水上救生器的设计资料.docx

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水上救生器的设计资料

本科毕业设计（论文）

题目诺亚方舟水中救生器

姓名卢卓

专业机械设计制造及其自动化

学号201233282

指导教师李振杰

郑州科技学院机械工程学院

二零一六年五月

目录

中文摘要……...………………………………………………………………......…………………....Ⅰ

英文摘要....................................................................................................................................Ⅱ

1序言7

1.1课题研究意义8

1.2水上救生器的应用范围9

1.3水上救生器的种类与发展10

1.4本论文研究内容、创新点、技术难点10

2总体机构的设计11

2.1水上救援器设计方案12

2.21水上救援器设计及初步构想14

2.3水火箭15

2.4救生母体16

2.5自适应平台的控制系统的设计17

3理论计算与实验验证19

3.1电机的比较20

3.2影响水火箭射程的因素22

4救生器工作过程主要部件作用23

5救生器前景创新与特色25

6三维建模和运动分析27

6.1通过SolidWorks三维建模25

总结致谢26

参考文献26

诺亚方舟水中救生器的设计

摘要

水上灾难是现实生活中最常见的事故，给人类的生产生活带来了许多的灾难。

本论文里的水上救生器可以有效的对落水人员实施救援，最大程度的挽救人员的生命安全。

因此，水上救生器的研究实际意义重大。

本文介绍了一种可以在舰艇上发射携带救生母体的水火箭式的救生器。

通过已有的资料[1]，来设计这种火箭抛射方式的救生器。

该救生器的部件主要是适应减摇平台，水火箭，救生母体组成。

动力来源是利用水火箭的原理。

在舰艇上通过自适应平台来发射水火箭，水火箭带有救生母体。

救生母体可以为落水者提供浮力，实现水上救援的目的。

水上救生器可以弥补现有救生器械救援速度慢，救护成功率低的不足，对水上救援具有积极意义。

关键词：

救援；水火箭；自适应平台

ThedesignofthewatersavingdeviceinNoah'sArk

Abstract

Waterdisasteristhemostcommonaccidentinreallife,whichbringsalotofdisasterstohuman'slife.Inthispaper,thewaterinthelifeoftherescuedevicecaneffectivelyrescuethedrowningpersonnel,themaximumextentofthelifesafetyofpersonnel.Therefore,theresearchofwaterlifesavingdeviceisofgreatpracticalsignificance.

Thispaperintroducesakindofwaterrockettypelifesavingdevicewhichcancarrythelifeofthemotherontheship.Throughthedata,todesignthewayoflifesavingdeviceforrocketprojectiles.Thepartofthelifesavingdeviceismainlyadaptedtotheantirollingplatform,thewaterrocket,andthecompositionofthelifebody.Powersourceistheuseoftheprincipleofthewaterrocket.Ontheshipthroughanadaptiveplatformtolaunchwaterrockets,waterrocketwithalifeofthemother.

Thewaterrescuedevicecanmakeupthedeficiencyoftheexistingrescueequipmentwithslowrescuespeedandlowsuccessrate,andhaspositivesignificancefortherescueofthewater.

Keywords:

rescue;waterrocket;adaptiveplatform

1序言

1.1课题研究意义

水上救生器具有灵活性好，机动性强的特点，在救援的过程中能够迅速的抛射施救，挽救人员与物资。

水上救生器相比于传统救援方式比如救生网，救生筏就有许多的有点，同时救援灵活快捷、携带方便、对环境适应能力强等特点，所以对海上救援工作中有着重要的意义。

1.2水上救生器的应用范围

海难，船舶在海上遭遇自然灾害或其他意外事故所造成的危难。

海难可给生命、财产造成巨大损失。

造成海难的事故种类很多，大致有船舶搁浅、触礁、碰撞、火灾、爆炸，进而人员落水。

如果有水上救生器救援，可以挽救人员与财产损失，挽救宝贵的生命是值得的。

1.3水上救生器的种类与发展

救生圈为一种常见司空见惯的水体里的救援逃生的装置，大多是由木头、密度较轻的聚合大分子材料；以及另外的密度很小的非常轻盈飘逸的物质体所组成定型，在他的外表有橡胶柔软的表皮等覆盖等。

