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机械创新设计大赛全国一等奖说明书

来源:本站 作者: 发布时间:2019-01-06 19:45:33 人气: [ ] 查看评论

  机械创新设计大赛全国一等奖说明书_机械/仪表_工程科技_专业资料。第四届全国大学生机械创新设计大赛决赛参赛作品 多功能救灾背包设计说明书 设计者:杨凯,徐超,张恩,吴刚亮,杨飞 指导教师:朱育权,万宏强 西安工业大学机电学院 2010 年 10 月 第四届全

  第四届全国大学生机械创新设计大赛决赛参赛作品 多功能救灾背包设计说明书 设计者:杨凯,徐超,张恩,吴刚亮,杨飞 指导教师:朱育权,万宏强 西安工业大学机电学院 2010 年 10 月 第四届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书 多功能救灾背包 设计者:杨凯,徐超,张恩,吴刚亮,杨飞 指导教师:朱育权,万宏强 (西安工业大学 机电工程学院,西安 710032) 摘要:以便捷、实用、高效的解决救灾过程中的运输、医疗救治、住宿、饮食问题的设备为研究对象。提 出了一种可分离的四折叠框架结构,再巧妙地配以折叠帆布和帐篷,便制成了一种可运输物资又可变为担 架、帐篷的背包。实验结果表明,该设备工作稳定,性能可靠,功能实现效果良好。 关键词:背包;担架;帐篷;多功能;救援避难 作品内容简介 本作品跟据本届机械创新设计大赛的主旨要求而设计,属于“救援、避难类机械” 。此背包主体为金 属框架结构,宽 50cm,厚 30cm,高 70cm,净重 8kg。背包状态可用来运送物资。卸下物品后开启侧连接 机构,展开背包变为担架,担架长 200cm,宽 50cm。翻转担架并开启开合装置,揭开粘扣,向两侧拉开 担架,拉出帐篷与担架布面结合,再由折叠杆撑起即变为帐篷,底面边长 2m× 1.8m,高 145cm,可容纳三 人居住。 此背包设计容量 90L,内装供三人三天使用的食物,饮用水及药品。再放入轻薄的防潮垫和三个睡袋 以结合帐篷使用。这样每个背包就可解决三个人灾后三天内的基本生存问题,还可用担架将受伤严重的人 抬出至附近的基站救治。 联系人:万宏强 联系电线 研制背景及意义 在像玉树地震、舟曲泥石流等这类自然灾害发生时,由于道路损毁、大型救援设备数量 不足,都会造成很多民众被困重灾区。短期内面临没有食物、饮用水、药品以及住所等问题。 没有大型设备的帮助,到达灾区外围的士兵往往没有高效的救援方法,而是以人力一次又一 次的向灾区运送单一物资,很难满足灾民短期生存的多种需求。对于这类自然灾害救援过程 中存在的问题我们应当考虑如下几点: 1)运送的物资应当具有集成性,以便于之前的统一生产、调配与运输; 2)送入灾区的设备应当尽可能多的解决灾民所面临的各种基本困难,如温饱、住宿以及 医疗救治问题; 3)送入灾区的设备除了消耗品外可以反复再利用。 此多功能救灾背包旨在解决灾难刚过,大型救援设备到来前的几天内灾民面临的各种基 1 第四届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书 本困难。它平时可大批量库存,当灾难发生,有民众被困且短时间无法解救时,可将食物和 饮用水、医药用品、三个睡袋及防潮垫分别打包,把他们全部装进背包。此背包由救援部队 士兵徒步背入灾区(特殊情况可加装降落伞采用空投方式) ,卸下物品后可将背包变形为三人 帐篷,每个背包内的物品则是供给这三人使用的。这样每个背包就可解决三个人灾后两三天 内的基本生存问题。如果有需要,还可将背包变形为担架将受伤严重的人抬出至附近的基站 救治。 2 设计方案 2.1 总体设计构想 为了实现背包的容纳功能与担架的承载功能,背包与担架共用同一金属框架。背包要求 金属框架可折叠,担架要求金属框架水平时只能单向折叠。为了使帐篷便于和各种地面固定, 担架采用了两端可开合的结构,可将帐篷折叠杆固定在分开的担架框架的四个角上,这样借 助担架框架的重量,即使不用地钉帐篷也不会被风吹走。 2.2 金属框架方案比较 为了使人背负舒适,背包应上不过颈、下不过臀,故背包高度取 60~70cm。再根据成年 人的负重能力及美观角度考虑,背包厚度取 30cm。背包的宽度即担架的宽度,故综合较大的 背包宽度尺寸、较小的担架宽度尺寸,定为 50cm。根据市场主流担架尺寸,担架的长度取 200~210cm。由此产生以下两种方案: 方案一(图 1)采用了三对限位铰链来实现担架的折叠,采用了一对 30cm 的伸缩机构来 降低担架变为背包时的高度。此结构担架长度较长,为 210 厘米,便于躺人。背包高度较低, 易于背运。但结构较复杂,不以制造和使用。 方案二(图 2)采用了三对限位铰链来实现担架的折叠,这样背包状态的高度有所增加变 为 70cm,担架的长度也有所减小,变为 200cm,基本不影响背包和担架的使用。结构大大简 化,制造容易,使用方便。 