機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽說明書（全國一等獎(jiǎng)）

1、第四屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽作品設(shè)計(jì)說明書第四屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽決賽參賽作品多功能救災(zāi)背包設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)者：楊凱，徐超，張恩，吳剛亮，楊飛指導(dǎo)教師：朱育權(quán)，萬宏強(qiáng)西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院2010年10月多功能救災(zāi)背包設(shè)計(jì)者：楊凱，徐超，張恩，吳剛亮，楊飛指導(dǎo)教師：朱育權(quán)，萬宏強(qiáng)（西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安710032）摘要：以便捷、實(shí)用、高效的解決救災(zāi)過程中的運(yùn)輸、醫(yī)療救治、住宿、飲食問題的設(shè)備為研究對象。提出了一種可分離的四折疊框架結(jié)構(gòu)，再巧妙地配以折疊帆布和帳篷，便制成了一種可運(yùn)輸物資又可變?yōu)閾?dān)架、帳篷的背包。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)備工作穩(wěn)定，性能可靠，功能實(shí)現(xiàn)效果良好。關(guān)鍵詞

2、：背包；擔(dān)架；帳篷；多功能；救援避難作品內(nèi)容簡介本作品跟據(jù)本屆機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的主旨要求而設(shè)計(jì)，屬于“救援、避難類機(jī)械”。此背包主體為金屬框架結(jié)構(gòu)，寬50cm，厚30cm，高70cm，凈重8kg。背包狀態(tài)可用來運(yùn)送物資。卸下物品后開啟側(cè)連接機(jī)構(gòu)，展開背包變?yōu)閾?dān)架，擔(dān)架長200cm，寬50cm。翻轉(zhuǎn)擔(dān)架并開啟開合裝置，揭開粘扣，向兩側(cè)拉開擔(dān)架，拉出帳篷與擔(dān)架布面結(jié)合，再由折疊桿撐起即變?yōu)閹づ瘢酌孢呴L2m×1.8m，高145cm，可容納三人居住。此背包設(shè)計(jì)容量90L，內(nèi)裝供三人三天使用的食物，飲用水及藥品。再放入輕薄的防潮墊和三個(gè)睡袋以結(jié)合帳篷使用。這樣每個(gè)背包就可解決三個(gè)人災(zāi)后三天內(nèi)

3、的基本生存問題，還可用擔(dān)架將受傷嚴(yán)重的人抬出至附近的基站救治。聯(lián)系人：萬宏強(qiáng)聯(lián)系電話MAIL：4131629311 研制背景及意義在像玉樹地震、舟曲泥石流等這類自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，由于道路損毀、大型救援設(shè)備數(shù)量不足，都會(huì)造成很多民眾被困重災(zāi)區(qū)。短期內(nèi)面臨沒有食物、飲用水、藥品以及住所等問題。沒有大型設(shè)備的幫助，到達(dá)災(zāi)區(qū)外圍的士兵往往沒有高效的救援方法，而是以人力一次又一次的向?yàn)?zāi)區(qū)運(yùn)送單一物資，很難滿足災(zāi)民短期生存的多種需求。對于這類自然災(zāi)害救援過程中存在的問題我們應(yīng)當(dāng)考慮如下幾點(diǎn)：1）運(yùn)送的物資應(yīng)當(dāng)具有集成性，以便于之前的統(tǒng)一生產(chǎn)、調(diào)配與運(yùn)輸；2）送入災(zāi)區(qū)的設(shè)備應(yīng)當(dāng)盡可能

