单位文秘网 2021-07-04 01:13:03 点击: 次
摘 要:在深井(洞)救援中,由于空间狭窄且光线较暗,救援人员难以直接接触到被救者,增大了救援难度,常常错失了最佳救援时间。本设计是一种无须救援人员下井且能及时实施救援的深井救生工具。本装置主要由加长杆、铰链架、夹挂头、探照灯四部分组成。多次模拟救援试验结果表明该装置设计合理,安全可靠,实用性强。此外还具有结构简单、成本低廉、便于携带等优点,具有极大的推广使用价值。
关键词:深井 救生器
一、研制背景及意义
目前国内深井救援面临多种困难,如救援环境恶劣、器材匮乏,都导致救援人员在设计救援方案时,面临很多限制。一般采取的救援方案都是将救援人员送入井内实施救援,一方面深井口径过小限制了救援人员的行动,另一方面井下环境恶劣,难以保证救援人员的人身安全。
2007年7月9日上午九点五十分,湖南省永州市陵区消防中队在实施救援时一名消防人员不慎掉入一小口矿井,。由于是废弃的矿井,从井口到井底基本上是垂直的,井内空气不流通,造成井下严重缺氧,CO、CO2、H2S等有毒气体浓度偏高,使救援人员面临生命威胁。并且矿井井口宽仅为1.5米,深约20多米,矿井内能见度极差,根本无法判断被困者的准确位置和安全情况。二次下井实施救援时,虽然营救出了遇难者,但由于在救援中,再次下井的消防队员的空气呼吸器在狭小的空间里被刮落,吸入了大量有毒气体,致使其昏倒在了井口。因此环境条件的恶劣,给下井救援带来了极大的危险。
由此可见,目前在国内的深井救援过程中,救援器材的缺乏,给救援带来了很大的困难。当人不慎落入小口径深井或夹缝中,在无法得知井中的环境如何时,救援人员下井实施救援会有极大的危险性,为能快速准确的实施救援,同时保证被救人员的安全,我们设计制作了该深井救生器,相信会在深井救援中起到重要的作用。
二、方案设计
1.井上控制
通过一根钢丝绳和两根弹簧控制支子架和夹挂器的张开与闭合,另外通过可加长杆的链接提供合适的下井深度。
用一根绳索实现对夹挂器的张开,利用提升可加长管控制夹挂和提升被救人员,易操作且可靠性强。
2.井下夹持并旋转挂紧
救生器深入井缝中,对被救人实施初期夹持。救生器利用的是反剪刀杠杆原理,属于费力杠杆,被救人员难于靠自重自锁加紧。故需下一步:旋转挂紧。
对被救人实施初期夹持,夹挂器可完全贴紧被救人身体,为旋转挂紧提供了必要条件。当夹挂器旋转于被救者腋下时,由井上营救人员实施提起动作。
“钢性夹片”更容易控制深井救生器的方向;增加“可加长杆”使深井救生器可以延伸到需要的深度;增加“可换夹挂器”可对不同对象进行施救,使应用范围更加广泛。
3.井下光源
当夜间或井深达到一定程度时,光线过暗不利于救援实施。针对这一点,救生器上装有一探照灯,可以使救援人员更准确的夹挂到被救人员,从而提高救援效率。
三、机械结构设计
本装置机械机构图如图1所示,它分为四部分,分别为可加长杆、伸缩架、夹挂头、照明装置。
图1 深井救生器结构(单位mm)
1.可加长杆可加长杆包括:首节杆、加长杆和螺纹套。其中首节杆①:长545mm;其他加长杆②可根据需要确定,每节长度为约2000—4000mm;两者之间的联接通过螺纹套实现,使将夹挂器达到井(缝)的所需深度,并且钢管中穿以张角控制绳,用来控制支子架的张角。
2.伸缩架主要包括:筋板③、伸缩架导轨④、复位弹簧⑤、支子架⑥、刚性夹片⑦、可换夹挂器⑧、张角控制绳⑨。其中筋板③:增加提升时装置的受力强度。伸缩架导轨④:用于安放弹簧,筋板和支子架,且承载拉力。钢筋上有螺纹,用以固定弹簧,筋板。复位弹簧⑤:当支子架受拉收缩时,弹力控制支子架自动闭合恢复。支子架⑥:链接钢件。主要是通过钢丝绳控制支子架的收缩,达到控制夹挂器的张开角度,起受力支撑作用。刚性夹片⑦:主要用于限制伸缩架前后左右摆动。夹挂器⑧:夹挂器属装置的执行机构,工作时直接夹持施救对象,旋转挂牢。张角控制绳⑨:通过控制钢丝绳控制伸缩架及夹挂器的张开。
3.可换夹挂器根据不同的救助对象,我们可以更换不同的夹挂器,使应用范围更加广泛。该装置拥有一组不同用途的夹挂器,在实际使用中可以根据施救对象的具体情况选用相应的夹挂器。用于夹持人员或其他物品。
