机械创新课程设计范例

机械创新设计课程设计

院 系：机械工程学院 班 级：08 创新班

成 员：吴龙（0810111722） 闫浩（0810111723）

陈曦（0810111706） 指导老师：*** 设计题目：鱼式水下搜救器

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2011年3月19日

鱼式水下搜救器

一、设计任务简述

日常生活或突发灾难中，经常要进行水下搜救、监视、打捞工作。现已有的方法主要有三种：一种是救援人员潜水进行打捞，潜水打捞危险，且不易深水打捞，成本高，适应性差；另一种是采用水下监视打捞器打捞，由于杆的长度及人的控制能力有限，局限性大，也不易在稍深水域打捞；还有一种是救援人员利用各种打捞装置进行深水打捞，这种装置设备高档齐全、装置操作复杂、救助功能不全、整套装置成本高；有的只具救生功能没有打捞功能，有的只适用于救生，功能单一。鉴于此，我们设计了一种集各功能于一体的简易救生器，其应用前景广泛。

系统设计流程：

稳定功能

总功能 总功能原理解 构思工艺动作过程 工艺过程分解 执行功能 替换功能 机械整体 确定若干系统可行方案 方案评价、决策 综合最优方案 2

二、设计分析

1、鱼式水下搜救器的功能与设计要求

（1） 功能

本搜救器适于水下十米处对溺水人员进行搜救或物体进行探位，从而帮助潜水搜救人员对营救目标进行定位进而施救。

本搜救器自带摄像头，工作人员可随时监控其工作情况。可测量目标深度. 方便潜水搜救人员装备适宜的抗压工作服。

基于TRIZ理论进行设计分析 问题解决过程

实现功能的物理效应

控制物体位移 传递能量（机械能、热能、辐无线电传送；链传动；形变；齿轮机构；丝杆传动 射能、电能） 机械力；液体动力；振动；惯性力

技术特性参数：

1运动物体的质量 9速度 14强度 21功率 28测试精度 35适用性和多用性 36装置的复杂性

要扩大装置的35适用范围和多用性就必然会导致36装置的复杂性提高。由冲突解决矩阵可以得问题解决的原理：

15． b．把物体的结构分成既可变化又可相互配合的若干组成部分。为此我们为搜救器

设计了动力装置、定位装置、救生装置、无线电路控制装置。

要提高装置的9速度，就要提高电机转速，而降低21功率。由冲突解决矩阵可以得到问

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题解决的原理：

35．d.改变物体的温度或体积等参数。我们将搜救器船身设计成半球状既减少阻力又减少了体积。

由于搜救器工作在水下必然会受到水压，所以要考虑提高船身5强度，这样会使整个装置14质量增加，由冲突解决矩阵可以得问题解决的原理：

27．廉价替代品，用廉价可丢弃的物体替代昂贵的物体。于是我们想到了用废旧的煤气罐做船体，这样就解决了船身强度不够的问题。

由于搜救器在水下工作而搜救人员在岸上操作，不能即时判断水下搜救情况，为了提高搜救28精度，会是导致36搜救器电路变得复杂，由冲突解决矩阵可以得问题解决的原理：

26．复制，b.用图像代替物体，并可进行放大和缩小。c.用红外或紫外光去替代可见光，我们在搜救器上安装了红外摄像头。很好的解决了这一问题。

综上，在方案设计中，为了达到鱼式水下搜救器功能多样性，扩大搜救器的使用范围，同时又要减小装置的复杂性，我们将搜救器结构设计分成既可变化又可相互配合的若干组成部分。

三、工作原理

鱼式搜救器集水下搜与救于一身，整个船体的上浮、下沉是用气囊的充放气来实现的；船体尾部装有两个螺旋桨，来实现前进后退和拐弯；船体上带有远红外摄像头，经过无线传输，岸上的救援者就可看到真实的水下环境；通过浮在水面的浮漂式气管可得到其在水面的准确位置，压力传感器的数据显示，可得知下潜的深度，从而确定搜救器水下的准确位置；当通过摄像头搜寻到目标时就可以通过电磁阀，放下救生钩，勾住目标，然后让气囊充气上浮。此为搜救器的全部工作过程。整个装置与水面上的控制面板之间的的无限通信控制和传输数据都是通过浮在水面上的浮球里的信号搜发起实现的。

综上所述整个装置可分为个模块，下面重点介绍。 １﹑气囊

本搜救器在水中的升降是用两个气囊的充放气来实现的，气囊安装在上盖板两个隔舱中，三通管与气囊相连，气囊分前后两舱安装，三通管另一端通过电磁阀与气泵相连利用气泵来给气囊充气。电磁阀与气泵安装在下箱体中。如图一所示：

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图一 气囊图

２﹑定位装置

本装置的水平定位是利用浮漂式气管实现的，而深度定位是利用固定在下箱体中的压力传感器实现的。浮漂式气管浮在水面上，肉眼就可清楚的知道其在水面的位置，而压力传感器通过压力传感器控制电路、主控制器与电源相连，数据信号可以通过无线传输传到LCD显示屏上。压力传感器的精确度可达5cm，能提供精准的水下位置深度。

如图所示：

图二 图三 浮漂式气管

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图四 压力传感器

３﹑救生装置工作原理

救生装置包括电磁铁和救生钩，安装在下箱体的电磁铁通过电磁铁操控电路、主控制器与电源相连，电磁铁的通、断电由控制面板无线控制。救生钩通过300~400mm短线固定在下箱体的腹部。

