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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 第四届全国高校生气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 指导老师：朱育权,万宏强 西安工业高校机电学院 2022 年 10 月名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第四届全国高校生气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,杨飞指导老师：朱育权,万宏强西安工业高校机电工程学院,西安710032摘要： 以便利、有用、高效的解决救灾过程中的运输、医疗救治、住宿、饮食问题的设备为讨论对象；提
2、 出了一种可别离的四折叠框架结构,再奇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；试验结果说明,该设备工作稳固,性能牢靠,功能实现成效良好；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；背包状态可用来运输物资；卸下物品后开启侧连接机构,绽开背包变为担架,担架长200cm,宽 50cm；翻转担架并开启开合装置,掀开粘扣,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 2
3、m m,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,仍可用担架将受伤严峻的人 抬出至邻近的基站救治；联系人：万宏强 联系：EMAIL ： 413162931qq 1 研制背景及意义在像玉树地震、舟曲泥石流等这类自然灾难发生时,由于道路损毁、大型救援设备数量 不足,都会造成许多民众被困重灾区；短期内面临没有食物、饮用水、药品以及住宅等问题；没有大型设备的帮忙,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 次的向灾区运输单一物资,很
4、难满意灾民短期生存的多种需求；对于这类自然灾难救援过程 中存在的问题我们应当考虑如下几点：1运输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 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第四届全国高校生气械创新设计大赛作品设计说明书本困难；它平常可大批量库存,当灾难发生,有民众被困且短时间无法解救时,可
5、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 特殊情形可加装降落伞采纳空投方式 ,卸下物品后可将背包变形为三人 帐篷,每个背包内的物品就是供应这三人使用的；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；假如有需要,仍可将背包变形为担架将受伤严峻的人抬出至邻近的基站 救治；2 设计方案总体设计设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常只能单向折叠；为了使帐篷便于和各种地面固定,担架采纳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
6、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；金属框架方案比较 为了使人背负舒服,背包应上不过颈、下不过臀,故背包高度取 6070cm；再依据成年人的负重才能及美观角度考虑,背包厚度取 背包宽度尺寸、较小的担架宽度尺寸,定为 200210cm；由此产生以下两种方案：30cm；背包的宽度即担架的宽度,故综合较大的 50cm；依据市场主流担架尺寸,担架的长度取方案一图 1采纳了三对限位铰链来实现担架的折叠,采纳了一对 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 易于背运；但结构较复杂,不以制造和使用；210 厘米,便于躺人；背包高度较低,方案二图 2采纳
7、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 化,制造简洁,使用便利；综合考虑,采纳方案二；200cm,基本不影响背包和担架的使用；结构大大简图 1 方案一图 2 方案二2 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第四届全国高校生气械创新设计大赛作品设计说明书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 机构；3 红圈处,由此我们设计了侧连接图 3 前后框架连接位置 方案一图 4中,左右框架采纳扁钢折成的矩形框加装可转动的 U 型弹簧销连接,
8、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,帐篷便可稳固置于地面；此方案结构较为简洁,制造简洁,但试验发觉背包倾斜时 U 型弹簧销会脱出,结构不够牢靠；方案二图 5与方案一类似,但上下都加装了 案制造稍费时间,但结构牢靠；综合考虑,采纳方案二；U 型弹簧销,中间采纳拉簧连接；此方图 4 方案一图 5 方案二3 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第四届全国高校生气械创新设计大赛作品设计说明书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
9、,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布体采纳可拆卸式,四周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洁,轻巧；缺点是用粘扣连 接承载强度低,由于要拆卸,一体化程度差,不便利携带；方案二图 7布体采纳折叠式,四周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,变形帐篷时绽开布体,与帐篷底面相连；其优点在于将全部布整合为一体 连接在框架上,易于操作,便于携带,并且为帐篷加厚了底面,使其更加舒服；缺点是结构 较为复杂；综合考虑,采纳方案二；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 名师
