1、 作品名称：深井救援器目 录作品简介 21 研制背景及意义1.1 研制背景 31.2 研制意义 .42 设计方案2.1 产品原理 .42.1.1 机械部分 .52.1.2 辅助部分 .72.2 方案确定 .73 使用方法和性能分析3.1 使用方法 73.2 性能分析 .74 设计计算4.1 设计要求 .74.2 整体机构的受力分析 .74.2.1 负载机构的受力分析 .84.3 构件的强度校核 .94.3.1 AB 曲杆的强度校核 .914.3.2 CD 杆强度校核 .124.3.3 BC 杆的 强度校核 .124.3.4 整个机构连接校核 .145 创新点 14参考文献 15作品简介 在现实
2、生活中，不慎掉入深井的事件时有发生。通常因井口较小、救援 设备单一而导致救援失败， 为此我们设计了深井救援器。该产品专门 用于井下救援， 能快速有效地解决深井救援问题。应用简单的机构完成救援任务是我们的设计理念。深井救援器以曲柄滑块机构为主，附带了锁紧卡条，阶梯，滑 轮。曲柄滑块机构起定位和承受人体体重的作用，锁紧 卡条与锁紧卡扣紧后保证左右稳定，阶梯还能保持遇难者上升时平稳和舒适及减少曲柄滑块机构的受力，滑轮可以减少救援器与井壁的摩擦。在提升过程中，遇险者通过救援器下臂的拉手控制前后平衡，脚可以踩在阶梯上，而阶梯上部与救援器两侧支柱间连有弹簧，可调节长 度。深井救援器结构紧凑，曲柄滑块的曲柄
3、与下臂能重合在一起，同时阶梯结构带有伸缩功能保证了机构占有更小的空间，使救援器在空间狭小的条件下也能到达准确位置 。21 研制背景及意义1.1 研制背景这是 2009 年 7 月 31 日发生在吉林省九台市的真实事件。东亚讯（记者崔雷文/摄）昨日 6 时 30 分左右，九台市其塔木镇村民王某在地里干活时，隐约听到有人喊救命。顺着呼救声，王某来到苞米地里的水井前，只见漆黑的井底下卡着一个人，一问才知道是村民韩大爷。原来韩大爷一早出来遛弯，不小心掉进井里。7 时 40 分左右，九台市消防大队消防员赶到现场，经过勘查，水井深 约 20 米、井口直径仅 40 厘米。8 时左右，消防员魏鹏身上绑着绳子，
4、头 朝下进入井里，到了井下， 发现井底是淤泥，水没到老人胸口位置，由于井下缺氧，老人已处于神志不清状态。因为井口窄小，消防员先后动用了 5 种救援方案均告失败，最后，消防员与 现场民警商量，用手 铐和麻绳把老人的手臂捆好，直到 12 时 30 分左右，才把韩大爷救出来，但此时老人因缺氧已死亡。坠入深井的案例在国内频繁发生，下面是发生在山西省的两起坠井事件。2009 年 08 月 25 日 21 时，在山西长治市长治县八义镇官道村，一位女子不慎坠入二十多米深的井中，由于井口较窄，营救工作异常艰难。经过 近两个小时的努力，消防官兵终于将其救出。见 （图 2）2009 年 6 月 25 日 9 时，
5、发生在山西省的一个井下救援事件，由于井口狭窄且较深， 营救人员采用挖掘机在井口旁挖掘，当挖掘到井底时，起初在水面的被困者由于长时间处于井底导致身亡。见（图 3）3图 2 救援成功 图 3 救援失败1.2 研制意义在坠入深井后，遇险者会轻度受伤，而四肢基本完好。我 们设计的产品深井救援器，借助遇险者的四肢与救援器配合来完成救援。该产品不仅操作方便，而且加工简单，成本低，能有效地解决狭小空间的救援问题，会给此类救援工作带来了极大的方便，进而更有效率地挽救被困者的生命。图 1 紧急营救中42 设计方案2.1 产品原理2.1.1 机械部分图 4 深井救援器实体图5机械部分包括提升结构、锁紧结构和曲柄滑
6、块机构、阶梯结构。如 图 5、图 6、图 7、图 8所示。图 5 图 6图 7 曲柄滑块机构打开（左）和闭合状态（右）6图 8 阶梯滑轮结构2.1.2 辅助部分考虑到被救者长时间处于被困状态，饥渴、缺氧可能导致体力不支或半昏迷状态， 这会给给救援工作带来更大困难。深井救援器可根据情况安装辅助设备语音视频传输、照明系统及附带安全带。通过该系 统救援人员和被救人员可以通过无线传输使双方通话，救援人员可以通过摄像头看到井下的情况，对救援工作进行指导，可以保证工作的顺利进行。辅助部分的安全带主要是为了防止被困者由于被困时间较长，体力不足而导致身体脱离机构，还 分担了部分腋窝的受力，从而达到双重的保护作