图五 救生钩 图六 电磁阀

4﹑无线电路控制原理

水下搜救器的船舱体中所包含的压力传感器、红外摄像头、电机的驱动、电池阀以及电磁铁的控制部分电路经通过与漂浮在水面的浮球里的无线发射板相连，利用其与控制面板的信号收发器接收和输出进行传输。各个部分的控制都将通过控制面板进行操控。操控面板如图所示：

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图七 无线电路控制面板

总控制电路如图所示：

图八 总控制电路示意图

四、设计方案

(1)船体的设计

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图九 上盖板 图十下箱体

船体分为上下两个舱，上舱安放气囊，与外界相通的，下舱是完全密封的，里面安装有蓄电池，气泵，电磁阀，控制电路板，摄像头，电机等，是完全密封的。

为了尽可能减少船体的阻力，我们设计了鱼式船体，整个船体成圆柱形，其水下阻力为

11250fCvsv21.210311030.54.68N ……………（1）

222（Cv为流体阻力系数，经查经验数据表的Cv=1.2，s为船体的横截面积，为流体密度，v为船体速度，这里按照船体全速前进的速度0.5m/s计算）

（2）动力装置及密封设计

动力装置包括安装在下箱体尾部的左、右电机，电机轴上安装的左、右螺旋桨，电机轴通过防水密封套件固定在下箱体后板上，电机通过电机驱动电路、主控制器与电源相连,由控制面板无线控制，可实现前进，后退，左右转弯功能。如图所示：

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具体计算如下：

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由式（1）可知，船体的阻力为4.68N。

推进器的推力应该大于等于4.68N,则一个推进器的推力则为T=2.34N。

螺旋桨的螺距比H/D为1.4，直径为75mm，推力系数Kt查经验数据表的0.75，设定流体的密度为110kg/m3 。

3TKtn2D40.75*1103n20.07542.34N所以nTKtD4 2.349.9r/s0.75*11030.0754所以选择电机转速为10r/s，即600r/min.

防水密封的设计：电机轴上安装有螺旋桨，所以要做到转动过程中的密封，我们采用光滑接触面摩擦无缝隙防水装置。利用两个受压的光滑平面，其中一个平面与船体固定，另一个与传动轴固定，并通过弹簧使两个平面紧密结合从而达到轴转动密封不漏水的作用。

图十四 密封装置装配图

图

十四 密封

装置零件图

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（3）气囊的设计

气囊采用软胶制作成鱼漂式气囊，前后放置在上箱体中，在充气时可以在箱体中随着箱体的形状变大，从而产生浮力。

图十五 气囊 具体计算如下： 零件全重7.34kg 船体重8.95kg 全重16.29kg

船体自身产生的浮力计算:

250 前端排水体积: V110340103m30.0020m3

2V2103290103m30.0071m3中间排水体积: 22222502250V310385103m30.0042m3后端排水体积: 23排水总体积: V总=V1+V2+V3=0.0133m

由船体自身产生的浮力:

F1水V总g1030.01339.8N130.34N 折合为13.3kg浮力

气囊产生最大浮力计算:

水舱体积 V2V20.0071m3

3水舱间隙体积 V间隙0.0011m

气囊允许排水最大体积:

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V气囊V2V间隙0.0060m3

气囊产生最大浮力:

F2水V气囊g1030.0069.8N58.8N 折合为6.0kg浮力

船体及气囊产生的总浮力:

F总F1F21.14N 折合为19.3kg浮力

浮力F总大于全重，故满足设计要求。

（4）救生钩的设计

救生钩安装在船体下部，有电磁阀控制，在搜寻过程中是收起来的，当发现目标后，电池阀断电，救生钩失去磁力，悬挂下来，勾出目标，就可上浮。

图十六 救生钩 （5）浮漂式气管的设计：

此气管首先使得气泵与大气相通，实现对气囊的充气；其次里面包有电线，使得舱内的电气元件浮球里的信号搜发板相连，从而实现无线通信与控制。最后则可起到水面定位的作用。

图十七 浮漂式气管 （6）控制电路设计

整个系统的控制电路图如下：

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五、功能特点

本作品的功能及特点如下：

(1)首先本搜救器，集搜与救于一身，体积小巧，操作方便，采用两个气囊前后放置，对其充放气控制箱体上浮下沉，保证平稳性和快速性。 (2)采用双电力驱动，无线遥控操控，可同时同向、反向转。 (3)防水密封的设置使船体达到完全密封的。

(4)红外无线传输摄像头通过无线传输将信号传给显示器，可以得到清晰的水下环境。 (5)直流电磁铁将救生钩吸附在下箱体上，待搜到人或物体时，将电磁铁断电释放救生钩调整船体位置即可钩取物体。

(6)深度传感器可以将数字信号通过无线收发模块传输给LED显示屏，得到准确位置。

六、主要创新点

(1)对鱼漂式气囊充、放气，巧妙地解决了船体的上升和下潜的问题，结构简单。 (2 )利用浮漂定位，可以直观的看到搜救器的具体方位。

(3)利用两个受压的光滑平面，巧妙地解决了螺旋桨传动轴在水下动密封的问题。 (4)利用浮球巧妙地解决了水下多种信号无线传输屏蔽的问题。

(5)利用压力传感器，可以准确定位搜救器的深度，通过人为控制可以很准确的控制搜救器在不同水深进行搜救。

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七、作品外形照片

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参 考 文 献

[1] 张春林. 机械创新设计.北京：机械工业出版社，2010.

[2] 哈尔冰工业大学理论力学教研室. 理论力学.北京：高等教育出版社2010.

[3] 王槐斌 吴建国 周国平.电路与电子简明教程.武汉：华中科技大学出版社，2008.

[4] 杨紫光 机械创新设计 .北京：北京大学出版社，2008.

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