第四屆全國大學生機械創新設計大賽決賽參賽作品多功能救災背包設計說明書設計者：楊凱，徐超，張恩，吳剛亮，楊飛西安工業大學機電學院2010年10月1多功能救災背包設計者：楊凱，徐超，張恩，吳剛亮，楊飛(西安工業大學機電工程學院，西安710032)摘要：以便捷、實用、高效的解決救災過程中的運輸、醫療救治、住宿、飲食問題的設備為研究對象。提出了一種可分離的四折疊框架結構，再巧妙地配以折疊帆布和帳篷，便制成了一種可運輸物資又可變為擔架、帳篷的背包。實驗結果表明，該設備工作穩定，性能可靠，功能實現效果良好。關鍵詞：背包；擔架；帳篷；多功能；救援避難作品內容簡介本作品跟據本屆機械創新設計大賽的主旨要求而設計，屬于“救援、避難類機械”。此背包主體為金屬框架結構，寬50cm,厚30cm,高70cm,凈重8kg。背包狀態可用來運送物資。卸下物品后開啟側連接機構，展開背包變為擔架，擔架長200cm,寬50cm。翻轉擔架并開啟開合裝置，揭開粘扣，向兩側拉開擔架，拉出帳篷與擔架布面結合，再由折疊桿撐起即變為帳篷，底面邊長2m×1.8m,高145cm,可容納三人居住。此背包設計容量90L,內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睡袋以結合帳篷使用。這樣每個背包就可解決三個人災后三天內的基本生存問題，還可用擔架將受傷嚴重的人抬出至附近的基站救治。EMAIL:413162931@1研制背景及意義在像玉樹地震、舟曲泥石流等這類自然災害發生時，由于道路損毀、大型救援設備數量不足，都會造成很多民眾被困重災區。短期內面臨沒有食物、飲用水、藥品以及住所等問題。沒有大型設備的幫助，到達災區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災區運送單一物資，很難滿足災民短期生存的多種需求。對于這類自然災害救援過程中存在的問題我們應當考慮如下幾點：1)運送的物資應當具有集成性，以便于之前的統一生產、調配與運輸；2)送入災區的設備應當盡可能多的解決災民所面臨的各種基本困難，如溫飽、住宿以及3)送入災區的設備除了消耗品外可以反復再利用。此多功能救災背包旨在解決災難剛過，大型救援設備到來前的幾天內災民面臨的各種基第四屆全國大學生機械創新設計大賽作品設計說明書2本困難。它平時可大批量庫存，當災難發生，有民眾被困且短時間無法解救時，可將食物和飲用水、醫藥用品、三個睡袋及防潮墊分別打包，把他們全部裝進背包。此背包由救援部隊士兵徒步背入災區(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，每個背包內的物品則是供給這三人使用的。這樣每個背包就可解決三個人災后兩三天內的基本生存問題。如果有需要，還可將背包變形為擔架將受傷嚴重的人抬出至附近的基站為了實現背包的容納功能與擔架的承載功能，背包與擔架共用同一金屬框架。背包要求金屬框架可折疊，擔架要求金屬框架水平時只能單向折疊。為了使帳篷便于和各種地面固定，擔架采用了兩端可開合的結構，可將帳篷折疊桿固定在分開的擔架框架的四個角上，這樣借助擔架框架的重量，即使不用地釘帳篷也不會被風吹走。2.2金屬框架方案比較為了使人背負舒適，背包應上不過頸、下不過臀，故背包高度取60~70cm。再根據成年人的負重能力及美觀角度考慮，背包厚度取30cm。背包的寬度即擔架的寬度，故綜合較大的背包寬度尺寸、較小的擔架寬度尺寸，定為50cm。根據市場主流擔架尺寸，擔架的長度取方案一(圖1)采用了三對限位鉸鏈來實現擔架的折疊，采用了一對30cm的伸縮機構來降低擔架變為背包時的高度。此結構擔架長度較長，為210厘米，便于躺人。背包高度較低，易于背運。但結構較復雜，不以制造和使用。方案二(圖2)采用了三對限位鉸鏈來實現擔架的折疊，這樣背包狀態的高度有所增加變為70cm,擔架的長度也有所減小，變為200cm,基本不影響背包和擔架的使用。結構大大簡化，制造容易，使用方便。綜合考慮，采用方案二。圖1方案一第四屆全國大學生機械創新設計大賽作品設計說明書32.3背包側連接機構方案比較擔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，由此我們設計了側連接方案一(圖4)中，左右框架采用扁鋼折成的矩形框加裝可轉動的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動。這樣變為帳篷時轉動矩形框與地面平行，帳篷便可穩定置于地面。此方案結構較為簡單，制造容易，但實驗發現背包傾斜時U型彈簧銷會脫出，結構不夠可靠。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。此方案制造稍費時間，但結構可靠。綜合考慮，采用方案二。圖4方案一42.4背包與擔架布體方案比較背包與擔架共用同一布體，由于擔架變形為帳篷時需要拉伸擔架，這樣就產生了兩種布體的設計，可拆卸式和折疊式。