7、用， 进而保证救援工作的顺利进行。2.2 方案确定在设计此救援器时首要考虑的是井口的大小，根据井口的大小和实际应用的需要设计出曲柄的长度，进而确定连杆 长度和滑块的大小。由于在上拉过程中，下臂会 给人一个很大的挤压力，因此在上臂增加一个 锁紧卡条，防止救援器 张 角变小，既防止救援器 对人体的挤压，又保证救援器展开的稳定性。遇 险者通过救援器末端的拉手和阶梯控制前后平衡。3 使用方法和性能分析3.1 使用方法绳索的一端连接在救援器的吊扣上，另一端连接手动葫芦，手动葫芦连接在三角架上。当救援工作开始后打开语音图像传输系统，方便对被困者进行指导。当救援器到达被困者面前7时，被困者打开曲柄滑块机构脚
8、踩在阶梯上，自己 调节所需的宽度和阶梯的长度，把曲柄放入腋窝下，双手握住下面的把手套，脚踩在阶梯上被救者就可以随着救援器的提升而被救出。 此救援器操作简单、方便、灵活，可以在短时间内将人救出。3.2 性能分析救援器的结构设计简单，无复杂的零件，易于加工，成本低，可装配性与工艺性好；操作简单方便，可以快速解决深井救援问题；对人体健康无影响、对环境无污染。如果此 产品被推广，将会是深井救援的一大亮点。4 设计计算4.1 设计要求考虑实际救援工作中，救援器承载一个人的重量及救援器与周边环境可能产生的摩擦，实际救援过程中，救援器带 着被救人员匀速竖直上升。正常人体重 650N，在考虑摩擦等因素，设计计
9、算承载力为 1000N。4.2 整体机构的受力分析由于实际工作中无特殊工作环境要求，工作精度要求较低，所以将整体机构简化如图4.21 进行分析。4.2.1 负载机构的受力分析将负载机构简化成如图 4.22 所示。mlAB150mlBC20NF5并且假设外力负载作用于 AB 中点。1、对 AB 杆受力分析对 AB 杆受力分析如图 4.23 所示 0xAy即： 021sincoABABByxlFlF且：875.0cosBCAl整理解得：NBFAyx79.382504.2、对 BC 杆受力分析对 BC 杆受力分析如 图 4.24 所示 BC 是二立杆所以：CyByxxF因为 既：sinsicocBB
10、CyByxx FF 整理计算得： NFNCyBxCB25048.79.34.3 构件的强度校核因为在实际应用中无特殊环境，工作时精度要求较低，无特殊的工作负载，所以在 对构件9进行强度校核时只考虑构件所受的主要应力，而特定条件下所发生的特殊工作状况不给予考虑。在设计中，工作安全因数 S 及压杆稳定因数 分别 取 2 和 3 以满足常规普通条件的工作ntS安全要求。4.3.1 AB 曲杆的强度校核1、AB 曲杆材料为 Q235 钢2、Q235 钢抗拉、抗压强度设计值 ；MPap2053、Q235 钢抗剪切强 度设计值 ；14、AB 曲杆的曲率半径 190mm；5、AB 曲杆的横截面积为 ；224
11、maA6、工作安全因数 ；S7、AB 曲杆的弯曲内应力计算如图 4.32 所示，以圆形角为 的径向界面 m-m，将曲杆 AH 分成两部分，取右部分进行分析。如图 4.33 所示，把作用于这一部分上的力分 别投影于轴线在 m-m 截面处的切线和法线方向，并对 m-m 截面的形心取矩，根据平衡方程容易得：10230sin)cos1(isinRFRFMAxxsN当 时 、23NFN32.98maxF32.98、M17mNM1.7当 时 、0s50axs08、AB 曲杆的应力校核计算1) 按拉应力于压应力校核曲杆 AB因为与弯矩 M 对应的正应力沿截面高度按双曲线规 律分布，与轴力 对应的正应力在NF
12、截面上均匀分布，计算最大正 应力时，将上述两种正应力得出截面内侧（n）边缘处的最大拉应力：（1）ASRrMNt 21M 为 AB 杆所受的弯矩， ；m31.789为 n 面到曲率中心的距离， ；1 R20r 为横截面的中心轴半径；S 为整个横截面 积对中心 轴的静矩；为 AB 曲杆所受的最大轴力， ；NFNFN3.98A 为 AB 曲杆横截面积，。22400ma 确定曲杆 AB 的横截面积的中心轴半径 r21lnRar为 m 面到曲率中心的距离， 。1 mR210r83.90ln 确定曲杆 AB 横截面对中心轴的静矩 SrRAS11为曲杆 AB 横截面积的形心轴， 。0RmR2032 683.