供游泳练习使用的救生圈也可以用橡胶制成，内充空气，也叫作橡皮圈[2]。

救生浮球是一种救生设备，是一个醒目的橙色气囊，用长长的带子拴在使用者的腰间，被人们形象的称为“跟屁虫”。

[11]

漂浮在水面上的密闭金属筒，下部用铁锚固定，用来系船或做航标等。

另外有一种新型浮筒，采用强韧高分子聚乙烯等材料制成，具有良好的抗侯性及抗冲击破坏性，能防紫外线、防冻、抗海水化学剂油渍等侵蚀。

可随着水潮涨落而自动升降。

普遍应用于浮桥、浮码头等水上浮动平台项目的建设。

救生捞网主要是针对落水人员或难船、艇筏上的人员实施救助的网。

目前洪水的救援装置水上主要有：

冲锋舟、救生筏、救生圈等，岸上救援主要依靠绳索，抛绳器等。

这些装备的救援能力都是十分有限的。

一般水里的救生器材装能力是比较小的，缺点还有能高高的谷堆救元，夜里光线不好的时候不能行动，自己还有危险不确定性。

岸上救援装备一般作为辅助救援。

冲锋舟主要于水上侦察、巡逻、救生等。

舟体材料多用玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢）、胶合板和橡胶布等。

水上多用操舟机驱动，也可用桨划行。

有些型冲锋舟，可以承载113人，时速最高可以达到120公里/小时[4]，主要用来在沿海或内河抢险之用，船是壳体，在做多个人的情况下，船内注满了水仍然可以继续航行，另一种是快型冲锋舟，船身是平底的，主要用于城市内涝。

水火箭又称气压式喷水火箭、水推进火箭[18]。

它的是原理基本上找的饮料的空瓶瓶身制作成动力能量室、箭的身体、箭的头部、尾吧、降落缓冲的伞。

打入三分之二的水气，在使用打气筒打进气体到一定的压强系数后力后开始进行发射了。

是利用水跟空气质量之间差值之比（水的密度是空气的六七百倍），压缩空气把水从火箭尾部的喷嘴高速朝外喷射，在反响的力的作用，水火箭能够快速的朝上的上升，加速度、惯性滑翔在空中飞行，像空中的子弹一样是一个飞行的痕迹，最后达到在一定的空中,在空气力开启降落伞慢慢的下落的火箭理想的模型。

救生筏是船舶配备的用于紧急情况下脱离危险区域，或从遇难船舶紧急撤离的设施和装备。

救生筏平时包装存放在玻璃钢存放筒内，救生筏安装在船舷专用筏架上，可将筏直接抛入水中，救生筏既可自动充胀成形，供遇险人员乘坐。

救生筏可以作为普通老百姓自备的一种防灾救生设施。

普通救生筏一般为无动力，只能依靠桨或人手前进，速度较慢。

[8]