10、归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第四届全国高校生气械创新设计大赛作品设计说明书3 理论设计运算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、和谐的实现其功能；1背包形状尺寸：为了使人背负舒服,背包应上不过颈、下不过臀,故背包高度取 70cm；再依据成年人的负重才能及美观角度考虑,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担架形状尺寸：依据市场主流担架尺寸, 担架的长度取 200cm,两端各留出
11、 10cm 的距离供人手抓握, 因而担架实际承载布面长度为 180cm；3帐篷形状尺寸：依据市场主流三人帐篷尺寸,帐篷底面边长取4结构和谐尺寸：2m m,高 145cm；为了满意三种状态之间的转换,各部分的尺寸取值如图所示；图 8 金属框架结构尺寸示意图强度与刚度校核此作品对背包与帐篷的强度设计没有特殊要求,必定满意使用条件； 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 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第四届全国高校生气械创新设计大赛
12、作品设计说明书担架杆120kg 图 9 担架承重模拟示意图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 276 Mpa,弹性模量 E 70 Gpa,取安全系数 s 1 . 2,担架杆的外径为 28 mm,内径为 24 mm,设计承担最大重量为 120kg,受力如图10 所示；图 10 担架杆受力图运算最大工作载荷担架承担最大的载荷Gmg12010N1200N单根担架
13、杆承担的最大载荷FG1200N600N22均布载荷qF600Nm340.91NmL1. 76运算支座反力由载荷的对称性可知：F RAF RBF600N300 226 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第四届全国高校生气械创新设计大赛作品设计说明书运算剪力 sF（x）和弯矩 M（x）剪力 F s x F RA qx弯矩 M s x F RA x 1qx 22画出剪力图和弯矩图如图 11 所示；图 11 担架杆剪力、弯矩图运算最大弯曲正应力对 Z 轴的惯性矩IzD41d428412441.39104mm464D6428
14、抗弯界面系数WIz1 . 391043 mm992 .3 86 mmymax14最大弯曲正应力Mmax1329pa132.94MpamaxW992. 8610校核担架杆的强度许用弯曲应力明显s276Mpa230Mpas1 .2max,满意强度要求；担架杆的刚度运算由以上简化模型可知,在担架承担最大载荷状态下的最大变形量挠度为：max4 5 qLz3845340 .91.14 761020 . 044 m4 4. cm384 EI703 101 . 39由此,担架的最大弯曲变形为,并且显现在担架杆的中心位置,完全满意使用要求；7 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 15 页精
15、选学习资料 - - - - - - - - - 第四届全国高校生气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 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第四届全国高校生气械创新设计大赛作品设计说明书4 工作原理及性能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掀开背包盖,打开侧连接机构图 17,掀开背包两侧的粘扣,绽开背包,变为担架图 18；这时侧
16、连接机构为担架的四个支座,如图19 所示；侧连接机构图 16 背包图 17 图 18 担架图 19 担架支座9 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第四届全国高校生气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,掀开粘扣,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 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 15 页精选学习
17、资料 - - - - - - - - - 第四届全国高校生气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 m,高 145cm,可容纳三人居住；11 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 15 页精选
18、学习资料 - - - - - - - - - 第四届全国高校生气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；背包图 25 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第四届全国高校生气械创新设计大赛作品设计说明书图 26 担架图 27 帐篷13 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第四届全国高校生气械创新设计大赛作品设计说明书6 创新点及应用创新点1将与救援、避难有关的三件设备奇妙的结合了起来,独立解
19、决了救灾过程中的一系列 问题；2四折叠可别离框架结构、侧连接机构、开合装置的创新设计；3采纳时间别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；应用 此多功能救灾背包可大批量库存；地震、洪水、山崩、泥石流等自然灾难发生时,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；除救灾外仍可用于几个人的户外徒步旅行；此背包重量轻、制造简洁、使用便利,单件制造成本为 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：高等训练出版社.2006 2 张占新材料力学西安：西北工业高校出版社2005 480 元,批量化生产成本仍可降3 于永泗,齐民机械工程材料大连：大连理工高校出版社2007 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 大连理工高校工程图学教研室机械制图第六版北京：高等训练出版社14 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 15 页