4、多的解決災(zāi)民所面臨的各種基本困難，如溫飽、住宿以及醫(yī)療救治問題；3）送入災(zāi)區(qū)的設(shè)備除了消耗品外可以反復(fù)再利用。此多功能救災(zāi)背包旨在解決災(zāi)難剛過，大型救援設(shè)備到來前的幾天內(nèi)災(zāi)民面臨的各種基本困難。它平時(shí)可大批量庫存，當(dāng)災(zāi)難發(fā)生，有民眾被困且短時(shí)間無法解救時(shí)，可將食物和飲用水、醫(yī)藥用品、三個(gè)睡袋及防潮墊分別打包，把他們?nèi)垦b進(jìn)背包。此背包由救援部隊(duì)士兵徒步背入災(zāi)區(qū)（特殊情況可加裝降落傘采用空投方式），卸下物品后可將背包變形為三人帳篷，每個(gè)背包內(nèi)的物品則是供給這三人使用的。這樣每個(gè)背包就可解決三個(gè)人災(zāi)后兩三天內(nèi)的基本生存問題。如果有需要，還可將背包變形為擔(dān)架將受傷嚴(yán)重的人抬出至附近的基站救治。2 設(shè)

5、計(jì)方案2.1總體設(shè)計(jì)構(gòu)想為了實(shí)現(xiàn)背包的容納功能與擔(dān)架的承載功能，背包與擔(dān)架共用同一金屬框架。背包要求金屬框架可折疊，擔(dān)架要求金屬框架水平時(shí)只能單向折疊。為了使帳篷便于和各種地面固定，擔(dān)架采用了兩端可開合的結(jié)構(gòu)，可將帳篷折疊桿固定在分開的擔(dān)架框架的四個(gè)角上，這樣借助擔(dān)架框架的重量，即使不用地釘帳篷也不會(huì)被風(fēng)吹走。2.2金屬框架方案比較為了使人背負(fù)舒適，背包應(yīng)上不過頸、下不過臀，故背包高度取6070cm。再根據(jù)成年人的負(fù)重能力及美觀角度考慮，背包厚度取30cm。背包的寬度即擔(dān)架的寬度，故綜合較大的背包寬度尺寸、較小的擔(dān)架寬度尺寸，定為50cm。根據(jù)市場主流擔(dān)架尺寸，擔(dān)架的長度取200210cm。由

6、此產(chǎn)生以下兩種方案：方案一（圖1）采用了三對限位鉸鏈來實(shí)現(xiàn)擔(dān)架的折疊，采用了一對30cm的伸縮機(jī)構(gòu)來降低擔(dān)架變?yōu)楸嘲鼤r(shí)的高度。此結(jié)構(gòu)擔(dān)架長度較長，為210厘米，便于躺人。背包高度較低，易于背運(yùn)。但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不以制造和使用。方案二（圖2）采用了三對限位鉸鏈來實(shí)現(xiàn)擔(dān)架的折疊，這樣背包狀態(tài)的高度有所增加變?yōu)?0cm，擔(dān)架的長度也有所減小，變?yōu)?00cm，基本不影響背包和擔(dān)架的使用。結(jié)構(gòu)大大簡化，制造容易，使用方便。綜合考慮，采用方案二。 圖1 方案一 圖2 方案二2.3背包側(cè)連接機(jī)構(gòu)方案比較擔(dān)架折疊為背包后需要一裝置將前后框架連接，如圖3紅圈處，由此我們設(shè)計(jì)了側(cè)連接機(jī)構(gòu)。圖3 前后框架連接位置方案

7、一（圖4）中，左右框架采用扁鋼折成的矩形框加裝可轉(zhuǎn)動(dòng)的U型彈簧銷連接，借助框架管上帶卡槽的套管，矩形框便可繞框架徑向轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣變?yōu)閹づ駮r(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)矩形框與地面平行，帳篷便可穩(wěn)定置于地面。此方案結(jié)構(gòu)較為簡單，制造容易，但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)背包傾斜時(shí)U型彈簧銷會(huì)脫出，結(jié)構(gòu)不夠可靠。方案二（圖5）與方案一類似，但上下都加裝了U型彈簧銷，中間采用拉簧連接。此方案制造稍費(fèi)時(shí)間，但結(jié)構(gòu)可靠。綜合考慮，采用方案二。圖4 方案一圖5 方案二2.4背包與擔(dān)架布體方案比較背包與擔(dān)架共用同一布體，由于擔(dān)架變形為帳篷時(shí)需要拉伸擔(dān)架，這樣就產(chǎn)生了兩種布體的設(shè)計(jì)，可拆卸式和折疊式。方案一（圖6）布體采用可拆卸式，周圍伸出的布?jí)K帶有粘扣。