1.4本论文研究内容、创新点、技术难点

根据指导老师下达的任务书要求，本论文设计出了一种水上救援器。

其具体的工作内容如下：

（1）分析比较国内外各种救生器特点，结合我国《水上救援》的规定制定新型救援器方案[8]，。

（2）借助网络、图书馆的相关资料文献完成对装置主要零件的设计、校核，并确定其尺寸大小。

其中主要设计和部件做详细的叙述。

（3）建立基于电磁感应系适应平台，完成对控制系统所需元件的选型，结合实际选择符合设计要求的电机、单片机和电磁感应器件。

（4）在SolidWorks软件中对爬楼梯机器人装置进行三维建模。

运用理论力学知识分析其运动可行性。

通过前面的阐述，本论文设计的救生器是一种新型的机-电-一体化的水上救援器械。

自适应平台可根据角度变化及时的调整水火箭发射平台以保证救生母体投放准确。

本论文的技术难关：

电动机驱动系统、自适应平台系统、齿轮齿条运动分析和单片机控制系统这四个系统的设计以保证它们可以稳定有效的发挥其各自作用。

2总体机构的设计

2.1水上救生器的设计方案

在设计水上救生器需要考几个难点：

（1）在恶劣水面环境中如何保证火箭发射的精度。

（2）利用什么能量来抛射救生器材能够保障效果与可靠。

（3）救生器的救援效率问题。

（4）救生器的成本控制与可靠性问题。

救生装置

救生网

救生筏

抛射式救生装置

救援速度

快速

慢速

较快

救援能力

弱

强

弱

操作难度

简单

复杂

一般

应用程度

较少

广泛

较少

成本控制

低

高

低

表2-1三种救生装置的性能比较

2.2水上救援器的设计及初步构想

针对海上救援过程中的时间紧，距落水者远，施救困难的问题，设计便携式的海上救生装置，可在舰艇上连续快速的发射救生母体，发射速度为每分钟8到12个，形成50到70平方米的救援面，距离可以达到180米左右。

设备总质量约为16公斤，长29.2公分，宽29.2公分，高25公分。

由自适应减摇平台，水火箭，救生母体三部分构成。

为了消除舰船的摇摆对水火箭发射时的影响，给其一个稳定的水平平台，可以利用磁控开关，落锤和机电一体化技术设计自适应减摇平台。

主要有自适应控制部分，机械部分，磁固定装置组成。

自适应控制包括平衡自动感应装置，蓄电池，交直流转换开关，继电器，电动机等。

机械部分包括X方向平衡调节模块，Y方向平衡调节模块,调节发射方向模块。

图2-1自适应减摇平台

工作原理

当平台不平衡时，底部的钢球在重力的作用下保持竖直，且带动丝杆绕万向支座活动，丝杆的磁铁发生位移，当磁铁离开初始位置向任何方向移动1毫米时，即触发四个磁控开关中的一个或两个，磁控开关导通，X方向，Y方向的平衡模块调节电机带动齿轮，通过齿轮和齿条配合将转动转化为直线运动，齿条通过万向联轴器带动平台运动使平台恢复平横，从而提高水火箭的发射精度。

控制流程如下：

平台倾斜——钢球及丝杆保持竖直——丝杆上的小磁块移动——磁性接近开关导通——电机工作

2.3水火箭

水火箭又称气压式喷水火箭、水推进火箭[18]。

它的是原理基本上找的饮料的空瓶瓶身制作成动力能量室、箭的身体、箭的头部、尾吧、降落缓冲的伞。

打入三分之二的水气，在使用打气筒打进气体到一定的压强系数后力后开始进行发射了。

是利用水跟空气质量之间差值之比（水的密度是空气的六七百倍），压缩空气把水从火箭尾部的喷嘴高速朝外喷射，在反响的力的作用，水火箭能够快速的朝上的上升，加速度、惯性滑翔在空中飞行，像空中的子弹一样是一个飞行的痕迹，最后达到在一定的空中,在空气力开启降落伞慢慢的下落的火箭理想的模型。

．把气体打入密闭的容器内，使得容器内空气的气压增大，当超过橡出．水火箭和火箭最大的不同，在于其推进的媒介由高温空气变成水而已。

在发射水火箭前会灌入空气达一定压力，由于高压会自然向低压流去，故在喷嘴被打开时，空气自然向喷嘴流去，但由于水挡在前方，故水会被空气推出火箭，而火箭也借此获得向前的速度水火箭的竖直升高高度与瓶内水位。

图2-2水火箭原理示意图

水火箭的竖直升高高度与瓶内水位的关系可以通过做实验的方法获得：

通过实验得出，当水量为1/3时，水火箭飞的最高．由实验结果看出：

气压与射程成正比．这是因为气压越大，喷水的力量越大，水火箭的冲量越大，水火箭做反冲运动．而在发射水量为1L以上的时间里，水火箭里水比不过没有完全的用完，可是气体的压强却正在减小这样后停滞了速度的增加，可以增强水火箭它的的重量因素，结果是水火箭在受重力作用下而早早的跌落下．质量越大，所需提供的动量就越大，当质量一定时，速度越大动量越大．而提高速度的方法是提高单位时间内的喷水量．所以，只有当水火箭内的气压与水量适当时，才能飞地更远更高．实验中发现，若水量大于固定气压所能喷射的上限，则水火箭中的水不会喷完，要如何避免水喷不完的情形呢？

