全国大学生机械创新设计大赛说明书模板

作品名称：深井救援器目录作品简介 (2)1研制背景及意义1.1研制背景 (2)1.2研制意义 (4)2设计方案2.1产品原理 (4)2.1.1机械部分 (5)2.1.2辅助部分 (7)2.2方案确定 (7)3使用方法和性能分析3.1使用方法 (8)3.2性能分析 (8)4设计计算4.1设计要求 (8)4.2整体机构的受力分析 (8)4.2.1负载机构的受力分析 (8)4.3构件的强度校核 (10)4.3.1 .................................................................................................................................. A B曲杆的强度校核.. (10)4.3.2C D杆强度校核 (13)4.3.3B C杆的强度校核 (14)4.3.4整个机构连接校核 (15)5创新点 (14)参考文献 (15)作品简介在现实生活中，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。

1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，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，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）图1紧急营救中在坠入深井后，遇险者会轻度受伤，而四肢基本完好。

我们设计的产品一一深井救援器, 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。

2设计方案 2.1产品原理图2救援成功 1.2研制意义井口亜井底 二十爹来 井口出径盹叩米ITSfft 问:ft /j 2& 3却!（堆点：故；丹布悟卅貝图3救援失败2.1.1机械部分机械部分包括提升结构、锁紧结构和曲柄滑块机构、阶梯结构。

如图8所示。

5、图6、图7、图图5 图6图7曲柄滑块机构打开（左）和闭合状态（右）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一一语音视频传输、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 前时，被困者打开曲柄滑块机构脚踩在阶梯上，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7图4.21l AB = 150 mm l BC 二 200mmF =500N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Zy =0即:F AxF B COST - 0F Ay F B Si n —F = 0 1F * l AB = 0 F B sin 二• l AB且:COST整理解得:= 220.48N二虫二 0.75lBCFAx 」FAy F ； =378.79N L_ B2、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 = 250N 所以:F B"F BXFBy图4.图4.22既因为F BF B - -F c - -F CBX - -F cx 二F B COS二F B C O S jF By = —F ey =F B s i n = -F B Si n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S nt 分别 取2和3以满足常规普通条件的工作安全要求。

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 二p = 205MPa ；3、 Q235钢抗剪切强度设计值.=120MPa ；4、 AB 曲杆的曲率半径190mm ；5、 AB 曲杆的横截面积为 A = a 2= 20mm 20mm = 400mm 2； 6、 工作安全因数S=2 ； 7、 AB 曲杆的弯曲内应力计算整理计算得:T B=-378.79N F C = 378.79NFBx =-220.48NFex= 220.48N F By=-250NF ey= 250N4.3构件的强度校核F^OON图431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:F N= F sin :F AX COS :F S = -F COS 'F A X sin :M =—F A X・R（1—cos毋）+F ・Rsin半0它® <23D当—23 时 |F Nmax=398.32N、F N=398.32N=33789.31N *mm> M = 33789.31N *mm当 =0时F s ma^50N、F s=500N8、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 截面上均匀分布，计算最大正应力时， 应力： F N 对应的正应力在 将上述两种正应力得出截面内侧（ n ）边缘处的最大拉 oM （R i - r ） F N （ 1） 1 （1） SR, A M 为AB 杆所受的弯矩，M =33789.31N ・mm ； R 1为n 面到曲率中心的距离，R 2 = 210mm ;r 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；F N为AB 曲杆所受的最大轴力，F N =398.32N ；A 为 AB 曲杆横截面积，① 确定曲杆AB 的横截面积的中心轴半径r*R 2R 1为m 面到曲率中心的距离，R^ -210mm 。

20mm —cr 199.83mm,210mm In190mm② 确定曲杆AB 横截面对中心轴的静矩SS = A & -rR ）为曲杆AB 横截面积的形心轴，R 。

= 200mm 。

S = 400mm 2 200mm-199.83mm = 68mm 3将r 、S 值代入公式（1）得：M(R —r) F N 33789.31N ・mm"210mm —199.83mm) 398.32N-t 1 N 3 2=23.07MPaSR 2 A 68mm x 210mm 400 mm 同理，截面外侧(m )边缘最大压应力为：口 _ M (r _ R 2) + F Nc SF 2 A68mm 3210mmM 为曲杆AB 的弯矩，M =33789.31N ・mm ;R 为m 面到曲率中心的距离，R 2 = 190mm; r 为曲杆AB 的中性层半径，r = 1998.83mm ; F N 曲杆AB 所受最大轴力，F N =398.32N ;A 为曲杆 AB 的横截面积，A = a 2二 20mm 20mm 二 400mm 2。