机械创新设计大作业之救灾背包设计

机械创新设计

题目：多功能救灾背包设计

学院：机电工程

专业：机械设计制造及其自动化

目录

摘要 (3)

1.研制背景及意义 (3)

2.设计方案

a)总体设计构想 (4)

b)金属框架方案比较

c)背包侧连接机构方案比较 (5)

d)背包与担架布体方案比较

3.理论设计计算

a)总体尺寸设计 (7)

b)强度与刚度校核 (8)

4.工作原理及性能

a)工作原理 (11)

b)性能 (14)

5.创新点及应用 (15)

6.参考文献 (16)

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。

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

2.3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

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

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）。

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mm L 1760=。

已知：担架杆的材料为铝合金6070，屈服强度Mpa 276=s δ，弹性模量Gpa E 70=，取安全系数2.1=s ，担架杆的外径为mm 28φ，内径为mm 24φ，设计承受最大重量为120kg ，受力如图10所示。

图10 担架杆受力图

（１）计算最大工作载荷

担架承受最大的载荷

1200N 10N 120mg G =?==

单根担架杆承受的最大载荷

N 600N 2

12002G F === 担架杆

120kg

均布载荷

m N m N 91.34076

.1600L F q === （２）计算支座反力

由载荷的对称性可知：

Ｎ300N 2

6002F F F RB RA ==== （３）计算剪力）（x s F 和弯矩）

（x s M 剪力qx F x RA s -=)(F 弯矩22

1)(M qx x F x RA s -= （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

444444

109.31])2824(1[6428])(1[64I mm D d D z ?=-=-=ππ 抗弯界面系数

334

max z 86.99214

1039.1y I W mm mm =?==

最大弯曲正应力

Mpa pa W M 94.1321086.9921329

max max =?==-σ （６）校核担架杆的强度

许用弯曲应力

[]Mpa Mpa s s

2302

.1276===σσ 显然][max σσ<，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：

cm m EI qL z 4.4044.01039.1107038476.191.340538452

34

4max -=-=??????-=-=-ω 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。

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

（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。

帐篷包

图21 开合装置

拉开担架

（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。

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。

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。

5 创新点及应用

5.1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。

5.2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