8、背包與擔(dān)架狀態(tài)布體用粘扣與框架連接，變形帳篷時(shí)需卸下布體。其優(yōu)點(diǎn)在于布體結(jié)構(gòu)簡單，輕便。缺點(diǎn)是用粘扣連接承載強(qiáng)度低，由于要拆卸，一體化程度差，不方便攜帶。 方案二（圖7）布體采用折疊式，周圍伸出的布?jí)K繞過框架管與自身相逢合。背包與擔(dān)架布體為折疊狀態(tài)，變形帳篷時(shí)展開布體，與帳篷底面相連。其優(yōu)點(diǎn)在于將所有布整合為一體連接在框架上，易于操作，便于攜帶，并且為帳篷加厚了底面，使其更加舒適。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。綜合考慮，采用方案二。圖6 方案一 左圖紅圈中布體折疊方法示意圖圖7 方案二3 理論設(shè)計(jì)計(jì)算3.1總體尺寸設(shè)計(jì)此作品最大特點(diǎn)在于背包、擔(dān)架、帳篷三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，因此只有設(shè)計(jì)好各狀態(tài)的結(jié)構(gòu)尺寸才

9、能合理、協(xié)調(diào)的實(shí)現(xiàn)其功能。（1）背包外形尺寸：為了使人背負(fù)舒適，背包應(yīng)上不過頸、下不過臀，故背包高度取70cm。再根據(jù)成年人的負(fù)重能力及美觀角度考慮，背包厚度取30cm。背包的寬度即擔(dān)架的寬度，故綜合較大的背包寬度尺寸、較小的擔(dān)架寬度尺寸，定為50cm。（2）擔(dān)架外形尺寸：根據(jù)市場主流擔(dān)架尺寸，擔(dān)架的長度取200cm，兩端各留出10cm的距離供人手抓握，因而擔(dān)架實(shí)際承載布面長度為180cm。（3）帳篷外形尺寸：根據(jù)市場主流三人帳篷尺寸，帳篷底面邊長取2m×1.8m，高145cm。（4）結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)尺寸：為了滿足三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，各部分的尺寸取值如圖所示。圖8 金屬框架結(jié)構(gòu)尺寸示意圖3.

10、2強(qiáng)度與剛度校核此作品對背包與帳篷的強(qiáng)度設(shè)計(jì)沒有特別要求，必然滿足使用條件。擔(dān)架設(shè)計(jì)載重120kg，我們參考了市場上性能類似擔(dān)架的選材，并結(jié)合此作品的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)要求對承重管件進(jìn)行了校核（圖9）。120kg擔(dān)架桿圖9 擔(dān)架承重模擬示意圖3.2.1擔(dān)架桿強(qiáng)度校核擔(dān)架框架上，限位鉸鏈和伸縮管的選材強(qiáng)度遠(yuǎn)大于擔(dān)架的管材，就承重而言，擔(dān)架框架可簡化為兩根1976mm的長直管，擔(dān)架承載布面受力可視為受均布載荷。擔(dān)架桿的受力可以簡化為如下簡支梁模型，其中。已知：擔(dān)架桿的材料為鋁合金，屈服強(qiáng)度，彈性模量，取安全系數(shù)，擔(dān)架桿的外徑為，內(nèi)徑為，設(shè)計(jì)承受最大重量為120kg，受力如圖10所示。圖10 擔(dān)架桿受力圖（

