机械创新课程设计范例

1、机械创新设计课程设计17D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：刘小鹏设计题目：鱼式水下搜救器2011年3月19日鱼式水下搜救器一、设计任务简述口常生活或突发灾难中，经常要进行水下搜救、监视、打捞工作。现己有的方法主要有 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; 另一种是采用水卜监视打捞器打捞，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

2、、整套装置以本高：仃的只具救生功能没仃打捞功能, 有的只适用于救生，功能单一.鉴于此，我们设计了一种集务功能于一体的简易救生器，其 应用前景广泛。系统设计流程：二、设计分析1、鱼式水下搜救器的功能与设计要求(1)功能本搜救器道于水卜.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。"测最目标深度 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14实现功能的物理效应控制物体位移机械力：液体动力：振动：帽性力传递能鼠(机械能、热能、辐射能、电能)无线电传送；链传动

3、：形变：齿轮机构：统杆传动技木特性参数：14强度 21功率 28测试精度35适用性和多1运动物体的质量9速度用性 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 题解决的原理：35. d一改变物体的温度或体枳等参数。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卜必然会受到水压，所以要

4、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。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搜救器电路变得其朵，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一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，为了达到鱼式水卜搜救器功能多样性，扩大搜救器的使用范围， 同时又要减小装

5、置的其杂性，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卜搜与救于一身，整个船体的上浮、卜.沉是用气囊的充放气来实现的： 般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，可得知卜潜的深度，从而确定搜救器水卜的准确位置; 当通过摄像头搜寻到目标时就可以通过电磁阀，放卜救生钩，勾住目标，然后让'（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

6、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'（囊的充放'（来实现的，J囊安装在上盖板两个隔舱 中，三通管与*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：图一 1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，肉眼就町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。

7、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-LLLL-LULL-LLLL.Ul-LL-LULL-LULL-LULLLULL-LULL-LULLLULLLULLLULLLULL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SOOMOOmm短线固定在 卜箱体的腹部。图六电磁阀图五救生钩4、无线电路控制原理水卜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、电池幽以及 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

8、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：I LCD蹒H O 肪#M o依。础。50 用 OMOJO 珈秋做显揣图L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、设计方案船体的设计图九上盖板图十卜箱体船体分为上下两个船，上舱安放气囊,与外界相通的，卜噬是完全密封的，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1<950 y-C spv2 = -xl.2x r_x10'3 xlxl03x0

9、.5 = 4.68N (1)22 I 2（C,为流体阻力系数，经查经验数据表的C°=12, s为船体的横截面积，p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卜箱体尾部的左、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，由控制面板无线独立控制，可实现前进，后退，左右转弯功能。如图所示：具体计算如卜.: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14,

10、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lxl03kg/m3 oT= Ktpii2D4 =0.75*xlxl03xn2 x0.0754 = 2.34N.I_TI 234,所 Un = r = J3t = 9.9r /sVKt)®4 V0.75*xlxl03 x0.0754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 滑接触而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,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

11、四密封装置装配图十四密封装置零件图(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具体计算如卜.: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：<250xlO-3 I x40xl0-3m3 = 0.002Q113/2HASxlO"3 | x290xl0"3m3 =0.007ii?中间排水体枳：2)右谜堆*侏急 穿xlO-3)x85xl0-3m3 = 0.0042in3后端排水体枳： 2)排水总体积 V总=叫+巧+%=0 0133赤由船体自身产生的浮力：0 = p N g = 103 x0

12、.0133x9.8N = 13Q34N 折合/13.3k。孚力1囊产生最大浮力计算：水舱体积 v； =v2 = 0.0071m3水舱间隙体枳y, l；w =o.ooi in3气囊允许排水最大体积：Vy.覆=v, 一Y再隙=o oo6Qn3气囊产生最大浮力：F2 = io3 x0.006x9.8N = 5&8N 折合为5.0k衅力船体及气囊产生的总浮力：F总=耳+ F? = 189.14N 折合为L9.3kg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，何电磁阀控制，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

13、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殍搜发板相连，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R五、功能特点本作品的功能及特点如卜.：(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卜沉，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纶显示器，可以得到清晰的水卜.环境。(5) 直流电磁铁将救生钩吸附在卜箱体上，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玦传输给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卜动密封的问题。(4) 利用浮球巧妙地解决了水下