4.照明装置⑩通过可充电电池和发光二极管,实现照明。
四、理论分析计算
为保证本装置的可靠性,我们在设计时根据实际情况进行了相关的理论计算,在计算时假设被救人员的质量为100Kg,具体计算分析如下:假设使用夹紧方式把人拉出井口,经查阅相关资料,人体能承受最大压强为400KN/m2。
夹挂器为钢管制造,静摩擦系数为u=0.21,则夹紧方案给人提供的夹紧压力大小为:F=G/u=1000N/0.21=4761.90N且夹紧装置与人的接触面积约为S=0.004m2则夹紧装置对人的压强为P=F/S=1190.48KN/m2>>400KN/m2。可见这种方式极易夹伤被救人员。故不能使用夹紧方式,应使用旋转挂紧方式。
图2 闭角计算示意图图3张角计算示意图
(1)如图2,闭合时支子架夹角为60°(图中所示F3与F2夹角为90°,F1与F2夹角为45°):
F1*COS15°=500N
F1=520.83N
F2=F1*COS45°=368.23N
F3=F1*sin45°=368.23N
F4=5/3F3=613.72N
Fx=F4*COS60°=306.86N
Fy=F4*sin60°=443.90N
此时夹挂器的夹持力度为2F1*sin15°=269.60N<<400KN/m2*0.004m2=1600N.
此力度难以夹紧被救人员,故使用旋转挂紧方式。
(2)如图3,支子架夹角为张开角100°时,所提被救人员重为100KG则杆件受力如下(图中所示F3与F2夹角为90°,F1与F2的夹角为45°):
F1*COS5°=500N
F1=502.01N
F1*COS45°=F2=354.92N
F3=F1*sin45°=354.92N
F4=5/3F2=591.53N
Fx=F4*COS40°=453.14N
Fy=F4*sin40°=380.23N
此时夹挂手的力度为2F1*sin5°=87.51N<<400KN/m2*0.004m2=1600N.
此力度难以夹紧被救人员,故使用旋转挂紧方式。
(3)联接件的强度校核:
如图4所示螺杆的材料为20号钢,材料的许用剪应力为[τ]=30MPa,钢板的许用挤压应力为[σ]=100MPa。人的自重为G=1KN。
最大剪应力τ=G/A=1000*4/π*0.0052=5MPa<<30MPa;
最大挤压应力σ=G/d*t=1000/0.005*0.015=13MPa<<100MPa。
综合上述力的计算,材料的强度符合要求。
五、工作原理及性能分析:
该装置属可拆装组合器件,主要由四部分组成,分别是可加长杆、可伸缩支子架、夹挂器、探照灯,当需要救援时可随时进行简单拼装组合。装置主要依据反剪刀费力杠杆原理。
在实际营救中,打开探照灯,救援人员可以根据井的深度来调节杆的长度,同时可以通过张角控制绳来调节支子架的伸缩,以调节夹挂器的张口大小从而适用于不同胸围尺寸的被救人员,由于加长杆和夹挂器是硬联接,所以当夹挂器触及到被救者的腰部左右时,通过适当旋转杆同时也就旋转了夹挂器,使夹挂器正好卡在被救者的腋下,最后把被救者从深井中救出,该装置整体入井直径小,可下入口径最小为42cm的井或缝中。另外由于在夹挂器的上部安装了探照灯使井上的营救人员更容易准确地操作本装置。
六、推广应用
本设计具有可靠性高、便于操作、成本低廉、便于携带、适应范围广等优点(实物如图5所示),所以本设计具有很好的推广前景,相信可以给井下救援带来极大的便利。
七、总结
深井救生器在救援不慎掉入小口径深井中的人员时,方便而快捷。它便于携带安装和拆卸。对于不同的救援目标,我们可配以不同夹挂器;又因为其为硬联接,可以快速定位,将人提起。
参考文献:
1.吴宗泽.机械设计.人民交通出版社.2006,01
2.栾学钢.机械原理与机械零件.高等教育出版社.2006,05
3.刘达,和兴锁.工程力学.西北工业大学出版社.2009,01
4.王兆安,刘进军.电力电子技术.机械工业出版社.2009,01
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