根据PV=nRT，可求出一定气压所能喷出的水量上限．若是水量不够一定气压所能喷出的水量被较早喷完．根据理论，发射时我们先量出能灌进水火箭的最大值，再算出此气压能喷出的最大水量，根据此两数据装水灌气[15]，即可达到水火箭之最大射程（Pmax=Fmax×Mmax）[6]．

发射轨道对射程的影响:

固定水量600ml，发射仰角50°．利用无轨发射架和70cm发射架分别发射水火箭并记录结果及发射情况．比较发射轨道对飞行距离的影响．实验结果显示：

有轨及无轨发射器在同一冲量所造成的射程都差不多，可见有无轨道都不影响射程．但在冲量越小时，无轨发射器发射的水火箭容易常常偏离预定方向；而有轨发射器因为有两个支点，使水柱喷射时不产生其他方向的分力，因此水火箭能精确的直线前进．所以，有轨发射器在准确度上胜于无轨发弹头重量对发射轨道的影响:

固定水量600ml，发射仰角50°，使用有轨发射器．弹头依序放置填充物，质量为30g，40g，50g，60g．比较弹头重量对水火箭发射轨道的影响．由实验可知：

未加前置填充物的弹头，

因受到尾翼质量的影响，重心明显偏后．这时候，因为物体旋转时的中心为重心，所以我们可以把重心G当成支点，则在只受重力的情况下弹头即成一个以G为支点的平横杠杆．在飞行时，弹头A与弹尾B将受到相同的风阻影响，但由于力臂不同（AG>AB），所以A点所产生的力矩大于B点，故水火箭即会旋转影响航道．所以我们必须放前置填充物但在冲量越小时无轨发射器发射的水火箭容易常常偏离预定方向；而有轨发射器因为有两个支点，使水柱喷射时不易产生其他方向的分力，因此水火箭能精确的直线前进．所以，有轨发射器在准确度上胜于无轨发射器．弹头重量对发射轨道的影固定水量600ml，发射仰角50度使用有轨发射器．弹头依序放置填充质量为30g，40g，50g，60g比较弹头重量对水火箭发射轨道的影响未加前置填充物的弹头，因受到尾翼质量的影响，重心明显偏后。

这时候，因为物体旋转时的中心为重心，所以我们可以把重心G当成支点，则在只受重力的情况下弹头即成一个以G为支点的平横杠杆在飞行时弹头A与弹尾B将受到相同的风阻影响，但由于力臂不同（AG>AB所以A点所产生的力矩大于B点，故水火箭即会旋转影响航道．

由此可知我们需要把它放在前置的地方。

装在里面的东西回吧重心G向A蠕动朝力臂的方向，AG=BG意思是水火箭处于平衡状态中点，这个时候呢A和B回产生力臂跟力的矩就会相等，达到了平衡的状态但是还是有个问问I要是前面的里面放的东西太多的话，那么重力的中心心靠前就会形成成力的臂脖AG

所以，由实验的结果得知，填充物约65g为最好，而此时重心正好位于首尾中点．当然，这个质量是不确定的，因水火箭的不同而异发射仰角的影响固定水量500ml水，前置填充物，使用有轨发射器．分别使用发射仰角35°、45°、55°、65°、75°．比较发射仰角对水火箭发射距离的影响．水火箭由救生部分和动力部分组成，放置在发射底座上。