方案一(圖6)布體采用可拆卸式，周圍伸出的布塊帶有粘扣。背包與擔架狀態布體用粘扣與框架連接，變形帳篷時需卸下布體。其優點在于布體結構簡單，輕便。缺點是用粘扣連接承載強度低，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，周圍伸出的布塊繞過框架管與自身相逢合。背包與擔架布體為折疊狀態，變形帳篷時展開布體，與帳篷底面相連。其優點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。缺點是結構較為復雜。綜合考慮，采用方案二。第四屆全國大學生機械創新設計大賽作品設計說明書53理論設計計算此作品最大特點在于背包、擔架、帳篷三種狀態之間的轉換，因此只有設計好各狀態的結構尺寸才能合理、協調的實現其功能。(1)背包外形尺寸：為了使人背負舒適，背包應上不過頸、下不過臀，故背包高度取70cm。再根據成年人的負重能力及美觀角度考慮，背包厚度取30cm。背包的寬度即擔架的寬度，故綜合較大的背包寬度尺寸、較小的擔架寬度尺寸，定為50cm。(2)擔架外形尺寸：根據市場主流擔架尺寸，擔架的長度取200cm,兩端各留出10cm的距離供人手抓握，因而擔架實際承載布面長度為180cm。(3)帳篷外形尺寸：根據市場主流三人帳篷尺寸，帳篷底面邊長取2m×1.8m,高145cm。(4)結構協調尺寸：為了滿足三種狀態之間的轉換，各部分的尺寸取值如圖8所示。圖8金屬框架結構尺寸示意圖3.2強度與剛度校核此作品對背包與帳篷的強度設計沒有特別要求，必然滿足使用條件。擔架設計載重120kg,我們參考了市場上性能類似擔架的選材，并結合此作品的結構及設計要求對承重管件進行了校核(圖9)。第四屆全國大學生機械創新設計大賽作品設計說明書6圖9擔架承重模擬示意圖3.2.1擔架桿強度校核擔架框架上，限位鉸鏈和伸縮管的選材強度遠大于擔架的管材，就承重而言，擔架框架可簡化為兩根1976mm的長直管，擔架承載布面受力可視為受均布載荷。已知：擔架桿的材料為鋁合金6070,屈服強度δ=276Mpa,彈性模量E=70Gpa,取安全系(1)計算最大工作載荷擔架承受最大的載荷G=mg=120×10N=1200N單根擔架桿承受的最大載荷均布載荷(2)計算支座反力由載荷的對稱性可知：第四屆全國大學生機械創新設計大賽作品設計說明書7(3)計算剪力F(x)和彎矩M(x)剪力F(x)=F?-qx(4)畫出剪力圖和彎矩圖如圖11所示。圖11擔架桿剪力、彎矩圖(5)計算最大彎曲正應力對Z軸的慣性矩抗彎界面系數最大彎曲正應力(6)校核擔架桿的強度許用彎曲應力顯然σmax<[σ],滿足強度要求。3.2.2擔架桿的剛度計算由以上簡化模型可知，在擔架承受最大載荷狀態下的最大變形量(撓度)為：由此，擔架的最大彎曲變形為4.4cm,并且出現在擔架桿的中心位置，完全滿足使用要求。8卡環圖15卡環圖15擋圈第四屆全國大學生機械創新設計大賽作品設計說明書94工作原理及性能下面對背包變為擔架，再變為帳篷的過程予以說明。(1)如圖16為背包狀態。黑色的帶子為固定帶，背包狀態時可約束包體，擔架狀態可固定傷員。(2)揭開背包蓋，打開側連接機構(圖17),揭開背包兩側的粘扣，展開背包，變為擔架(圖18)。這時側連接機構為擔架的四個支座，如圖19所示。圖16背包圖17側連接機構圖18擔架圖19擔架支座第四屆全國大學生機械創新設計大賽作品設計說明書(3)翻轉擔架，將側連接機構扭轉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),將擔架分為兩部分，揭開粘扣，向兩側拉開擔架，如圖22所示。圖21開合裝置圖22拉開擔架(5)鋪開帳篷，與擔架地面用拉鏈拉合。接好兩根折疊桿，插入四個角框架上的圓孔中，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，及變為帳篷，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,設計容量90L。(2)擔架長200cm,承載布面長180cm,寬50cm,設計承重120kg。(3)帳篷底面邊長為2m×1.8m,高145cm,可容納三人居住。5實物照片背包、擔架和帳篷實物圖分別見圖25-27。圖26擔架第四屆全國大學生機械創新設計大賽作品設計說明書6創新點及應用6.1創新點1)將與救援、避難有關的三件設備巧妙的結合了起來，獨立解決了救災過程中的一系列2)四折疊可分離框架結構、側連接機構、開合裝置的創新設計。3)采用時間分離原理的設計及布置，實現了側連接機構、帆布、固定帶在不同狀態下的不同功能。此多功能救災背包可大批量庫存。地震、洪水、山崩、泥石流等自然災害發生時，可集成放入臥具、食品、藥品，供救援人員使用。可以解決災后中小規模的物資運輸、被困災民的醫療救治、傷員的轉移，以及被困災民的住宿這一系列問題。除救災外還可用于幾個人的戶外徒步旅行。此背包重量輕、制造容易