综合考虑,采用方案二。 图 1 方案一 图 2 方案二 2 第四届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书 2.3 背包侧连接机构方案比较 担架折叠为背包后需要一装置将前后框架连接,如图 3 红圈处,由此我们设计了侧连接 机构。 图 3 前后框架连接位置 方案一(图 4)中,左右框架采用扁钢折成的矩形框加装可转动的 U 型弹簧销连接,借 助框架管上带卡槽的套管,矩形框便可绕框架径向转动。这样变为帐篷时转动矩形框与地面 平行,帐篷便可稳定置于地面。此方案结构较为简单,制造容易,但实验发现背包倾斜时 U 型弹簧销会脱出,结构不够可靠。 方案二(图 5)与方案一类似,但上下都加装了 U 型弹簧销,中间采用拉簧连接。此方 案制造稍费时间,但结构可靠。 综合考虑,采用方案二。 图 4 方案一 图 5 方案二 3 第四届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书 2.4 背包与担架布体方案比较 背包与担架共用同一布体,由于担架变形为帐篷时需要拉伸担架,这样就产生了两种布 体的设计,可拆卸式和折叠式。 方案一(图 6)布体采用可拆卸式,周围伸出的布块带有粘扣。背包与担架状态布体用粘 扣与框架连接,变形帐篷时需卸下布体。其优点在于布体结构简单,轻便。缺点是用粘扣连 接承载强度低,由于要拆卸,一体化程度差,不方便携带。 方案二(图 7)布体采用折叠式,周围伸出的布块绕过框架管与自身相逢合。背包与担架 布体为折叠状态,变形帐篷时展开布体,与帐篷底面相连。其优点在于将所有布整合为一体 连接在框架上,易于操作,便于携带,并且为帐篷加厚了底面,使其更加舒适。缺点是结构 较为复杂。 综合考虑,采用方案二。 图 6 方案一 左图红圈中布体折叠方法示意图 图 7 方案二 4 第四届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书 3 理论设计计算 3.1 总体尺寸设计 此作品最大特点在于背包、担架、帐篷三种状态之间的转换,因此只有设计好各状态的 结构尺寸才能合理、协调的实现其功能。 (1)背包外形尺寸: 为了使人背负舒适,背包应上不过颈、下不过臀,故背包高度取 70cm。再根据成年人的 负重能力及美观角度考虑,背包厚度取 30cm。背包的宽度即担架的宽度,故综合较大的背包 宽度尺寸、较小的担架宽度尺寸,定为 50cm。 (2)担架外形尺寸: 根据市场主流担架尺寸,担架的长度取 200cm,两端各留出 10cm 的距离供人手抓握,因 而担架实际承载布面长度为 180cm。 (3)帐篷外形尺寸: 根据市场主流三人帐篷尺寸,帐篷底面边长取 2m× 1.8m,高 145cm。 (4)结构协调尺寸: 为了满足三种状态之间的转换,各部分的尺寸取值如图8所示。 图 8 金属框架结构尺寸示意图 3.2 强度与刚度校核 此作品对背包与帐篷的强度设计没有特别要求, 必然满足使用条件。 担架设计载重 120kg, 我们参考了市场上性能类似担架的选材,并结合此作品的结构及设计要求对承重管件进行了 校核(图 9) 。 5 第四届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书 担架杆 120kg 图 9 担架承重模拟示意图 3.2.1 担架杆强度校核 担架框架上,限位铰链和伸缩管的选材强度远大于担架的管材,就承重而言,担架框架 可简化为两根 1976mm 的长直管,担架承载布面受力可视为受均布载荷。 担架杆的受力可以简化为如下简支梁模型,其中 L ? 1760 mm 。 已知:担架杆的材料为铝合金 6070 ,屈服强度 ? s ? 276Mpa ,弹性模量 E ? 70Gpa ,取安全系 数 s ? 1.2 ,担架杆的外径为 ? 28m m ,内径为 ? 24m m ,设计承受最大重量为 120kg,受力如图 10 所示。 图 10 (1)计算最大工作载荷 担架承受最大的载荷 G ? mg ? 120?10N ? 1200N 担架杆受力图 单根担架杆承受的最大载荷 G 1200 F? ? N ? 600 N 2 2 均布载荷 F 600 N N q? ? m ? 340 .91 m L 1.76 (2)计算支座反力 由载荷的对称性可知: F 600 FRA ? FRB ? ? N ? 300N 2 2 6 第四届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书 (3)计算剪力 Fs ) (x 和弯矩 Ms ) (x 剪力 Fs ( x) ? FRA ? qx 1 弯矩 M s ( x) ? FRA x ? qx 2 2 (4)画出剪力图和弯矩图如图 11 所示。 图 11 担架杆剪力、弯矩图 (5)计算最大弯曲正应力 对 Z 轴的惯性矩 Iz ? ?D 4 64 [1 ? ( d 4 ? 