先向装有水的动力部冲入高压气体，然后依照距离通过双铰链结构来调节发射角度水火箭的竖直升高高度与瓶内水位的关系可以通过做实验的方法获得：

通过实验得出，当水量为1/3时，水火箭飞的最高．由实验结果看出：

气压与射程成正比．水火箭又称气压式喷水火箭、水推进火箭[18]。

它的是原理基本上找的饮料的空瓶瓶身制作成动力能量室、箭的身体、箭的头部、尾吧、降落缓冲的伞。

打入三分之二的水气，在使用打气筒打进气体到一定的压强系数后力后开始进行发射了。

是利用水跟空气质量之间差值之比（水的密度是空气的六七百倍），压缩空气把水从火箭尾部的喷嘴高速朝外喷射，在反响的力的作用，水火箭能够快速的朝上的上升，加速度、惯性滑翔在空中飞行，像空中的子弹一样是一个飞行的痕迹，最后达到在一定的空中,在空气力开启降落伞慢慢的下落的火箭理想的模型。

这是因为气压越大，喷水的力量越大，水火箭的冲量越大，水火箭做反冲运动．而在发射水量为1L以上的时间里，水火箭里水比不过没有完全的用完，可是气体的压强却正在减小这样后停滞了速度的增加，可以增强水火箭它的的重量因素，结果是水火箭在受重力作用下而早早的跌落下．，在将充好气的水火箭插入可伸缩卡槽，置于飞行导轨上线控手闸连接可收缩卡槽，捏动手闸，可收缩卡槽松开发射底座上的单项气阀，水火箭就去飞了，水火箭落水后，前部进水，自动救生圈的水敏元件遇水软化，弹簧推动机针刺破高压气瓶，形成救生平台。

2.4救生母体

救生母体为进行援救里的投送，我们选择了遇水可自动充气的救生圈。

并对救生圈进行改进。

在救生圈两边多脚。

触角为能漂浮轻质记忆塑料，解决了折叠后形状复原的问题。

可以扩大救生面积。

水敏材料的介绍与原理：

对水分子的吸附能力或对水分子产生物理效应的方法测量湿度的一种物质跟特殊的材料。

[22]有关湿度测量，早在16世纪就有记载。

许多古老的测量方法，如干湿球温度计、露点计等至今仍被广泛采用。

现代工业技术要求高精度、高可靠和连续地测量湿度，因而陆续出现了种类繁多的湿敏元件。

水火箭又称气压式喷水火箭、水推进火箭[18]。

它的是原理基本上找的饮料的空瓶瓶身制作成动力能量室、箭的身体、箭的头部、尾吧、降落缓冲的伞。

打入三分之二的水气，在使用打气筒打进气体到一定的压强系数后力后开始进行发射了。

是利用水跟空气质量之间差值之比（水的密度是空气的六七百倍），压缩空气把水从火箭尾部的喷嘴高速朝外喷射，在反响的力的作用，水火箭能够快速的朝上的上升，加速度、惯性滑翔在空中飞行，像空中的子弹一样是一个飞行的痕迹，最后达到在一定的空中,在空气力开启降落伞慢慢的下落的火箭理想的模型。

并且在母体上加了发光装置。

目的可以在夜里，被救援的人第一时间发现救生母体，也便于救生船只对落水狗定位。

实现快速的救援。

在将充好气的水火箭插入可伸缩卡槽，置于飞行导轨上线控手闸连接可收缩卡槽，捏动手闸，可收缩卡槽松开发射底座上的单项气阀，水火箭就去飞了，水火箭落水后，前部进水，自动救生圈的水敏元件遇水软化，弹簧推动机针刺破高压气瓶，形成救生平台。

图2-3救生母体主要部件

2.5自适应平台的控制系统的设计

本文所设计的控制系统包括磁鼓定部分：

平衡感应装置、蓄电池、交直流转换开关和继电器和电动机等。

机械部分包括：

X方向，Y方向的平衡模块，调节发射方向模块。

如图2-4所示:

这几个功能模块次序分明，功能独立，故采用该体系结构的控制系统具有较高的智能性。

齿轮齿条所受的的力矩的计算

由的力矩和∑,可知

=[]=（25.93150）/（160+150）=12.546

同理可得∑，可知

=[]=（25.93160）/（160+150）=13.383

同理可得绕支点1点的力矩和∑，可得

=[]=（65160）/（160+150）=33.548

同理可得∑，可得

=[]=（65150）/（160+150）=31.451

工作流程如图2-4所示：

2-4自适应控制流程图

3理论计算与实验验证

3.1电机的比较

电动机是自适应平台的核心零件，因此它在保证了自适应平台在调节过程中快速稳定、有效。

电动机的能量是来之蓄电池，既然这样能去考虑的的电机类型有就会有好几种了比如直流的电机、无刷直流电机和步进电机等等。

（1）步进电机

相对一般电机来说，步进电机不仅可以实现开环控制的命令，它的工作原理是通过驱动器的信号输入端输入的脉冲数量和频率，从而达到实现步进电机的速度和角度的控制，并且无需反馈信号，在使用的时候通常都是短距离频繁达到最佳状态[5]。

步进电机的控制性能比较好，它都是在少数脉冲单位内完成启动、停止、转动的动作。

并且步进电机还有一个优点，即在一定的频率范围内运转时，它做出任何运动方式都不会失真一步。

但是步进电机并不适合长时间在同样的方向上运转，这种情况容易烧坏机器，二且在低速运转的情况下噪声较大，稳定性较差[6]。

在比较三种电机的优缺点后，在结合本论文所设计的爬楼梯机器人小车在攀爬楼梯的过程中所具备的一些技术要求，故选用各项指标都表现的比较好的无刷直流电机作为整个机器人小车的驱动动力。

（2）直流电机

直流电机有两个优点：

一是调速容易，二是转矩比较大。

因此直流电机具有良好的启动、制动和调速的特点，使小车爬楼梯的在过程中表现的更加稳定可靠，机动性也比较好[7]。

另外转矩比较大，过载能力较强，这就让小车在爬楼梯、翻越障碍等过程作中可以轻松的应对。

但是工作过程中直流电机的碳刷和整流子磨损现象较为严重，故其使用寿命较短，且工作噪音较大，易产生火花，需要经常维护[8]。

（3）无刷直流电机

无刷直流电机除了具有直流电机的特点，还具备工作效率高、低速转矩、转速精度较高、无噪音、免维护、稳定性高的特性[9]。

综合比较三种电机的特性，优先选择无刷直流电机。

3.2影响水火箭射程的因素

发射角度,对水火箭发射远近是尤其重要的.许多人根据所学知识或是想当然或是直觉会认为是45度,但是通过研究显示,45度似乎并不是最远的,应该是50度左右最好.当然,这也只是对于大多数水火箭来说的,做好是自己去亲自试验.打气程度倒是不必多说,因为打气方式使结果都差不多,

不过,本人认为最好还是用力快打,这样的喷射初始效果会略好.环境因素的确是一大难题.因为环境的不同就得用不同的水火箭.最主要的环境因素是风,风的大小方向都是致命的因素.当一切都有利——风是向前吹而且还算大的时候,就可以用长翼水火箭了.当风比较小或无风时,便可以用旋转水火箭了.而短翼水火箭则是大多时候不受环境影响水量对发射就距离的影响水火箭又称气压式喷水火箭、水推进火箭[18]。

它的是原理基本上找的饮料的空瓶瓶身制作成动力能量室、箭的身体、箭的头部、尾吧、降落缓冲的伞。

打入三分之二的水气，在使用打气筒打进气体到一定的压强系数后力后开始进行发射了。

是利用水跟空气质量之间差值之比（水的密度是空气的六七百倍），压缩空气把水从火箭尾部的喷嘴高速朝外喷射，在反响的力的作用，水火箭能够快速的朝上的上升，加速度、惯性滑翔在空中飞行，像空中的子弹一样是一个飞行的痕迹，最后达到在一定的空中,在空气力开启降落伞慢慢的下落的火箭理想的模型。

水火箭的理论的发射射程跟瓶子中装的液体水的多或者少的的数学关系能从实记得操作里得到的：

即水瓶的当量大概是百分之二十五的时候是水火箭的距离可以飞的最高也最帮了出色。

实验表明8个标准大气压，55度发射角，2.5升瓶子注入650毫升水时发