn)前進，后退，左右轉(zhuǎn)彎功能。如圖所示：具體計算如下：由式（1）可知，船體的阻力為4.68N。推進器的推力應(yīng)該大于等于4.68N,則一個推進器的推力則為T=2.34N。螺旋槳的螺距比H/D為1.4，直徑為75mm，推力系數(shù)Kt查經(jīng)驗數(shù)據(jù)表的0.75，設(shè)定流體的密度為kg/m3 。 所以選擇電機轉(zhuǎn)速為10r/s，即600r/min.防水密封的設(shè)計：電機軸上安裝有螺旋槳，所以要做到轉(zhuǎn)動過程中的密封，我們采用光滑接觸面摩擦無縫隙防水裝置。利用兩個受壓的光滑平面，其中一個平面與船體固定，另一個與傳動軸固定，并通

10、過彈簧使兩個平面緊密結(jié)合從而達到軸轉(zhuǎn)動密封不漏水的作用。 圖十四 密封裝置裝配圖 圖十四 密封裝置零件圖 （3）氣囊的設(shè)計氣囊采用軟膠制作成魚漂式氣囊，前后放置在上箱體中，在充氣時可以在箱體中隨著箱體的形狀變大，從而產(chǎn)生浮力。 圖十五 氣囊具體計算如下： 零件全重7.34kg 船體重8.95kg 全重16.29kg船體自身產(chǎn)生的浮力計算: 前端排水體積: 中間排水體積: 后端排水體積: 排水總體積: =+=0.0133由船體自身產(chǎn)生的浮力: 氣囊產(chǎn)生最大浮力計算:水艙體積 水艙間隙體積 氣囊允許排水最大體積:氣囊產(chǎn)生最大浮力: 船體及氣囊產(chǎn)生的總浮力:浮力大于全重，故滿足設(shè)計要求。（4）救生鉤

11、的設(shè)計救生鉤安裝在船體下部，有電磁閥控制，在搜尋過程中是收起來的，當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標后，電池閥斷電，救生鉤失去磁力，懸掛下來，勾出目標，就可上浮。 圖十六 救生鉤（5）浮漂式氣管的設(shè)計：此氣管首先使得氣泵與大氣相通，實現(xiàn)對氣囊的充氣；其次里面包有電線，使得艙內(nèi)的電氣元件浮球里的信號搜發(fā)板相連，從而實現(xiàn)無線通信與控制。最后則可起到水面定位的作用。 圖十七 浮漂式氣管（6）控制電路設(shè)計整個系統(tǒng)的控制電路圖如下： 五、功能特點本作品的功能及特點如下：(1)首先本搜救器，集搜與救于一身，體積小巧，操作方便，采用兩個氣囊前后放置，對其充放氣控制箱體上浮下沉，保證平穩(wěn)性和快速性。(2)采用雙電力驅(qū)動，無線遙控操控

12、，可同時同向、反向轉(zhuǎn)。(3)防水密封的設(shè)置使船體達到完全密封的。(4)紅外無線傳輸攝像頭通過無線傳輸將信號傳給顯示器，可以得到清晰的水下環(huán)境。(5)直流電磁鐵將救生鉤吸附在下箱體上，待搜到人或物體時，將電磁鐵斷電釋放救生鉤調(diào)整船體位置即可鉤取物體。(6)深度傳感器可以將數(shù)字信號通過無線收發(fā)模塊傳輸給LED顯示屏，得到準確位置。六、主要創(chuàng)新點(1)對魚漂式氣囊充、放氣，巧妙地解決了船體的上升和下潛的問題，結(jié)構(gòu)簡單。(2 )利用浮漂定位，可以直觀的看到搜救器的具體方位。 (3)利用兩個受壓的光滑平面，巧妙地解決了螺旋槳傳動軸在水下動密封的問題。(4)利用浮球巧妙地解決了水下多種信號無線傳輸屏蔽的問題。(5)利用壓力傳感器