11、）計(jì)算最大工作載荷擔(dān)架承受最大的載荷單根擔(dān)架桿承受的最大載荷均布載荷（）計(jì)算支座反力由載荷的對稱性可知：（）計(jì)算剪力和彎矩剪力彎矩（）畫出剪力圖和彎矩圖如圖11所示。圖11 擔(dān)架桿剪力、彎矩圖（）計(jì)算最大彎曲正應(yīng)力對Z軸的慣性矩抗彎界面系數(shù)最大彎曲正應(yīng)力（）校核擔(dān)架桿的強(qiáng)度許用彎曲應(yīng)力顯然，滿足強(qiáng)度要求。3.2.2擔(dān)架桿的剛度計(jì)算 由以上簡化模型可知，在擔(dān)架承受最大載荷狀態(tài)下的最大變形量（撓度）為： 由此，擔(dān)架的最大彎曲變形為4.4cm，并且出現(xiàn)在擔(dān)架桿的中心位置，完全滿足使用要求。3.3部分工程圖 圖12 開和裝置外套 圖13 開和裝置內(nèi)套 圖14 卡環(huán) 圖15 擋圈4 工作原理及性能4.1

12、工作原理 下面對背包變?yōu)閾?dān)架，再變?yōu)閹づ竦倪^程予以說明。（1）如圖16為背包狀態(tài)。黑色的帶子為固定帶，背包狀態(tài)時(shí)可約束包體，擔(dān)架狀態(tài)可固定傷員。（2）揭開背包蓋，打開側(cè)連接機(jī)構(gòu)(圖17)，揭開背包兩側(cè)的粘扣，展開背包，變?yōu)閾?dān)架（圖18）。這時(shí)側(cè)連接機(jī)構(gòu)為擔(dān)架的四個(gè)支座，如圖19所示。圖16 背包圖17 側(cè)連接機(jī)構(gòu)圖18 擔(dān)架圖19 擔(dān)架支座（3）翻轉(zhuǎn)擔(dān)架，將側(cè)連接機(jī)構(gòu)扭轉(zhuǎn)90°與地面平行，用于帳篷和地面的固定。（4）取出折疊干，翻起帳篷包（圖20），打開兩端的螺紋開合裝置（圖21），將擔(dān)架分為兩部分， 揭開粘扣，向兩側(cè)拉開擔(dān)架，如圖22所示。圖20 帳篷包圖21 開合裝置圖22 拉開

13、擔(dān)架（5）鋪開帳篷，與擔(dān)架地面用拉鏈拉合。接好兩根折疊桿，插入四個(gè)角框架上的圓孔中，如圖23所示。圖23 帳篷折疊桿安裝圖（6）拉起帳篷布體，與折疊桿綁定，及變?yōu)閹づ?，如圖24所示。圖24 帳篷4.2性能（1）背包寬50cm，高70cm，厚30cm，自重約8kg，設(shè)計(jì)容量90L。（2）擔(dān)架長200cm，承載布面長180cm，寬50cm，設(shè)計(jì)承重120kg。（3）帳篷底面邊長為2m×1.8m，高145cm，可容納三人居住。5 實(shí)物照片背包、擔(dān)架和帳篷實(shí)物圖分別見圖25-27。圖25 背包圖26 擔(dān)架圖27 帳篷6 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用6.1創(chuàng)新點(diǎn)1）將與救援、避難有關(guān)的三件設(shè)備巧妙的結(jié)合了起來，獨(dú)立解決了救災(zāi)過程中的一系列問題。2）四折疊可分離框架結(jié)構(gòu)、側(cè)連接機(jī)構(gòu)、開合裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。3）采用時(shí)間分離原理的設(shè)計(jì)及布置，實(shí)現(xiàn)了側(cè)連接機(jī)構(gòu)、帆布、固定帶在不同狀態(tài)下的不同功能。6.2應(yīng)用此多功能救災(zāi)背包可大批量庫存。地震、洪水、山崩、泥石流等自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，可集成放入臥具、食品、藥品，供救援人員使用。可以解決災(zāi)后中小規(guī)模的物資運(yùn)輸、被困災(zāi)民的醫(yī)療救治、傷員的轉(zhuǎn)移，以及被困災(zāi)民的住宿這一系列問題。除救災(zāi)外還可用于幾個(gè)人的戶外