13、1904mS将 r、S 值代入公式（1）得：MPamNNAFRMNt 07.234.982068.19.37)( 32 同理，截面外侧（m）边缘最大 压应力为：SrNc2)(M 为曲杆 AB 的弯矩， ；mM31.789为 m 面到曲率中心的距离， ；1RR02r 为曲杆 AB 的中性层半径， ；r.曲杆 AB 所受最大轴力， ；NFFNA 为曲杆 AB 的横截面积， 。2240aAMPamNmSRrNc 71.63.98190683.3.79)( 222 AB 曲杆材料的需用压应力和需用压应力：MPaSp5.20因为 、 ，所以 AB 曲杆满足拉、压强度校核。cpt1) 按剪切应力校核曲杆
14、ABAFmaxF 为 AB 曲杆所受外力， ；N50A 为 AB 曲杆的横截面积， 。24mMPa.12maxAB 曲杆的需用剪切强度：S60因为 ，所以 AB 曲杆满足剪切强度校核。max由于 AB 曲杆的拉应力、压应力和剪切应力强度校核均满足，所以 AB 曲杆满足实际工作使用要求。4.3.2 CD 杆强度校核1、CD 杆材料为 Q235；2、CD 杆的横截面积为 ；240mA3、按拉应力校核 CD 杆校核12AFmaxF 为 CD 杆受力， N50A 为 CD 杆的横截面积， 24mMPa5.1maxCD 曲杆材料的需用压应力和需用压应力：MPSp.0225因为 ，所以 CD 杆满足强度校
15、核。max4.3.3 BC 杆的强度校核1、BC 杆材料 为 Q235；2、BC 杆长为 ；l203、BC 杆横截面 积为 ；22400maA4、取压杆稳定系数 ；3stn5、按压杆稳定校核 BC 杆1) Q235 极限柔度为 ；102) 计算 BC 杆的柔度（1）il压杆的长度因数 ；BC 杆的自由 长度 ；ml20BC 杆的截面 惯性半径IAi其中 ，I 为 BC 杆横截面的惯性矩： ，240A 124aI所以 21aIi代入公式（1）整理得：21al其中 ，经计算得：ma067.3) 用欧拉公式校核 BC 杆因为 ，所以可以使用欧拉公式113（2）lEIcrF为 BC 杆的 临界压力；c
16、rE 为 BC 杆材料的弹性模量， ；GP06I 为 BC 杆横截面的惯性矩， ；124aI为 BC 杆的 长度因数；为 BC 杆的自由长度，l ml0将上述值代入公式（2）得：NmGPlEIcrF 5242 107.60164.3BC 杆的工作安全因数 n：789.375NBN 远远大于 ，所以 BC 杆一定满足工作要求。st4.3.4 整个机构连接校核救援器所有转动连接部分均采用直径为 8mm 的六角头螺栓连接既能保证连接的稳定性也能保证转动副的正常运转。经分析，整个救援器受力最大的六角头螺栓在 E 处，固对 E 处六角头螺栓进行校核，若其满足强度要求则所有转动连接处均满足强度要求。如图
17、4.35 分析按剪切应力校核 E 处六角螺栓强度六角头螺栓材料为 45 号钢；45 号钢的强度极限 ；MPap60六角头螺栓的公称直径为 8；六角头螺栓截面积 ；222 4.50814.34mdA六角头螺栓所受的力 ；NF0转动副工作安全系数 ；SE 处六角头螺栓所受剪切应力：MPamNAF90.124.50六角头螺栓材料的许用应力：Sp36因为 ，所以 E 处六角头螺栓连接满14足实际工作强度要求。5 创新点（1）采用曲柄滑块机构，完成救援器的主要机械运动，曲柄能与下臂重合减小占用的空间；（2）救援器两臂张角大小可调整，能够满足不同直径井口救援工作的需要；（3）锁紧卡条使救援器更加稳定，同时
18、减小救援器对人体的挤压；（4）机械与电子设备结合使救援人员与待救人员进行互动，提高救援效率。参考文献1 北力.救援 现状及未来分析J.北方消防,2003 年 20 期2 西北工业大学机械原理及机械零件教研室，编孙桓 陈作模 葛文杰主编. 机械原理，第七 版M. 高等教育出版社，20063 邓建党. 偏置式曲柄滑块机构的设计J.濮阳职业技术学院学报,2008 年 02 期4 莫爱贵. 转动副的摩擦要领J.邵阳高等专科学校学报,1995 年 02 期5 刘鸿文主编.材料力学 I.第 4 版M.高等教育出版社 , 20046 姜善涛. 设计最佳传动曲柄滑块机构的一种新方法J.机械,2009 年 07 期7 杨卓娟，陈如娜主编.机械设计综合实践教程M .西南交通大学出版社，20068 西北工业 大学机械原理及机械零件教研室编，濮良贵，纪名刚主编.机械设计，第八版M. 高等教育出版社,20069 大连理工大学工程图学教研室.机械制图，第六版M. 高等教育出版社， 2007