284 24 ) ]? [1 ? ( )4 ] ? 1.39 ? 104 m m4 D 64 28 抗弯界面系数 W? Iz 1.39?104 ? m m3 ? 992.86m m3 y max 14 最大弯曲正应力 M 132 ? max ? max ? pa ? 132 .94 Mpa W 992 .86 ?10 ?9 (6)校核担架杆的强度 许用弯曲应力 ?? ? ? ? s ? 276 Mpa ? 230 Mpa s 1.2 显然 ? max ? [? ] ,满足强度要求。 3.2.2 担架杆的刚度计算 由以上简化模型可知,在担架承受最大载荷状态下的最大变形量(挠度)为: ?max ? ? 5qL4 5 ? 340.91?1.764 ?? ? ?0.044m ? ?4.4cm 384EI z 384? 70?103 ?1.39?10?2 由此,担架的最大弯曲变形为 4.4cm,并且出现在担架杆的中心位置,完全满足使用要求。 7 第四届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书 3.3 部分工程图 图 12 开和装置外套 图 13 开和装置内套 图 14 卡环 图 15 挡圈 8 第四届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书 4 工作原理及性能 4.1 工作原理 下面对背包变为担架,再变为帐篷的过程予以说明。 (1)如图 16 为背包状态。黑色的带子为固定带,背包状态时可约束包体,担架状态可 固定伤员。 (2)揭开背包盖,打开侧连接机构(图 17),揭开背包两侧的粘扣,展开背包,变为担架 (图 18) 。这时侧连接机构为担架的四个支座,如图 19 所示。 图 16 背包 图 17 侧连接机构 图 18 担架 图 19 担架支座 9 第四届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书 (3)翻转担架,将侧连接机构扭转 90° 与地面平行,用于帐篷和地面的固定。 (4)取出折叠干,翻起帐篷包(图 20) ,打开两端的螺纹开合装置(图 21) ,将担架分 为两部分, 揭开粘扣,向两侧拉开担架,如图 22 所示。 图 20 帐篷包 图 21 开合装置 图 22 拉开担架 10 第四届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书 (5)铺开帐篷,与担架地面用拉链拉合。接好两根折叠杆,插入四个角框架上的圆孔中, 如图 23 所示。 图 23 帐篷折叠杆安装图 (6)拉起帐篷布体,与折叠杆绑定,及变为帐篷,如图 24 所示。 图 24 帐篷 4.2 性能 (1)背包宽 50cm,高 70cm,厚 30cm,自重约 8kg,设计容量 90L。 (2)担架长 200cm,承载布面长 180cm,宽 50cm,设计承重 120kg。 (3)帐篷底面边长为 2m× 1.8m,高 145cm,可容纳三人居住。 11 第四届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书 5 实物照片 背包、担架和帐篷实物图分别见图 25-27。 图 25 背包 12 第四届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书 图 26 担架 图 27 帐篷 13 第四届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书 6 创新点及应用 6.1 创新点 1)将与救援、避难有关的三件设备巧妙的结合了起来,独立解决了救灾过程中的一系列 问题。 2)四折叠可分离框架结构、侧连接机构、开合装置的创新设计。 3)采用时间分离原理的设计及布置,实现了侧连接机构、帆布、固定带在不同状态下的 不同功能。 6.2 应用 此多功能救灾背包可大批量库存。地震、洪水、山崩、泥石流等自然灾害发生时,可集 成放入卧具、食品、药品,供救援人员使用。可以解决灾后中小规模的物资运输、被困灾民 的医疗救治、伤员的转移,以及被困灾民的住宿这一系列问题。 除救灾外还可用于几个人的户外徒步旅行。 此背包重量轻、制造容易、使用方便,单件制造成本为 480 元,批量化生产成本还可降 低,有良好的市场前景。 参考文献 [1] 濮良贵,纪名刚. 机械设计.北京:高等教育出版社.2006 [2] 张占新.材料力学.西安:西北工业大学出版社.2005 [3] 于永泗,齐民.机械工程材料.大连:大连理工大学出版社.2007 [4] 机械设计手册编委会.机械设计手册.北京:机械工业出版社.2005 [5] 大连理工大学工程图学教研室.机械制图(第六版) .北京:高等教育出版社.2007 14

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